黑潮延伸体区域海表温度锋的季节变化对北太平洋风暴轴的影响

利用NOAA最优插值逐日海表温度(SST)资料和NCEP/NCAR的逐日大气再分析资料,本文分析了黑潮延伸体区域海表温度锋的变化对北太平洋风暴轴的影响。结果表明,黑潮延伸体区域海表温度锋位置的季节变化很弱,而其强度的变化则非常显著,北太平洋风暴轴强度与海表温度锋强度具有一致的协同变化。冬季黑潮延伸体区域海表温度锋强度最强,增强了其上空大气的斜压性,从平均有效位能向涡动有效位能的斜压能量转换以及从涡动有效位能向涡动动能的斜压能量转换均在黑潮延伸体区域显著增加,斜压涡旋在此区域生成更加频繁,在随西风向下游运动过程中不断从背景平均流中获得能量,从而导致北太平洋风暴轴增强,且将其中心轴线固定在黑潮延伸体区域上空,而夏季黑潮延伸体区域海表温度锋强度非常弱,其上空大气斜压性减弱,从平均有效位能向涡动有效位能的斜压能量转换以及从涡动有效位能向涡动动能的斜压能量转换均显著减少,斜压涡旋在此区域生成减少,导致北太平洋风暴轴减弱,且中心移至太平洋中部,位置偏北。     

冬季黑潮延伸体海区海洋锋强度变化及其与北太平洋风暴轴的关系

利用英国哈德莱中心（Hadley Center）1949~2014年表层海温资料,将黑潮延伸体海区海温经向梯度的大值区域的平均值定义为黑潮延伸体及其北部海洋锋强度指数（KEFI）,利用数据分析方法研究了各季节KEFI的变化特征及其与北太平洋风暴轴的关系。分析表明,各季节的KEFI存在明显的年际和年代际变化特征,同时在冬季与北太平洋瞬时方差有显著正相关,两者在风暴轴主体位置的相关性最为显著,并且这种相关性在KEFI超前一个月时就所显现,同时对后期风暴轴也有一定影响,即冬季黑潮延伸体海区海洋锋的强度会影响风暴轴区域瞬时方差的变化。之后主要分析了这种影响的可能机制,发现在冬季KEFI高值年,由于海洋锋两侧的热量输送差异更加明显,导致海洋锋附近的近表面气温经向梯度增强,维持了近表面的斜压性,促进涡动热量的向极输送和海洋锋南侧的向上输送,有利于瞬时涡旋的发展。另外大尺度环流场与冬季黑潮延伸体海洋锋也有关系,具体表现为,在海洋锋强年,阿留申低压加深,副热带高压略有加强,对应的对流层低层位势高度场在40°N以北有负变高,以南有正变高,同时高空极锋急流加强,副热带西风急流减弱加宽北抬,海洋锋偏弱年的变化则相反。因此,冬季黑潮延伸体及其北部的海洋锋主要通过两侧海表热量输送差异不断产生气温梯度,进而维持斜压性以促进上层风暴轴的发展。     

黑潮延伸体区域海表温度锋的时空变化特征分析

利用NOAA最优插值逐日海表温度资料和AVISO中心的海表高度异常资料,分析了黑潮延伸体区域的海表温度锋的时空变化特征以及导致其年代际变化可能的原因。结果表明,气候平均态的黑潮延伸体区域海表温度锋位于黑潮延伸体区域北部边缘,在143 °E和150 °E附近存在两个弯曲,SST水平梯度最大值出现在142 °E附近,强度超过4.5 ℃/(100 km),其后强度自西向东逐渐递减,在149 °E附近又出现一个较弱的大值中心,在141~153 °E范围内,海表温度锋位置的平均值为36.25 °N,强度的平均值为3.22 ℃/(100 km)。黑潮延伸体区域的海表温度锋南北位置的季节变化很弱,而其强度的季节变化非常显著。相较于较弱的季节变化,海表温度锋位置的年际和年代际的低频变化则要显著得多,其南北变化跨度超过2 °。海表温度锋强度的年际和年代际的低频变化也较强,超过4.5 ℃/(100 km)。黑潮延伸体区域的海表温度锋的变化与太平洋年代际振荡（PDO）以及北太平洋涡旋振荡（NPGO）存在显著的相关关系,NPGO和PDO在中东太平洋区域会强迫产生海表高度异常,随后向西传播,在约3年后到达黑潮延伸体区域,使该区域流场发生变化产生海洋热平流异常,最终导致海表温度锋强度发生变化。      

北太平洋风暴轴对黑潮延伸体系统变异的响应及其能量转换机制

西北太平洋纬向扰动海温经验正交函数（EOF）分解第一和第三模态、第二和第四模态分别代表同期黑潮延伸体和亲潮强弱的配置关系,将两者的典型位相合成,可以分别得到延伸体收缩和扩张状态时的典型模态海温,本文以此及气候态海温作为初始海温强迫场,利用CESM1.2.0模式,讨论了延伸体的系统变异对北太平洋风暴轴的影响及其在不同能量转换过程的主要影响机制,结果表明,延伸体收缩状态下,北太平洋风暴轴强度整体加强,而扩张模态下强度减弱。空间分布上,收缩模态下,风暴轴主要体现为经向方向的变化,中心及其以北强度加强,中心以南减弱;扩张状态下,则主要表现为纬向方向的差异,中心及以西强度减弱明显,中心以东有所增强。对能量转换的诊断分析表明,正压能量转换过程对涡动动能的变化贡献很小,且在风暴轴中心附近,其作用主要为消耗涡动动能,延伸体收缩状态下其消耗作用增强,而扩张状态下消耗作用减弱,这一差异主要是由于不同海温异常强迫下瞬变涡旋的形变不同造成;斜压有效位能释放比正压能量转换大一个量级以上,该过程几乎全部通过基流的经向温度梯度和经向涡动热量输送的相互作用完成,在这一过程中大气斜压性（经向温度梯度）起了关键性作用,大气斜压性异常、基流经向温度梯度异常、斜压有效位能释放异常与风暴轴异常的空间分布均具有较好的对应关系,该过程可能也是延伸体海温异常影响北太平洋风暴轴的主要物理过程;涡动有效位能需要进一步转换为涡动动能才能产生瞬变涡旋运动,涡动有效位能释放的量级与斜压有效位能的释放相当,但数值要小,这一过程通过冷暖空气的上升下沉运动完成,延伸体异常模态下,扰动垂直速度和扰动温度的负相关性的变化与涡动有效位能向涡动动能转换的变化也有较好的对应关系。     

极涡对北太平洋风暴轴影响及成因初探

利用美国NCEP/NCAR再分析资料,初步探讨了1969—2013年冬季北半球极涡对北太平洋风暴轴的影响及可能的物理机制.结果表明:风暴轴主要分布在120°E—120°W、30°—60°N之间,扰动最强中心位于45°N附近.奇异值分解表明,极涡与风暴轴之间主要存在两种耦合空间变化特征.当极涡在极区增强(减弱)时,风暴轴在其气候平均位置增强(减弱);当极涡增强并向北太平洋地区移动时,相对于平均状态,风暴轴在45°N以南地区偏强;而当极涡向北美大陆移动增强时,相对于平均状态,45°N轴线以北地区风暴轴偏强.回归分析进一步表明了北半球极涡影响北太平洋风暴轴变化的原因,极涡通过改变500h Pa位势高度场的遥相关形态特征,进而改变东亚西风急流及风暴轴上游地区斜压性的位置与强度,从而导致风暴轴的强度发生变化.     

冬季海温异常影响北太平洋东部型风暴轴的数值试验

最强中心出现在160°W以东地区的北太平洋风暴轴定义为东部型风暴轴,针对这种短期气候异常现象,利用大气环流模式CAM 3.0对其可能的外部强迫机制进行探究,主要关注赤道中东部和黑潮海区正、负海温异常的影响。结果表明:赤道海区负海温异常对风暴轴东部型的出现有重要意义,当该海区海温为负(正)异常且黑潮海区海温正(负)异常时,风暴轴表现为东(西)部型。风暴轴在中、东太平洋地区低层斜压性的增强,是太平洋风暴轴中、东端天气尺度涡动活动增强的主要原因。当出现东部型时,北太平洋东部区域急流强度增强,涡动斜压增长偏强,涡动的热量和动量输送加强,风暴轴和急流的反馈也加强;反之亦然。冬季赤道海区引起的大气响应范围较广,而黑潮海区的影响较为局地,尤其是黑潮海区的负异常主要影响风暴轴入口区域,表现为关于海温异常强迫的符号非对称性。     

冬季黑潮区域海温异常对北太平洋风暴轴的影响

该文对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北太平洋海表温度进行了奇异值分解 (SVD) 分析.结果表明, SVD得到的第二对空间典型分布反映了冬季黑潮区域的海温异常与风暴轴的异常变化密切相关.进一步的分析显示, 黑潮区域海温异常可能通过加强风暴轴入口区的斜压性, 激发或加强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在入口区的强度变化和南北位移.     

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。     

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。     

北大西洋海表面温度锋与大西洋风暴路径及大气大尺度异常的关系研究

运用NCEP、Had ISST再分析资料,北大西洋涛动(NAO)月指数序列,探讨了海表面温度(SST)锋的时空变化特征,揭示了北大西洋SST锋的主要气候变率及其与北大西洋风暴轴和大气大尺度环流异常的关系。研究表明,剔除季节循环后的SST锋显示其最主要变率为锋区的向南/北摆动,其对应的风暴轴发生相应的西南/东北移动,并同时在北大西洋上空对应一个跨海盆的位势高度负/正异常。这种环流异常可引起高纬度海平面气压(SLP)的反气旋/气旋式环流,这有利于增强海表面风对大洋副极地环流的负/正涡度异常输入,进一步减弱/加强了高纬度上层冷水向SST锋区的输送。北大西洋SST锋的另一主要模态为锋区在南北方向的分支和合并。当SST锋异常在40°N~45°N以单支形式加强时,对流层位势高度场和SLP南北梯度增大,对应NAO正位相,此时风暴轴也为单支型;同时SLP异常场促使冰岛附近具有气旋式风应力异常,亚速尔地区具有反气旋式风应力异常,导致副极地环流和副热带环流均加强,增加高纬度冷水和低纬度暖水在锋区的输入,从而进一步增强40°N~45°N附近的SST锋区。当SST锋异常在40°N~45°N纬带南北发生分支时,风暴轴也同时出现北强南弱的南北分支,此时对应了负位相NAO,来自北南的冷暖水输送减弱,SST锋也发生减弱分支。此外,位于大洋内区的SST锋东端也存在一个偶极子型的模态,尽管其解释方差相对较小,但仍与偏东北的NAO型具有显著相关。谱分析表明,北大西洋SST锋与风暴轴具有1~3年和年代际共振,与中高纬大尺度环流也存在周期1~3年的共变信号,其中准一年共变信号体现了SST锋和NAO之间的对应关系。进一步诊断分析表明,SST锋上空的近表层大气斜压性和经向温度梯度随着SST锋的增强而增强,经向热通量的向北输送导致涡动有效位能的增加;海洋的非绝热加热产生更强的垂直热量通量,这有利于涡动有效位能释放成为涡动动能,从而表现为该区域的风暴轴加强,并进一步影响风暴轴中的天气尺度扰动与下游大尺度环流异常的相互作用过程。     

冬季黑潮延伸体海温异常结构及其与热带太平洋海温变化关系分析

基于NASA遥感系统提供的2003~2015年全球高分辨率海表温度资料,应用经验正交函数分析、时滞相关分析等方法,对北太平洋冬季黑潮延伸体区海温异常特征及其与热带海表温度的可能关系进行了初步分析。研究发现,冬季延伸体区的海温异常主要表现为两类结构特征,其一为上游区域发展型,包括海盆尺度一致性变化的季节模态和纬向反位相的收缩型结构;其二为纬向延展型,包括分叉东扩结构和通道东扩结构,且该两结构型在2010年前反位相,使得2006年前暖异常东扩路径基本控制在36°N以南,其后至2010年期间,暖异常东扩路径偏北,而2010年后结构型转为同位相,暖异常东扩路径偏北。分叉东扩结构表现为与热带海温变化紧密相关,进一步的时滞相关分析与合成分析表明,热带太平洋不同地区对中纬度海温分叉东扩的影响存在差异,Ni?o3区海温异常超前延伸体区分叉东扩模态约1~2个月,而Ni?o3.4区及Ni?o4区则与延伸体区海温分叉东扩保持前后各约3个月的宽谱同期负相关,或可表明El Ni?o的东部型和中部型对中纬度延伸体暖流分叉东扩存在超前和同期相关影响,且中部型影响更显著。     

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...     

春季北太平洋风暴轴的年际与年代际变化特征及其与太平洋海温异常的关系

利用20世纪大气再分析资料和欧洲中心海温资料研究了春季西北太平洋风暴轴的年（代）际变化特征以及在不同年代际背景下风暴轴与太平洋海温关系的转变。结果表明,春季西北太平洋风暴轴主要存在两种空间变化模态,即反映其强度变化的第1模态和反映其南北位置变化的第2模态。年代际及以上时间尺度上,风暴轴强度、位置与太平洋海温的关系主要表现为大气对海洋的强迫作用。在不同年代际背景下,风暴轴与太平洋海温的关系则存在明显的年代际转变：1977年以后,风暴轴强度与太平洋海温的关系主要表现为大气对海洋的强迫作用,而在1977年之前则主要表现为海洋对大气的强迫作用,特别是同期冬季日本以东黑潮和黑潮延伸区海温异常的强迫作用;风暴轴南北位置与太平洋海温异常的关系,在1977年以后表现为大气对海洋的强迫作用,主要表现为对北太平洋中部海温的影响,但在1977年以前表现为海洋和大气的共同作用,风暴轴南北位置的变化还与同期的赤道中东太平洋海温异常有关,表明ENSO可能对风暴轴的位置变化存在影响。     

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.     

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。