近百年东亚季风长期变化中主周期振荡的奇异谱分析

运用海平面气压场资料，计算１８７３—１９９０年的东亚冬、夏季风强度指数，并利用奇异谱分析方法（ＳＳＡ）对这百年的东亚季风长期变化的周期活动进行了研究。研究表明：东亚冬、夏季风都存在准２ａ（ＱＢＯ）、３—６ａ（ＬＦＯ）的年际振荡，１６—１８ａ（ＩＤＯ）的年代际振荡和长期变化趋势。各振荡分量都具有年代际的差别，这种特征ＱＢＯ表现得最典型。冬季风的ＱＢＯ在１９２０年代前振幅较小，且大约呈现１２ａ的大振幅和６ａ的小振幅波状的周期变化；夏季风的ＱＢＯ振幅变化与冬季风相反，且大约呈现６ａ的大振幅和３ａ的小振幅波状的周期变化。夏季风中的年代际变化影响较小。     

QBO的变化特征及其与广西气候变化的关系

利用平流层月矢量平均纬向风资料,分析了平流层风场的准两年振荡（ＱＢＯ）的演变特征,找出ＱＢＯ与广西气候变化的一些关系。     

低平流层准两年变率研究

分析ＮＣＡＲ／ＮＣＥＰ４０年分析资料得出,赤道低平流层纬向风年际变率的平均周期约２８．２个月,最大振幅的２０ｈＰａ,西（东）风距平平垂直下传平均速度１．２１（１．０４）ｋｍ／月。用１０ｈＰａ和７０ｈＰａ月平均纬向风标准化距平之差反映整层准两年变率的相位。低平流层两半球中纬气温有与之配合的振荡,西（东）风切变时,中纬气温偏低（高）。赤道纬向风准两年变率引起的经圈环流异常是联系低续续向风与中纬气温准年     

低纬纬向风年际振荡在太平洋地区的传播

利用ＮＭＣ客观分析８５０ｈＰａ（１９７４．１２－１９８８．２）和２００ｈＰａ（１９６８．３－１９８８．２）平均纬向风资料，对其准两年振荡和准３－４年振荡进行了研究。结果发现：纬向风准两年、准３－４年振荡在热带地区上、下层均一致自西向东传播，但位相相反；在中纬度地区，纬向风准两年、准３－４年振荡上、下层均盛行自西向东传播，且位相一致；西太平洋地区低层纬向风准３－４年振荡均为从南、北半球中纬度地区向赤     

从雨云7号TOMS资料推算出臭氧总量变化趋势

雨云７号卫星上的臭氧总量测绘分光仪（ＴＯＭＳ），１１年多以来一直测量着全球臭氧柱总量。最近在资料分析上加以改进，得到一种用以确定并消除定标飘移的技术，使记录尽头处的资料相对于记录开头的资料来说可精确到±１．３％（２σ）。由ＴＯＭＳ总臭氧资料时间序列已拟合得出一个统计模式，其中包括季节变化项、线性趋势项、准２年振荡（ＱＢＯ）项、太阳活动周项以及二阶自回归噪音项。就这个统计模式拟合于６５°Ｎ到６５°Ｓ纬圈之间平均的ＴＯＭＳ资料来看，所得到的线性趋势项为－０．２６±０．１４％／年，即从１９７８年１１月到１９９０年５月共１１．６年中变化－３％。这种变化趋势在赤道近于零（０．０００２±０．２％／年），向两极增加。在５０°Ｎ年平均趋势为－０．５±０．２１％／年。在这１１．６年期间５０°Ｎ的趋势，表现出强烈的季节变化，在冬季和初春（即２、３月份）大于－０．８％／年，在夏季（７、８月份）约为－０．２％／年。     

ENSO循环的数值模拟(Ⅱ)──变化性及时间尺度选择机制

利用热带太平洋海气耦合异常模式的３０ａ模拟结果，对模式ＥＮＳＯ的变化性及多重时间尺度过程进行了细致分析，建立了一ＥＮＳＯ循环多重时间尺度过程相互作用的非线性相似（Ａｎａｌｏｇ）模型，并提出了ＥＮＳＯ循环主周期形成的一种可能机制。指出：和观测事实类似，模式ＥＮＳＯ过程确实涉及到三种时间尺度，即３—４ａ主周期振荡（ＬＦ）、准两年振荡（ＱＢ）和年循环（ＡＣ）；其中，ＱＢ过程是线性海气耦合系统的本征模态，年循环（ＡＣ）对其形成没有本质的影响；３—４ａ主周期振荡（ＬＦ）是一非线性系统的自激振荡现象，其形成是线性系统的本征模即ＱＢ过程通过非线性机制尤其是通过大气辐合反馈加热的“单向性”过程在ＱＢ的暖态产生的减频增幅所致；平均年循环（ＡＣ）虽然不能对ＥＮＳＯ循环形成有本质影响，但它可明显影响ＥＮＳＯ循环的具体振幅和位相，使得ＥＮＳＯ循环具有明显的不规则性并对季节循环具有明显的“锁相”特征；ＥＮＳＯ变化性确是ＬＦ、ＱＢ以及ＡＣ多重时间尺度相互作用形成的。本文提出的ＥＮＳＯ循环时间尺度选择机制不仅解释了主周期振荡的形成过程，而且也较好地解释了ＥＮＳＯ变化的谱，因此，这一机制更接近于观测事实。     

赤道地区纬向风系与ENSO事件的联系

利用Ａｔｕｏｎａ Ｍａｒｑｕｅｓａｓ Ｉｓ站对流层最大西风层和最大东风层纬向风异常值的差值，构造了赤道中，东太平洋Ｗａｌｋｅｒ环流强度指数Ｉｄ。，并对Ｉｄ平流层下部ＱＢＯ西风位相的长度和起始季节与ＥＮＳＯ事件的联系进行了研究。     

世界异常天气及其评价

5月份,北半球500hPa月平均高度距平形势是:极区负距平较强,40—60°纬带为正距平,其南侧为负距平区呈同心园型。与此对应,地面气温在40—60°上除中亚地区外为正距平,20—40°主要为负距平。日本附近上旬前期和下旬有较强冷空气南下,下旬冷空气在各地相继造成冰雹和雷电灾害。     

60～70oS臭氧总量的QBO和ENSO信号

本文利用Ｎｉｍｂｕｓ－７上搭载的臭氧总量观测光谱仪（ＴＯＭＳ）得到的６０～７０ｏＳ纬圈中臭氧总量资料,分析研究了该地区臭氧总量准两年振荡（ＱＢＯ）和ＥＮＳＯ信号的纬向分布,指出在该纬圈臭氧总量的长期变化中包含着的ＱＢＯ和ＥＮＳＯ信号。同时,本文还分析研究了沿纬圈分布的大气臭氧总量季节变化和长期变化趋势,指出在该纬圈各个季节中臭氧总量呈下降趋势,以６０～１００ｏＷ十月份的下降最大,达到－９．３ＤＵ／ａ。研究同时表明：臭氧总量季节变化、长期变化趋势、以及ＱＢＯ信号的纬向分布都在西南极上空出现异常。本文对此进行了讨论,认为这是西南极海陆分布调整大气环流及大气波动造成对臭氧总量分布和变化的影响     

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.     

Impacts of the stratospheric quasi-biennial oscillation on the tropospheric circulation and climate in the Northeast Asia–North Pacific region in early summer

Previous studies have indicated that the stratospheric quasi-biennial oscillation (QBO) has a global impact on winter weather, but relatively less attention has been paid to its effect in summer. Using ERA5 data, this study reports that the QBO has a significant impact on the tropospheric circulation and surface air temperature (SAT) in the extratropics in Northeast Asia and the North Pacific in early summer. Specifically, a QBO-induced mean meridional circulation prevails from Northeast Asia to the North Pacific in the westerly QBO years, exhibiting westerly anomalies in 20°–35°N and easterly anomalies in 35°–65°N from the lower stratosphere to troposphere. This meridional pattern of zonal wind anomalies can excite positive vorticity and thus lead to anomalous low pressure and cyclonic circulation from Northeast Asia to the North Pacific, which in turn cause northerly wind anomalies and decreased SAT in Northeast Asia in June. Conversely, in the easterly QBO years, the QBO-related circulation and SAT anomalies are generally in an opposite polarity to those in the westerly QBO years. These findings provide new evidence of the impact of the QBO on the extratropical climate, and may benefit the prediction of SAT in Northeast Asia in early summer.摘要本文研究了平流层准两年振荡 (QBO) 对东北亚-北太平洋地区初夏对流层环流和地表气温的影响. 在QBO西风位相年, 东北亚至北太平洋地区存在一支由QBO引发的平均经向环流异常, 该经向环流异常可在东北亚至北太平洋地区激发正涡度, 并形成异常气旋式环流. 气旋左侧出现的异常偏北风导致6月东北亚地表气温下降. QBO东风位相年的结果与西风位相年大致相反. 这些结果为QBO对热带外地区天气,气候的影响提供了新的证据, 并为东北亚初夏地表气温的预测提供了新的线索.     

A comparison of reanalyses in the tropical stratosphere. Part 2: the quasi-biennial oscillation

 Reanalysis datasets potentially offer the opportunity to examine the tropical quasi-biennial oscillation (QBO) in greater detail than in the past, including the associated meridional circulation and the links with other parts of the atmosphere. For such studies to be useful, the QBO represented by the reanalyses should be realistic. In this work, the QBO in the ERA and NCEP reanalyses is validated against rawinsonde observations from Singapore. Monthly mean data are used. In the lower stratosphere (at 50 hPa and 30 hPa) the ERA QBO is reasonable, although the wind extrema in both phases are too weak and the vertical shear and the temperature anomalies are too small. The NCEP QBO is weaker still. At 10 hPa neither reanalysis system performs well, both systems failing to reproduce the westerlies, possibly because of the proximity of the upper boundary. The Singapore wind is representative of the zonal means in the reanalyses. The weak wind extrema in the reanalyses would not support a wave-mean flow interaction theory of the QBO, because a large portion of the gravity wave spectrum which would be absorbed in reality would be transmitted beyond 10 hPa. The stronger shear zones captured in the ERA data are associated with larger, more realistic temperature perturbations near 30 hPa. The northward velocities in the NCEP data show a more realistic structure than in the ERA reanalysis, where they are dominated by a vertical “gridpoint wave” structure in the lowermost stratosphere. Despite the shortcomings of the reanalyses, the high correlations of the wind at 30 hPa and 50 hPa with the observations at Singapore mean that the reanalyses could potentially be used to examine the effects of the QBO away from the tropical stratosphere. Future reanalyses need to take full account of the wind shears evident in the rawinsonde observations and use models with an adequate resolution to capture these vertical scales. Received: 23 June 1997/Accepted 17 December 1998     

北半球500毫巴月平均环流特征及演变规律的研究——超长波

本文是作者研究近10年大气环流特征的第二部分。应用1951—1960年北半球500毫巴月平均图,用谐波分析方法计算了历年逐月55°N及35°N上波数1到4(第1到第4)波的振幅及位相角。由此分析了大气环流的季节变化。主要结果如下: 1.第1波及第3波的振幅均有明显的年变程,但趋势彼此相反。另外,第1波或第3波振幅本身在55°N及35°N年变程也相反。第2波振幅年变程不明显。 2.各波的位相角亦有明显而规则的年变程,只有55°N第2波的位相角季节变化不大。 3.从逐年波谱及位相来看,大气环流的季节变化各年虽有不同,但季节的趋势却是每年都一致的。 4.过渡季节的波谱与冬夏截然不同。因此一年可分为4个自然天气季节,但每年季节早晚、长短及特征均有一定差异。 5.北半球超长波特征与我国天气有密切关系,这可以从一些例子来说明,如1954年7月与1959年7月,1957年2月与1960年2月。     

从海平面气压场的波谱分析比较南、北半球大气环流的变化

本文应用沿纬圈的谐波分析,对1951—1960年各年逐月南、北半球海平面气压进行分解,对比两个半球的副热带(30°N,30°S)及中纬度(50°N,50°S)的超长波活动发现:(1)南、北两个半球月平均大气环流都存在有性质不同的两类变化,即季节性变化与非季节性变化。在海陆对比明显的北半球,不论西风带还是副热带季节性变化都比较清楚。而南半球仅副热带季节性变化明显,西风带则是非季节性变化占优势。(2)南、北两个半球大气环流的季节变化,都有明显的年际差异。通常,北半球夏季建立(南半球是夏季结束)的年际差异大,北半球夏季结束(南半球是夏季建立)的年际差别较小。(3)超长波位置的年际变化与海陆分布有密切关系。陆地面积大的地区,占优势的超长波位置比较稳定,在几乎全为海洋的50°S,则超长波无论占优势与否,波槽位置的年际变化都较大。     

1950年平均经圈环流与角动量的平衡

本文利用了Buch和Starr与White所计算的1950年各纬度上空的平均经向风速([V]),绘制了子午面上的平均环流(全年:图1,冬季:图2,夏季:图3),图中显示出三个环型(cell),低纬度和高纬度的两个正环型与中纬度的逆环型。 1950年平均西风急流的位置正好处于中纬度的逆环流之中。全年平均的赤道辐合线位于北纬5°左右。自夏至冬三个环型均向北移,冬季半球Hadley环型伸向夏季半球去。三个环型的强度都是冬季大。 对于1950年北半球10°—70°的角动量平衡也作了分析(图4),并绘制了这个空间中角动量输送流线图(图5),其中应该提出,就是通过东西风的界面流线是铅直的,也就是总的来说,在东风带里产生的角动量不是在水平方向上输送到西风带里去,而是在铅直方向上输送到低纬度的高空西风里去,再由那里在水平方向上送到中高纬度去。 最后对于平均纬圈环流的维持也作了讨论,结论是:在中高纬度大型扰动起着主导作用,在低纬度则平均经圈环流是重要的。     

EVOLUTIONAL FEATURES OF INTERANNUAL LOW-FREQUENCY OSCILLATIONS AND THEIR RELATION TO THE OCCURRENCE OF EL NINO

A simplified data set with 8°×8° grid system in a region of 32°S-32°N from 1951 to 1979 for the elements of sea surface temperature (SST),zonal wind at sea level (U),sea level pressure (SLP) and total cloud amount (CA) is made from the COADS.The oscillation components with periods of 2 years (QBO),3.5 years (SO) and 5.5 years (FYO) in interannual low-frequency oscillations have been studied by using the methods of extended EOF (EEOF) and lag comelation analysis with the oscillational components of SST in the equator of eastern Pacific as the reference element.In our paper,the relationship between oscillation components and occumence of El Nino is also investigated.     

长江流域中下游梅雨时期500毫巴环流形势的分析

本文对1954—1962年5—7月500毫巴流型作了分析,确定了长江中下游各年的梅雨期,划分了梅雨期500毫巴环流型。分析指出,西太平洋副热带高压和东亚上空西风气流的变化,是决定入梅和出梅的重要因素,其中东经110°到125°之间的副热带高压脊线的变化更重要。当这个脊线从低纬度向北移动,越过北纬20°时,梅雨开始,再次北移越过北纬25°时,梅雨结束。500毫巴西风气流的变化是另一个指标。90°E上南支强西风消失,东风突然向北推进,是季节转换的标志,这以后,当115°—125°E上南支强西风北撤到北纬30°以北时,梅雨开始,再次北撤越过北纬35°时,梅雨就结束。     

Manifestation of reanalyzed QBO and SSC signals

Global spatial distribution of oscillations in the period bands linked to the quasi-biennial oscillation (QBO) and to the 11-year sunspot cycle (SSC) was investigated using the pseudo-2D wavelet transform. The results were obtained for the ERA-40, NCEP-DOE 2, NCEP/NCAR, and Twentieth Century Reanalysis V2 datasets. Those included time series of air temperature and zonal and meridional wind velocities were examined for all reanalyzed series from 1,000 up to 10 hPa. Most of the datasets covered the second half of the twentieth century. The results are generally in agreement with other related studies, and they point to the presence of the QBO in the tropical stratosphere along with the regions of induced changes in residual circulation, temperature, or ozone amount across extratropics. The SSC imprint is located mainly over similar locations showing that the cycles’ signals are mutually affected there.     

低纬地区平流层准零风层时空分布特征分析

利用ERA-Interim逐日再分析资料,使用EOF（Empirical Orthogonal Function）等统计方法,分析了中国低纬地区平流层准零风层（Quasi-Zero Wind Layer,QZWL）的时空分布特征,旨在为平流层飞艇寻找合适的运行区域及时段。低纬地区QZWL主要受到热带平流层大气环流季节性变化和平流层准两年振荡（Quasi-BiennialOscillation,QBO）的影响。在二者共同作用下,低纬地区QZWL高概率带可分为南北两支:“北支”出现在10月至次年4月间,QBO东风位相时期,“北支”中心纬度基本维持在20°N附近,西风位相时期,“北支”中心纬度随高度降低南移明显;“南支”仅出现在QBO西风位相期间,5~11月在5°N附近,其余时段与“北支”合并,可以认为是“北支”向南延伸。通过对比海口站和南沙站Weibull概率密度函数与风速资料的拟合结果,表明Weibull分布可以很好拟合不同QBO位相下平流层逐月风速频率分布,根据Weibull分布计算特定的累积概率风速值,可以作为选取适宜平流层飞艇运行的低风速风场的判据。海口站30~50 hPa高度11月至次年4月、南沙站50~70 hPa高度QBO西风位相时期全年均较为适合平流层飞艇运行。     

2009年和2010年夏季我国及周边地区STE模拟与对比分析

夏季是深对流多发的季节,深对流在STE(Stratosphere Troposphere Exchange,对流层-平流层交换)过程中起着重要作用。对2005-2012年夏季我国及周边地区的深对流统计发现,2009年深对流发生的次数较少,2010年深对流发生的次数较多。通过拉格朗日输送模式对2009年和2010年夏季的大气运动状态进行模拟并统计分析,发现30°N以南和以北的地区具有明显不同的平流层-对流层交换特征,30°N以北我国及周边地区TST(Troposphere to Stratosphere Transport,对流层向平流层输送)和STT(Stratosphere to Troposphere Transport,平流层向对流层输送)较为活跃,30°N以南远没有30°N以北地区活跃,但其净输送量却大致相当。在30°N以南,6-8月净输送是对流层向平流层输送。在30°N以北,6月净输送是平流层向对流层输送,7-8月净输送是对流层向平流层输送。比较深对流出现较少的2009年夏季和深对流出现较多的2010年夏季的TST和TST-STT,发现2010年6-8月这3个月的TST和TST-STT总量都超过2009年,表明2010年夏季我国及周边地区对流层向平流层的输送和净输送都强于2009年,与深对流活动的多少可能表现出正相关。