行星波活动对不同类型SSW的影响

依据WMO(World Meteorological Organization)对平流层爆发性增温(SSW,stratospheric sudden warming)的定义,首先将1957 2002年期间的52次SSW事件分为31次强增温事件和21次弱增温事件,然后根据其极涡的形态将31次强增温事件分为20次极涡转移型事件和11次极涡分裂型事件。利用逐日的ECMWF的ERA-40再分析资料,对这20次极涡转移型、11次极涡分裂型强平流层爆发性增温(SSW)过程以及21次弱增温过程分别做了合成分析,研究了这三类爆发性增温期间平流层的变化以及平流层中下层行星波1波和2波的异常。结果表明:极涡转移型强SSW在增温盛期低温中心和极涡都会发生偏移,同时高纬风场反转,极涡分裂型强SSW则在增温盛期低温中心和极涡发生分裂,高纬风场反转,而弱SSW只有低温中心出现偏移,极涡和高纬风场均未出现明显异常;在爆发性增温前期,1波都会出现异常增幅,在波振幅到达最大值以后发生爆发性增温。当增温开始以后,极涡转移型和弱SSW的1波振幅在到达极值后,会维持6~8天,而极涡分裂型1波振幅增温开始后开始减小;极涡转移型和弱SSW期间2波也较为相似,在增温前期波动振幅也会出现一定程度的增幅,在增温后开始减小,而极涡分裂型会在增温后出现2波振幅的增幅。1波和2波EP通量的分析表明,极涡转移型和弱SSW期间1波EP通量会在前期和盛期有较强的上传,2波EP通量上传较弱,而极涡分裂型2波EP通量上传则较强。     

两次加拿大型增温的动力诊断分析

通过资料分析,挑选了1965年12月和1968年11月的两次强加拿大型增温作为研究对象来研究加拿大型增温过程中环流的变化及异常.两次加拿大型增温过程中平流层高层的增温不明显,只是在平流层中低层有较弱的增温过程,并且增温过程中所形成的纬向东风较弱,持续的时间较短.从距平场来看,两次加拿大型增温使得平流层极涡环流减弱,但加拿大型增温所造成的环流异常明显要比强爆发性增温所造成的异常强度弱.另外,两次加拿大增温过程中没有发现爆发性增温前的“预先”过程.一般而言,上传的行星波是冬季平流层环流扰动的重要影响因素,两次加拿大型增温过程中第0天前后都有行星波上传的增加,这与爆发性增温有明显的不同.北极涛动指数随时间和高度的变化显示由两次加拿大型增温所造成极涡异常能够形成北极涛动异常的下传,但两次加拿大型增温过程中的北极涛动异常都没有能够到达对流层低层.     

北半球冬季平流层强、弱极涡事件演变过程的对比分析

利用1958～2017年逐日的NCEP/NCAR再分析资料对北半球冬季平流层强、弱极涡事件的演变过程进行了对比分析,同时比较了有平流层爆发性增温（SSW）和无SSW发生的两类弱极涡事件的环流演变和动力学特征。结果表明,强极涡的形成存在着缓慢发展和快速增强的过程,而弱极涡事件的建立非常迅速;和强极涡事件相比,弱极涡事件的峰值强度更强,异常中心的位置更高。此外,强、弱极涡事件的产生与波流相互作用的正反馈过程密切相关。对于强极涡事件,发展阶段的太平洋—北美（PNA）型异常削弱了行星波一波;当平流层西风达到一定强度,上传的行星波受到强烈抑制,使得极涡迅速增强达到峰值。而对于弱极涡事件,发展阶段一波型的异常增强了行星波上传,通过对纬向流的拖曳作用使得平流层很快处于弱西风状态,更多行星波进入平流层导致极涡急剧减弱甚至崩溃。针对有、无SSW发生的两类弱极涡事件的对比分析表明,有SSW发生的弱极涡事件发展阶段,平流层出现强的向上的一波Eliassen-Palm（EP）通量异常,通过正反馈过程使得一波和二波上传同时增强而导致极涡崩溃;无SSW发生的弱极涡事件发展阶段,平流层缺乏向上的一波通量,二波活动起到重要作用,其总的行星波上传远弱于有SSW发生的弱极涡事件。对于无SSW发生的弱极涡事件,其发展和成熟阶段对流层上部出现类似欧亚（EU）型的高度异常,伴随着强的向极的EP通量异常,导致对流层有极强的负北极涛动（AO）型异常。而有SSW发生的弱极涡事件发展阶段对流层上部主要表现为北太平洋上空来自低纬的波列异常,其后期的对流层效应更加滞后也不连续,对流层AO异常的强度明显弱于无SSW发生的弱极涡事件。     

2002/2003年与2003/2004年冬季爆发性增温期间的动力特征

利用ECMWF提供的60层气象场资料诊断分析了2002/2003和2003/2004年两个冬季的爆发性增温(stratospheric sudden warming,SSW)过程,比较了两次SSW期间高纬温度和纬向风的差异,计算了SSW期间的EP通量和剩余环流.结果表明:2003/2004年增温持续时间长、强度大,而2002/2003年则发生了波动;增温都是从平流层上层开始向下传播,但是2003/2004年高层极涡崩溃后迅速恢复,低层极涡恢复得慢,2002/2003年极涡在高层和低层都是缓慢恢复;SSW期间行星渡活动较多,2003/2004年极地EP通量的辐合引起东风长时间持续从而阻止了行星渡再次上传,而2002/2003年行星波则发生多次上传;2002/2003年SSW发生时高纬地区为下沉气流,没有形成环流圈,增温后形成逆时针的环流圈比2003/2004年偏低.     

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。     

2003～2004年冬季平流层爆发性增温动力诊断分析

利用逐日的欧洲中尺度天气预报中心(ECMWF)60层模式资料, 对2003年12月～2004年2月期间发生的一次非典型的爆发性增温中平流层结构的变化过程进行动力学诊断分析。充分利用资料层次高(最高层为0.1 hPa)和垂直分辨率高(垂直方向共60层)的优势, 通过对不同高度等熵面位涡分布的分析, 研究了极涡在平流层爆发性增温(SSW)发生前后的变化发展; 通过对EP通量及其散度的分析, 研究了SSW过程中行星波的变化特点; 通过对剩余环流的分析, 研究了在SSW过程中经圈环流的变化及其对动力过程的影响。得出: (1) 2003/2004年SSW增温过程持续时间长、强度大; (2) 增温最早发生在平流层上层并向下传播, 在10 hPa形成较强东风带后, 上层西风环流迅速恢复, 极涡再度形成, 下层则增温持续; (3) SSW前后行星波活动频繁, 有长时间多次的上传, 且以1波作用为主, 2波对其进行了补充; (4) 在SSW过程前后, 平流层中的剩余环流发生反转, 影响了平流层中、 高纬地区和低纬地区的物质交换以及上下层物质的重新分配。这一系列的工作为今后进一步研究平流层、 对流层交换, 发展完善气候模式打下基础。     

北极极涡对极地平流层臭氧变化的影响研究

利用1981—2011年TOMS卫星逐月TCO资料、NASA极涡面积监测逐日资料及1979—2012年ERA-Interim再分析逐日资料,通过异常增加个例分析研究了北极极涡对极地平流层臭氧含量的影响。结果表明:1984年和1989年2月北极极涡分别表现为偏移型和分裂型,由于中高纬向极地输运的行星波的增强导致极地平流层极涡减弱,使得这2年3月初极涡提前崩溃,进而引起极区温度升高,原本在2月形成的极地平流层云(PSCs)消失,臭氧化学损耗减弱。由于高浓度臭氧从中纬输送到极区,导致这2年3月北极区臭氧柱总量(TCO)异常偏高。值得注意的是,尽管1984年和1989年整个冬季极涡面积都相对较大,但由于3月初极涡的提前崩溃使得这2年臭氧迅速恢复,且极涡的持续时间比极涡面积对臭氧的影响更大。     

平流层爆发性增温过程中臭氧的垂直分布特征

利用ECMWF资料分析了平流层爆发性增温 (SSW) 过程中臭氧体积混合比的垂直分布的变化, 结果表明: 平流层爆发性增温过程中臭氧体积混合比增大, 而其极大值大多数形成在增温盛期。同时臭氧体积混合比的高值区在爆发性增温过程中随高度发生一定的变化, 据此对其变化分为两类: (1) 下传型: 在增温初期臭氧体积混合的高值区随高度下传至一定高度, 在增温盛期形成极大值然后随高度抬升到大致增温前的高度。 (2) 增厚型: 在增温过程中臭氧体积混合比的高值区厚度增加, 同时附近区域的臭氧体积混合比也增大, 而且在增温前臭氧体积混合比高值区在高度上没有多大变化, 增温开始后有所抬升。平流层爆发性增温过程中臭氧高值区随高度变化的这两种类型, 是由于平流层爆发性增温期间剩余环流对臭氧输送的结果。臭氧变化的下传型是由于在爆发性增温前剩余环流存在着中纬度向极地的明显输送, 并且伴随着极地强烈的下沉运动, 这就使得中纬度输送来的臭氧向下输送, 因此出现了臭氧高值区的下传; 而臭氧变化的增厚型是由于在爆发性增温期间剩余环流不但有中纬度向极地的输送, 而且在极地附近5 hPa高度处出现了上下两支输送气流, 向上的输送气流使中纬度输送来的臭氧向上输送, 而向下的输送气流使中纬度输送来的臭氧向下输送, 进而使增温期间极地附近的臭氧的高值区增厚。同时分析还表明: 平流层爆发性增温过程中中纬度臭氧体积混合比减少。     

平流层强、弱极涡事件的演变过程及其对我国冬季天气的影响

本文利用1979～2010年的NCEP再分析资料,通过北半球环状模NAM指数挑选出的强、弱极涡个例,分析了北半球平流层异常变化过程中行星波的演变以及与之相联系的我国天气的变化特征。结果表明,在强极涡事件前,行星波1波会被反射回对流层,极地波导减弱,低纬波导增强,中高纬地区的E-P通量矢量有着从平流层传播到对流层的趋势;强极涡事件后,极地波导增强,低纬波导减弱。在弱极涡事件前,中、高纬度行星波1波沿着极地波导的传播明显增强;弱极涡事件后,极地波导明显减弱。与此对应的我国天气也有明显变化,在强极涡事件前,我国大部分地区温度偏低,南方地区偏湿而新疆西北部和云南西部地区偏干;在强极涡事件后,东亚冬季风进一步增强,冷空气加强南下,南方地区可降水量减少,新疆西北部仍然偏干,而云南大部分地区可将水量增加。在弱极涡事件前,东亚冬季风显著增强,使我国气温偏冷,降水减少,而弱极涡事件后,我国气温明显回升,中、东部地区和新疆西北部地区降水明显增加。     

冬季全国性持续低温事件过程中的平流层—对流层相互作用

利用1959～2017年ERA40/ERA-Interim逐日再分析资料和国家气候中心的逐日站点资料,针对发生在当年11月至次年3月（NDJFM）的全国性持续低温事件（EPECEs）,分析了热带外环流的变化特征,以及平流层—对流层相互作用。结果表明,全国性EPECEs可划分为冷空气在乌拉尔山—西伯利亚关键区堆积和冷空气爆发以及消亡三个阶段,分别与对流层中层乌拉尔山—西伯利亚一带大型斜脊的建立、发展和崩溃以及平流层极涡强度的恢复、维持和再次减弱相对应,其中伴随着显著的平流层—对流层相互作用。首先,以大西洋地区异常扰动为主的热带外对流层形成2波型行星波异常,并上传影响平流层;随后在平流层2波调整为1波型的过程中,出现了行星波的异常下传以及平流层极涡强度的恢复,在对流层形成的1波型的高度正异常中心位于东欧地区,有利于乌拉尔山高度脊的建立以及源于北冰洋的冷空气在高压脊前形成堆积;随后由于平流层极涡强度维持,对流层行星波上传持续受到抑制,并主要在欧洲一带出现显著的异常向下反射,对应对流层1波型高度正异常中心逐步东移至中西伯利亚地区,从而有助于乌拉尔山脊向下游发展成一个横跨西伯利亚地区的大型斜脊,冷空气堆积区也东移到中西伯利亚地区。进入冷空气爆发阶段,随着斜脊前的大型横槽与上游移来的短波槽形成阶梯槽形势,横槽很快转竖引导低层冷空气向我国大范围爆发;同时大型斜脊的维持也使行星波再次出现1波型异常上传,影响平流层极涡再次减弱。最后,随着冷空气爆发,大型槽脊迅速崩溃,对流层波动减弱,低层气团的经向输送也随之减弱,EPECEs消亡。     

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.     

Northern Hemisphere Stratospheric Polar Vortex Extremes in February under the Control of Downward Wave Flux in the Lower Stratosphere

Using ECWMF ERA-40 and Interim reanalysis data, the planetary wave fluxes associated with the February extreme stratospheric polar vortex were studied. Using the three-dimensional Eliassen-Palm (EP) flux as a measure of the wave activity propagation, the authors show that the unusual warm years in the Arctic feature an anomalous weak stratosphere-troposphere coupling and weak downward wave flux at the lower stratosphere, especially over the North America and North Atlantic (NANA) region. The extremely cold years are characterized by strong stratosphere-troposphere coupling and strong downward wave flux in this region. The refractive index is used to examine the conception of planetary wave reflection, which shows a large refractive index (low reflection) for the extremely warm years and a small refractive index (high reflection) for the extremely cold years. This study reveals the importance of the downward planetary wave propagation from the stratosphere to the troposphere for explaining the unusual state of the stratospheric polar vortex in February.     

Variation of Air-Sea Heat Fluxes over the Western Pacific Warm Pool Area and Its Relationship with the South China Sea Summer Monsoon Onset

Based on oceanic and atmospheric parameters retrieved by satellite remote sensing using a neural network method, air-sea heat fluxes over the western Pacific warm pool area were calculated with the advanced the advanced Coupled Ocean-Atmosphere Response Experiment 3.0 (COARE3.0) bulk algorithm method. Then, the average annual and interannual characteristics of these fluxes were analyzed. The rela- tionship between the fluxes and the South China Sea (SCS) summer monsoon onset is highlighted. The results indicate that these fluxes have clear temporal and spatial characteristics. The sensible heat flux is at its maximum in the Kuroshio area, while the latent heat flux is at its maximum in the North Equatorial Current and Kuroshio area. The distribution of average annual air-sea heat fluxes shows that both sensible and latent heat fluxes are maximized in winter and minimized in summer. The air-sea heat fluxes have obvious interannual variations. Correlation analysis indicates a close lag-correlation between air-sea heat fluxes in the western Pacific warm pool area and at the SCS summer monsoon onset. The lagcorrelation can therefore predict the SCS summer monsoon onset, providing a reference for the study of precipitation related to the monsoon.     

Overview of the Major 2012-2013 Northern Hemisphere Stratospheric Sudden Warming：Evolution and Its Association with Surface Weather

In this study, we analyzed the dynamical evolution of the ma jor 2012-2013 Northern Hemisphere （NH） stratospheric sudden warming （SSW） on the basis of ERA-Interim reanalysis data provided by the ECMWF. The intermittent upward-propagating planetary wave activities beginning in late November 2012 led to a prominent wavenumber-2 disturbance of the polar vortex in early December 2012. However, no major SSW occurred. In mid December 2012, when the polar vortex had not fully recovered, a mixture of persistent wavenumber-1 and -2 planetary waves led to gradual weakening of the polar vortex before the vortex split on 7 January 2013. Evolution of the geopotential height and Eliassen-Palm flux between 500 and 5 hPa indicates that the frequent occurrence of tropospheric ridges over North Pacific and the west coast of North America contributed to the pronounced upward planetary wave activities throughout the troposphere and stratosphere. After mid January 2013, the wavenumber-2 planetary waves became enhanced again within the troposphere, with a deepened trough over East Asia and North America and two ridges between the troughs. The enhanced tropospheric planetary waves may contribute to the long-lasting splitting of the polar vortex in the lower stratosphere. The 2012-2013 SSW shows combined features of both vortex displacement and vortex splitting. Therefore, the anomalies of tropospheric circulation and surface temperature after the 2012-2013 SSW resemble neither vortex-displaced nor vortex-split SSWs, but the combination of all SSWs. The remarkable tropospheric ridge extending from the Bering Sea into the Arctic Ocean together with the resulting deepened East Asian trough may play important roles in bringing cold air from the high Arctic to central North America and northern Eurasia at the surface.     

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。     

Analysis of three-dimensional Eliassen-Palm fluxes in the lower stratosphere

Using the monthly mean NCEP/NCAR reanalysis dataset, the three-dimensional Eliassen-Palm (EP) fluxes of quasi-stationary wave propagation in the lower stratosphere were computed for each month from November to March for the period from 1958 to 2007. It is shown that the upward planetary wave propagation from the troposphere to the stratosphere generally occurs over the northern Eurasia, while their weak downward propagation is observed in Labrador and southern Greenland regions in the lower stratosphere. Interannual variations of the vertical EP fluxes also have the dipole-like spatial pattern with the opposite anomalies in the West and East hemispheres which are most prominent in January–February. Significant differences in the interaction of the zonal circulation of the stratosphere in the beginning of winter (November–December) and mid-to-late winter (January–March) are revealed. Intensification of the planetary waves’ penetration into the stratosphere in December causes changes in the stratospheric dynamics, creating the “preconditions” for the stratospheric warming appearances in January, but such a mechanism is not detected in February. In the years with the cold polar vortex, the “stratospheric bridge” is formed with the strengthening of the upward EP flux over the northern Eurasia and downward EP flux over the North Atlantic.