“05·6”华南持续性暴雨发生前上对流层及平流层异常信号分析

利用欧洲中心ERA-Interim再分析资料,对"05·6"华南持续性暴雨发生前上对流层及平流层信号进行分析。分析结果表明,暴雨发生前一周,暴雨区域上空对流层顶高度出现先降低后升高再降低的变化,这种变化与日本南部的位涡异常存在较好的对应关系,即我国中纬度沿海一带至日本的高位涡带向华南延伸,使得华南地区上空的位涡升高,对流层顶下降。在环流场中,本次暴雨发生前低纬地区上对流层下平流层（UTLS）区域的东风与1991~2010年平均值相比偏强偏北,华南地区上空平流层东风场也偏强,平流层低层东风在暴雨发生前第9天提早向下传播;位势高度场中,"05·6"华南暴雨发生前中低纬度100 hPa上的南亚高压中心位置偏东偏南;华南地区UTLS区域有较强的位势高度场正异常,在暴雨发生前随时间出现两次明显的加强,但在暴雨发生后减弱。南亚高压中心位置的偏移、东风信号的提早下传、高位涡空气入侵华南均有利于降水的发生。     

1993年北半球环流特征及其对我国天气气候的影响

１９９３年北半球主要环流特征表现为：５００ｈＰａ副产持续加强西伸，位置偏南；亚洲中纬度春，夏经向环流发展，东亚太平洋遥相关型稳定；西藏高原５００ｈＰａ位势高度持续偏高，印缅槽持续偏弱；１００ｈＰａ位势高度场低纬持续偏高，中，高纬持续偏低，夏季南亚高压位置异常偏高。热带海洋出现明显异常，一次新的厄尔尼诺现象发生。热带海洋和北半球大气环流的异常对我国天气气候产生明显影响。     

平流层环状模的分类特征及其与对流层的关系

采用NCEP/NCAR逐日再分析资料,通过对北半球环状模指数的分析,将平流层异常分为两类:S型和D型,研究了两类平流层异常过程的差异及其与对流层的关系.结果表明,两种类型的异常特征在平流层类似,而主要的差别发生在对流层.在S型平流层异常期间,平流层纬向风异常有随时间向下传播的趋势,对流层表现为与平流层一致连续的纬向风异常;位势高度和温度距平场的分布中,最显著的特征是对流层与平流层呈相当正压结构,极区和中纬度异常表现为反位相的振荡,呈现典型的北极涛动特征.在D型平流层异常期间,平流层纬向风异常随时间向下传播的趋势不存在,另外平流层纬向风异常仅局限在平流层范围内,对流层表现为与平流层相反的纬向风异常;位势高度和温度距平场的分布中,平流层中低层与高层呈现反位相的距平分布,在对流层中低层,温度和位势高度的距平场呈现无规则的分布.     

涡动在南北半球平流层极涡崩溃过程中作用的比较

比较了南北半球春季平流层极涡的崩溃过程以及涡动在此崩溃过程中的作用。极涡的崩溃时间以平流层极夜急流核区最后一次西风转换为东风的时间来确定。结果表明南北半球平流层极涡的崩溃过程有着共同的特点,涡动和非绝热加热过程都对极涡的崩溃起着重要的作用,在极涡崩溃前平流层行星尺度波动活动明显,极涡崩溃以后,这种波动活动便迅速减弱。其中从对流层上传的行星波决定着极涡的具体崩溃时间。两个半球的差别主要表现在南半球极涡崩溃过程一般始于平流层高层,然后逐渐下传,而北半球这种下传不是很明显。其次,北半球平流层极涡崩溃偏晚年,极涡的减弱有两次过程,第一次为快速变化过程,第二次变化比较缓慢,而南半球平流层极涡崩溃无论早晚年只有一次减弱过程。长期的变化趋势分析表明南北半球平流层极涡的崩溃时间逐渐推迟,特别是20世纪90年代中后期以来,这种推迟更加明显。进一步的研究还发现,伴随着平流层极涡的崩溃过程平流层和对流层存在强烈的动力耦合,南北半球极涡迅速减弱前,各自半球的环状模指数也由负指数增加为正指数,表明低层环流对于平流层极涡的崩溃起到重要的作用;同时极涡不同强度所对应的低层环状模指数也不同,这可能与不同强度平流层极涡对于上传的行星波的反射有关。     

2003—2004年冬季北半球平流层极涡在等熵位涡坐标下的动力分析

利用欧洲中尺度天气预报中心(ECMWF)逐日的60层模式资料构建了半拉格朗日的二维θ-PVLAT坐标,在新坐标中对2003-2004年冬季北半球平流层极涡的活动过程进行诊断分析.通过对位涡距平场在新坐标下的EOF分析得到极涡扰动指数,由该指数出发对风场、温度场进行超前/滞后回归分析.得到极涡活动过程中平、对流层大气的环流输送特征.结果表明:(1)θ-PVLAT坐标有很好的物质性,它能够较好地反映出空气物质的输送特征,尤其在北半球冬季的高纬度地区它能更加真实的表达出大气环流风场、温度场的变化;(2)在极涡活动过程中平流层里存在着一对向极、向下的传播模态,不同符号的纬向风和温度异常的信号沿着这两个模态传播,而对流层中也有一向赤道的传播模态;(3)平流层中向极、向下的传播模态和对流层中向赤道的传播模态在时间上存在着一定的联系,当纬向风异常在高层传播到达极区时,低层开始向赤道传播;(4)整个极涡活动过程可以用一个非绝热加热作用和斜压波动作用共同驱动的经圈质量环流解释,这一环流造成了中低纬度地区的暖空气和极地区域的冷空气在平流层一对流层之间交换,对整层大气的热力、动力结构进行了重新组合.     

2019年4月广州白云机场持续暴雨前对流层顶和平流层异常信号分析

利用欧洲中心ERA5再分析资料和广州白云机场自动观测系统降水资料,分析2019年4月白云机场持续暴雨前对流层顶和平流层的信号特征。分析发现,2019年4月中下旬,广州白云机场出现了3次持续时间长、降水量大的持续性暴雨过程,降水较往年同期显著偏多。研究结果表明,3次持续暴雨发生前,对流层顶高度出现了下降,平流层高位涡冷空气入侵,机场上空位涡升高;在环流场中,中低纬地区对流层顶和平流层东风偏强,向北和向下传播,广州白云机场终端区在暴雨发生前西风持续下传;广州白云机场上空暴雨发生前对流层顶至平流层位势高度正异常。暴雨发生前,平流层冷空气高位涡移入、对流层顶下降、西风的下传均有利于持续性暴雨的生成。     

热带加热异常影响冬季平流层极涡强度的数值模拟

本文利用大气环流模式SAMIL/LASG,通过选择两种对流参数化方案,研究了热带加热异常对热带外平流层模拟的影响。结果表明,因不同对流参数化方案引起的热带对流加热状况的差异,可显著影响模式对北半球冬季平流层极涡强度的模拟偏差。与采用Manabe对流参数化方案相比,采用Tiedtke参数化方案可以显著改善对平流层极涡强度的模拟,使平流层极涡“过强”及极区“过冷”的模拟偏差得到明显改善。研究其中的影响过程发现,由于Manabe方案最大凝结潜热加热高度过低,在对流层中低层;而Tiedtke方案的最大凝结潜热加热位置在对流层中上层,因而Tiedtke(Manabe)方案时热带大气温度在对流层中上层较为偏暖(偏冷),在平流层低层较为偏冷(偏暖)。自秋季开始,与热带对流层高层温度的暖偏差相联系,热带外对流层高层以及热带平流层低层出现伴随的温度冷偏差;与之对应,平流层中纬度从秋季开始也出现持续的温度暖偏差。另外,随着秋冬季节平流层行星波活动的出现,Tiedtke方案时热带外地区行星波1波的强度也明显强于Manabe方案,使得秋冬季节涡动引起的向极热通量在Tiedtke方案时明显偏强,从而造成了冬季平流层极区温度偏暖、极涡强度偏弱。     

1995年北半球主要环流特征及其影响

１９９５年北半球大气环流的主要特征是：５００ｈＰａ西太平洋副热带高压异常偏强，初夏脊线位置偏南，盛夏偏北；亚洲西风带，春季经向环流发展，初夏东亚阻塞形势稳定，盛夏纬向环流盛行；５００ｈＰａ青藏高原位势高度夏半年偏高，冬半年偏低；北半球１００ｈＰａ位势高度低纬度持续偏高，中高纬度持续偏低，南亚高压偏强；１９９４年开始的厄尔尼诺事件于１９９５年３月结束。     

平流层强、弱极涡事件的演变过程及其对我国冬季天气的影响

本文利用1979～2010年的NCEP再分析资料,通过北半球环状模NAM指数挑选出的强、弱极涡个例,分析了北半球平流层异常变化过程中行星波的演变以及与之相联系的我国天气的变化特征。结果表明,在强极涡事件前,行星波1波会被反射回对流层,极地波导减弱,低纬波导增强,中高纬地区的E-P通量矢量有着从平流层传播到对流层的趋势;强极涡事件后,极地波导增强,低纬波导减弱。在弱极涡事件前,中、高纬度行星波1波沿着极地波导的传播明显增强;弱极涡事件后,极地波导明显减弱。与此对应的我国天气也有明显变化,在强极涡事件前,我国大部分地区温度偏低,南方地区偏湿而新疆西北部和云南西部地区偏干;在强极涡事件后,东亚冬季风进一步增强,冷空气加强南下,南方地区可降水量减少,新疆西北部仍然偏干,而云南大部分地区可将水量增加。在弱极涡事件前,东亚冬季风显著增强,使我国气温偏冷,降水减少,而弱极涡事件后,我国气温明显回升,中、东部地区和新疆西北部地区降水明显增加。     

冬季中国地面气温的变化与前期北半球高层环流异常的联系

利用1960—2009年17层逐日温度场、风场和位势高度场的NCEP/NCAR再分析资料以及中国160站地面气温的观测资料,采用SVD分析、相关分析以及E-P通量计算等方法对冬季中国地面气温的变化与前期平流层异常的联系进行初步的探讨。结果表明,冬季中国平均地面气温与前期2个月北半球高层的温度场、位势高度场以及纬向风场在40 °N以北,90 °W~180 °附近,自平流层上层一直向下延伸到对流层顶附近有一个重要的相关显著区。同时发现,1月中国地面气温异常冷年所对应的北半球中高纬度高层环流异常在前期2个月内为持续性的正（风场为负）异常,而异常暖年所对应的异常随时间变化出现正负（风场为负正）异常的转变,异常自平流层上层向下延伸至对流层内。行星波异常及其传播对平流层-对流层耦合起到了重要的作用,也是造成中国地面气温异常冷（暖）的原因之一。因此,北半球高层环流的异常对中国地面气温的变化有重要的指示意义。      

A two-way stratosphere-troposphere coupling of submonthly zonal-mean circulations in the Arctic

This paper examines the dominant submonthly variability of zonally symmetrical atmospheric circula- tion in the Northern Hemisphere （NH） winter within the context of the Northern Annular Mode （NAM）, with particular emphasis on interactive stratosphere-troposphere processes. The submonthly variability is identified and measured using a daily NAM index, which concentrates primarily on zonally symmetrical circulation. A schematic lifecycle of submonthly variability is developed that reveals a two-way coupling pro- cess between the stratosphere and troposphere in the NH polar region. Specifically, anomalous tropospheric zonal winds in the Atlantic and Pacific sectors of the Arctic propagate upwards to the low stratosphere, disturbing the polar vortex, and resulting in an anomalous stratospheric geopotential height （HGT） that subsequently propagates down into the troposphere and changes the sign of the surface circulations. From the standpoint of planetary-scale wave activities, a feedback loop is also evident when the anoma- lous planetary-scale waves （with wavenumbers 2 and 3） propagate upwards, which disturbs the anomalous zonally symmetrical flow in the low stratosphere, and induces the anomalous HGT to move poleward in the low stratosphere, and then propagates down into the troposphere. This increases the energy of waves at wavenumbers 2 and 3 in the low troposphere in middle latitudes by enhancing the land-sea contrast of the anomalous HGT field. Thus, this study supports the viewpoint that the downward propagation of stratospheric NAM signals may not originate in the stratosphere.     

On the Differences and Climate Impacts of Early and Late Stratospheric Polar Vortex Breakup

The stratospheric polar vortex breakup (SPVB) is an important phenomenon closely related to the seasonal transition of stratospheric circulation. In this paper, 62-year NCEP/NCAR reanalysis data were employed to investigate the distinction between early and late SPVB. The results showed that the anomalous circulation signals extending from the stratosphere to the troposphere were reversed before and after early SPVB, while the stratospheric signals were consistent before and after the onset of late SPVB. Arctic Oscillation (AO) evolution during the life cycle of SPVB also demonstrated that the negative AO signal can propagate downward after early SPVB. Such downward AO signals could be identified in both geopotential height and temperature anomalies. After the AO signal reached the lower troposphere, it influenced the Aleutian Low and Siberian High in the troposphere, leading to a weak winter monsoon and large-scale warming at mid latitudes in Asia. Compared to early SPVB, downward propagation was not evident in late SPVB. The high-latitude tropospheric circulation in the Northern Hemisphere was affected by early SPVB, causing it to enter a summer circulation pattern earlier than in late SPVB years.     

2007/2008和2008/2009冬季平流层强、弱极涡事件对应的行星波活动的对比分析

在对逐日气象资料进行纬向谐波分析的基础上, 对比和讨论了2007/2008年冬季强极涡期间和2008/2009冬季弱极涡期间平流层和对流层不同波数的行星波的变化特征, 特别关注强极涡或弱极涡发生之后, 500 hPa 沿60°N和30°N行星波1波和2波振幅和位相的差异, 以及相应的500 hPa位势场的差异, 进而讨论为什么不同的平流层极涡异常会对东亚有不同的影响, 特别讨论为什么同一种极涡异常, 对我国南北方近地面气温的影响会不同。结果表明:平流层极涡发生异常时, 平流层行星波活动有明显的异常。随着极涡异常的下传, 对流层行星波的振幅和位相也有明显的变化, 而且, 对于不同的纬度带, 其变化又有不同, 表现为:2008年1月强极涡发生之后, 500 hPa行星波1波和2波的扰动都向南伸, 而2009年1月的弱极涡(SSW)期间和之后, 1波和2波的扰动都偏北; 在对流层, 强极涡和弱极涡发生之后不但行星波1波和2波的振幅有所差异, 其位相也有明显的不同。特别是, 其位相的差异还随纬度而变化。就同一年(或者说对于同是强极涡或者同是弱极涡)而言, 无论是1波还是2波, 在60°N和30°N附近的扰动相比, 几乎反位相。这样就使得它们的500 hPa 位势场也有明显不同:在东半球, 主要表现为乌拉尔高压和东亚大槽的强度和位置不同。2008年1月强极涡发生之后, 乌拉尔高压和东亚大槽东移, 不利于冷空气向欧亚大陆北部(包括我国北方)的输送, 使这些地区的温度偏高;而2009年1月弱极涡之后, 东亚大槽西退, 利于冷空气向欧亚大陆北部输送, 导致这些地区较冷。对于同一种极涡异常(如2008强极涡或者2009弱极涡)由于南方和北方行星波扰动的位相不同, 对南方和北方冷暖空气的输送也就不一样。所以同一种极涡异常对(我国)南北地区的温度影响是不同的。     

华南冬末春初降水变异关联主模态及机理

基于1951—2018年再分析资料和观测的降水量资料,采用联合经验正交函数分解的方法,分析了华南冬末春初(2、3月)降水年际变异特征,并讨论了相应的环流背景及物理机制。华南2、3月降水变异的第一关联主模态反映出全区2、3月同相变化,第二模态呈现反相变化。第一模态的降水异常与ENSO关联的热带海温异常分布有关,其导致的西太平洋异常反气旋的维持使得2、3月的降水持续出现同相异常。第二模态的降水异常与中高纬度的大气环流异常有关：2月表现为欧亚遥相关型,3月则表现为北极涛动型。第二模态2、3月位势高度异常型的转变分别与北大西洋的热通量的异常变化及平流层极涡信号的下传有关：当2月北大西洋热通量正异常显著时,500 hPa高度场呈现欧亚遥相关(EU)负位相的分布;平流层极涡异常信号在3月下传达到对流层低层,使得3月对流层极涡增强,有利于北极涛动(AO)正位相的形成。2、3月欧亚大陆上空分别在EU遥相关型和AO型环流异常的影响下,导致了华南地区上空的大气环流的辐合辐散异常,并最终造成2、3月华南的降水量反相异常的出现。     

冬季亚洲—太平洋涛动年际变率与东亚气候异常

利用1948—2011年NCEP/NCAR月平均再分析资料和1951—2010年我国160站降水量资料,研究了冬季亚洲—太平洋区域的大气遥相关及其与东亚冬季风和降水的关系。结果表明:冬季在亚洲—西太平洋与中、东太平洋中低纬度对流层上层扰动温度之间存在类似于夏季的亚洲—太平洋涛动 (APO) 现象,即当东亚中低纬度对流层中、上层偏暖时,中东太平洋中低纬度对流层中上层温度偏冷,反之亦然。冬季APO可以反映冬季亚洲—太平洋东西向热力差异强度变化,与夏季相比,冬季APO遥相关在亚洲的中心位置略偏南、偏东,且冬季APO与大气环流关系与夏季也有所不同;当冬季APO指数偏高时,对流层上层东亚大槽位置偏西,而东亚热带地区的高压向北伸展,导致我国南方对流层为深厚的异常反气旋系统所控制,此时南方地区对流层低层盛行异常的偏东北气流,并伴随水汽辐散和异常下沉运动,南方降水偏少;冬季APO指数与ENSO有紧密联系。     

Overview of the Major 2012-2013 Northern Hemisphere Stratospheric Sudden Warming：Evolution and Its Association with Surface Weather

In this study, we analyzed the dynamical evolution of the ma jor 2012-2013 Northern Hemisphere （NH） stratospheric sudden warming （SSW） on the basis of ERA-Interim reanalysis data provided by the ECMWF. The intermittent upward-propagating planetary wave activities beginning in late November 2012 led to a prominent wavenumber-2 disturbance of the polar vortex in early December 2012. However, no major SSW occurred. In mid December 2012, when the polar vortex had not fully recovered, a mixture of persistent wavenumber-1 and -2 planetary waves led to gradual weakening of the polar vortex before the vortex split on 7 January 2013. Evolution of the geopotential height and Eliassen-Palm flux between 500 and 5 hPa indicates that the frequent occurrence of tropospheric ridges over North Pacific and the west coast of North America contributed to the pronounced upward planetary wave activities throughout the troposphere and stratosphere. After mid January 2013, the wavenumber-2 planetary waves became enhanced again within the troposphere, with a deepened trough over East Asia and North America and two ridges between the troughs. The enhanced tropospheric planetary waves may contribute to the long-lasting splitting of the polar vortex in the lower stratosphere. The 2012-2013 SSW shows combined features of both vortex displacement and vortex splitting. Therefore, the anomalies of tropospheric circulation and surface temperature after the 2012-2013 SSW resemble neither vortex-displaced nor vortex-split SSWs, but the combination of all SSWs. The remarkable tropospheric ridge extending from the Bering Sea into the Arctic Ocean together with the resulting deepened East Asian trough may play important roles in bringing cold air from the high Arctic to central North America and northern Eurasia at the surface.     

过去60年中3—5年时间尺度的强ENSO过程与平流层环流异常的滞后耦合及其机理

基于1950—2009年60a月平均Nino3指数和NCEP/NCAR第一套等压面再分析资料,关注3—5a时间尺度的强ENSO过程与平流层环流年际异常的时空联系及其机理,通过对此期间出现在3次持续强ENSO阶段中的11次3—5a时间尺度的强ENSO过程的诊断表明,平流层环流的年际尺度异常与3—5a时间尺度的强ENSO循环过程密切耦合。极夜急流强度趋于在ENSO暖/冷峰值之后减弱/加强,最大异常值多滞后ENSO峰值约1/4周期(接近1a),出现在ENSO峰值之后的下一年冬季;且3—5a时间尺度的ENSO峰值愈强,滞后约1/4周期出现的热带外平流层纬向风的年际异常也愈强;平均而言,这种年际时间尺度的耦合关系,也对实际的季节尺度平流层极涡振荡的强度和性质有显著的调制作用。进一步研究这种滞后耦合关系与年际时间尺度的行星波活动异常的联系发现,在暖ENSO峰值所在的当年冬季,对流层高层被强迫出年际时间尺度的太平洋-北美(PNA)型异常环流,而与冷ENSO峰值相对应的是相反的太平洋-北美异常型;这种太平洋-北美型与平流层热带外地区的行星波1波的发展相联系;在ENSO峰值之后的下一年冬季,太平洋-北美型环流减弱但对流层高层的主要异常分布在中高纬度,多对应着平流层行星波2波的显著增强,与平流层极区最强的高度异常相联系。行星波活动所引起的经向动量通量和经向热量通量的辐合、辐散异常对平流层滞后异常响应的贡献,存在显著的阶段性差异,在不同的阶段两者可以共同起作用,也可以分别起作用。