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。     

冬季北大西洋风暴轴的变化及其对西伯利亚高压的影响

采用1948—2010年NCEP/NCAR逐日再分析资料,计算大西洋风暴轴特征指数和西伯利亚高压特征指数,研究了冬季北大西洋风暴轴的变化及其对西伯利亚高压的影响。结果表明:风暴轴经度指数与西伯利亚高压纬度、强度、面积指数显著相关。风暴轴经度指数正异常月,大西洋天气尺度瞬变波活动向东扩展到欧洲乃至乌拉尔山以东,西伯利亚及东亚地区反气旋式波破碎加强,瞬变波对月平均气流的反馈作用使得欧亚大陆上空50°N以北西风加速、50°N以南西风减速;中纬度经向环流加强,气候态的西欧沿岸脊、欧洲东部槽、青藏高原北部脊均加强,东亚大槽减弱东移;在西伯利亚地区,暖空气向北输送加强,来自极区的冷空气南下减弱,致使西伯利亚及东亚地区温度偏高,西伯利亚高压面积减少、纬度偏南、强度减弱。风暴轴经度指数负异常月的情况则反之。     

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。     

冬季北极涛动与极涡的变化分析

利用NCEP／NCAR资料计算出冬季极涡面积（PVA）指数和极涡强度（PVI）指数，对冬季北极涛动（AO）和北半球500hPa极涡指数进行周期分析，讨论了冬季AO与极涡的年际、年代际变化。结果表明：冬季AO指数与PVA指数呈反相关关系，与PVI指数呈正相关关系，且AO指数呈上升趋势，PVA指数呈下降趋势。冬季AO指数、PVA指数以及PVI指数均具有多重周期。强（弱）AO指数年，极地500hPa高度场降低（升高），PVI指数偏大（偏小），PVA指数偏小（偏大）。500hPa高度场上亚洲大槽、北美大槽均减弱（加强）。AO可激发出类似EU遥相关型的异常，从而影响到东亚地区的气候。冬季AO指数在1982年发生突变，且突变后北太平洋地区的正中心位置更靠东，强度更大。此外，AO突变前后极涡变化不是很显著。     

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。     

冬季西伯利亚高压的主要年际变化模态及其对东亚气温的影响

选取40°N—60°N,80°E—120°E的区域作为西伯利亚高压的主要活动区域,利用NCEP/NCAR月均海平面气压再分析资料,对该区域西伯利亚高压(Siberian High,SH)从1979—2017年共38个冬季(12月至次年2月)进行经验正交函数分解(Empirical Orthogonal Function,EOF)。结果表明,第1模态为全区一致的变化,第2模态为南北气压的反相变化关系,第3模态为东西部气压的反相变化关系,并且3个模态的时间序列都存在显著的年际变化。进一步对相关的大气环流和东亚气温异常的分析表明,第1模态相联系的大气环流在地面表现为海陆气压差的改变,500 h Pa高度上东亚大槽强度的变化,200 h Pa纬向风场上温带急流、副热带急流强度的变化,SH负位相时,东亚偏暖,SH正位相时,东亚偏冷;第2模态与北极涛动(Arctic Oscillation,AO)和北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation,NAO)的变化有密切关系,在高度场上表现为一个准正压的南北环状模态,SH北强南弱时,环流场类似AO正位相,温带急流减弱,东亚东北部偏暖,SH北弱南强时,东亚东北部偏冷;而与第3模态相联系的大气环流主要出现在欧亚大陆局部区域,与北大西洋涛动(NAO)也存在一定的关联,SH东强西弱时,东亚北部偏暖,西南部偏冷,SH东弱西强时,东亚北部偏冷,西南部偏暖。     

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。      

对流层上层副热带西风急流与东亚冬季风的关系

利用NCEP/NCAR月平均再分析资料,研究冬季对流层上层西风急流的时空变化特征,提出表征急流强度和位置变化的指数,进而探讨西风急流与东亚冬季风的关系。结果表明:冬季西风急流强度指数体现了西太平洋与高纬大陆的热力对比,较好地反映了西伯利亚高压与阿留申低压的强度变化,可作为表征冬季风强弱变化的一个定量指标,急流增强(减弱)对应西伯利亚冷高压和阿留申低压加强(减弱),东亚冬季风偏强(弱)。急流强度指数与不同高度冬季风子系统的显著相关表明,东亚冬季风活动异常不只是对流层中低层的现象,而在整个对流层都有明显反映,低层的西伯利亚高压和阿留申低压、中层的欧亚脊、东亚大槽及西太平洋副热带高压与高层的西风急流是同相变化的。在此基础上还比较了急流强度指数和北极涛动指数(AO)与东亚冬季风的关系,急流强度变化体现了欧亚大陆与西太平洋的热力差异,而AO则主要反映极地与中纬度环状模的反相变化,所以急流强度变化与东亚冬季风的关系更为密切。     

冬季北极涛动和华北冬季气温变化关系研究

利用北极涛动指数（AOI）、NCEP／NCAR40a再分析资料中的海平面气压（SLP）、850、500、200hPa等压面高度场资料及中国160站月平均气温资料，运用小波分析，经验正交函数（EOF）分析等方法，分析了华北冬季气温和冬季北极涛动指数的变化特征及其关系。结果表明它们之间存在有着显著相关，特别是在年代际尺度上关系尤其密切。华北在20世纪70年代初以前为持续冷冬，80年代中期之后变为持续暖冬，其间相对正常，而冬季北极涛运指数亦存在类似的3个阶段，冬季北极涛动高（低）低数年，华北地区为暖（冷）冬年。其原因在于，北极涛动在于对流层低层和高层都可激发类似EU遥相关型的异常，通过影响西伯利亚高压和东亚大槽影响华北地区气温。强（弱）涛运年大气环流具有弱（强）东亚冬季风特征，西伯利亚高压减弱（增强），亚洲大陆地面东北风减弱（增强），高空东亚大槽减弱（增强）。     

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。     

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.     

黑潮延伸体中尺度涡年代际变化与北太平洋风暴轴变化之间的关系

利用18年带通滤波的卫星高度计资料,通过引入黑潮延伸体中尺度涡能量(EKE)的面积指数,分析了黑潮延伸体中尺度涡EKE的强度和位置的年代际变化特征,并使用回归分析等方法分析了它们与北太平洋风暴轴之间的关系。结果表明,黑潮延伸体中尺度涡增强与北太平洋风暴轴的增强相对应,而EKE位置偏北(南)时对应的北太平洋风暴轴也偏北(南),同时当EKE的位置偏东(偏西)时北太平洋风暴轴则西退(东移)。此外,北太平洋风暴轴的变化对黑潮延伸体也可能有一定的反馈作用,黑潮延伸体中尺度涡EKE强度的变化与北太平洋风暴轴EOF第一和第三个模态(第二个模态)回归的海表面高度距平模态有明显的3~4年滞后的正(负)相关,而黑潮延伸体中尺度涡EKE位置的变化则相反。这种滞后相关可能是通过北太平洋风暴轴驱动的遥相关型环流改变海表面风应力旋度并强迫出的海表面高度距平的西传导致的。     

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.