北太平洋风暴轴的气候特征及其变化的初步研究

本文使用ECMWF再分析网格点资料(ERA-40),分析了不同季节和不同高度层上北太平洋风暴轴(天气尺度瞬变扰动活动)的气候特征及其时间演变规律。分析表明,气候平均而言,北太平洋风暴轴冬季强且偏西南,夏季弱且偏东北。在近45 a里,冬季及夏季风暴轴在整个对流层、尤其是对流层中上层具有整体一致的年际和年代际变化特征。在各个高度层上冬季风暴轴于1985年前后一致性地发生了由弱至强的年代际跃变;夏季风暴轴发生年代际由弱至强跃变的时间在各个高度层上略有不同,对流层中高层的跃变时间与北太平洋大气海洋系统1970年代的跃变时间一致。在冬季风暴轴活动偏强年里,中纬度天气尺度瞬变扰动增强的同时,位置也有所北抬,反之亦然。夏季风暴轴活动偏强(弱)年则主要表现为瞬变扰动在气候平均位置上的增强(减弱)。     

冬季热带西太平洋对流活动异常的年际变化及其对北太平洋风暴轴的影响

通过诊断分析指出，80年代菲律宾周围的对流活动2～4年周期振荡比较明显；北太平洋风暴轴中心有线性增强、偏北、偏东的趋势，2～4年周期振荡也比较明显；在2～4年时间尺度上，菲律宾周围对流活动的变化与北太平洋风暴轴的变化有密切联系:当菲律宾周围对流活动强（弱）时，北太平洋风暴轴中心偏强（弱）、偏东（西）、偏北（南）。诊断分析和数值模拟表明，产生这种联系的物理机制是，当菲律宾周围对流活动强（弱）时，在东亚-北太平洋-北美地区产生一个距平波列（ANA），位于美国西海岸的正（负）距平及其北侧的负（正）距平，使气压梯度增大（减小），北太平洋急流和风暴轴中心强度增强（减弱）、北抬（南退）、东伸（西退）。     

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。     

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.     

冬季东北冷涡对北太平洋风暴轴的可能影响

利用NCEP/NCAR逐日再分析资料及由吉林省气象局科研所提供的东北冷涡日历表,以1951/1952—2008/2009年58 a冬季为代表,分析了东北冷涡对北太平洋风暴轴产生的影响及其可能原因。结果表明:1)冬季东北冷涡发生天数变化与北太平洋风暴轴强弱变化呈显著的负相关关系,即当东北冷涡发生天数偏多(偏少)时,北太平洋风暴轴强度减弱(增强)。2)通过Morlet小波交叉谱分析发现,冬季东北冷涡发生天数的年际变化与北太平风暴轴强度变化存在准3 a尺度上的相关关系。3)在冬季,当东北冷涡发生天数偏多时,从东亚到西北太平洋沿岸低层温度降低,低层冷空气位于副热带急流和北太平洋风暴轴上游,且经向上处于两者之间,加之冷平流的作用,给副热带急流与北太平洋风暴轴活动区域带来了正好相反的局地斜压性的改变:副热带急流区域斜压性增加,变得强而窄,位置南压;而北太平洋风暴轴区域斜压性减小,同时由于西北太平洋区域低层温度降低,使得有利于涡动形成的波源效应减弱,风暴轴强度减弱。当东北冷涡发生天数偏少时,则反之。     

冬季北极涛动异常对北太平洋风暴轴的可能影响

基于美国国家海洋和大气局气候预测中心公报的北极涛动（Arctic Oscillation,AO）指数逐月数据以及美国国家环境预报中心和大气研究中心的1986—2017年逐日再分析资料等,运用回归和合成分析等方法,分析了北极涛动与北太平洋地区风暴轴的时间演变特征、两者之间的联系及AO异常影响风暴轴的可能机制。结果表明：1）风暴轴经度指数与纬度指数有显著正相关性,两者具有同步变化的特征,而这两者与风暴轴强度指数都呈负相关,但不显著。AO指数与北太平洋风暴轴强度呈显著正相关,且AO指数与风暴轴经度、纬度指数也呈正相关,但并不显著。2）在北极涛动强正（负）位相年份,风暴轴区域天气尺度滤波方差强（弱）、500 hPa高度场上东亚大槽减弱（加深）、急流偏北偏强（偏南偏弱）、扰动动能增强（减弱）、斜压性增强（减弱）。可能影响机制是,异常变化的AO影响东亚大槽,改变急流强度,使斜压性发生变化,进而对风暴轴产生影响。     

冬季黑潮延伸体海区海洋锋强度变化及其与北太平洋风暴轴的关系

利用英国哈德莱中心（Hadley Center）1949~2014年表层海温资料,将黑潮延伸体海区海温经向梯度的大值区域的平均值定义为黑潮延伸体及其北部海洋锋强度指数（KEFI）,利用数据分析方法研究了各季节KEFI的变化特征及其与北太平洋风暴轴的关系。分析表明,各季节的KEFI存在明显的年际和年代际变化特征,同时在冬季与北太平洋瞬时方差有显著正相关,两者在风暴轴主体位置的相关性最为显著,并且这种相关性在KEFI超前一个月时就所显现,同时对后期风暴轴也有一定影响,即冬季黑潮延伸体海区海洋锋的强度会影响风暴轴区域瞬时方差的变化。之后主要分析了这种影响的可能机制,发现在冬季KEFI高值年,由于海洋锋两侧的热量输送差异更加明显,导致海洋锋附近的近表面气温经向梯度增强,维持了近表面的斜压性,促进涡动热量的向极输送和海洋锋南侧的向上输送,有利于瞬时涡旋的发展。另外大尺度环流场与冬季黑潮延伸体海洋锋也有关系,具体表现为,在海洋锋强年,阿留申低压加深,副热带高压略有加强,对应的对流层低层位势高度场在40°N以北有负变高,以南有正变高,同时高空极锋急流加强,副热带西风急流减弱加宽北抬,海洋锋偏弱年的变化则相反。因此,冬季黑潮延伸体及其北部的海洋锋主要通过两侧海表热量输送差异不断产生气温梯度,进而维持斜压性以促进上层风暴轴的发展。     

冬季欧亚积雪异常对北太平洋风暴轴的影响

通过对23个冬季,欧亚积雪与北太平洋风暴轴区域500 hPa天气尺度滤波位势高度方差进行奇异值分解(SVD)、相关分析和合成分析,研究了冬季欧亚积雪异常对北太平洋风暴轴的影响.结果表明,冬季欧亚积雪面积正异常时,北太平洋风暴轴主体位置南压,并且中心强度减弱;积雪面积负异常时,结果相反.进一步的分析显示,欧亚雪盖面积异常所导致的冷却效应异常通过改变欧亚大陆及其下游北太平洋上空的高度场,进而改变东亚急流和斜压性,从而对北太平洋风暴轴产生影响.     

中国东部冬季气温异常与海表温度异常的关系分析

采用SVD、 相关分析及EOF方法, 分析了中国东部冬季地面气温与北大西洋及北太平洋海温异常变化的关系。结果表明： （1）中国东部冬季气温变化的一致性较高; （2）冬季气温异常与前一年9月北大西洋海域关键区（16°～40°N, 60°～24°W）海温和当年2月西北太平洋关键区（20°～40°N, 124°E～180°）海温呈显著的正相关分布, 即前一年9月北大西洋和当年2月西北太平洋海温异常偏高（低）, 东部冬季气温亦偏高（低）, 即前一年9月北大西洋海温的异常是否为我国冬季气温的气候预测提供了一种前期信号; （3）关键区海温对中国东部冬季气温的影响存在区域差异。北大西洋前期海温与中国东部冬季气温有密切的关系, 而西北太平洋的海温主要影响长江流域及其以北的季风中部区; （4）海温影响气温的可能机理是西北太平洋海温异常升高, 使乌山脊减弱, 阿拉斯加脊减弱, 东亚大槽减弱向东移动, 纬向环流加强, 高纬度的冷空气不易南下, 导致我国东部大部分地区冬季气温偏暖, 反之亦然。在年代际尺度上, 纬向环流和东亚大槽对海温有显著的响应; 但在年际变化方面, 东亚大槽对海温的响应不显著。     

冬季北太平洋风暴轴垂直结构的变化特征及其与我国极端低温事件的关系

采用NCEP/NCAR和ERA-40再分析资料,对比分析了冬季垂直尺度上北太平洋风暴轴的时空演变特征,揭示了北太平风暴轴垂直结构具有显著年际变化特征。冬季北太平洋风暴轴垂直结构主要呈现出全区一致、上下反相两种分布型,细分为全区一致增强型、全区一致减弱型、上层增强下层减弱型和上层减弱下层增强型。研究表明:冬季北太平洋风暴轴的垂直结构与我国极端低温事件的关系密切,风暴轴呈全区一致增强(全区一致减弱)型垂直结构时,我国整体区域极端低温频次偏少(多);风暴轴呈上层增强下层减弱(上层减弱下层增强)型垂直结构时,我国东北地区极端低温频次偏多(少),其余地区偏少(多)。     

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。     

东亚-北太平洋偶极型气压场及其与东亚季风年际变化的关系

利用美国NCEP/NCAR的月平均再分析资料,研究东亚-太平洋地区地面气压的耦合模态与东亚副热带季风异常的关系,结果表明:在亚洲大陆和北半球太平洋之间气压场的偶极子模态主要反映了东亚地区东西向气压梯度的异常.从20世纪60年代到70年代中期,东亚-太平洋的这种偶极子表现为蒙古地区气压偏低和太平洋地区气压偏高的特征,而从20世纪70年代后期到90年代,则表现为蒙古地区气压偏高和太平洋地区气压偏低的特征.在偶极子指数值较高的年份,冬季(或夏季)蒙古高压(或蒙古低压)和太平洋阿留申低压(或太平洋副热带高压)较强     

北太平洋东部风暴轴的变化特征及其与大气环流和SST异常的关系

利用欧洲中期天气预报中心ECMWF(European Center for Medium-range Weather Forecast)逐日再分析资料(ERA40),通过经验正交函数(empirical orthogonal function,EOF)分解发现,冬季北太平洋东部风暴轴有着显著的年际变化特征:第一变化模态为在气候平均位置南北相反的偶极子变化型,第二变化模态为在气候平均位置处一致增强或减弱的变化型,第三变化模态为三极子的变化型。进一步的回归分析发现:当东部风暴轴南压(北抬)时,同期冬季是一种厄尔尼诺(拉尼娜)年海温异常空间分布型,中纬度北太平洋海区以及赤道中、东海区,冬季冷(暖)异常的洋面上是异常低压(高压),对流层中层是太平洋—北美型(Pacific-North American Pattern,PNA)遥相关的正(负)位相;当东部风暴轴增强(减弱)时,同期冬季黑潮区海温偏暖(偏冷),对流层中层表现为西太平洋型(West Pacific Pattern,WP)遥相关的正(负)位相;当东部风暴轴呈现西北—东南+-+(-+-)相间三极子的分布时,同期冬季巴布亚新几内亚附近海温异常偏暖(冷),夏威夷附近海温异常偏冷(暖),冬季冷(暖)异常的洋面上是异常低(高)压,对流层中层表现出类似PNA正(负)位相。EOF分解各模态所对应时间系数与阿留申低压(Aleutian Low,AL)指数、PNA指数、Nino3指数、WP指数、黑潮海温(Kuroshio Current,KC)指数之间存在显著的相关,这些证明了东部风暴轴与同期大气环流及SST异常之间的联系。     

澳大利亚冷空气活动对西北太平洋热带气旋生成的影响

利用1980—2012年NCEP/NCAR再分析资料及中国气象局的最佳台风路径资料,研究澳大利亚冷空气活动对西北太平洋热带气旋生成的影响。研究发现,北半球夏季925 h Pa经向风超过6 m/s的频数在澳大利亚东北部海域最高,达40 d/a。为此,确定澳大利亚冷空气侵入南北半球低纬的关键区为澳大利亚东北部所罗门海地区,并用该区域经向风风速定义了一个澳大利亚冷空气活动强度指数。该指数与越赤道气流及赤道西风都有很好的相关关系,还与同期的SOI(Southern Oscillation Index,南方涛动指数)显著相关。当SOI偏低(高)时,关键区经向风风速偏强(弱)。合成分析和相关分析结果表明,澳大利亚冷空气活动强、弱年西北太平洋热带气旋生成的位置的变化与季风槽的变化一致,西北太平洋热带气旋生成总数则无显著差异。澳大利亚冷空气活动强年季风槽偏强偏东,热带气旋生成位置偏东偏南;而弱年季风槽偏弱偏西,热带气旋生成位置偏西偏北。低层涡度场、水汽输送、风垂直切变以及低纬地区对流活动的分布表明,澳大利亚冷空气活动强年有利于热带气旋生成位置偏东、偏南;弱年偏西、偏北。     

1997年北半球大气环流特征及其影响

１９９７年北半球主要环流特征为：５００ｈＰａ西太平洋副热带高压盛夏由弱转强、西伸明显、脊线位置偏北;亚洲中纬度经、纬向环流交替出现,纬向环流盛行,春、秋季经向环流加强,冬、夏季冷空气异常偏弱;盛夏南海季风增强,印度季风偏弱;赤道辐合带偏弱。北半球１００ｈＰａ中低纬度位势高度持续偏高,南亚高压东扩明显;热带海洋出现异常,一次新的厄尔尼诺事件发生,强度大、发展快。在ＥＮＳＯ和大气环流的共同影响下我国天     

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.