冬季极涡对欧亚大范围天气气候的影响及长期预报

本文应用统计学方法,首先分析了各种极涡指数对欧亚大范围天气气候的影响,结果表明:Ⅰ区极涡面积指数与我国及苏联乌拉尔山南部地区和西西伯利亚地区气温关系密切。而着重分析了Ⅰ区极涡面积与同期亚洲中纬地区西风环流、副热带环流及前期整个北半球大气环流的联系,得到如下主要结果:Ⅰ区极涡面积指数与亚洲中纬地区纬向环流指数及印度洋副高、西太平洋副高存在着十分密切的负相关关系。前期3月北大西洋西风环流与5月北美大槽强度对冬季Ⅰ区极涡强弱变化具有很好的指示性。用前期大气环流和北太平洋海温作为因子做冬季Ⅰ区极涡预报取得较好效果。     

华东冬季异常冷暖与大气环流和海温的关系

利用1951-2007年华东地区14个代表站冬季(12-2月)温度资料和北半球500 hPa高度及北太平洋海温资料,通过合成分析、相关分析等方法,研究了华东地区冬季气温的气候变化及其与北半球500 hPa高度场、北太平洋海温场的关系.结果表明:华东地区冬季气温具有明显的年代际气候变化特征;前期夏季北半球500 hPa高度距平场和前期春季北太平洋海温距平场分布可作为华东冬季异常冷暖年的前兆信号;夏季北太平洋中部地区500 hPa高度场变化及前期10月西太平洋副高强弱变化,对华东地区冬季气温变化具有很好的指示性;春季南赤道海流区和西风漂流区海温异常变化,对华东地区冬季气温变化也具有很好的指示意义.     

前期春季北太平洋海温异常与冬季北半球极涡的关系

利用NCEP/NCAR再分析资料和NOAA海温资料,用EOF、相关分析等方法,分析了1960—2010年500 hPa和100 hPa等压面上北半球后冬(2月)极涡面积和前春(4月)北太平洋(20~60 °N,120 °E~120 °W)海表温度(SST)的变化特征,揭示了二者的时空联系。结果表明:近50 a来,(1)冬季北半球500 hPa和100 hPa极涡面积整体经历了先扩张后收缩的变化。春季北太平洋SST经历了先降低后升高的变化。其突变时间与500 hPa极涡面积的突变时间相近,均出现在1987年,且与后冬500 hPa大西洋欧洲大陆区(Ⅳ区)极涡面积相关更好。(2)春季北太平洋SST的EOF第一模态空间型表现为PDO,第二模态表现为三极子型,突变分别出现在1980s初期和中期。(3)北太平洋SST与500 hPa Ⅳ区极涡面积相关的空间分布表现为:当前期春季北太平洋中部海温异常偏高(低),南部和北部海温异常偏低(高),使得下一个冬季500 hPa Ⅳ区极涡面积的扩大(缩小),这种空间遥相关型对应着海温的第二模态。北太平洋海温异常以第一模态空间型居多,但是对后冬北半球极涡面积影响大的却是第二模态。(4)当前春北太平洋SST呈第二模态时,对应次年冬季中高纬度对流层温度"上冷下暖",极地东风和绕极西风环流加强,极涡面积偏大。     

中国东北南部地区冬季气温异常的海气背景分析

利用1951—2005年中国沈阳、通化、营口、丹东气温和北半球500 hPa高度及北太平洋海温资料,分析了中国东北南部地区冬季气温的异常变化及其海气背景。结果表明:中国东北南部地区冬季气温具有明显的年代际变化特征;冬季异常冷暖年份,其同期与前期500 hPa高度和海温距平场分布具有明显不同;前期春季(3—5月)贝加尔湖高压和西太平洋副热带高压的强弱变化,西风漂流区海温、赤道东太平洋关键区海温及2个海区海温距平差,对中国东北南部地区冬季气温的异常变化均具有较好的预测指示意义。前期夏季(7—9月)赤道东太平洋关键区海温对中国东北南部地区冬季气温异常变化具有指示性。     

冬季喀拉海、巴伦支海海冰面积变化对后期北太平洋海温的影响

采用Ｗａｌｓｈ的１９５３～１９９０年逐月北极海冰密集度资料、１９５３～１９８７年北半球海表温度资料、１９４６～１９８９年月平均５００ｈＰａ高度场以及１９８０～１９８９年８５０ｈＰａ高度场、风场和温度场资料,研究了冬季北极关键区（喀拉海、巴伦支海海区）海冰面积变化对后期北太平洋海表温度的影响。研究结果表明：冬季喀拉海、巴伦支海海冰可以影响初夏北太平洋中部海温。冬季该海区海冰偏多,则冬、春季节亚洲大陆冷空气活动偏北,春季白令海海冰偏少、阿留申低涡减弱西移,引导偏北的大陆冷空气南下,在热力和动力共同作用下,使北太平洋中部海温偏低;相反,冬季喀拉海、巴伦支海海冰偏少时,则冬、春季节亚洲大陆冷空气活动偏南,冷空气在东亚地区向南爆发,同时,白令海海冰偏多、阿留申低涡加深东移,北太平洋中部西风偏强且位置偏北,东太平洋副热带高压位置也偏北,使北太平洋中部海温受到来自低纬度地区暖湿气流的影响,海温将偏高。     

黄河下游地区近10年暖冬成因分析

于近１０年黄河下游地区凌汛期气温持续偏高，导致下游凌情较高年明显减轻。分析结果表明，造成暖冬的主要原因是亚洲地区冬季极涡面积小而深厚，中纬度地区盛行纬向环流，东亚槽偏东偏弱，影响下游于区的强冷空气偏少、西太平洋副热带高压偏强，并受热带太平洋中东部海温持续偏高、厄尔尼诺事件频繁发生所影响。     

中国东部冬季气温异常与海表温度异常的关系分析

采用SVD、 相关分析及EOF方法, 分析了中国东部冬季地面气温与北大西洋及北太平洋海温异常变化的关系。结果表明： （1）中国东部冬季气温变化的一致性较高; （2）冬季气温异常与前一年9月北大西洋海域关键区（16°～40°N, 60°～24°W）海温和当年2月西北太平洋关键区（20°～40°N, 124°E～180°）海温呈显著的正相关分布, 即前一年9月北大西洋和当年2月西北太平洋海温异常偏高（低）, 东部冬季气温亦偏高（低）, 即前一年9月北大西洋海温的异常是否为我国冬季气温的气候预测提供了一种前期信号; （3）关键区海温对中国东部冬季气温的影响存在区域差异。北大西洋前期海温与中国东部冬季气温有密切的关系, 而西北太平洋的海温主要影响长江流域及其以北的季风中部区; （4）海温影响气温的可能机理是西北太平洋海温异常升高, 使乌山脊减弱, 阿拉斯加脊减弱, 东亚大槽减弱向东移动, 纬向环流加强, 高纬度的冷空气不易南下, 导致我国东部大部分地区冬季气温偏暖, 反之亦然。在年代际尺度上, 纬向环流和东亚大槽对海温有显著的响应; 但在年际变化方面, 东亚大槽对海温的响应不显著。     

江门市冬春冷暖气候趋势预测模型

统计分析了1956年～2004年江门市冬春冷暖气候趋势，与500hPa高度场、赤道太平洋海温场、大气环流因子——西太平洋副高、极涡等的相关特征。结果表明，同期江门上空500hPa高度场为负距平区，前期至同期Nino3＋4区海温处于拉尼娜事件的衰退阶段或海温维持负距平阶段，上一年7月亚洲极涡面积偏大，江门冬季各月气温偏低。综合上述各因子并结合天文周期法、韵律法和最优气候均态法等，建立了江门市冬春冷暖气候趋势预测的概念模型。     

北极涡活动对我国同期及后期气温的影响

利用NCEP／NCAR1950-2002年500hPa月平均再分析高度场资料计算出北半球及各分区的月平均极涡面积、强度，讨论了它们与我国气温的相关。结果表明：北半球500hPa年平均和4季的极涡面积大小与我国多数站点同期气温呈负相关，尤其在年平均及冬季状况下最显著，1-12月极涡面积与气温的负相关呈由减弱到增强的变化趋势；而极涡强度与我国同期气温的相关性相对较弱，在秋冬季不少地区出现正相关，1-12月极涡强度与气温负相关性的变化趋势是由增强到减弱。利用奇异值分解研究极涡对后期我国气温的影响后发现，极涡指数与后期我国气温呈负相关，但不同季节差异较大。当冬季Ⅳ区极涡面积显著缩小、北半球极涡总强度明显增强时，长江中下游以北及东北地区下一年春季气温通常上升；春季Ⅰ区极涡面积、强度异常偏大，则夏季华南沿海、西南及河套地区气温比常年偏低；若春季北半球极涡强度减弱、夏季亚洲区极涡面积收缩，则其后的秋季华北气温相对较高。     

冬季北太平洋南北海温异常对我国汛期雨带类型的影响研究

使用1951—2002年前期（1—5月）北太平洋海温场月平均资料，运用合成分析、多因变量方差分析、判别分析及相关分析方法，探讨我国汛期雨带类型与前期北太平洋海温的时空分布关系。分析表明:尽管汛期各雨带类型对应着前期不同的海温距平场，但它们之间只有部分海域存在显著性差异，且在1月表现最显著。各雨带类型对应海温距平场显著差异关键区主要位于北太平洋的南北海域，即北部中高纬亲潮附近（40°~50°N, 160°E~180°），北太平洋西风漂流区（30°~40°N，175°~145°W）及南部近赤道太平洋中部（10°S~0°, 175°~145°W），且南北海温呈反相关关系。将海温关键区作为判别因子，对雨带类型进行判别分析表明:用多个海温关键区作为判别因子建立的判别方程，其判别准确率比仅用某一海温关键区或海温区之间的和差简单定义的指数作为判别因子建立的判别方程判别准确率高，说明我国东部汛期降水型的分布与多个海温关键区的综合作用是密切相关的。进一步分析判别方程定义的1月海温判别指数与前期高度场和夏季副热带高压各特征量的相关关系表明，该指数对我国汛期雨带类型影响的可能途径是:一是造成大气环流异常，特别是北太平洋涛动的异常，并形成PNA大气遥相关型，从而引起我国汛期降水异常；二是造成西太平洋副热带高压的异常，主要是面积、强度和西伸脊点位置的异常，从而引起我国汛期降水异常。可见，冬季北太平洋海温南北异常与我国汛期雨带类型关系密切，且具有重要的天气气候学意义。     

中国东北地区冬季气温变化特征及其大气环流异常的关系

利用1957-2010年冬季中国东北地区90站气温资料,应用REOF和聚类分析方法将东北划分为南、北两个冬季气温变化子区,分析讨论其冬季气温的变化趋势和冷暖异常特征,及其与主要环流指数之间的同期和滞后关系。使用向后去除变量选择法,选取最优预测因子,并建立了全区和各子区的回归统计模型。结果表明：东北冬季增温较明显,平均上升速率达到0. 45 ℃/ 10 a,北部略高;与同期欧亚纬向环流指数之间存在着较显著相关;前期8月东太平洋副热带高压面积指数、前期10月亚洲区极涡面积指数和前期8月北半球极涡面积指数与东北冬季气温存在着显著相关,复相关系数达到0.70,并且是回归方程最关键预测因子。在对冷、暖冬预测时,可以把选定时段和区域副热带高压和极涡面积指数作为重要的影响因素,且误报率较低。     

平流层极涡变化与我国冬季气温、降水的关系

利用国家气候中心提供的1951-2010年逐月环流指数资料,分析了北半球极涡强度指数、面积指数和中心强度指数的相关关系,并通过极涡强度指数的变化讨论了冬季北半球极涡强度的时间变化特征。结果表明,冬季极涡强度指数与面积指数和中心强度指数有较好的相关性,能够更好地反映冬季极涡强度的变化特征;冬季极涡存在准13年的年代际振荡周期,准5年的年际振荡周期在20世纪90年代后期较为明显。结合气温、降水观测资料和NCEP/NCAR月平均再分析资料,探讨了极涡强、弱不同年份我国冬季气温、降水和大气环流形势的变化。相对极涡弱值年而言,极涡强值年我国北方地区、东部地区特别是东北地区的气温偏高,西南大部分地区的气温偏低,长江流域和华南地区的气温变化不明显;我国南方地区降水偏多,长江中下游和华南地区的降水偏多最为明显,北方地区的降水略有减少;500hPa高度场上高纬度地区的位势高度降低,中高纬度的位势高度升高,冷空气向极地聚集,东亚大槽减弱,我国东北和东部地区的气温偏高;同时东亚冬季风减弱,湿空气向我国内陆输送,长江流域和我国南方地区的降水偏多。     

Are the teleconnections of Central Pacific and Eastern Pacific El Niño distinct in boreal wintertime?

A meteorological reanalysis dataset and experiments of the Goddard Earth Observing System Chemistry-Climate Model, Version 2 (GEOS V2 CCM) are used to study the boreal winter season teleconnections in the Pacific-North America region and in the stratosphere generated by Central Pacific and Eastern Pacific El Niño. In the reanalysis data, the sign of the North Pacific and stratospheric response to Central Pacific El Niño is sensitive to the composite size, the specific Central Pacific El Niño index used, and the month or seasonal average that is examined, highlighting the limitations of the short observational record. Long model integrations suggest that the response to the two types of El Niño are similar in both the extratropical troposphere and stratosphere. Namely, both Central Pacific and Eastern Pacific El Niño lead to a deepened North Pacific low and a weakened polar vortex, and the effects are stronger in late winter than in early winter. However, the long experiments do indicate some differences between the two types of El Niño events regarding the latitude of the North Pacific trough, the early winter polar stratospheric response, surface temperature and precipitation over North America, and globally averaged surface temperature. These differences are generally consistent with, though smaller than, those noted in previous studies.     

The 2009 Summer Low Temperature in Northeast China and Its Association with Prophase Changes of the Air-Sea System

Under the background of global warming, summer (JJA) low temperature events in Northeast China had not occurred for about 15 yr since 1994, but one such event took place in 2009. By using the NCEP/NCAR reanalysis data, the 100-yr station temperature data at Harbin and Changchun, and the Hadley Center sea surface temperature (SST) data, this paper intends to reveal the cause, circulation background, and influencing factors of this event. Analysis of both horizontal and vertical circulations of a low-value system over Northeast China in summer 2009 during the low temperature event shows that anomalous activities of the Northeast China cold vortex (NECV) played the most direct role. A decadal cooling trend of-0.8 C (10 yr)-1 over 1999-2008 at Changchun and Harbin was found, which is obviously out-of-phase with the linear warming trend (0.2 C (10 yr)-1 ) over 1961-2000 for Northeast China in response to the global warming. The previous winter North Pacific polar vortex (NPPV) area index, significantly positively related to the observed summer temperatures of Harbin and Changchun, was also in a significantly declining tendency. These provide favorable decadal backgrounds for the 2009 low temperature event. Different from the average anomaly field of 500-hPa height for summer 1994-2008 in Northeast China, in the summer of 2009, the Arctic Oscillation (AO) showed a strong negative phase distribution, and significant negative height anomalies dominated Northeast Asia, Aleutian Islands, and North Atlantic. Furthermore, the negative phase of North Pacific Oscillation (NPO) in the winter of 2008 was obviously strong, and it maintained in the spring of 2009. Meanwhile, the SSTA in the equatorial eastern-central Pacific Ocean in the winter of 2008 showed a La Nina phase, but the strength of the La Nina weakened obviously in the spring of 2009. The abnormally strong activities of NECV in June and July of 2009 were related to the disturbances of stationary waves that replaced the original ultra-long waves over the North Pacific region in April and May 2009. The singular value decomposition (SVD) and harmonic analysis results suggest that the anomalous phase of NPO is an important precursor for summer temperature variations over Northeast China, and also a stable planetary-scale component that can be extracted from the atmospheric circulation in addition to the chaotic components on the synoptic scale.     

冬季北太平洋风暴轴的年际型态及其与大气环流的关系

利用NCEP/NCAR再分析资料,运用31点带通数字滤波、线性相关和合成分析方法,研究了1961/1962—2010/2011年冬季北太平洋风暴轴西部、东部区域强度指数的年际演变特征,划分了风暴轴的典型型态,并进一步探讨了与同期北半球500 hPa位势高度场和SLP的关系。结果表明:风暴轴气候态的极大值区域位于中纬度北太平洋中西部,最大值点的频数集中区域和均方差分布的异常中心都有两个。风暴轴西部和东部区域强度指数(WI和EI)的年际演变具有独立性,典型型态可分为单、双中心型两类。WI(EI)指数与北半球500 hPa位势高度场的相关分布类似于WP(PNA)遥相关型;单中心型风暴轴偏强时,极涡南扩,平均槽加深;呈双中心型时,极涡明显偏西。WI(EI)指数与SLP的相关分布类似于NPO(NAO)遥相关型;单中心型风暴轴偏强(弱)时,SLP距平场呈AO遥相关型的正(负)异常位相。     

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。     

EFFECTS OF THE SEA-ICE ALONG THE NORTH PACIFIC ON SUMMER RAINFALL IN CHINA*

By using statistic method,the effects of the abnormal sea-ice along the North Pacific on both summer rainfall and temperature in China and the corresponding distribution of atmospheric circulation during the period from late winter to early spring are explored in this article.The analysis indicates that the percentage of the sea-ice area along the North Pacific is the biggest during February-April,so is the distribution of the standard variance.Thus,the period of February-April is the natural winter of the sea-ice along the North Pacific.A quasi-four-year oscillation exists in the sea-ice-area-index during this period.The abnormal sea-ice area has significant effects on both summer rainfall and temperature of China.At the 500 hPa geopotential height field corresponding to the years with large values of seaice areas,the polar vortex in May is obviously stretched to east and south.The subtropical high over West Pacific strengthens enormously and extends northwards,and the Mongolian trough deepens.The deepening maintains till June and July.The summer meridional cell over the East Asia increases,with the southerly being able to reach high latitudes.As a result,the rainfall increases over the areas north of the Yangtze River and decreases over the areas south of the Yangtze River obviously in China.In the temperature field,it is shown that the temperature is lower over most areas in northern China.and higher in southern China.There are opposite situations in the years when sea-ice index is small.     

Stratospheric Polar Vortex Splitting in December 2009

Abstract

The 2009–10 Arctic stratospheric winter, in comparison with other recent winters, is mainly characterized by a major Sudden Stratospheric Warming (SSW) in late January associated with planetary wavenumber 1. This event led to a large increase in the temperature of the polar stratosphere and to the reversal of the zonal wind. Unlike other major SSW events in recent winters, after the major SSW in January 2010 the westerlies and polar vortex did not recover to their pre-SSW strength until the springtime transition. As a result, the depletion of the ozone layer inside the polar vortex over the entire winter was relatively small over the past 20 years. The other distinguishing feature of the 2010 winter was the splitting of the stratospheric polar vortex into two lobes in December. The vortex splitting was accompanied by an increase in the temperature of the polar stratosphere and a weakening of the westerlies but with no reversal. The splitting occurred when, in addition to the high-pressure system over northeastern Eurasia and the northern Pacific Ocean, the tropospheric anticyclone over Europe amplified and extended to the lower stratosphere. Analysis of wave activity in the extratropical troposphere revealed that two Rossby wave trains propagated eastward to the North Atlantic several days prior to the vortex splitting. The first wave train propagated from the subtropics and mid-latitudes of the eastern Pacific Ocean over North America and the second one propagated from the northern Pacific Ocean. These wave trains contributed to an intensification of the tropospheric anticyclone over Europe and to the splitting of the stratospheric polar vortex.     

北太平洋海表温度与500hPa西太平洋副高和极涡相互作用的统计分析

本文采用斜交PROMAX因子分析方法分析了1954—1986年北太平洋逐月海表温度与500hPa西太平洋副高和极涡环流指数(7个因子)的相互关系,指出(1)500hPa西太平洋副高和极涡指数与北太平洋海温的相关值存在明显的年变化,以赤道太平洋区最敏感,(2)赤道东太平洋海表温度的变化与10个月前的极涡中心强度、同期和1—3个月前西太平洋副高面积、强度、位置变化有联系,(3)500hPa西太平洋副高面积和强度的变化受到前3—5个月赤道东太平洋和3个月前赤道中太平洋海表温度的影响,500hPa西太平洋副高位置与前3—5个月赤道东太平洋海表温度有联系.