东亚—北太平洋大气环流和瞬变扰动的年代际变化

用NCEP/NCAR再分析资料,分析了东亚—北太平洋大气环流、大气斜压性和天气尺度瞬变扰动活动的年代际变化特征。东亚—北太平洋地区低层大气温度和比湿及高层的西风急流都存在明显的年代际变化。西风年代际异常与大气斜压性年代际异常之间有密切联系。夏季北太平洋北部到西伯利亚高原上空的天气尺度瞬变扰动活动年代际增强,但夏季低层瞬变热力和瞬变水汽强迫的年代际异常对北太平洋中纬度低层平均温度和比湿年代际异常的作用并不显著。冬季,西太平洋西风急流年代际增强与急流下方大气斜压性年代际增加相一致,使该地区瞬变扰动年代际增强,增强的瞬变扰动将更多能量传送给西风气流,巩固了西风急流的年代际异常。年代际尺度上冬季异常的瞬变热力强迫和瞬变水汽强迫对低层大气温度和比湿异常有显著的削弱作用。     

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.     

冬季北半球风暴轴的协同变化及其与大气环流的相互作用

基于1971—2016年NCEP/NCAR的逐日、逐月再分析资料,研究冬季北半球西伯利亚风暴轴(Siberian Storm Track,SIST)、北太平洋风暴轴(Pacific Storm Track,PST)和北大西洋风暴轴(Atlantic Storm Track,AST)的协同变化特征及其与大气环流的关系。结果表明:(1)三大风暴轴不仅各自的位置与强度变化存在显著相关性,风暴轴之间也存在一定的协同变化且年代际尺度上比年际尺度上更紧密。年际尺度上,SIST与AST的经度变化呈显著负相关,而PST和AST的协同性较差;年代际尺度上,SIST与PST的经、纬度变化均呈弱的负相关,SIST与AST的经度和强度变化均呈显著正相关,PST与AST的经、纬度变化均呈显著负相关。(2)由联合EOF分析得到北半球风暴轴的协同变化时空特征:在年际尺度上,第一模态主要表现为SIST偏弱(强),PST主体偏弱(强)、东南偏强(弱),AST略偏北(南)偏强(弱)但不显著的协同变化。PC1为正位相时,对应的大气环流异常为:500 hPa高度场上为太平洋北美(Pacific North America,PNA)型和欧亚(Eurasian,EU)型的正位相,东亚急流偏强且偏南;第二模态主要表现为SIST偏强(弱)且偏东(西),PST中东部偏南(北)、西部强度偏强(弱),AST偏强(弱)的协同变化。PC2为正位相时,对应的大气环流异常为:500 hPa高度场上为PNA型和大西洋东部(East Atlantic,EA)型的正位相,北美急流减弱;在年代际尺度上,第一模态主要表现为SIST偏西(东)且偏弱(强),PST偏东(西)且偏弱(强),AST偏西(东)且偏弱(强)的协同变化。PC1为正位相时,对应的大气环流异常为:500 hPa高度场上为西大西洋(West Atlantic,WA)型和EU型的正位相。第二模态主要表现为SIST偏强(弱)且偏北(南),PST偏南(北)且偏弱(强),AST北抬(南压)的协同变化。PC2为正位相时,对应的大气环流异常为:500 hPa高度场上为EU型和WA型的正位相,东亚急流强度加强且偏南,北美急流强度减弱。     

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和北大西洋风暴轴的协同变化及其与同期海气系统的空间耦合关系

基于1960~2014年NCEP/NCAR（美国环境预报中心和国家大气研究中心）的逐日再分析资料以及NCPC（美国气候预报中心）的海温资料和大气环流及海洋指数,通过风暴轴指数、经验证交分解（EOF）等方法,研究了冬季北半球北太平洋风暴轴（PST）和北大西洋风暴轴（AST）之间不同时间尺度下的协同变化特征,并利用回归和相关分析对风暴轴的年际和年代际协同变化特征与同期海气系统的空间耦合关系进行了探讨。主要结论概括如下:（1）从所定义的冬季北半球两大洋风暴轴的纬度、经度和强度指数来看:三个指数均存在明显的年际变化和年代际变化,其中年际分量的方差贡献远大于年代际分量;对于单个风暴轴来讲,无论是滤波方差场原始序列还是其年际分量和年代际分量序列,每个风暴轴各自的纬度指数和经度指数均呈显著正相关,表明每个风暴轴各自的南北位移和东西位移具有很好的协同性;虽然从原始序列来看,两个风暴轴之间各指数之间的相关关系均并不显著,但是对于年际分量序列和年代际分量序列,两个风暴轴之间均具有显著的协同性变化,其中,在年际尺度上,两者仅强度变化之间具有显著的正相关,而在年代际尺度上,AST的经度（纬度）变化与PST的强度（纬度及强度）变化均具有显著的负相关。（2）EOF结果表明,两个风暴轴之间协同变化的空间结构在年际尺度上反映的主要是强度的变化,第一模态为两者强度在其气候平均位置附近同时减弱（增强）并伴随AST整体和PST东部均略有北抬（南压）,第二模态为两者强度在其气候平均位置附近同时减弱（增强）并仅伴随AST整体略有南压（北抬）;而在年代际尺度上,第一模态为AST整体偏北（南）中东部偏强（弱）与PST整体偏南（北）中东部偏弱（强）的反位相协同变化;第二模态为两个风暴轴的强度在其气候平均位置附近同时增强（减弱）的一致性协同变化。（3）进一步分析表明,两个风暴轴之间以不同模态协同变化时,与同期海温、遥相关型及环流异常等海气系统之间均呈现出很好的空间耦合关系,但具有不同的特点。     

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。     

冬季北太平洋大气低频环流的年际和年代际变化特征及其与大气环流和海温异常的联系

利用1979—2015年ECMWF逐日再分析资料,通过EOF分解和回归分析研究了冬季北太平洋大气低频环流的年际和年代际变化特征及其与海表面温度异常(SSTA)和大气环流异常之间的联系。研究结果表明:冬季中纬度北太平洋地区850 h Pa低频尺度环流存在3个明显的变化模态:第一模态为海盆尺度的单极型异常气旋(反气旋)式环流,同期太平洋SSTA呈现El Ni1o(La Ni1a)以及PDO暖位相(冷位相)空间分布,阿留申低压强度增强(减弱),对流层中高层是正位相(负位相)的PNA型遥相关,北太平洋天气尺度风暴轴中东部南压(北抬);第二模态为在白令海峡和副热带地区呈气旋式与反气旋式环流南北向偶极型变化,同时中纬度北太平洋SSTA呈现NPGO(North Pacific Gyre Oscillation)正位相(负位相)的空间分布,黑潮区域SSTA偏暖(偏冷),北太平洋SSTA经向梯度加大(减小),对流层中高层为负位相(正位相)的WP型遥相关,北太平洋天气尺度风暴轴整体偏北(偏南),强度增强(减弱);第三模态为北太平洋中西部和北美西岸呈气旋式与反气旋式环流东西向偶极型异常,黑潮区域SSTA偏冷(偏暖)而北太平洋东部SSTA偏暖(偏冷),SSTA纬向梯度加大(减弱),同时赤道东太平洋出现类似La Ni1a(El Ni1o)的SSTA分布,北太平洋天气尺度风暴轴中东部明显减弱(加强)而西部略有加强(减弱)。     

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。     

冬季太平洋SSTA对北太平洋风暴轴年际变化的影响

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，冬季北太平洋风暴轴中心有线性增强、偏北、偏东的趋势。对15个冬季北太平洋风暴轴区域 500 hPa天气尺度滤波位势高度方差与同期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 ENSO区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，ENSO区海温异常可以通过激发500hPa高度场上的PNA遥相关型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通过激发 500 hPa高度场上的 WP遥相关型，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。     

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.     

北太平洋风暴轴“深冬抑制”现象的能量分析

采用欧洲中期天气预报中心逐日再分析资料（ERA-40）,从局地能量变化方程出发,通过分析北太平洋风暴轴区域对流层不同层次局地能量的季节演变过程,对风暴轴区域各能量项在“深冬抑制”现象中的作用进行了深入探讨。结果表明,天气尺度扰动动能的季节变化可以很好地反映北太平洋风暴轴的“深冬抑制”现象,并且该现象在对流层上层最为显著,其发生概率约为80％,其中20世纪70年代中后期到80年代前期抑制最强。从同期各能量项的变化来看,扰动动能的变化主要受斜压能量转换项、涡动非地转位势通量的散度项和正压能量转换项的影响。在深冬季节,由于消耗扰动动能的正压能量转换项虽有些微弱减少从而使得扰动动能有所增加,但为风暴轴提供扰动动能的斜压能量转换项和涡动非地转位势通量的散度项减少的幅度却更大,因而总的效果是扰动动能大为减小,这可能是造成北太平洋风暴轴“深冬抑制”现象的直接原因。     

Sources of CAM3 temperature bias during northern winter from diagnostic study of the temperature bias equation

The Community Atmosphere Model version 3 (CAM3) temperature simulation bias is examined in this paper. We compare CAM3 output with European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) 40 year reanalysis (ERA-40) data. We formulate a time mean temperature bias equation then evaluate each term in the equation. Our focus is on the Northern Hemisphere winter time. We group the temperature equation terms into these categories: linear advection terms, nonlinear advection terms, transient eddy terms and diabatic heating, and find that linear advection and diabatic bias are the largest. The nonlinear terms (velocity bias advection of temperature bias) are much smaller than each of the other groups of terms at all levels except near the surface. Linear advection terms have dipolar pattern in the Atlantic (negative NW of positive) which reflects the shift of the CAM3 model North Atlantic storm track (NAST) into Europe, especially in the upper troposphere; opposite sign dipolar structure occurs over Alaska (positive) and the north Pacific storm track (negative). The transient advection terms in middle latitudes are larger in the upper troposphere and generally positive along the Atlantic storm track. Along the north Pacific storm track (NPST), the transient terms are negative in the mid and lower troposphere over much of the NPST (positive in upper troposphere). The diabatic heating bias has large values in the tropics along the Intertropical Convergence Zone (ICZ) and along the midlatitude storm tracks. During this time of year the ICZ is mainly in the Southern Hemisphere, but CAM3 emphasizes an ICZ-like heating in the northern hemisphere of the Atlantic and Pacific Oceans. CAM3 tends to have a weaker ICZ, especially in the Atlantic. In midlatitudes, we find large bias in heating by precipitation and vertically averaged net radiation over the NAST, Europe, and the Middle East.     

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.     

Three-Dimensional Structure and Low-Level Features of the North Pacific Storm Track from 1999 to 2005

A storm track is a region in which synoptic eddy activities are statistically most prevalent and intense. At daily weather charts, it roughly corresponds to the mean trajectories of cyclones and anticyclones. In this paper, the recent QuikSCAT （Quick Scatterometer） satellite sea winds data with a 0.5°×0.5° horizontal resolution, and the NCEP （National Centers for Environmental Prediction） 10-m height Gaussian grid wind data and pressure-level reanalysis data, are employed to document the spatial structure of the North Pacific storm track in winter （January） and summer （July） from 1999 to 2005. The results show that in winter the North Pacific storm track is stronger, and is located in lower latitudes with a distinct zonal distribution. In summer, it is weaker, and is located in higher latitudes. Based on the horizontal distributions of geopotential height variance at various levels, three-dimensional schematic diagrams of the North Pacific storm track in winter and summer are extracted and presented. Analyses of the QuikSCAT wind data indicate that this dataset can depict the low-level storm track features in detail. The double storm tracks over the Southern Oceans found by Nakamura and Shimpo are confirmed. More significantly, two new pairs of low-level storm tracks over the North Pacific and the North Atlantic are identified by using this high-resolution dataset. The pair over the North Pacific is focused in this paper, and is named as the ＂subtropical storm track＂ and the ＂subpolar storm track＂, respectively. Moreover, statistical analyses of cyclone and anticyclone trajectories in the winters of 1999 to 2005 reveal as well the existence of the low-level double storm tracks over the North Pacific.     

冬季南极涛动对欧亚大陆地表气温的影响

基于1962~2011年NCEP/NCAR逐日再分析资料,本文研究了北半球冬季南极涛动（Antarctic Oscillation,AAO）对欧亚大陆地表气温的影响及其物理过程。线性回归结果表明,在扣除冬季ENSO信号后,1月AAO与2月欧亚大陆地表气温呈显著正相关关系。当1月AAO处于正位相时,东南太平洋出现显著的位势高度正异常,这对应着南半球副热带高压的增强。该高度正异常在空间上从南半球向北扩展至北半球东太平洋地区,在时间上可一直持续到2月,它在南北半球相互作用过程中起重要作用。2月,北半球东太平洋高度正异常随高度向北倾斜,在对流层上层位于美国西南侧,该位置对应着北大西洋风暴轴入口处。进一步的相关分析表明,美国西南侧的高度正异常与地中海西北侧的瞬变波活动显著正相关,进而对应着斯堪的纳维亚半岛地区的高度负异常的形成。该负异常通过向下游频散波能量,引起贝加尔湖西侧高度正异常,形成典型的负位相斯堪的纳维亚环流型。该环流型对应60°N附近的西风异常,抑制了北侧冷空气南下,进而引起欧亚大陆地表气温正异常,反之亦然。     

A MODELING STUDY OF NORTHWEST PACIFIC SSTA EFFECT ON PACIFIC STORM TRACK DURING WINTER

A T_(42)L_9 GCM integration is adopted to investigate in detail the effect of Northwest Pacific seasurface temperature anomaly(SSTA)on the Pacific storm track(PST)during winter.Resultsshow that warm(cold)Northwest Pacific SSTA can give rise to significantly increased(decreased)baroelinicity on the north side of the anomaly area and its downstream in such a way asto make the Pacific storm track strengthen(weaken)in its entrance where the 500 hPa synopticperturbation height variance,kinetic energy,and low-level upward and poteward transient eddytemperature fluxes who exhibit similar features to those of mid-latitude barolinic waves in theirdeveloping phases,show great enhancement for the warm case,suggesting that the Pacific trackcan be reconstructed in its west side only as a result of an external forcing,viz.,warm NorthwestPacific SSTA during winter.     

Response of the North Pacific Storm Track Activity in the Cold Season to Multi-scale Oceanic Variations of Kuroshio Extension System: A Statistical Assessment

In this paper, a statistical method called Generalized Equilibrium Feedback Analysis(GEFA) is used to investigate the responses of the North Pacific Storm Track(NPST) in the cold season to the multi-scale oceanic variations of the Kuroshio Extension(KE) system, including its large-scale variation, oceanic front meridional shift, and mesoscale eddy activity.Results show that in the cold season from the lower to the upper troposphere, the KE large-scale variation significantly weakens the storm tr...     

冬季菲律宾周围对流活动与北太平洋风暴轴联系的数值模拟

通过利用IAP 2-L AGCM进行的数值模拟,进一步揭示了冬季菲律宾周围对流活动异常对北太平洋风暴轴变化的影响及其二者联系的物理机制和物理过程。结果表明:当菲律宾周围对流活动增强时,在500 hPa等压面图上强迫产生一个自赤道西太平洋开始,经我国东部、堪察加半岛、白令海,到美国西海岸的异常波列;位于西太平洋的经向三圈环流增强,位置北移;在风暴轴的西半部和东端斜压性增强;从而导致了北太平洋风暴轴增强、北抬、东伸。     

A MODELING STUDY OF NORTHWEST PACIFIC SSTA EFFECT ON PACIFIC STORM TRACK DURING WINTER*

A T₄₂L₉ GCM integration is adopted to investigate in detail the effect of Northwest Pacific sea surface temperature anomaly(SSTA)on the Pacific storm track(PST)during winter.Results show that warm(cold)Northwest Pacific SSTA can give rise to significantly increased(decreased)baroelinicity on the north side of the anomaly area and its downstream in such a way as to make the Pacific storm track strengthen(weaken)in its entrance where the 500 hPa synoptic perturbation height variance,kinetic energy,and low-level upward and poteward transient eddy temperature fluxes who exhibit similar features to those of mid-latitude barolinic waves in their developing phases,show great enhancement for the warm case,suggesting that the Pacific track can be reconstructed in its west side only as a result of an external forcing,viz.,warm Northwest Pacific SSTA during winter.