冬季赤道中东太平洋海温异常对北半球两大洋风暴轴协同变化的可能影响

利用NCEP/NCAR（National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research）和NOAA（National Oceanic and Atmospheric Administration）提供的再分析资料和CPC（National Climate Prediction Center）提供的Nino3.4指数,研究了与赤道中东太平洋海温异常相对应的ENSO（El Nio-Southern Oscillation）不同位相对同期北半球海气耦合关系及两大洋风暴轴协同关系的影响,具体结论如下：1）赤道中东太平洋海温异常与冬季北半球两大洋风暴轴协同变化关系密切,具体表现为海温正异常时对应北太平洋风暴轴和北大西洋风暴轴同时增强,且大西洋风暴轴整体和太平洋风暴轴东部位置南压,海温负异常时则相反。2）海温正异常（El Nio）年时,对流层中层极涡向北太平洋地区伸展,西北太平洋副热带高压增强西移,东亚大槽减弱,高度场异常对应WP（Western Pacific pattern）、EA（Eastern Atlantic pattern）型遥相关的负位相和PNA（Pacific-North American pattern）型遥相关正位相,对流层低层加拿大高压增强,阿留申低压强度增强并向东南方向移动,东亚急流增强东伸,北美急流强度增强,欧亚大陆50°N附近西风增强,经向环流减弱,北半球的斜压异常分布有利于北太平洋东部风暴轴南侧以及中西部风暴轴的有效位能向扰动动能转换,使得风暴轴增强东部南压,北大西洋风暴轴南部斜压增强,使得风暴轴整体偏南,中、西部强度增强。海温负异常（La Nia）年时,海温和环流异常在两大洋基本与El Nio年相反,对应两大洋风暴轴强度同时减弱,同时北大西洋风暴轴整体和北太平洋风暴轴东部北抬。3）海温正异常（El Nio）年时,北美大陆为北暖南冷的异常分布,60°N以南的东亚地区除我国西南外基本为温度异常升高。海温负异常（La Nia）年时,由于高度场和风场异常在欧亚大陆和北美大陆上的异常分布与El Nio年时并不是完全相反,使得温度场异常主要表现在北美南部和东亚北部异常升高。     

北太平洋风暴轴对黑潮延伸体系统变异的响应及其能量转换机制

西北太平洋纬向扰动海温经验正交函数（EOF）分解第一和第三模态、第二和第四模态分别代表同期黑潮延伸体和亲潮强弱的配置关系,将两者的典型位相合成,可以分别得到延伸体收缩和扩张状态时的典型模态海温,本文以此及气候态海温作为初始海温强迫场,利用CESM1.2.0模式,讨论了延伸体的系统变异对北太平洋风暴轴的影响及其在不同能量转换过程的主要影响机制,结果表明,延伸体收缩状态下,北太平洋风暴轴强度整体加强,而扩张模态下强度减弱。空间分布上,收缩模态下,风暴轴主要体现为经向方向的变化,中心及其以北强度加强,中心以南减弱;扩张状态下,则主要表现为纬向方向的差异,中心及以西强度减弱明显,中心以东有所增强。对能量转换的诊断分析表明,正压能量转换过程对涡动动能的变化贡献很小,且在风暴轴中心附近,其作用主要为消耗涡动动能,延伸体收缩状态下其消耗作用增强,而扩张状态下消耗作用减弱,这一差异主要是由于不同海温异常强迫下瞬变涡旋的形变不同造成;斜压有效位能释放比正压能量转换大一个量级以上,该过程几乎全部通过基流的经向温度梯度和经向涡动热量输送的相互作用完成,在这一过程中大气斜压性（经向温度梯度）起了关键性作用,大气斜压性异常、基流经向温度梯度异常、斜压有效位能释放异常与风暴轴异常的空间分布均具有较好的对应关系,该过程可能也是延伸体海温异常影响北太平洋风暴轴的主要物理过程;涡动有效位能需要进一步转换为涡动动能才能产生瞬变涡旋运动,涡动有效位能释放的量级与斜压有效位能的释放相当,但数值要小,这一过程通过冷暖空气的上升下沉运动完成,延伸体异常模态下,扰动垂直速度和扰动温度的负相关性的变化与涡动有效位能向涡动动能转换的变化也有较好的对应关系。     

太平洋年代际振荡对冬季北半球两大洋风暴轴协同变化的可能影响

利用NCEP/NCAR提供的再分析资料和NOAA提供的海温资料分析太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation,PDO)不同位相的年代际背景下北半球海气耦合关系的异常与风暴轴协同变化的联系,主要结果如下:1)冬季太平洋年代际振荡与北半球两大洋风暴轴协同变化之间存在显著的相关关系,当PDO暖位相时,对应两大洋风暴轴南北位置反向的异常变化,其中北太平洋风暴轴偏南且中东部减弱,北大西洋风暴轴偏北且中东部增强,PDO冷位相时相反。2)PDO为暖位相时,对应El Niňo型海温异常,北大西洋海温呈三极型,平均槽脊加强,经向环流增强,极涡收缩,北太平洋风暴轴南压,大西洋风暴轴则北抬,此时欧亚大陆北部和北美大陆大部分地区温度异常升高,亚洲南部、非洲北部及巴伦支海以北的高纬温度异常降低,北美西南部和格陵兰岛附近温度也为异常降低,PDO冷位相时相反。     

冬季北太平洋风暴轴的年际变化及其与500hPa高度以及热带和北太平洋海温的联系

文中研究了冬季北太平洋风暴轴的年际异常及其与500hPa高度以及热带和北太平洋海温的联系。结果发现,各年冬季北太平洋风暴轴的中心强度和位置具有显著的年际差异。对15个冬季北太平洋风暴轴区域500hPa天气尺度滤波位势高度方差与热带和北太平洋海温的SVD分析表明,第一对空间典型分布反映了赤道中、东太平洋区域海温异常对风暴轴年际变化的影响,而第二对空间典型分布反映了黑潮区域海温异常对风暴轴年际变化的影响。进一步的合成分析显示,赤道中、东太平洋区域海温异常主要影响冬季北太平洋风暴轴的东西摆动和中、东端的强度变化,而黑潮区域海温异常则主要影响冬季北太平洋风暴轴中、西端的强度变化和南北位移。并且这种影响分别与500hPa高度场上的PNA遥相关型和WP遥相关型有密切联系。     

冬季菲律宾周围对流活动与北太平洋风暴轴联系的数值模拟

通过利用IAP 2-L AGCM进行的数值模拟,进一步揭示了冬季菲律宾周围对流活动异常对北太平洋风暴轴变化的影响及其二者联系的物理机制和物理过程。结果表明:当菲律宾周围对流活动增强时,在500 hPa等压面图上强迫产生一个自赤道西太平洋开始,经我国东部、堪察加半岛、白令海,到美国西海岸的异常波列;位于西太平洋的经向三圈环流增强,位置北移;在风暴轴的西半部和东端斜压性增强;从而导致了北太平洋风暴轴增强、北抬、东伸。     

冬季北半球风暴轴的多尺度能量变化特征及其可能机制

基于1971—2016年NCEP/NCAR(美国环境预报中心和国家大气研究中心)的逐日再分析资料及NCPC(美国国家海洋和大气管理局气候预报中心)的海温、大气环流及海洋指数等资料通过多尺度能量分析(MS-EVA)等方法,把冬季北半球风暴轴看做一整体,分析了风暴轴区域多尺度的能量变化特征及其可能机制。主要结论概括如下:(1)多年气候平均状态下,风暴轴的动能来源主要表现为在风暴轴中上游先由低频尺度向天气尺度输送有效位能,随后在风暴轴主体区再由天气尺度有效位能转换为天气尺度动能,其中风暴轴西端可直接由低频尺度向天气尺度输送动能。(2)北半球三大风暴轴联合EOF结果表明:第一模态下,主要体现了北西伯利亚风暴轴与北太平洋风暴轴强度的减弱(增强),同时伴随着北大西洋风暴轴位置北抬(南压);第二模态下,主要体现了北西伯利亚风暴轴强度减弱(增强),同时北太平洋风暴轴位置北抬(南压)中东部强度增强(减弱),而北大西洋风暴轴位置南压(北抬)。(3)回归分析表明:北半球风暴轴异常在不同模态下与低频尺度环流联系密切。低频尺度波动可通过海温及西风急流等异常变化先影响风暴轴区域多尺度间的能量转换,进而影响风暴轴整体的异常变化。     

春季北太平洋风暴轴的年际与年代际变化特征及其与太平洋海温异常的关系

利用20世纪大气再分析资料和欧洲中心海温资料研究了春季西北太平洋风暴轴的年（代）际变化特征以及在不同年代际背景下风暴轴与太平洋海温关系的转变。结果表明,春季西北太平洋风暴轴主要存在两种空间变化模态,即反映其强度变化的第1模态和反映其南北位置变化的第2模态。年代际及以上时间尺度上,风暴轴强度、位置与太平洋海温的关系主要表现为大气对海洋的强迫作用。在不同年代际背景下,风暴轴与太平洋海温的关系则存在明显的年代际转变：1977年以后,风暴轴强度与太平洋海温的关系主要表现为大气对海洋的强迫作用,而在1977年之前则主要表现为海洋对大气的强迫作用,特别是同期冬季日本以东黑潮和黑潮延伸区海温异常的强迫作用;风暴轴南北位置与太平洋海温异常的关系,在1977年以后表现为大气对海洋的强迫作用,主要表现为对北太平洋中部海温的影响,但在1977年以前表现为海洋和大气的共同作用,风暴轴南北位置的变化还与同期的赤道中东太平洋海温异常有关,表明ENSO可能对风暴轴的位置变化存在影响。     

冬季格陵兰以东区域海冰异常对北大西洋风暴轴的影响研究

对45个冬季格陵兰以东区域海冰密集度场与北大西洋500hPa位势高度滤波方差作奇异值(SVD)分析,结果表明:SVD得到的第一对空间典型分布反映了冬季格陵兰以东区域海冰异常与风暴轴的异常变化密切相关。进一步的合成分析显示,海冰异常使得大气环流调整,气压梯度、天气尺度涡动热量的经向通量和垂直通量、局地斜压性均发生改变,从而对风暴轴的强度及中心的位移造成影响。     

冬季格陵兰以东区域海冰与北太平洋风暴轴的关系

对45个冬季格陵兰以东区域海冰密集度场与北太平洋500 hPa位势高度滤波方差场作奇异值(SVD)分析.结果表明:SVD得到的第1对空间典型分布反映了冬季格陵兰以东区域海冰异常与北太平洋风暴轴异常变化密切相关.进一步的合成分析显示:海冰异常导致大气环流调整,气压梯度、急流、850 hPa天气尺度涡动热量经向通量和垂直通量、局地斜压性均发生改变,从而对北太平洋风暴轴的强度及中心位置位移造成影响.     

北太平洋风暴轴的三维空间结构

文中利用最新的0.5°×0.5°分辨率QuikSCAT(QuikBird Satellite Microwave Scatterometer Sea Winds Data)海面风场资料、NCEP(National Center for Environmental Prediction)的10 m高度风场资料和全球客观再分析资料,对1999-2005年冬季(1月)和夏季(7月)北太平洋风暴轴的三维空间结构进行了分析,发现冬季北太平洋风暴轴的强度较强,呈明显的纬向拉伸带状分布特征,位置偏南.夏季北太平洋风暴轴的强度较弱,位置偏北.根据不同高度上位势高度方差的水平分布特征,绘制了北太平洋风暴轴的三维结构示意图.利用高分辨率QuikSCAT资料对风暴轴特征的刻画更为细致,不但验证了Nakamu-ra在南大洋发现的双风暴轴现象,而且还发现在北太平洋和北大西洋下层分别存在"副热带风暴轴"和"副极地风暴轴"两个风暴轴.对1999-2005年冬季北太平洋气旋和反气旋的移动路径进行的统计分析,为北太平洋"双风暴轴"的存在提供了强有力的证据.     

A comparison of climatological subseasonal variations in the wintertime storm track activity between the North Pacific and Atlantic: local energetics and moisture effect

Distinct differences of the storm track?Cjet relationship over the North Pacific and North Atlantic are investigated in terms of barotropic and baroclinic energetics using NCEP-2 reanalysis data for the period of 1979?C2008. From fall to midwinter the Pacific storm track (PST) activity weakens following the southward shift of the Pacific jet, whereas the Atlantic storm track (AST) activity remains steady in position and intensifies regardless of the slight southward shift of the Atlantic jet. This study is devoted to seeking for the factors that can contribute to this conspicuous difference between the two storm tracks on climatological subseasonal variation by analyzing eddy properties and local energetics. Different eddy properties over the two oceans lead to different contribution of barotropic energy conversion to the initiation of storm tracks. In the North Atlantic, meridionally elongated eddies gain kinetic energy efficiently from stretching deformation of the mean flow in the jet entrance. On the other hand, the term associated with shearing deformation is important for the initiation of PST. Analysis of baroclinic energetics reveals that the intensification of the AST activity in midwinter is mainly attributed to coincidence between location of maximum poleward and upward eddy heat fluxes and that of the largest meridional temperature gradient over slight upstream of the AST. The relatively large amount of precipitable water and meridional eddy moisture flux along baroclinic energy conversion axis likely provides a more favorable environment for baroclinic eddy growth over the North Atlantic than over the North Pacific. In the meantime, the midwinter minimum of the PST activity is attributable to the southward shift of the Pacific jet stream that leads to discrepancy between core region of poleward and upward heat fluxes and that of meridional thermal gradient. Weakening of eddy-mean flow interaction due to eddy shape and reduction of moist effect are also responsible for the weakening of storm track activities in midwinter when the strongest baroclinicity exists over the North Pacific.     

冬季北太平洋风暴轴的年代际变化特征及其可能影响机制

利用1958-2002年的ERA-40再分析资料,用谐波变换和EOF方法分析了冬季北太平洋风暴轴在年代际时间尺度上的变化特征,并通过回归分析的方法初步探讨了风暴轴年代际变化的可能影响机制.结果表明,在年代际时间尺度上,北太平洋风暴轴有两种主要模态,第1模态是风暴轴在其气候平均位置增强或减弱的主体一致变化型,其年代际变化受到上游涡旋强迫的影响,北大西洋强(弱)的涡旋活动,使得冬季北太平洋西风急流减弱(增强)、变宽(窄)、北抬(南压),同期北太平洋风暴轴活动偏强(弱),黑潮延续体区海表温度有偏暖(冷)的响应;第2模态是风暴轴中东部在气候平均位置南北两侧振荡的经向异常型,与太平洋年代际振荡(PDO)循环的暖(冷)位相相联系,下垫面海温非绝热加热的作用,激发加强(减弱)大气中类太平洋/北美遥相关型(PNA)的响应,引起大气斜压性异常偏南(北),使得风暴轴整体南压(北抬),且中东部向东南(北)方向移动.因此,冬季北太平洋风暴轴的年代际变化不仅是局地波-流相互作用的结果,还应考虑上游涡旋活动和海温热力强迫的作用.     

Changes in storm tracks and energy transports in a warmer climate simulated by the GFDL CM2.1 model

Storm tracks play a major role in regulating the precipitation and hydrological cycle in midlatitudes. The changes in the location and amplitude of the storm tracks in response to global warming will have significant impacts on the poleward transport of heat, momentum and moisture and on the hydrological cycle. Recent studies have indicated a poleward shift of the storm tracks and the midlatitude precipitation zone in the warming world that will lead to subtropical drying and higher latitude moistening. This study agrees with this key feature for not only the annual mean but also different seasons and for the zonal mean as well as horizontal structures based on the analysis of Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFDL) CM2.1 model simulations. Further analyses show that the meridional sensible and latent heat fluxes associated with the storm tracks shift poleward and intensify in both boreal summer and winter in the late twenty-first century (years 2081?C2100) relative to the latter half of the twentieth century (years 1961?C2000). The maximum dry Eady growth rate is examined to determine the effect of global warming on the time mean state and associated available potential energy for transient growth. The trend in maximum Eady growth rate is generally consistent with the poleward shift and intensification of the storm tracks in the middle latitudes of both hemispheres in both seasons. However, in the lower troposphere in northern winter, increased meridional eddy transfer within the storm tracks is more associated with increased eddy velocity, stronger correlation between eddy velocity and eddy moist static energy, and longer eddy length scale. The changing characteristics of baroclinic instability are, therefore, needed to explain the storm track response as climate warms. Diagnosis of the latitude-by-latitude energy budget for the current and future climate demonstrates how the coupling between radiative and surface heat fluxes and eddy heat and moisture transport influences the midlatitude storm track response to global warming. Through radiative forcing by increased atmospheric carbon dioxide and water vapor, more energy is gained within the tropics and subtropics, while in the middle and high latitudes energy is reduced through increased outgoing terrestrial radiation in the Northern Hemisphere and increased ocean heat uptake in the Southern Hemisphere. This enhanced energy imbalance in the future climate requires larger atmospheric energy transports in the midlatitudes which are partially accomplished by intensified storm tracks. Finally a sequence of cause and effect for the storm track response in the warming world is proposed that combines energy budget constraints with baroclinic instability theory.     

冬季北太平洋风暴轴和北大西洋风暴轴的协同变化及其与同期海气系统的空间耦合关系

基于1960~2014年NCEP/NCAR（美国环境预报中心和国家大气研究中心）的逐日再分析资料以及NCPC（美国气候预报中心）的海温资料和大气环流及海洋指数,通过风暴轴指数、经验证交分解（EOF）等方法,研究了冬季北半球北太平洋风暴轴（PST）和北大西洋风暴轴（AST）之间不同时间尺度下的协同变化特征,并利用回归和相关分析对风暴轴的年际和年代际协同变化特征与同期海气系统的空间耦合关系进行了探讨。主要结论概括如下:（1）从所定义的冬季北半球两大洋风暴轴的纬度、经度和强度指数来看:三个指数均存在明显的年际变化和年代际变化,其中年际分量的方差贡献远大于年代际分量;对于单个风暴轴来讲,无论是滤波方差场原始序列还是其年际分量和年代际分量序列,每个风暴轴各自的纬度指数和经度指数均呈显著正相关,表明每个风暴轴各自的南北位移和东西位移具有很好的协同性;虽然从原始序列来看,两个风暴轴之间各指数之间的相关关系均并不显著,但是对于年际分量序列和年代际分量序列,两个风暴轴之间均具有显著的协同性变化,其中,在年际尺度上,两者仅强度变化之间具有显著的正相关,而在年代际尺度上,AST的经度（纬度）变化与PST的强度（纬度及强度）变化均具有显著的负相关。（2）EOF结果表明,两个风暴轴之间协同变化的空间结构在年际尺度上反映的主要是强度的变化,第一模态为两者强度在其气候平均位置附近同时减弱（增强）并伴随AST整体和PST东部均略有北抬（南压）,第二模态为两者强度在其气候平均位置附近同时减弱（增强）并仅伴随AST整体略有南压（北抬）;而在年代际尺度上,第一模态为AST整体偏北（南）中东部偏强（弱）与PST整体偏南（北）中东部偏弱（强）的反位相协同变化;第二模态为两个风暴轴的强度在其气候平均位置附近同时增强（减弱）的一致性协同变化。（3）进一步分析表明,两个风暴轴之间以不同模态协同变化时,与同期海温、遥相关型及环流异常等海气系统之间均呈现出很好的空间耦合关系,但具有不同的特点。     

冬季北半球极涡强度对北太平洋风暴轴的影响

利用美国NCEP/NCAR再分析资料和中国国家气候中心北半球极涡强度指数资料,采用相关和合成分析等方法,初步分析了北半球极涡强度对北太平洋风暴轴的影响及其可能机制。研究发现,北半球极涡与北太平洋风暴轴之间有同步的强弱变化特征,在北半球极涡强度的高(低)值年,一般对应着风暴轴强度的增强(减弱),风暴轴区域扰动动能的加大(减弱),天气尺度涡动向极和向上的热量以及西风动量输送的显著增强(减弱)。进一步分析表明,极涡的异常变化可以通过改变欧亚大陆及其下游北太平洋上空的高度场,进而改变东亚西风急流的强度以及风暴轴上游的斜压性,从而对风暴轴产生影响。     

Response of Northern Hemisphere storm tracks to Indian-western Pacific Ocean warming in atmospheric general circulation models

With 40 years integration output of two atmospheric general circulation models (GAMIL/IAP and HadAM3/UKMO) forced with identical prescribed seasonally-varying sea surface temperature, this study examines the effect of the observed Indian-western Pacific Ocean (IWP) warming on the Northern Hemisphere storm tracks. Both models indicate that the observed IWP warming tends to cause both the North Pacific storm track (NPST) and the North Atlantic storm track (NAST) to move northward. Such a consistent effect on the two storm tracks is closely associated with the changes in the low-level atmospheric baroclinicity, high-level jet stream and upper-level geopotential height. The IWP warming can excite a wavelike circum-global teleconnection in the geopotential height that gives rise to an anticyclonic anomaly over the midlatitude North Pacific and a positive-phase NAO anomaly over the North Atlantic. These geopotential height anomalies tend to enhance upper-level zonal westerly winds north of the climatological jet axes and increase low-level baroclinicity and eddy growth rates, thus favoring transient eddy more active north of the climatological storm track axes, responsible for the northward shift of the both storm tracks. The IWP warming-induced northward shift of the NAST is quite similar to the observed, suggesting that the IWP warming can be one of the key factors to cause decadal northward shift of the NAST since the 1980s. However, the IWP warming-induced northward shift of the NPST is completely opposite to the observed, implying that the observed southward shift of the NPST since the 1980s would be primarily attributed to other reasons, although the IWP warming can have a cancelling effect against those reasons.     

Storm tracks in a warmer climate: sensitivity studies with a simplified global circulation model

 A simplified global circulation model is used to analyse a greenhouse warming experiment simulated by a comprehensive general circulation model. The given GCM scenario and control climates are assimilated by the simplified model using a dynamical relaxation technique. Two sets of sensitivity experiments investigate the influence of upper and lower tropospheric changes in baroclinicity on the Northern Hemisphere winter storm tracks. The results show that the three-dimensional structure of both the background flow and the changes in baroclinicity are important for the behaviour of mid-latitude eddy activity in relation to modifications of the baroclinicity. In general, the mid-latitude eddy activity is more sensitive to lower than to upper level changes in baroclinicity. The results further suggest that the simulated storm track changes in the GCM scenario are dominated by local modes of baroclinic instability. Received: 17 December 1996 / Accepted: 14 May 1998