北半球风暴轴的时间演变特征

对５００ｈＰａ位势高度场逐日资料进行带通滤波分析，从而确定了风暴轴各月平均的强度和位置，分析了风暴轴和同一层次急流的时间演变特征以及它们之间的关系。结果表明：太平洋和大西洋风暴轴的强度和摆动都存在着明显的月际变化，即夏季强度最弱，位置偏北；冬季强度最强，位置偏南。在大多数情况下，风暴轴位于急流极大值下游向极地一侧。还发现，急流核和风暴轴都存在断裂现象，在太平洋上，风暴轴还出现双中心现象。     

冬季太平洋SST异常对风暴轴和急流的影响

利用观测资料分析了冬季太平洋表温度异常对风暴轴和急流的影响。结果表明：在冬季黑潮区域正ＳＳＴ异常进,风暴轴和急流均明显北移,并且风暴辆的强度在入口区显著增强,急流核的中心强度却变化不大;而在冬季赤道中,东太平洋地区正ＳＳＴ异常时,风暴轴和急流主要向东南方向明显扩展,强度也在太平洋中东部显著增强,但急流核的中心强度同样变化不大。     

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。     

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.     

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.     

春季黑潮延伸体海洋锋区经向位移与东亚大气环流的关系

采用高分辨率的海表温度资料定义了春季黑潮延伸体北侧海洋锋区的南北位置,并采用EOF分析、相关分析、合成分析、带通滤波等方法,探讨了其南北向位置变动与高空急流、风暴轴以及后期东亚降水之间的关系。结果表明,春季黑潮延伸体北侧海洋锋区位置的南北变动存在明显的年际、年代际变化,其与6月东亚高空急流、太平洋区域风暴轴的南北位置具有很好的对应关系。当春季黑潮延伸体海洋锋区偏北时,6月东亚高空急流、太平洋区域风暴轴偏北,反之亦然。进一步的研究还表明,春季黑潮延伸体海洋锋区经向位置的变动可通过影响东亚大气环流对6月东亚地区的降水产生影响,黑潮延伸体海洋锋区偏北(南)年,6月雨带有显著的北(南)移。     

西伯利亚风暴轴的气候特征及其可能维持机制

基于1959—2014年NCEP/NCAR的逐日再分析资料,首先研究了西伯利亚风暴轴各季节的气候平均特征,然后以冬季为例,利用能量诊断方程,从能量学的角度对其的可能维持机制进行了探讨,并在上述分析过程中与北半球两大洋风暴轴的特征进行了对比。结果表明:(1)西伯利亚风暴轴一年四季都独立存在,虽强度要比两大洋风暴轴的强度弱很多且位置偏北,但可以定义为一个弱风暴轴。(2)比较来看,西伯利亚风暴轴强度的季节变化与北太平洋风暴轴的季节变化类似。与两大洋风暴轴位于急流东北侧不同,冬季西伯利亚风暴轴位于东亚温带急流的西侧。(3)进一步的能量分析结果表明,与两大洋风暴轴一样,斜压不稳定的能量转换(Ke4)也是西伯利亚风暴轴区域天气尺度扰动动能的主要来源;而扰动非地转位势通量散度项(Ke3)和时间平均气流对扰动动能的平流输送项(Ke1)也是风暴轴下游发展所需的扰动动能来源之一。     

冬季北太平洋风暴轴指数的评估及其改进

首先对风暴轴的定义及其强度和位置表征方法进行了归纳总结, 然后利用1958～2001年44年冬季ERA40位势高度场资料重新评估了几种不同的风暴轴特征指数, 分析得到: 这些不同的定义方法在表征风暴轴强度变化方面具有一致性, 但在描述风暴轴的位置变动方面有较大差异。根据冬季北太平洋风暴轴主体的强度和位置变化特征, 提出了一组更为恰当的动态定量的表征方法, 即取北太平洋及其周边区域 (30°N～60°N, 120°E～120°W) 冬季500 hPa位势高度天气尺度滤波方差大于20 dagpm2的所有格点滤波方差的平均值, 以及满足上述条件所有格点的经度平均和纬度平均分别作为冬季北太平洋风暴轴的强度指数 (NII)、经度指数 (NXI) 和纬度指数 (NYI)。通过比较分析, 证明了新定义的指数更能反映风暴轴实际的变动特征。继而利用新指数分析了冬季北太平洋风暴轴的强度和位置的长期变化, 得到以下结论:44年中, 冬季北太平洋风暴轴的强度微弱增加, 且在1970年代中期以前北太平洋风暴轴的强度和位置的年代际变化关系复杂; 1970年代中期以后北太平洋风暴轴的强度和位置的年代际变化具有准协同一致性, 表现为偏弱期位置偏西偏南, 偏强期位置偏东偏北。而且, 这种长期变化与太平洋海气系统成员的低频变化有相关性, 其变化成因是复杂的。     

冬季北太平洋风暴轴的年代际变化

对1948-2004 NCEP／NCAR 500hPa高度场资料进行滤波后,采用累积距平、Morlet小波分析、合成分析等方法,研究了风暴轴中心的强度、经纬度以及面积指数的年代际变化。结果表明,56a来北太平洋风暴轴的中心强度平均约为32dagpm^2,中心位置约在172°W、44．5°N。小波分析表明,冬季北太平洋风暴轴的中心强度和面积都存在着18a的年代际变化周期。此外,风暴轴中心强度与面积指数有很好的正相关关系。总的来说,风暴轴中心强度增强（减弱）时期,一般对应着风暴轴面积增大（缩小）和位置向西（东）、向南（北）移动。     

北半球冬季风暴轴与ENSO循环的关系及其能量平衡特征

利用欧洲中期天气预报中心的再分析资料,分析了北半球冬季对流层上层300 hPa面上风暴轴与ENSO循环的关系以及风暴轴的能量平衡特征.研究表明,由于El Nino年北太平洋的哈德莱环流增强,导致北太平洋西风急流向赤道和向东伸展,进而引起了北太平洋风暴轴的增强并向赤道和向东伸展;而La Nina年事件期间情形正好相反.在北大西洋,El Nino年其西风急流中心最大值有所减小,但整个西风急流区域有所扩大并向西和向赤道伸展,相应北大西洋风暴轴强度在El Nino年也有所减弱并向西和向赤道方向伸展;La Nina事件的情形正好相反.能量分析表明,斜压转换的正值中心位于风暴轴及其上游区域.在El Nino年,北太平洋斜压转换的正值中心向赤道和向下游伸展,而北大西洋斜压转换的正值中心向赤道和向西伸展,这与北太平洋风暴轴和北大西洋风暴的变化趋势是一致的.行星尺度扰动对斜压转换的贡献比天气尺度扰动的贡献要小,而行星尺度-天气尺度扰动的相互作用项对斜压转换的贡献更小.研究还表明,能量正压转换的正中心化于风暴轴的上游,负中心位于风暴轴区域.相对于La Nina年,El Nino年北太平洋东部的正压转换负值中心偏北,北美的正值中心位置偏南,而北大西洋的负值中心强度减弱范围变小.这些变化与从La Nina年剑El Nino年北太平洋和北大西洋风暴轴的变化是一致的.在能量的正压转换过程中,天气尺度扰动的贡献要大于行星尺度扰动,而行星尺度-天气尺度扰动的相互作用项的贡献更小.     

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。     

极涡对北太平洋风暴轴影响及成因初探

利用美国NCEP/NCAR再分析资料,初步探讨了1969—2013年冬季北半球极涡对北太平洋风暴轴的影响及可能的物理机制.结果表明:风暴轴主要分布在120°E—120°W、30°—60°N之间,扰动最强中心位于45°N附近.奇异值分解表明,极涡与风暴轴之间主要存在两种耦合空间变化特征.当极涡在极区增强(减弱)时,风暴轴在其气候平均位置增强(减弱);当极涡增强并向北太平洋地区移动时,相对于平均状态,风暴轴在45°N以南地区偏强;而当极涡向北美大陆移动增强时,相对于平均状态,45°N轴线以北地区风暴轴偏强.回归分析进一步表明了北半球极涡影响北太平洋风暴轴变化的原因,极涡通过改变500h Pa位势高度场的遥相关形态特征,进而改变东亚西风急流及风暴轴上游地区斜压性的位置与强度,从而导致风暴轴的强度发生变化.     

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。     

冬季黑潮延伸体区域海表温度锋对北太平洋风暴轴的影响

利用NOAA最优插值逐日海表温度资料和NCEP/NCAR的逐日大气再分析资料,分析了冬季黑潮延伸体区域海表温度锋的变化及其对北太平洋风暴轴的影响。结果表明,冬季黑潮延伸体区域海表温度锋强度和纬度位置既存在年际变化,也存在年代际变化,且强度和位置的变化是相互独立的。冬季黑潮延伸体区域海表温度锋强度的年际变化对北太平洋风暴轴没有显著的影响,而其年代际变化则对北太平洋风暴轴具有非常显著的影响,当冬季海表温度锋偏强时,大气斜压性在鄂霍次克海及阿拉斯加附近区域上空增强,而在海表温度锋下游至东太平洋区域上空显著减弱,平均有效位能向涡动有效位能的斜压能量转换在45°N以北的太平洋区域上空有所增多,而在30°-45°N的太平洋区域上空有所减少,涡动有效位能向涡动动能的斜压能量转换在35°N以北的西太平洋区域以及45°N以北的东太平洋区域都显著增加,而仅在其南部边缘存在东西带状的减弱区域,导致40°N以北海区北太平洋风暴轴增强,40°N以南海区北太平洋风暴轴减弱,冬季海表温度锋偏弱时则有与之相反的结果。冬季黑潮延伸体区域海表温度锋纬度位置的变化对北太平洋风暴轴也存在较显著的影响,当海表温度锋位置偏北时,在其下游45°N以南的太平洋区域上空大气斜压性减弱,45°N以南的中东太平洋区域上空区域平均有效位能向涡动有效位能、以及涡动有效位能向涡动动能的斜压能量转换都减少;而在45°N以北的太平洋区域上空大气斜压性增强,在阿拉斯加湾附近上空尤其显著,在黑潮延伸体区域附近以及45°N以北的中东太平洋上空平均有效位能向涡动有效位能、以及涡动有效位能向涡动动能的斜压能量转换都显著增加,导致北太平洋风暴轴在其气候平均态轴线两侧呈现北正南负的偶极子形态;海表温度锋位置偏南时则有与之相反的结果。冬季黑潮延伸体区域海表温度锋强度和位置的变化均对北太平洋风暴轴具有显著的影响,其具体的物理机制还需要进一步的研究。      

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.     

冬季北太平洋风暴轴异常及其与东亚大气环流的关系

利用NCEP/NCAR逐日再分析资料,应用滤波方差、相关分析、合成分析等研究了1963年冬季至2011年冬季北太平洋风暴轴的时空演变特征,并探讨了风暴轴活动强弱与东亚—北太平洋大气环流的关系。结果表明：与1980s后期风暴轴活动显著增强相比,近10 a来风暴轴活动又进入较气候平均水平偏低的阶段,且风暴轴主体位置有着向东北、西南两侧的振荡现象。风暴轴活动强（弱）年,东亚地区近地面温度偏高（低）、对流层低层阿留申低压和西伯利亚高压偏弱（强）、中国东部及日本上空850 hPa北风减弱（加强）;对流层中层东亚大槽减弱北缩（加深南进）、对流层高层西风急流减弱（加强）。风暴轴活动与冬季影响中国的冷空气活动次数相关关系显著。     

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。     

冬季海温异常影响北太平洋东部型风暴轴的数值试验

最强中心出现在160°W以东地区的北太平洋风暴轴定义为东部型风暴轴,针对这种短期气候异常现象,利用大气环流模式CAM 3.0对其可能的外部强迫机制进行探究,主要关注赤道中东部和黑潮海区正、负海温异常的影响。结果表明:赤道海区负海温异常对风暴轴东部型的出现有重要意义,当该海区海温为负(正)异常且黑潮海区海温正(负)异常时,风暴轴表现为东(西)部型。风暴轴在中、东太平洋地区低层斜压性的增强,是太平洋风暴轴中、东端天气尺度涡动活动增强的主要原因。当出现东部型时,北太平洋东部区域急流强度增强,涡动斜压增长偏强,涡动的热量和动量输送加强,风暴轴和急流的反馈也加强;反之亦然。冬季赤道海区引起的大气响应范围较广,而黑潮海区的影响较为局地,尤其是黑潮海区的负异常主要影响风暴轴入口区域,表现为关于海温异常强迫的符号非对称性。     

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。