关于北半球准定常行星波年际变化的资料分析和数值模拟

利用NCEP/NCAR再分析资料和大气环流模式(CCSR/NIES AGCM Ver.5.6), 对北半球冬季准定常行星波活动的年际变化进行了分析和模拟.基于以前对EP通量散度的遥相关分析, 作者将EP通量散度的EOF第一分量时间序列T1定义为年际变化指数.对应于T1的高指数, 在对流层和平流层低层, 准定常行星波更多地折向赤道传播, 从而在对流层出现一个EP通量散度的偶极子型异常, 这一形势主要来自2波和3波的贡献; 而折向高纬度经极地波导向上传播的行星波活动减弱了, 在高纬度产生异常辐散, 这一形势主要来自1波和2波的贡献.相关和回归分析发现, 准定常行星波的年际变化与北极涛动有密切联系, 与T1对应的纬向平均流场以及位势高度场的异常分布都与北极涛动下的异常形势非常相似.利用大气环流模式模拟的结果显示, 模式在对流层可以很好地模拟准定常行星波的年际变化以及北极涛动形势, 并且二者同样密切相关.但是模式还不能很好地模拟行星波经极地波导向平流层传播的年际变化, 对可能的成因也进行了探讨.     

中国东北冬季极端低温的年代际变化及其成因

利用JRA-55再分析资料和中国824站日最低气温数据,分析了1961—2013年冬季中国东北地区极端低温的年代际变化及其动力成因。结果表明:东北冬季极端低温1980s中期前频发,1980s后期到2000s初少发,2000s后恢复多发。这与贝加尔湖阻塞高压频次偏多—偏少—偏多的同步年代际变化直接相关,与北极涛动(Arctic Oscillation,AO)和准定常行星波活动的年代际振荡相联系。相比于1980s中期前,1988—1999年期间行星波沿极地波导向平流层的传播减弱,引起高纬度平流层下层E-P通量辐合变弱;而行星波沿低纬波导往副热带对流层上层的传播增强,造成副热带对流层中上层E-P通量辐合增强。行星波E-P通量散度的异常由于波—流相互作用,分别导致了极夜急流加强、副热带急流减弱,因而AO增强,不利于贝湖阻高建立和环流经向型发展,极端低温减少。2000—2013年,行星波活动相反,导致AO减弱,贝湖阻高多发,极端低温恢复增多。     

东亚2005年和2006年冬季风异常及其与准定常行星波活动的关系

利用NCEP/NCAR再分析资料系统地分析了2005年与2006年冬季欧亚大陆的气温和东亚冬季风的差别及其与北半球准定常波活动的关系。分析结果表明:2005年冬季欧亚大陆中、高纬度地区气温偏低,东亚冬季风偏强;而2006年冬季欧亚大陆中、高纬度地区气温偏高,出现暖冬,东亚冬季风偏弱。分析结果还表明,这两年冬季东亚冬季风的差别不仅是由于西伯利亚高压和阿留申低压的变异所造成,而且是由于北极涛动(北半球环状模)的变化所造成。并且,作者还从这两年冬季北半球准定常行星波活动的差异,在动力理论上进一步讨论了这两年冬季北半球气候和东亚冬季风差异的机理。结果表明:2005年冬季北半球行星波活动为低指数,准定常行星波在高纬度往平流层传播加强,而往低纬度对流层上层传播减弱,造成了行星波E-P通量在高纬度地区对流层中、上层辐合加强,而在副热带地区对流层中、上层辐散加强,引起了北半球高纬度地区极锋急流减弱,而副热带急流加强,这有利于西伯利亚高压的发展,从而引起了东亚冬季风增强;相反,2006年冬季北半球行星波活动为高指数,准定常行星波在高纬度往平流层传播减弱,而往低纬度对流层上层传播加强,造成了行星波E-P通量在高纬度地区对流层中、上层辐散加强,而在副热带地区对流层中、上层辐合加强,引起了北半球高纬度地区极锋急流加强,而副热带急流减弱,这不利于西伯利亚高压的发展,从而引起了东亚冬季风减弱。     

东亚2005年和2006年冬季风异常及其与准定常行星波活动关系的分析研究

利用NCEP/NCAR再分析资料系统地分析了2005年与2006年冬季欧亚大陆的气温和东亚冬季风的差别及其与北半球准定常波活动的关系。分析结果表明:2005年冬季欧亚大陆中、高纬度地区气温偏低，东亚冬季风偏强; 而2006年冬季欧亚大陆中、高纬度地区气温偏高，出现暖冬，东亚冬季风偏弱。分析结果还表明，这两年冬季东亚冬季风的差别不仅是由于西伯利亚高压和阿留申低压的变异所造成，而且是由于北极涛动 (北半球环状模) 的变化所造成。并且，作者还从这两年冬季北半球准定常行星波活动的差异，在动力理论上进一步讨论了这两年冬季北半球气候和东亚冬季风差异的机理。结果表明:2005年冬季北半球行星波活动为低指数，准定常行星波在高纬度往平流层传播加强，而往低纬度对流层上层传播减弱，造成了行星波E-P通量在高纬度地区对流层中、上层辐合加强，而在副热带地区对流层中、上层辐散加强，引起了北半球高纬度地区极锋急流减弱，而副热带急流加强，这有利于西伯利亚高压的发展，从而引起了东亚冬季风增强；相反，2006年冬季北半球行星波活动为高指数，准定常行星波在高纬度往平流层传播减弱，而往低纬度对流层上层传播加强，造成了行星波E-P通量在高纬度地区对流层中、上层辐散加强， 而在副热带地区对流层中、上层辐合加强，引起了北半球高纬度地区极锋急流加强，而副热带急流减弱，这不利于西伯利亚高压的发展，从而引起了东亚冬季风减弱。     

20世纪90年代末东亚冬季风年代际变化特征及其内动力成因

为纪念陶诗言先生对东亚冬季风研究的杰出贡献,本文利用我国测站、NCEP/NCAR和ERA-40/ERA-Interim再分析资料分析了我国冬季气温和东亚冬季风在20世纪90年代末所发生的年代际跃变特征及其内动力成因。分析结果表明:从20世纪90年代末之后,我国冬季气温和东亚冬季风发生了明显的年代际跃变。从1999年之后,随着东亚冬季风从偏弱变偏强,我国冬季气温变化从全国一致变化型变成南北振荡型（即北冷南暖型）,并由于从1999年之后我国北方冬季气温从偏高变成偏低,故冬季低温雪暴冰冻灾害频繁发生,同时,我国冬季气温和东亚冬季风年际变化在此时期从以往3～4 a周期年际变化变成2～8 a周期;并且,结果还表明了东亚冬季风此次年代际变化是由于西伯利亚高压和阿留申低压的加强所致。本文还从北极涛动（AO）和北半球准定常行星波活动的动力理论进一步讨论了此次东亚冬季风年代际跃变的内动力成因及其机理,结果表明:从20世纪90年代末之后,北半球冬季准定常行星波在高纬地区沿极地波导传播到平流层加强,而沿低纬波导传播到副热带对流层上层减弱,这造成了行星波E-P通量在高纬度地区对流层和平流层辐合加强,而在副热带地区对流层中、上层辐散加强,因而导致了北半球高纬度地区从对流层到平流层纬向平均纬向流和欧亚上空极锋急流减弱,而副热带急流加强,这造成了AO减弱和东亚冬季风加强。     

东亚季风系统的动力过程和准定常行星波活动的研究进展

本文系统地回顾了近几年来关于东亚季风系统的动力过程与机理方面的研究,特别是关于东亚季风系统年际和年代际变异与准定常行星波活动关系的研究。最近的许多研究表明东亚夏季风系统变异的动力过程主要与东亚／太平洋型(即EAP型)遥相关有关,利用EAP型遥相关理论不仅可以说明东亚夏季风系统各成员之间内在联系的机理,而且可以揭示热带西太平洋热力和菲律宾周围对流活动影响东亚夏季风系统季节内、年际变化及其异常的经向三极子结构的动力过程;除了EAP型遥相关外,研究还表明北半球夏季从北非到东亚的对流层上层经向风异常存在一个沿急流传播的遥相关型,它对东亚夏季风系统异常的经向三极子型分布也有重要影响。并且,最近关于东亚冬季风变异与行星波活动的关系已做出许多研究,并获得很大进展。这些研究表明:北半球冬季准定常行星波传播波导在年际和年代际变化上存在着反相振荡特征,即若“极地波导”加强,则“低纬波导”将减弱,反之亦然;准定常行星波两支波导的反相振荡与北半球环状模(NAM)的年际和年代际振荡有紧密联系,而NAM的变化通过行星波活动的异常可以导致东亚冬季风的年际和年代际变化;此外,准定常行星波活动的年际变化与东亚冬季风异常之间的关系明显地受热带平流层纬向风准两年周期振荡(QBO)的调制,进一步的研究还提出了可能的机理。最后本文还指出:2005～2007年冬季东亚冬季风的异常不仅与西伯利亚高压和阿留申低压的变异有关,而且与极涡的演变和准定常行星波活动密切相关。     

大气Rossby波动力学的研究进展

Rossby波是旋转大气和海洋中的一类重要波动,在天气和气候演变中起有重要的作用。该文介绍了北半球中纬度地区的两类重要Rossby波——斜压不稳定波和准定常行星波,在最近20余年来取得的一些重要研究进展。文中涉及的主要研究领域有:斜压不稳定波包动力学、湿斜压过程对斜压不稳定波的作用、北半球风暴轴动力学、斜压波包与高影响天气的预报、准定常行星波的形成机理、准定常行星波的水平传播与能量频散、准定常行星波的垂直传播与能量频散、三维准定常行星波的传播与能量频散。     

1980—2000年北极平流层冬季十年际变化形势的逐月演变

采用1980—2000年的ERA-Interim再分析资料,计算北半球冬季各月(12月、1月、2月)行星波的Eliassen-Palm(EP)通量及其散度,并按冬季不同月份分析平流层整层温度和纬向风场的十年际变化特征与行星波活动变化的关系。结果表明,温度的十年际变化在高纬度中下平流层12月呈明显增温趋势,1月转为较弱的冷却趋势,2月为明显的冷却趋势。纬向风在中高纬平流层12月呈明显的减速变化,1月减速区与加速区相间分布但强度均较弱,而2月为明显的加速趋势。12月行星波沿低纬度波导向热带对流层顶的传播减弱,沿极地波导向平流层整层的传播明显加强;1月沿两支波导的传播趋势未变但均较弱;而2月行星波沿低纬度波导的传播转为加强趋势,沿极地波导的传播转为减弱趋势。相应地,EP通量散度场的十年际变化形势沿两支波导在12月与2月相反,1月为过渡阶段。因此,北极平流层温度、纬向风、EP通量及其散度场的十年际变化在冬季内呈现一个从北半球环状模(Northern Hemisphere Annular Mode, NAM)的负极趋势向正极趋势逐月演变的过程。     

北半球冬季行星波的传播及其输运作用

利用变换欧拉平均方程讨论了行星波动力学。观测和模拟结果都表明,在北半球冬季准定常行星波的经向传播存在两支波导。一支为高纬度波导,另一支则为低纬度波导。这些结果与理论分析相当一致。通过对EP通量进一步的研究表明,平流层爆发性增温是沿高纬度波导传播的异常行星波与平均气流相互作用的结果。而热带风场的准两年周期振荡（QBO）是低纬度平流层下层大气纬向平均流的一个重要年际变化,它可以影响行星波沿低纬度波导的传播;此外,由一个行星波一平均流耦合模式模拟的结果表明,这个热带风场的变化还可以通过波流相互作用调制行星波沿高纬度波导的传播。 行星波对臭氧的输运作用在文中也进行了分析。行星波强迫出的剩余平均环流表明,耗散的行星波有强的输运作用;向北的涡动热量输送可以强迫出一个正的输运环流,其在低纬度上升并在高纬度下沉。同时研究还表明,热带风场的QBO对行星波传播的调制对输运环流也有重要影响,模式结果表明,在QBO的东风位相期间行星波引起的输运作用明显增强,其结果可用于解释平流层高纬度臭氧的年际变化。     

半半球冬季行星波的传播及其输运作用

利用变换欧拉平均方程讨论了行星波动力学，观测和模拟结果都表明，在北半球冬季准定常行星波的经向传播存在两支波导。一支为高纬度波导，另一支则为低纬度波导。这些结果与理论分析相当一致。通过对EP通量进一步的研究表明，平流层爆发性增温是沿高纬度波导传播的异常行星波与平均气流相互作用的结果。而热带风场的准两年周期振荡（QBO）是低纬度平流层下层大气纬向平均流的一个重要年际变化，它可以影响行星波沿低纬度波导的传播；此外，由一个行星波－平均流耦合模式模拟的结果表明，这个热带风场的变化还可以通过波流相互作用调制行星波沿高纬度波导的传播。行星波对臭氧的输运作用在中也进行了分析，行星波强迫出的剩余平均环流表明，耗散的行星波有强的输运作用；向北的涡动热量输送可以强迫出一个正的输运环流，其在低纬度上升并在高纬度下沉。同时研究还表明，热带风场的QBO对行星波传播的调制对输运环流也有重要影响，模式结果表明，在QBO的东风位相期间行星波引起的输运作用明显增强，其结果可用于解释平流层高纬度臭氧的年际变化。     

从Rossby波能量频散理论到准定常行星波动力学研究的发展

本文是为纪念叶笃正院士诞辰百周年和他对大气动力学发展的重大贡献而撰写的.叶先生在20世纪40年代所提出的罗斯贝波能量频散理论不仅至今仍广泛应用于天气预报,而且开创了准定常行星波动力学的研究.在罗斯贝波频散理论的启迪和引领下,行星波动力学和大气环流异常遥相关的研究取得重要进展.特别是关于准定常行星波在二维和三维球面大气的传播特征以及北半球夏季大气环流异常的EAP(East Asia-Pacific)型和"丝绸之路(Silk Road)"型遥相关及其机理已做出系统的研究,本文简要地回顾这些研究.并且,本文还回顾了在叶先生所提出罗斯贝波能量频散理论的引领下,近年来我们关于东亚冬、夏季风和我国气候灾害的年际和年代际变化的内动力学机理研究所取得的进展.     

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.     

北半球准定常行星波气候平均态的资料分析和数值模拟

利用NCEP/NCAR再分析资料和大气环流模式(CCSR/NIES AGCM Ver 5.6),对北半球准定常行星波的气候平均态分布进行分析和模拟.再分析资料分析的结果表明:北半球冬季,准定常行星波沿两支波导向上传播,其中一支在对流层上层转向中低纬度传播,另外一支折向高纬度,通过极地波导上传到平流层.其中,1波和2波可以上传到平流层,因而其振幅分布除在中低纬的对流层上层出现一个次大值外,在高纬度平流层中上层会出现一个最大值,3波则主要限制在对流层,其振幅分布除在副热带对流层上层出现一个次大值外,最大值出现在中纬度对流层上层.北半球夏季,整个平流层为东风环流,极地波导不存在,行星波不能上传到平流层,在对流层活动也较弱,1波、2波、3波的传播情况大致相似,表现为在对流层上层由中纬度向赤道地区的传播.相应的振幅分布是,对1波和2波而言,最大值出现在中低纬对流层顶附近,同时在中高纬对流层上层出现一个次大值,而3波的振幅分布正好相反,最大值出现在中高纬对流层上层,次大值则在中低纬对流层顶附近.利用大气环流模式进行的数值模拟表明,模式可以比较好地模拟冬夏季准定常行星波的传播路径,但模拟的北半球冬季沿极地波导向平流层的传播明显偏弱,其结果是对1波、2波而言,高纬度平流层中上层的振幅最大值明显小于再分析资料的数值.文中还讨论了数值模拟与资料分析中行星波的差异可能对大气环流模拟的影响.     

2009年秋至2010年春我国西南地区严重干旱的成因分析

我国西南地区从2009年秋季到2010年春季发生了严重干旱,这次干旱无论持续时间和发生区域或降水减少程度都是近50年来所罕见的,因而本文利用ERA-40再分析资料和海温资料从热带西太平洋和热带印度洋热力异常对热带西太平洋和南亚上空大气环流的影响来分析了这次西南地区干旱发生的成因。分析结果表明:从2009年秋到2010年春季,热带西太平洋和热带印度洋处于升温状态,它使得热带西太平洋上空产生反气旋异常环流,造成了西南气流异常在我国东南沿海加强,而华南和华中地区上空处于低槽控制,因而在高原东部为槽后西北气流和下沉气流所控制,造成了从孟加拉湾来的水汽很难到达云贵高原,从而引起了此区域降水长期偏少。并且,分析结果还表明了中高纬度地区的环流异常对此次严重干旱也有重要影响。由于从2009年冬季到2010年春季中高纬度准定常行星波传播的极地波导偏强,而低纬波导偏弱,这导致波的E-P通量在60°N附近对流层和平流层为辐合,而在35°N附近对流层中、上层为辐散,从而引起纬向平均西风在60°N附近对流层和平流层减弱,而在35°N附近对流层中、上层加强,造成了北极涛动(AO)为很大的负值。由于AO为负值,东亚冬季冷空气活动强且路径偏东,使得到达西南地区冷空气偏弱,从而引起西南地区持续性严重干旱的发生。     

北半球极区平流层冬季12月与1—2月气候变化形势的对比

根据1980—2000年ERA-Interim再分析的风场和温度场资料,计算12月与1—2月北半球行星波的EP通量及其散度,并按冬季不同月份分析了平流层整层温度和风场从20世纪80年代到90年代变化的特征及其与行星波活动变化的关系。结果表明,12月高纬度地区中低平流层呈增温趋势;而1—2月温度变化呈冷却趋势。在12月中高纬度中上平流层纬向风明显减速;而在1—2月高纬度中高平流层,随着纬度和高度的增加,纬向风呈明显加速趋势。冬季北半球行星波主要沿低纬度和极地波导两支波导向上传播。但是,12月行星波沿低纬度波导的传播减弱,沿极地波导向平流层整层的传播则明显增强。而1—2月行星波沿低纬度波导的传播明显增强,沿极地波导向平流层的传播则减弱。因此,北半球极区平流层1980—2000年间12月与1—2月波流相互作用的年代际变化形势趋于相反,有必要针对冬季不同月份分开进行讨论。