主编语

正对于数值天气预报而言,无论是模式研制还是实际应用,在评价其准确率时,一般都会将南半球和北半球分别计算,给出南北半球的预报误差曲线。总体而言,由于获取气象探测数据相对充分,北半球的预报结果往往较南半球要准确些,在数值预报技术发展最初的几十年中,基本维持着这样的结果。然而,近二三十年来随着气象卫星探测技术的快速进步,卫星监测数据逐渐成为数值天气预报模式的主要数据来源,且由于卫星资料具有对全球均匀覆盖的特征,南北半球预报准确性的差距近年来呈现大幅度减     

全球闪电活动与对流层上部NO及O3的相关性分析

为了解闪电对对流层上部微量气体的贡献,利用全球水资源和气候中心(GHRC)提供的1995年4月—2006年6月的闪电卫星格点资料,以及高层大气研究卫星(UARS)上的卤素掩星试验(HALOE)1991年10月—2005年11月的观测资料,分析了全球闪电与对流层上部NO和O3体积分数的时空分布特征及其相关性。结果表明:全球闪电12、1、2月集中在南半球,6—8月集中在北半球,全球闪电的季节分布与NO、O3类似;NO体积分数在350 h Pa附近达到最大,该高度的南半球NO体积分数变化范围为7×10-12~11×10-12、北半球为3×10-12~17×10-12;450~300 h Pa,北半球夏季O3体积分数呈明显增加趋势,且同一高度上夏季的值比年平均值大25%左右,南半球夏季O3体积分数高于冬季,但差异并不大。结论进一步证明了闪电与对流层上部NO及O3的密切关系,也为研究全球气候变化提供有力证据。     

BCC_CSM对全球海冰面积和厚度模拟及其误差成因分析

本文评估了国家气候中心发展的BCC_CSM模式对全球海冰的模拟能力,结果表明:该气候系统模式能够较好地模拟出全球海冰面积和厚度的时空分布特征,且南半球海冰模拟能力优于北半球。通过对比分析发现:年平均海冰面积模拟误差最大的区域位于鄂霍次克海、白令海和巴伦支海等海区,年平均海冰厚度分布与观测相近,在北半球冬季模拟的厚度偏薄;从海冰季节变化来看,模拟的夏季海冰面积偏低,冬季偏高;从海冰年际变化来看,近60年南北半球海冰面积模拟都比观测偏多,但南半球偏多幅度较小,然而北半球海冰年际变化趋势的模拟却好于南半球。另外,通过对海冰模拟误差成因分析,发现模拟的净辐射能量收入偏低使得海温异常偏冷,是导致北半球冬季海冰模拟偏多的主要原因。     

北半球大气环流能量循环的气候特征

利用1958—2011年NCEP/NCAR逐日再分析资料,根据Lorenz能量循环理论框架,分析了北半球大气能量循环的年变化特征,在此基础上给出了更具普适性的多年平均的大气能量循环框图.结果表明:北半球大气能量循环的年变化特征十分明显.大气能量及能量转换率均表现为冬季高、夏季低、春秋季过渡的演变特征;纬向平均有效位能、纬向平均动能和涡动动能中有少许能量在冬季时由南半球向北半球进行越赤道输送,夏季时则由北半球向南半球输送,而涡动有效位能的输送方向则与此相反;纬向平均有效位能的制造在秋季最大,涡动有效位能的制造在夏季最大;动能的耗散冬季最强,夏季最弱.就年平均而言,相较于能量转化过程,能量越赤道交换过程非常微弱.在经向上,纬向平均有效位能主要分布于高纬地区,纬向平均动能主要分布于中低纬地区,而涡动能量主要贮存在中纬和高纬地区;此外,能量转化过程一般在中纬度地区较活跃.     

夏季105～125°E垂直经圈环流变化特征及其与海温的联系

采用NCEP/NCAR再分析资料,利用质量流函数方案和EOF（empirical orthogonal function,经验正交函数）分解,研究了1979—2006年夏季105～125°E范围垂直经圈环流的变化特征及其与邻近海域海温变化的联系。结果表明：1）在105～125°E区域,夏季北半球Hadley环流明显偏强,和南半球Hadley环流对称出现,形成明显的＂Hadley环流对＂。2）小波分析显示,Hadley环流变化有准2～4a和4～6a周期。近28a来,南半球Hadley环流有南退趋势,北半球Hadley环流逐渐增强,尤其是20世纪90年代中期之前,这种变化较显著。3）105～125°E区域夏季＂Hadley环流对＂的异常和邻近海域海表温度关系密切。无论是IOD（Indian Ocean Dipole）事件还是ENSO均对东亚经圈剖面内＂Hadley环流对＂产生影响,Hadley环流的主要模态EOF1与同期和滞后的SSTA的相关在太平洋上表现出El Nino发展期、盛期的海温分布形态。南半球Hadley环流偏北（南）,北半球Hadley环流减弱（增强）,则到来的冬季的El Nino（La Nina）发展,这对ENSO事件具有一定的预报意义。IOD事件对南半球Hadley环流的影响是显著的,当负IOD事件时,南半球Hadley环流减弱,但正IOD事件时并未显著相反。     

MOPITT观测的CO分布规律及与瓦里关地面观测结果的比较

利用TERRA/MOPITT仪器测量的2000年3月—2004年5月的CO数据, 分析了CO的时空分布特征及其变化趋势, 并且与美国国家海洋大气管理局气候监测与诊断实验室 (CMDL/NOAA) 在瓦里关站的CO观测结果进行比较和验证。结果表明: CO的高值区在北半球主要位于东亚、西欧和北美, 而在南半球主要位于非洲中西部和南美洲的赤道地区; CO的分布随季节变化显著, 春季北半球的CO浓度最高, 而秋季南半球的CO浓度偏高; 东亚的CO高值区主要是位于中国东部沿海地区和日本列岛一带。对于北京和瓦里关CO的趋势分析明表:这两个地区的CO浓度在这4年内都是呈上升趋势。结合CMDL的观测资料与卫星观测结果进行比较和检验发现, 瓦里关站卫星观测结果和CMDL的结果在时间序列的变化趋势一致, 卫星柱总量的观测数据和CMDL数据的相关性非常好。     

MOPITT观测的CO分布规律及与瓦里关地面观测结果的比较

利用TERRA/MOPITT仪器测量的2000年3月—2004年5月的CO数据,分析了CO的时空分布特征及其变化趋势,并且与美国国家海洋大气管理局气候监测与诊断实验室(CMDL/NOAA)在瓦里关站的CO观测结果进行比较和验证。结果表明:CO的高值区在北半球主要位于东亚、西欧和北美,而在南半球主要位于非洲中西部和南美洲的赤道地区;CO的分布随季节变化显著,春季北半球的CO浓度最高,而秋季南半球的CO浓度偏高;东亚的CO高值区主要是位于中国东部沿海地区和日本列岛一带。对于北京和瓦里关CO的趋势分析明表:这两个地区的CO浓度在这4年内都是呈上升趋势。结合CMDL的观测资料与卫星观测结果进行比较和检验发现,瓦里关站卫星观测结果和CMDL的结果在时间序列的变化趋势一致,卫星柱总量的观测数据和CMDL数据的相关性非常好。     

南半球西风指数变化与中国夏季降水的关系

根据NCEP/NCAR提供的1950～2007年南半球12～2月、6～8月500 hPa位势高度的月平均再分析资料,采用合成分析方法讨论与中国夏季3类雨型相对应的南半球500 hPa距平高度场的分布特征;运用多变量方差分析方法确定12～2月和6～8月与3类雨型相对应的南半球西风指数波动关键区A;分析关键区A的西风波动与中国夏季降水之间的关系;寻找南、北半球西风相互作用影响中国夏季降水分布的可能途径。分析表明,6～8月与3类雨型相对应的南半球500 hPa距平高度场显示出不同的距平分布形式,并存在显著差异区在（35°N～50°N,35°E～80°E）。12～2月南半球的西风指数变化关键区A在22.5°W～2.5°W,6～8月关键区A在10°E～55°E。南半球关键区A的西风指数强弱变化与中国夏季降水的关系密切,且12~2月南半球的西风波动对北半球夏季关键区的西风环流的变化有预测意义,而前期南半球关键区A的平均西风指数与北半球夏季高度场的显著负相关区在贝加尔湖。南、北半球大气环流经向传播是两半球西风相互作用的可能途径,前期南半球的异常西风使夏季贝加尔湖的平均槽强度变化,进而造成北半球关键区的西风环流异常,从而影响中国夏季雨型的分布。     

南半球气流的气候特征

依据几十年的船舶和陆基观测资料而得到的网格点上的平均地面地转风,来估算南半球月平均地面流线。在南半球已确认有4个年气流源地。在南半球冬季的7个月期间,澳大利亚是第5个气流源地区域。北半球的气流流到南半球(夏季)的热带辐合带处。在平均年份中,南半球空气来自上述4个年气流源地的占46％,太平洋贡献最大(20％),其次是印度洋(12％)、大西洋(9％)和南极洲(5％)。最常见的汇流带有4条。     

COSMIC后期的掩星折射率资料误差特性分析

COSMIC计划于2006年成功实施,该计划的设计寿命为5 a。由于实际运行期间COSMIC星座内卫星出现过技术故障,加上卫星姿态控制不稳定等原因,探测数据资料的质量存在一定的波动。为了对COSMIC掩星后期的数据质量进行评估,以全球无线电探空数据为参照,对COSMIC掩星折射率廓线数据进行了统计分析。分析结果表明:1)在两类观测资料观测时间和空间的配对标准上,随着时间差限值与距离差限值的增大,折射率的平均相对误差的变化趋势性不强,但相对误差标准偏差呈增加趋势。2)折射率偏差大值区集中在东南亚附近海域和墨西哥湾附近海域,在海陆交界处折射率平均相对误差要大于陆地和海洋上的平均相对误差。3)10 km以下,热带地区的正偏差最大,平均相对误差为0.849%,高于北半球的0.484%和南半球的0.492%。在10 km以上,三个区域平均相对误差的差异不明显。4)10 km以下,夏季折射率的平均相对误差最大,为0.663%;冬季折射率的平均相对误差最小,为0.365%;30—35 km冬季的平均相对误差最大,达到1.014%。     

初夏印度高压的季节转换及其与北半球环流和我国夏季降水的关系

本文以初夏印度高压撤离印度地区的早迟,来反映冬夏季节转换的早晚,并讨论这种季节转换的突变现象与北半球环流和我国夏季降水的关系。分析表明,初夏印度高压季节转换的早、晚,反映在印度地区500hPa高度距平符号是完全相反的,这种距平场的扰动,以波动形式沿一定的通道向东亚中高纬度地区传播,然后通过极区传向西半球。当印度高压季节转换早时,夏季西太平洋副高易北上,东亚中高纬度距平场往往出现东高西低的环流形势,相应我国汛期降水偏多,反之亦然。同时,5月印度地区高度场变化对我国长江中下游入梅日期也有一定的指示意义。在近几年的实际应用中,这种正相关关系保持着较好的稳定性。     

东亚夏季风与澳洲冬季风强弱互补变化联系及其异常环流特征

利用NCEP/NCAR再分析资料、Hadley中心海温资料及CMAP降水资料等,通过亚澳季风联合指数挑选异常年份,对东亚夏季风和澳洲冬季风强度反相变化特征进行研究。结果表明,当东亚夏季风偏强、澳洲冬季风偏弱时,南北半球中低纬地区都出现了复杂的异常环流系统。在热带地区对流层低层,西北太平洋为异常反气旋式环流系统所控制,与南太平洋赤道辐合带的异常反气旋环流在赤道地区发生耦合,形成赤道异常东风,而在南北印度洋上则存在两个异常气旋式环流系统。在这两对异常环流之间的海洋性大陆地区,出现赤道以南为反气旋环流而赤道以北为气旋式环流。在东亚季风区,东南沿海的东侧海洋上存在反气旋异常,中国东南地区受异常反气旋西南侧的东南风影响。此外,澳洲北部受异常西风影响。这就形成了东亚夏季风偏强、澳洲冬季风偏弱的情形,从而东亚夏季风和澳洲冬季风活动出现了强弱互补的变化特征。当东亚夏季风偏弱、澳洲冬季风偏强时,南北半球的环流特征则出现与上述相反的环流特征。总体而言,当东亚夏季风偏强、澳洲冬季风偏弱时,东亚—澳洲季风区在南北半球呈现出不同的气候异常分布特征,即北半球降水北少南多、气温北高南低,南半球降水西多东少、气温西高东低。     

Winter cyclone frequencies in thirteen models participating in the Atmospheric Model Intercomparison Project (AMIP1)

Various aspects of the simulated behaviour of cyclones in thirteen models participating in the AMIP1 exercise are presented. In the simulation of the winter climatological mean sea level pressure field for the Northern Hemisphere, the models produce reasonable simulations of the "semi-permanent" features of the climatology. The greatest departures from the observed climatology occur near the exit regions of the oceanic storm tracks; i.e., over northwestern North America, over and to the west of the British Isles and in the Mediterranean. The departures in the three geographical areas are very systematic in that at least eleven of the models exhibit similar departures from observations. In the Southern Hemisphere the intensity of the circumpolar trough is generally well simulated but positioned slightly too far north. Most models exhibit errors south of Africa, New Zealand, and South America. The simulations of the cyclone events show that the models are reasonably successful in reproducing the large-scale aspects of observed cyclone events but deficiencies in the details of the simulations are apparent. The paucity of simulated events to the south of the Alps and to the east of the Rockies suggests that the models have difficulty simulating lee cyclogenesis. Over much of North America, the models have difficulty simulating the correct level of synoptic activity as demonstrated by the low numbers of both cyclone events and anticyclone events. The models have difficulty simulating the distribution of cyclone events as a function of central pressure. The most common problem is that the models exhibit an ever increasing deficit of events with decreasing central pressure. This problem is more apparent in the Southern Hemisphere than in the Northern Hemisphere and does not appear to be resolution dependent. There is an apparent ENSO signal in the observed Northern Hemisphere interannual variability of intense winter cyclone events. With the exception of ECMWF, the models fail to reproduce this phenomenon. There is some evidence that the models do indeed respond to the interannual variability in the SSTs, but the response tends to be negatively correlated with that of the real atmosphere. In the Southern Hemisphere, there does not appear to be ENSO-induced interannual variability in the observed numbers of cyclone events. Consequently, it could be argued that the models have been reasonably successful in the Southern Hemisphere since they, like the observations, do not exhibit any ENSO-induced interannual variability.     

A comparison of a GCM simulation of the seasonal cycle of the atmosphere with observations part II: Stationary waves and transient fluctuations

Abstract

This paper presents the seasonal dependence of the stationary and transient eddies of the GLAS/UMD GCM from a two‐year annual cycle integration.

The simulated Northern Hemisphere stationary waves are realistic in winter (below 250 mb) and in spring and fall; in winter a large anomalous ridge over the date‐line is noted above 250 mb. The model does not simulate the winter barotropic trough over eastern Canada. In summer the mid‐latitude stationary waves are poorly simulated (possibly owing to anomalous summer rainfall), but the monsoonal structure in the tropics is captured.

The stationary wave field at 500 mb in the Southern Hemisphere is not well simulated, with the range of season‐to‐season variability being much larger than observed. The zonally averaged stationary wave rms is realistic below 200 mb in winter and spring, but is less so in summer and autumn, possibly due to erroneous summertime precipitation.

The geographical distributions of 500‐mb transient and band‐pass height rms, of transient 850‐mb heat flux and of 200‐mb momentum flux in the Northern Hemisphere are well simulated except for summer. The latitude‐height dependence of height rms and low‐level transient heat flux is realistic in both summer and winter, but the transient momentum flux is not well simulated in summer. The mid‐level transient heat flux is too strong.

The overall pattern of transient activity at 500 mb in the Southern Hemisphere is reasonable in the GCM, although there is too much variability in the eastern Pacific, while the observed peak in rms in the New Zealand sector is displaced eastwards in the GCM. The latitude‐height dependence of transient height rms and transient fluxes of heat and momentum looks quite realistic, and is similar in accuracy to the Northern Hemispheric results.     

A NUMERICAL SIMULATION OF WIND-DRIVEN BAROCLINIC OCEAN CIRCULATION

A three-level baroclinic ocean model has been developed for studying climate and climatic change.The major large-scale features of temperature field,such as the belt of cold water,strong upwelling and the main currents in the Pacific Ocean,have been reproduced.The simulated results show that the seasonal variation of current is related to that of trade wind system.The simulated equatorial countercurrent is strong in summer and weak even vanished in winter.The south equatorial current,north of the equator is stronger in winter than in summer,but the contrary is the case with the current existing in the Southern Hemisphere.     

全球谱模式不同垂直分层对数值预报影响的敏感性试验

本文用σ-坐标原始方程全球谱模式,对1979年1月23日和6月14日两个个例,采用3种不同的垂直分层方案,进行了敏感性试验.通过对高度场均方根误差的分析,发现15层模式对北半球冬季预报效果的改进最明显.当其降低模式最高层高度和减少垂直分辨率时,预报误差首先从模式上层出现,然后影响到对流层中、下层.并指出南、北半球,冬、夏季不同层次上的预报对模式垂直分层的敏感性存在有差异,对南、北半球,冬、夏季的预报可采用不同的垂直分层模式. 南、北半球,冬、夏季预报敏感性差异的产生同行星尺度波动的水平感热通量的垂直分布、行星尺度波动能量的垂直输送特征有关.     

热带月平均风场谱结构的傅立叶分析Ⅰ——气候风场分析

用风场傅立叶分析方案,分析了NCEP/NCAR再分析资料的热带(30°S~30°N)850、200 hPa气候风场V8 50、V2 00的谱结构,讨论热带风场定常波的成因,以弥补热带气候风场此类分析工作的空白。研究结果表明,(1)有低维、低阶特征,|m|=0,4-、0,3-波对月8 50、2 00的累积模方拟合率年均达90%、98%。(2)纬向平均分量0最重要,它对8 50、2 00的单波拟合率ρ0年均达52%、85%。850 hPa0主要由北、南半球的两支信风带构成,冬半球强、夏半球弱,轴线位置与所在半球Hadley环流中心对应;200 hPa0由强的外热带西风带和弱的内热带东风带构成。0的季节变化850 hPa层明显强于200 hPa,北半球明显强于南半球。(3)风场定常波的最大波分量全年两层均为|1|*,它对850*、200*的拟合率ρ|*1|年均达39%、55%;ρ|1|*作年双周振荡,北半球夏、冬季达极大,秋、春季达极小。次大波分量在北半球冬、夏季时同为3、2波,过渡季节也以3、2波为主(10—12月850*4波是例外)。(4)1、7月射出长波辐射定常波OLR*最大、次大波与同期V*相同,1月为1、3波,7月为1、2波;OLR*重要波分量上的极值区与*相应波分量散度场的垂直配置符合动力学原理。(5)7月青藏高原及以东以南的广阔区域,*的主要分量|1|*、|2|*同为下层辐合、上层辐散,1OLR*、2OLR*同为负值,是同纬度上最有利于降水和潜热释放的气候区。     

THE ROLE OF THE MERIDIONAL CIRCULATION IN STATIONARY WAVE PROPAGATION

In a general baroclinic atmosphere,when the basic state includes meridional circulation,the sta-tionary waves might not only pass through the equatorial easterlies,but also strengthen significantly.The orographic forcing in the Northern Hemisphere mid-latitude might cause marked responses in thelow latitude atmosphere.This suggests that the meridional circulation plays an important role in theconnection of stationary responses in mid and low latitudes,and so does the heating forcing in theNorthern Hemisphere mid-latitude.Forced by the heating forcing in the Northern Hemisphere mid-latitude,the features similar to the Northern Hemisphere summer monsoon circulation can be ob-tained.It appears that the meridional circulation plays certain role in the formation of summer mon-soon circulation.The heating anomaly forcing located at the eastern equatorial Pacific makes the sta-tionary waves present PNA(Pacific-North America)pattern in the winter hemisphere,but it doesnot in the summer hemisphere.It suggests that the meridional circulation has a marked influence onthe route of stationary wave propagation both in the winter and summer hemispheres.     

500 hPa球函数谱异常用于我国东部汛期降水预测的尝试

用北、南半球500hPa月平均位势高度场球函数系数资料代替格点资料，用区域降水指数表示华北、江淮、华南五区汛期(6～8月)降雨。通过引进复相关系数和构造复相关系数场模．分析了半球500hPa环流与我国东部汛雨异常的同时和时滞相关联系。在此基础上．选取5月份北半球、1月份南半球球函数系数与东部汛期降水作时滞的奇异值分解。由此得到的预测关系在1998～2001年汛期降水预报试验中取得了一定效果，从而对500hPa环流的球函数系数资料在区域月、季长期天气预报中的应用作了有益的尝试。