Influence of Major Stratospheric Sudden Warming on the Unprecedented Cold Wave in East Asia in January 2021

An unprecedented cold wave intruded into East Asia in early January 2021 and led to record-breaking or historical extreme low temperatures over vast regions.This study shows that a major stratospheric sudden warming(SSW)event at the beginning of January 2021 exerted an important influence on this cold wave.The major SSW event occurred on 2 January 2021 and subsequently led to the displacement of the stratospheric polar vortex to the East Asian side.Moreover,the SSW event induced the stratospheric warming signal to propagate downward to the mid-to-lower troposphere,which not only enhanced the blocking in the Urals-Siberia region and the negative phase of the Arctic Oscillation,but also shifted the tropospheric polar vortex off the pole.The displaced tropospheric polar vortex,Ural blocking,and another downstream blocking ridge over western North America formed a distinct inverted omega-shaped circulation pattern(IOCP)in the East Asia-North Pacific sector.This IOCP was the most direct and impactful atmospheric pattern causing the cold wave in East Asia.The IOCP triggered a meridional cell with an upward branch in East Asia and a downward branch in Siberia.The meridional cell intensified the Siberian high and low-level northerly winds,which also favored the invasion of the cold wave into East Asia.Hence,the SSW event and tropospheric circulations such as the IOCP,negative phase of Arctic Oscillation,Ural blocking,enhanced Siberian high,and eastward propagation of Rossby wave eventually induced the outbreak of an unprecedented cold wave in East Asia in early January 2021.     

2011～2012年冬季欧亚大陆低温严寒事件与平流层北极涛动异常下传的影响

利用NCEP-NCAR 再分析资料分析了2011～2012 年冬季发生在欧亚大陆的一次异常低温严寒事件的大气环流演变过程以及可能的成因。这次低温事件,主要出现在2012 年1 月下旬至2 月上旬,持续大约3 周左右,非常强的低温异常覆盖了几乎整个欧洲以及东亚的西伯利亚、蒙古国和我国东北、华北等地。这次低温事件的演变与对流层北极涛动(AO)由正位相转变为负位相的时间相匹配,意味着AO 可能发挥重要作用。进一步分析表明,前期行星波的异常上传导致平流层发生爆发性增温现象,极夜急流减弱,AO 位相首先在平流层由正变负;在2～3 周左右的时间内,平流层AO 异常信号逐渐下传,使得对流层AO 也转为负位相;随后,乌拉尔山阻塞高压异常发展,极区的冷空气不断向南爆发,先后在东亚和欧洲造成剧烈的降温,导致低温严寒事件。因此,考虑平流层环流的异常可能有助于提高欧亚大陆冬季低温严寒事件的预测能力。     

江淮地区夏季高温事件与北极冷异常的动力联系

利用NCEP/NCAR再分析资料,通过合成分析和相关分析,研究了2010年、2013年及2016年夏季江淮地区高温事件发生时,大气环流异常的主要特征及其与北极冷异常的可能联系。结果表明:这3年江淮地区夏季高温事件发生频次明显偏高,期间江淮地区500 hPa位势高度为正异常,对流层中低层平均温度为暖异常,整个对流层和平流层纬向风减弱;而北极500 hPa高度为负异常,对流层中低层平均温度异常偏冷,纬向风明显加强。因此,江淮地区高温事件与对流层纬向风存在密切联系,在东亚中低纬度地区呈负相关,而在北极呈正相关。东亚中低纬度地区对流层西风减弱抑制对流活动,地面吸收太阳短波辐射增加,进而有利于高温事件发生。     

北半球春季大气臭氧年际变化特征及其对大气温度和环流场的影响

北半球春季中高纬地区大气臭氧总量具有明显的年际变化，正（负）异常时，与其相应对的流层平均温度、位势高度场均为负（正）异常，平流层异常情况相反，北大西洋地区大气臭氧年际异常与其他地区正好相反，这是区别大气臭氧与其他温室气体影响的重要标志。     

平流层异常下传对2009年12月北半球大范围降雪过程的影响

2009年12月北半球中纬度出现大范围持续低温、暴风雪等天气。采用NCEP／NCAR再分析资料研究了平流层AO（Arctic Oscillation,北极涛动）异常信号下传的特征及其对本次极端气候事件的影响,并讨论了与平流层异常信号下传相关的行星波活动。结果表明：1）与此次极端气候事件相联系的负位相A0异常11月首先发生在平流层,维持将近1个月后于12月初开始下传,并且迅速传至地面。12月整个对流层的位势高度及温度在极区附近出现强的正异常,而中纬度地区则为负异常。2）平流层AO异常信号下传后,地面出现有利于低温降雪过程的环流异常。12月上旬,亚洲大陆东部及北美大陆西部出现异常偏北风,造成了俄罗斯、北美西部大面积负的温度异常;12月中下旬,欧洲大陆盛行偏西北气流,同时蒙古高压增强,欧亚大陆北部包括中国北方出现大片负的温度异常。3）在此次极端气候事件之前,北半球高纬度地区有异常强的行星波上传至平流层,导致平流层出现负位相的AO异常,并维持了一个月;随后,上传到平流层的行星波减弱,同时平流层负位相的AO异常迅速传至地面,导致了有利于低温降雪的环流异常。     

北半球平流层极涡崩溃早晚的环流特征及其对5月南亚降水的影响

本文采用1979—2014年NCEP/NCAR月平均再分析资料、CMAP和GPCP月平均降水资料,分析了北半球平流层极涡崩溃早晚的环流特征及其与南亚降水的关系。结果表明,北半球平流层极涡崩溃时间存在明显的年际变化特征。极涡崩溃偏早(偏晚)年,自3月开始异常信号从平流层向下传播,之后的4月,从平流层到对流层高层极区温度异常偏高(偏低),极涡异常偏弱(偏强),极夜急流异常偏弱(偏强)。结果还表明,5月南亚降水异常与平流层极涡崩溃时间的早晚存在显著相关,5月南亚降水异常与平流层极涡崩溃早晚年平流层异常信号的下传有关。当平流层极涡崩溃偏晚年,4月平流层极区表现为位势高度异常偏低,而中纬度则位势高度场异常偏高,并伴随位势高度异常场的向下传播,5月该位势高度异常场下传至阿拉伯海北部大陆上空对流层顶,形成有利于降水的环流场,导致南亚降水偏多。反之,则相反。     

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.     

北极涛动与东亚冬季气候在年际尺度上的联系:准定常行星波的作用

利用NCEP/NCAR再分析资料和我国160站月平均气温资料,首先采用线性回归的方法分析了从1958至1998年40个冬季北极涛动(AO)与东亚气候异常的关系.结果表明,当AO处于正位相时,东亚地区200 hPa的急流明显北跳,东亚大槽显著减弱,而在中国的华北、东北到西伯利亚出现大范围的地表南风异常,使得低空从西伯利亚到我国的东北、华北以及韩国、日本有显著的暖异常; 而当AO处于负位相时,则往往出现相反的情形.进一步的相关和合成分析发现,准定常行星波活动可以在AO与东亚气候之间起到桥梁作用.AO可以通过影响中高纬平流层下层的西风强弱,进而影响到准定常行星波的垂直传播,使得对流层下层中高纬地区的行星波振幅发生变化,从而导致低层的西伯利亚高压和阿留申低压同时减弱或增强,最终导致东亚地区异常偏暖或偏冷; 其中低层中高纬地区纬向波数2的扰动对西伯利亚高压和阿留申低压的变化起了最主要的作用.作者提出的AO通过影响准定常行星波的活动而导致东亚气候异常的机理,不但强调了西伯利亚高压的贡献,而且特别从波动的意义上强调了阿留申低压的重要性.文中还讨论了值得进一步研究的有关问题.     

北极海冰年际变化对东亚中纬度夏季陆面热力异常的指示作用及其可能原因

本文分析了夏季东亚中纬度近地面温度和春、夏北极海冰时空变化特征,探讨了格陵兰海、巴伦支海海冰异常变化与夏季东亚中纬度陆面热力异常在年际上的可能联系。结果表明:(1)1950—2014年,东亚中纬度夏季近地面温度明显增暖,并伴有明显的年际变化,年际变率最大值的区域主要位于40°N以北至贝加尔湖地区;春、夏格陵兰海和巴伦支海的海冰也呈现明显的减少趋势,同时表现出较强的年际变化特征。(2)春、夏格陵兰海、巴伦支海海冰异常对东亚中纬度夏季陆面热力异常具有一定的指示作用:春、夏格陵兰海、巴伦支海海冰异常偏多,通常对应夏季东亚中纬度近地面的东亚中纬度夏季增暖现象;反之亦然。(3)春、季格陵兰海、巴伦支海北极海冰指数(Arctic Sea Ice Index,ASII)高值年(海冰异常偏多年份),贝加尔湖及西南的蒙古高原地区通常为大范围的异常高压控制,有利于近地面温度升高;同时由于乌拉尔山阻塞高压减弱,极地南下的冷空气减弱,有利于东亚中纬度区域的温度升高。而ASII低值年的情形则相反,贝加尔湖以南地区受异常低压控制,乌拉尔山阻塞高压增强,冷空气易向南侵袭,不利于东亚中纬度近地面升温。     

冬季平流层北极涛动对江南气温的影响

利用ERA—interim及NCEP—DOE两种再分析资料,分析了冬季北极涛动（Arctic Oscillation,AO）与我国江南地区地表气温相关的时空结构。结果表明：1）2月30hPa的Ao指数与江南地区地表气温的同期相关系数最高,这与AO指数和江南地区地表气温的标准差均在2月极大有关。2）30hPa的正AO事件加强时,贝加尔湖地区对流层易出现显著的正位势高度异常,有利于东亚地区出现向南、向下的异常风场,与之对应,西伯利亚高压向南扩展,有利于北方冷空气南侵至我国江南地区,造成局地气温负距平;反之亦然。     

2019年12月吉林省降水异常偏多成因分析

本文从大尺度大气环流和海温异常方面对2019年12月吉林省降水异常成因进行分析,并探究前期秋季日本附近关键区海温异常对吉林省12月降水异常的可能影响。结果表明：1981—2019年吉林省12月降水有明显增多的趋势,在降水年代际偏多的气候背景下,2019年12月吉林全省降水量为常年同期的227.5%,居1981年以来同期多雨雪第4位。前期秋季日本附近关键区海温异常偏暖是12月吉林省降水异常偏多的驱动条件之一,在前期海温异常偏暖年：鄂霍茨克海至日本上空为异常反气旋,阻塞高压活跃,贝加尔湖附近地区为负高度距平,东亚冬季风系统减弱,局地海温的异常升高使其上空的水汽含量增加,配合东亚冬季风异常为吉林省上空带来了充足的水汽;另一方面,由于中纬度45°N附近为西风距平,为东北地区带来冷空气,在槽前正涡度平流作用下,有上升运动,为降水提供了动力条件。在前期海温异常偏冷年：中国东北地区盛行西风,东亚冬季风偏强,中国东部沿海有北风异常,西伯利亚高压偏强,吉林省降水的水汽和动力条件不足,降水异常偏少。     

两次不同ENSO背景下云南冬季极端冷事件的成因分析

2008年初和2016年初分别经历了一次中等强度以上的La Niña和El Niño事件,在不同的厄尔尼诺-南方涛动(El Niño/Southern Oscillation,ENSO)背景下,云南均发生了低温雨雪冰冻天气。本文利用大气环流、海表温度、云南124个观测站逐月温度等资料,通过多种统计方法探讨了不同ENSO背景下极端冷事件发生的原因。结果表明:1)2008年初和2016年初云南冬季极端冷事件在2月表现更明显。2)不同ENSO背景下,2月大气环流和云南气温变化差异较大。La Niña(El Niño)年西伯利亚高压加强(减弱),位势高度场北(西)高南(东)低,西太平洋副高偏弱(强),菲律宾异常(反)气旋西北侧异常北(南)风加强,东亚冬季风偏强(弱),云南东部气温偏低(高)。3)2008年和2016年的东北太平洋大气环流异常对赤道中东太平洋海温异常均有响应,同时2008年赤道中东太平洋冷海温作用激发的菲律宾气旋西部偏北气流对东亚冬季风的加强和向南活动有重要影响,而2016年赤道中东太平洋暖海温对菲律宾地区环流变化的影响并不显著。4)北极涛动(Arctic Oscillation,AO)和北极海冰变化对2008年2月和2016年2月西伯利亚高压的加强的影响表现出一定的差异特征,2月AO负位相变化对2008年西伯利亚高压的加强影响较大,而2月北极海冰偏少对2016年西伯利亚高压加强的影响显著。     

1998年夏季东北亚阻塞高压异常的大尺度环流特征及成因初探

分析了1998年夏季东北阻塞高压异常及大尺度环流特征，研究了1979－1998年夏季东北阻塞高压年际变化，环流背景特征以及东北亚阻塞高压异常的太平洋海温异常的关系，认为夏季东北亚500hPa平均高度偏高（低），东亚地区“＋－＋”（“－＋－”）的距平波列，是典型的东北亚阻塞高压强盛（稀少）的环流型，太平洋海温的异常，激发东焉地区的遥相关波列，致使东北亚500hPa高度场异常，可能是东北亚阻塞主压异常的原因之一，在亚少中高续高度场平均偏高的环流背景下，乌拉尔册地区的阻塞高压对东北亚阻塞高压的发展和建立起到了促进作用，1998年乌拉尔山阻塞高频繁也是东北亚阻塞高压异常频繁的可能原因之一。     

2010年秋、冬季节华北持续性干旱的气候成因分析

利用1951～2011年中国台站观测的逐日降水、温度和美国NCEP/NCAR再分析月平均资料, 本文分析2010年秋、冬季(11月至次年2月)发生在华北地区持续性干旱的大气环流和海温异常特征, 并讨论了北极涛动(AO)和La Ni?a事件对此次干旱事件的影响。分析表明, 2010年发生在华北秋、冬季节的持续性干旱是叠加在降水减少气候趋势之上的一次极端干旱事件, 但本次极端干旱事件主要成因是受到同期较强的AO负位相和La Ni?a事件共同的影响。统计发现:AO的负位相有利于乌拉尔山阻塞高压维持和发展, 而贝加尔湖上空出现负位势高度异常, 导致东亚中高纬度经向环流加强和冷空气向南侵袭。AO负位相可导致贝加尔湖上空气压场偏低并影响冷空气的路径和强度, 进而间接地导致华北地区的干冷气候, 而同期La Ni?a的海温异常分布导致西北太平洋副热带高压偏弱偏南, 抑制了西太平洋水汽向华北地区输送, 从而直接导致该地区的干旱。由于2010年AO负指数和La Ni?a事件较历史干旱年份表现出较强和长时间持续性, 从而导致了锋面位置位于华北以南和华北本次的持续性干旱事件。     

Effects of Sea Surface Temperature Anomalies off the East Coast of Japan on Development of the Okhotsk High

The study examined effects of sea surface temperature anomalies (SSTAs) off the east coast of Japan on the blocking high over the Okhotsk Sea in June by diagnostic analysis and numerical simulation. Firstly, based on 500-hPa geopotential height fields, the Okhotsk high index (OKHI) for June from 1951 to 2000 is calculated and analyzed. The result indicates that the OKHI has obvious inter-annual and inter-decadal variations, and there are 9 yr of high OKHI and 8 yr of low OKHI in 50 yr. Secondly, by using the OKHI, the relationship between the Okhotsk high and the 500-hPa geopotential height anomaly is investigated. The results indicate that the "+-+" pattern of geopotential height anomaly crossing Eurasia in the mid-high latitudes and the "+-" pattern of geopotential height anomaly from high to low latitudes over East Asia are in favor of the formation and maintenance of the Okhotsk high. The relationship between the OKHI and the SSTA over the North Pacific is investigated in early summer by using correlation and composite analysis. We found that when the blocking circulation over the Okhotsk Sea occurs, there is an obvious negative SSTA off the east coast of Japan in early summer. We simulated the effects of the negative SSTA of east coast of Japan on the atmospheric circulation anomaly over East Asia through the control and sensitivity experiments using NCAR CAM3 model in order to confirm our analysis results. The simulation shows that the negative SSTA off the east coast of Japan results in the significant positive 40 gpm 500-hPa geopotential height anomaly over the Okhotsk Sea and the negative anomalies off the east coast of Japan which might contribute to the formation and development of the Okhotsk high in June.     

河北春秋季降水异常与对流层中低层环流的可能联系

利用河北省及周边73个台站1961—2010年春季、秋季降水资料及NCEP／NCAR再分析资料,应用SVD等多种统计方法探讨了河北春秋季降水异常变化及其与对流层中低层环流的可能联系.研究结果表明：河北省春秋季降水异常存在全省一致和南—北相反两种模态.春季,当500 hPa平均高度场上东西伯利亚海出现负异常,我国东北地区到日本海为正异常时,河北春季大部分地区降水偏多（石家庄表现最明显）;反之,河北春季大部分地区降水偏少.秋季,当欧洲的西北部500 hPa平均高度场为负异常时,河北大部秋季降水偏少（中部表现最明显）;反之,河北秋季降水偏多.春秋季干旱的出现与贝加尔湖阻高（或高脊）及东亚大槽偏强有关.850 hPa偏南风减弱是导致春秋季干旱的重要原因.     

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。     

Dominant patterns of winter surface air temperature over Central Asia and their connection with atmospheric circulation

The dominant patterns of the winter (December–February) surface air temperature anomalies (SATAs) over Central Asia (CA) are investigated in this study. The first two leading modes revealed by empirical orthogonal function (EOF) analysis represent the patterns by explaining 74% of the total variance. The positive phase of EOF1 is characterized by a monopole pattern, corresponding to cold SATAs over CA, while the positive phase of EOF2 shows a meridional dipole pattern with warm and cold SATAs over northern and southern CA. EOF1 is mainly modulated by the negative phase of the Arctic Oscillation (AO) in the troposphere, and the negative AO phase may be caused by the downward propagation of the precursory anomalies of the stratospheric polar vortex. EOF2 is mainly influenced by the Ural blocking pattern and the winter North Atlantic Oscillation (NAO). The SATAs associated with EOF2 can be attributed to a dipole-like pattern of geopotential height anomalies over CA. The dipole-like pattern is mainly caused by the Ural blocking pattern, and the NAO can also contribute to the northern part of the dipole.摘要本文利用经验正交函数分解方法 (Empirical orthogonal function, EOF) , 针对1979–2019年冬季 (12月–2月) 中亚地区地面气温异常进行了研究. 结果表明, 中亚地区冬季地面气温异常的前两个EOF模态解释方差总占比可达74%. 其中, 第一模态 (EOF1) 正位相为一致型变化, 对应中亚地区气温冷异常; 第二模态 (EOF2) 正位相则为南北偶极型变化, 对应于中亚地区南冷北暖型气温异常. EOF1可能受到冬季北极涛动 (Arctic Oscillation, AO) 负位相的调制, 而AO的负位相则可能来自于前期平流层极涡正位势高度异常下传. EOF2则可能受到乌拉尔山阻塞及冬季北大西洋涛动 (North Atlantic Oscillation, NAO) 的共同调制. 乌拉尔山阻塞可引起中亚区域南北偶极型气温异常, 而冬季NAO可对该偶极型气温异常的北侧产生贡献.     

北极涛动年代际变化与华北夏季降水的联系

利用NCEP／NCAR再分析资料和华北夏季降水资料，研究了北极涛动的年代际变化及其与大气环流的关系，进而研究与华北夏季降水异常变化的联系。结果表明，北极涛动具有明显的年代际变化，并在1969年发生了气候突变。北极涛动年代际异常与亚洲中纬度高度场异常、850hPa风场的年代际异常具有很好的一致性。在年代际尺度上，北极涛动与贝加尔湖地区阻塞高压发生频率、东亚夏季风强度和华北夏季降水的关系较为密切。     

冬季亚洲中纬度极端低温事件与巴伦支—喀拉海异常增暖的关系及联系机制

利用1979～2019年NCEP-DOE再分析资料,分析了亚洲中纬度冬季极端低温事件发生频次与巴伦支—喀拉海异常增暖的联系及可能机制。研究表明:巴伦支—喀拉海异常增暖通常对应西伯利亚高压异常增强及亚洲中纬度极端低温频发。进一步分析发现,伴随巴伦支—喀拉海异常增暖,新地岛、乌拉尔山附近出现位势高度正异常,在位势高度正异常的东侧、南侧对应显著的冷平流及下沉运动异常,并在近地面出现异常辐散气流,使得西伯利亚高压增强且向东南延伸。热力学方程诊断的结果表明:西伯利亚高压异常南侧东北风导致的异常冷平流、偏东风异常经过地形造成的异常上升运动以及辐射、感热、潜热交换造成的异常非绝热冷却导致亚洲中纬度近地面温度季节循环振幅增大,有利于极端低温频发。