2012/2013年东亚冬季风活动特征及其可能成因分析

东亚冬季风目前处于年代际偏强的气候背景下,2012/2013年东亚冬季风强度指数(EAWM)为0.83,连续第六年强度偏强。2012/2013年冬季,北极涛动(AO)指数维持负位相,导致全国平均气温较常年同期略偏低。季内,西伯利亚高压强度变化显著,与之相对应,我国气温季内阶段性变化大,前冬冷、后冬暖。进一步研究表明,前秋北极海冰的大幅偏少是造成东亚冬季风偏强的重要原因,前期海冰范围的减少有利于冬季欧亚大陆北部的海平面气压出现正异常,致使西伯利亚高压的偏强,有利于冷空气南下我国。而西伯利亚高压和东亚冬季风季内变化主要是受平流层环流异常信号影响,1月中旬前后,北半球高纬地区平流层位势高度出现明显正异常并迅速下传影响对流层中低层,造成西伯利亚高压和冬季风季内阶段性偏弱。     

冬季中国地面气温的变化与前期北半球高层环流异常的联系

利用1960—2009年17层逐日温度场、风场和位势高度场的NCEP/NCAR再分析资料以及中国160站地面气温的观测资料,采用SVD分析、相关分析以及E-P通量计算等方法对冬季中国地面气温的变化与前期平流层异常的联系进行初步的探讨。结果表明,冬季中国平均地面气温与前期2个月北半球高层的温度场、位势高度场以及纬向风场在40 °N以北,90 °W~180 °附近,自平流层上层一直向下延伸到对流层顶附近有一个重要的相关显著区。同时发现,1月中国地面气温异常冷年所对应的北半球中高纬度高层环流异常在前期2个月内为持续性的正（风场为负）异常,而异常暖年所对应的异常随时间变化出现正负（风场为负正）异常的转变,异常自平流层上层向下延伸至对流层内。行星波异常及其传播对平流层-对流层耦合起到了重要的作用,也是造成中国地面气温异常冷（暖）的原因之一。因此,北半球高层环流的异常对中国地面气温的变化有重要的指示意义。      

平流层环流异常对2008年1月雪灾过程的影响

利用NCEP/NCAR逐日的再分析资料统计了1951年以来南方发生大雪时的环流特征,对2008年1月中国南方地区发生的大范围雪灾天气过程的环流背景进行了分析,并且通过对比分别分析了平流层环流和对流层环流的平均特征和演变过程。结果发现,南方冬季大雪都是发生在500 hPa距平场分布呈现北高南低的形势下,并且平流层极涡位置都偏向亚洲且极涡强度偏强。2008年的雪灾期间对流层和平流层的形势都和过去7个大雪年（1955、1956、1957、1977、1984、1989和1993年）合成形势相似。2007年12月初平流层极涡开始偏离极地并发生变形,中心偏向欧亚大陆,且向亚洲和北美伸出两个槽。这种异常一直持续到2008年1月中旬,并且有向下传的趋势,使得对流层2008年1月东亚大槽位置偏东,主体北部偏强,从而为1月的雪灾天气提供了有利的环流背景。因此在本研究结果的基础上进行系统的研究,有望将平流层位相的超前信号作为对流层异常天气过程预报的一个先行指标,对提高对流层异常天气预报的时限具有重要意义。     

北半球春季平流层环流季节转换研究的若干进展

简要总结了近年来北半球春季平流层环流季节转换研究的若干进展。涉及平流层环流季节转换的特征、某些影响因素、与对流层环流的关系及平流层环流季节转换的应用。由于平流层季节转换早于对流层，其深入研究可为短期气候预测提供线索。     

2011～2012年冬季欧亚大陆低温严寒事件与平流层北极涛动异常下传的影响

利用NCEP-NCAR 再分析资料分析了2011～2012 年冬季发生在欧亚大陆的一次异常低温严寒事件的大气环流演变过程以及可能的成因。这次低温事件,主要出现在2012 年1 月下旬至2 月上旬,持续大约3 周左右,非常强的低温异常覆盖了几乎整个欧洲以及东亚的西伯利亚、蒙古国和我国东北、华北等地。这次低温事件的演变与对流层北极涛动(AO)由正位相转变为负位相的时间相匹配,意味着AO 可能发挥重要作用。进一步分析表明,前期行星波的异常上传导致平流层发生爆发性增温现象,极夜急流减弱,AO 位相首先在平流层由正变负;在2～3 周左右的时间内,平流层AO 异常信号逐渐下传,使得对流层AO 也转为负位相;随后,乌拉尔山阻塞高压异常发展,极区的冷空气不断向南爆发,先后在东亚和欧洲造成剧烈的降温,导致低温严寒事件。因此,考虑平流层环流的异常可能有助于提高欧亚大陆冬季低温严寒事件的预测能力。     

江淮入梅异常的强信号及其对入梅的影响

江淮入梅具有显著的年际变化特征.利用NCEP/NCAR再分析数据集以及NOAA提供的全球射出长波辐射(OLR)和扩展重建海温(ERSST)等资料,采用相关分析和合成分析等方法研究了江淮入梅异常的前兆强信号,并初步分析了其影响入梅的可能机制.结果表明,ENSO事件是影响江淮入梅早晚较强的前兆信号.前期冬春季出现ENSO暖位相时有利于入梅开始偏晚,ENSO冷位相出现时入梅往往偏早.前期冬季2月和春季Nino 4区的海温异常能较好地预测入梅早晚,具有短期气候预测的指示意义和实用性.ENSO暖位相年,亚澳"大陆桥"、菲律宾、西太平洋暖池以及印度半岛附近对流偏弱,不利于西太平洋副热带高压北跳和印度夏季风爆发,东亚地区大气环流季节转换偏晚,入梅因而偏晚;ENSO冷位相年情况则相反.     

北半球平流层极涡崩溃早晚的环流特征及其对5月南亚降水的影响

本文采用1979—2014年NCEP/NCAR月平均再分析资料、CMAP和GPCP月平均降水资料,分析了北半球平流层极涡崩溃早晚的环流特征及其与南亚降水的关系。结果表明,北半球平流层极涡崩溃时间存在明显的年际变化特征。极涡崩溃偏早(偏晚)年,自3月开始异常信号从平流层向下传播,之后的4月,从平流层到对流层高层极区温度异常偏高(偏低),极涡异常偏弱(偏强),极夜急流异常偏弱(偏强)。结果还表明,5月南亚降水异常与平流层极涡崩溃时间的早晚存在显著相关,5月南亚降水异常与平流层极涡崩溃早晚年平流层异常信号的下传有关。当平流层极涡崩溃偏晚年,4月平流层极区表现为位势高度异常偏低,而中纬度则位势高度场异常偏高,并伴随位势高度异常场的向下传播,5月该位势高度异常场下传至阿拉伯海北部大陆上空对流层顶,形成有利于降水的环流场,导致南亚降水偏多。反之,则相反。     

平流层-对流层相互作用研究进展：等熵位涡理论的应用及青藏高原影响

系统介绍了近年来应用等熵位涡理论研究平流层-对流层动力相互作用所发现的一些新的事实和机理,包括平流层冬季极涡振荡过程中平流层、对流层环流异常的时空传播特征,以及等熵质量理论框架下的平流层-对流层动力耦合机理,还介绍了影响平流层环流年际尺度异常的因子及影响过程。回顾了夏季青藏高原的热力作用所激发的负位涡强迫源对东亚及全球大气环流的影响。并基于对夏季高原周边等熵位涡经向输送垂直分布的诊断进一步说明,夏季青藏高原的存在使高原东缘及东亚地区成为平流层和对流层物质交换的独特区域,探讨了夏季青藏高原影响平流层-对流层动力耦合的一种重要途径及其影响全球气候的重要意义。     

2011/2012年冬季我国异常低温特征及可能成因分析

2011/2012年冬季,我国大部气温异常偏低,全国平均气温仅有-4.8℃,为1986年以来最低值,同时我国内蒙古、新疆、西藏和陕西一些地区日最低气温均突破历史极值。本文利用1951—2010年的中国台站气温资料及NCEP再分析资料对冬季气温异常偏低的原因分析后表明,2011/2012年东亚冬季风异常偏强造成了我国气温大范围异常偏低。异常偏强的东亚冬季风环流系统也表现为:对流层低层西伯利亚地区为异常冷高压控制,对流层中高层从乌拉尔山到贝加尔湖地区上空阻塞异常偏强,东亚大槽异常偏深。进一步的分析表明,2011年冬季时期赤道中东太平洋地区出现的La Nina事件可能是造成东亚冬季风系统异常的原因之一。     

2020/2021年冬季大范围低温寒潮过程中一种典型的平流层—对流层耦合演变模态

平流层爆发性增温（SSW）超前于对流层环流异常,是延长冬季寒潮低温预报时效的重要途径之一。然而强SSW事件前后地面温度响应的区域和时间存在不确定性,其中涉及的平流层—对流层耦合过程和机理也不十分清楚。本文采用1979～2021年ERA5再分析数据集,研究了2020/2021年冬季“偏心型”强SSW事件前后中高纬度地区地面温度异常的演变特征,并分析了其与等熵大气经向质量环流平流层—对流层分支的耦合演变模态的动力联系。结果表明,伴随此次强SSW事件,亚洲和北美中纬度地区的寒潮低温事件分别在绕极西风反转为东风之前和再次恢复为西风之后发生。SSW前后大气经向质量环流的平流层向极地暖支与对流层高层向极暖支、低层向赤道冷支之间呈现出三个阶段的耦合演变模态: 同位相“加强—加强”、反位相“加强—减弱”以及反位相“减弱—加强”。加强的质量环流对流层向赤道冷支是SSW前后寒潮低温事件的主要原因,而加强的向极地平流层暖支是SSW发生及其伴随的北极涛动负位相持续加强的主要原因。大气经向质量环流不同的垂直耦合模态取决于行星波槽脊在对流层顶和对流层中低层两个关键等熵面上的西倾角异常。西倾角异常表征大气波动的斜压性,主要通过影响关键等熵面以上向极地的净质量输送和其下向赤道的净质量输送进行调控。尤其在SSW发生后的极涡恢复期,对流层顶处异常偏弱的斜压性会加强对流层向极地暖支,进而加强向赤道冷支,有利于寒潮低温的发生。本次SSW事件前后大气经向质量环流三支的耦合演变模态,与历年平流层北半球环状模（NAM）负事件中极区平流层温度异常信号下传滞后的平流层—对流层耦合演变类型相一致,其在波动尺度方面也存在共同特征,即SSW事件或NAM负事件前期对流层一波加强且上传,后期对流层二波加强但较难上传。     

下边界条件对北极涛动影响的数值模拟研究

利用NCAR大气模式CAM3.0探讨了包括山脉和海陆分布等下边界条件对北极涛动(AO)或北半球环状模(NAM)形成的影响.主要进行了控制试验和两个地形敏感性数值试验,对比了控制试验结果与资料分析结果.控制试验和NCEP/NCAR资料分析结果对比指出,CAM3.0模式能够较好地模拟出AO的水平环状结构和垂直相当正压结构.在去除山脉的敏感性试验中发现,AO中纬度北太平洋和北大西洋两个活动中心的强度、范围和位置发生变化.在水球敏感性试验中发现,AO两个大洋上的活动中心被环绕极地主活动中心的环状结构代替.两个敏感性试验共同表明,AO是大气内部某种过程作用的结果,它的存在本身不取决于下边界条件的改变.山脉和海陆分布主要影响的是AO的具体形态.通过控制试验和两个敏感性试验对比,又分析了准定常波和瞬变波对AO的影响.去除山脉和海陆分布热力差异共同强迫的准定常波,AO纬向平均纬向风高纬地区平流层异常最大值活动中心消失,这表明在平流层准定常波和纬向平均流的相互作用与AO活动关系密切.在只有对流层瞬变波作用时,AO仍然存在,表明准定常波不是AO存在的必要条件.平流层准定常波与平均流的相互作用和对流层瞬变波与平均流的相互作用与AO形成之间的具体关系有待通过E-P通量诊断进一步确定.     

Observed and simulated precursors of stratospheric polar vortex anomalies in the Northern Hemisphere

The Northern Hemisphere stratospheric polar vortex is linked to surface weather. After Stratospheric Sudden Warmings in winter, the tropospheric circulation is often nudged towards the negative phase of the Northern Annular Mode (NAM) and the North Atlantic Oscillation (NAO). A strong stratospheric vortex is often associated with subsequent positive NAM/NAO conditions. For stratosphere?Ctroposphere associations to be useful for forecasting purposes it is crucial that changes to the stratospheric vortex can be understood and predicted. Recent studies have proposed that there exist tropospheric precursors to anomalous vortex events in the stratosphere and that these precursors may be understood by considering the relationship between stationary wave patterns and regional variability. Another important factor is the extent to which the inherent variability of the stratosphere in an atmospheric model influences its ability to simulate stratosphere?Ctroposphere links. Here we examine the lower stratosphere variability in 300-year pre-industrial control integrations from 13 coupled climate models. We show that robust precursors to stratospheric polar vortex anomalies are evident across the multi-model ensemble. The most significant tropospheric component of these precursors consists of a height anomaly dipole across northern Eurasia and large anomalies in upward stationary wave fluxes in the lower stratosphere over the continent. The strength of the stratospheric variability in the models was found to depend on the variability of the upward stationary wave fluxes and the amplitude of the stationary waves.     

Decadal variation of the Northern Hemisphere Annular Mode and its influence on the East Asian trough

We analyze the decadal variation of the stratosphere troposphere coupled system around the year 2000 by using the NCEP reanalysis-2 data.Specifically,the relationship between the Northern Hemisphere Annular Mode(NAM) and the tropospheric East Asian trough is investigated in order to find the effective stratospheric signals during cold air outbreaks in China.Statistical analyses and dynamic diagnoses both indicate that after 2000,increased stratospheric polar vortex disturbances occur and the NAM is mainly in negative phase.The tropospheric polar areas are directly affected by the polar vortex,and in the midlatitudes,the Ural blocking high and East Asian trough are more active,which lead to enhanced cold air activities in eastern and northern China.Further investigation reveals that under this circulation pattern,downward propagations of negative NAM index are closely related to the intensity variation of the East Asian trough.When negative NAM anomalies propagate down to the upper troposphere and reach a certain intensity(standardized NAM index less than 1),they result in apparent reinforcement of the East Asian trough,which reaches its maximum intensity about one week later.The northerly wind behind the trough transports cold air southward and eastward,and the range of influence and the intensity are closely associated with the trough location.Therefore,the NAM index can be used as a measure of the signals from the disturbed stratosphere to give some indication of cold air activities in China.     

一种区域气候预测模式的构建

基于从气候场长期演变提取预测信息的观点 ,从热力学方程和水分平衡方程出发 ,导出了描写地表气温、降水和高度的模式方程组 ,着重考虑了非绝热加热作用和水汽运动形成降水。进一步构造成一个预测区域气候的自忆模式 ,它不同于当今普遍使用的数值嵌套模式。初步计算表明 ,该模式具有较高的预测能力 ,为短期区域气候预测提供了一个实际可行的途径     

Modal aspects of the Northern Hemisphere annular mode as identified from the results of a GCM run

In order to study the physical nature of the Arctic Oscillation (AO) or the Northern Hemisphere annular mode (NAM), the linear stochastic model, constructed empirically from the output of a GCM run, is used to investigate the modal aspects of this climate variability mode. Theoretical analysis on the dominant modal response to the stochastic forcing is performed in terms of the maximum variance contribution. As the modal aspect of AO/NAM, two dominant normal modes are found to resemble the spatial structure of the AO/NAM represented by the leading EOF. These stochastically forced normal modes are regarded to be physical modes and thus can explain many fundamental features of the AO/NAM such as the barotropic annular dipole, tropospher–stratosphere coupling, and its dominance over the wintertime Northern Hemisphere. It then follows that the origin or physical nature of the AO/NAM can be attributed to the behaviors of the dominant annular normal modes. A key distinction of this study from previous eddy driving theories is that, to drive the variability, eddy forcing needs not to have a spatial structure completely coinciding with the pattern of the NAM, since the latter is mainly decided by the linear normal modes.     

北半球环状模波流相互作用动力学研究进展

总结了国内外学者对于北半球环状模（NAM：Northern Hemisphere Annular Mode）及其活动中心形成原因的研究成果。主要从NAM的天气、气候影响,波流相互作用原理对NAM形成的解释,NAM在北太平洋、北大西洋和北极3个区域活动中心的天气尺度波和行星尺度波活动等方面论述。NAM在对流层的变化与天气尺度波有关,北太平洋和北大西洋两个活动中心是天气尺度波活跃的区域,其峰值区表现为风暴轴,其中北大西洋天气尺度波破碎过程会使得NAM指数急剧变化。NAM在平流层的变化和准定常行星波关系密切,冬季准定常行星波会上传并与高纬平流层纬向流发生相互作用,从而引起北极极涡发生改变。准定常行星波将NAM 3个活动中心有机联系起来：对流层准定常行星波的纬向传播会影响北太平洋风暴轴的位置,而风暴轴的变化会影响下游北大西洋波破碎过程,同时准定常行星波的上传可以影响极涡活动。     

Sensitivity studies with the regional climate model REMO

Summary A new regional atmospheric model was set up in a joint effort by DKRZ (Deutsches Klimarechenzentrum), DWD (Deutscher Wetterdienst), GKSS (Forschungszentrum Geesthacht) at the MPI (Max-Planck-Institut fuer Meteorologie). This model, called REMO (REgional MOdel) can be used in the weather forecast mode as well as in the climate mode. It is based on the Europa-Model (EM), the main weather forecast model of the new numerical weather prediction system of the Deutscher Wetterdienst. In addition to the physical parameterizations implemented in the EM, REMO has the possibility of using the same physics as the global climate model (MPI) into which it is nested to assess the scale dependence of physical parameterizations within the same dynamical framework.This paper gives an overview over different case studies investigating the dependence of model results on simulation domain size, horizontal resolution, initial conditions and lateral boundaries especially for long term calculations. A sample of one month long integrations for an arbitrary July month, a four year long run for the Baltic Sea and its drainage basin and two summer seasons of the Indian Monsoon will be used to demonstrate the sensitivity of regional climate model results to different environments.The sensitivity studies show that it is very important to use realistic large scale driving fields at the lateral boundaries. The regional model results are strongly influenced by the driving fields. The domain size and the simulation length are also influencing the results.With 12 Figures     

短期天气预报与短期气候预测发展道路的对比思索

本文简短地比较了100a来短期天气预报和短期气候预测的发展道路。指出短期天气预报在经历了天气图阶段、长波阶段和数值预报阶段三大步之后已经发展到了相当成熟的地步。而短期气候预测100a来在“气候是天气的综合”错误思想的指导下,虽然也经历了与短期天气预报相应的几个阶段：大型天气学阶段、超长波阶段和短期气候预测的数值模式阶段,但每个阶段都以失败(或即将失败)而告终。使得短期气候预测水平始终在原地踏步。30a前提出了“气候系统”的概念,这是气候学的一次真正的进步。但“气候系统”至今仍是一个抽象概念,不像“天气系统”指的是气旋(低压)、反气旋(高压)、锋面等具体的物质系统。一旦“气候系统”被人们公认为一些具体的物质系统之后。短期气候预测即可成为“气候系统变化的预测”,此时短期气候预测通向成功的第一步——气候预测的“挪威学派”就诞生了。与天气图相应的,描述气候系统变化的一种四维图象也会应运而生。作者认为此图象很可能是“地气图”,而具体的气候系统很可能就是地热涡、地冷涡和形变锋等。     

Seasonal Prediction of Spring Dust Weather Frequency in Beijing

In this paper, seasonal prediction of spring dust weather frequency (DWF) in Beijing during 1982-2008 has been performed. First, correlation analyses are conducted to identify antecedent climate signals during last winter that are statistically significantly related to spring DWF in Beijing. Then, a seasonal prediction model of spring DWF in Beijing is established through multivariate linear regression analysis, in which the systematic error between the result of original prediction model and the observation, averaged over the last 10 years, is corrected. In addition, it is found that climate signals occurring synchronously with spring dust weather, particularly meridional wind at 850 hPa over western Mongolian Plateau, are also linked closely to spring DWF in Beijing. As such, statistical and dynamic prediction approaches should be combined to include these synchronous predictors into the prediction model in the real-time operational prediction, so as to further improve the prediction accuracy of spring DWF in Beijing, even over North China. However, realizing such a prediction idea in practice depends essentially on the ability of climate models in predicting key climate signals associated with spring DWF in Beijing.     

目前短期气候预测可预报性的研究概况

气候的可预报性研究是气候变化研究的一个重要方面，作者首先介绍了短期气候预测之所以可行的两个主要原因，以及短期气候预测可预报性问题的实质；然后，较详细地介绍了目前研究月、季尺度时间平均可预报性的方差分析方法，包括了对实际大气和模式大气可预报性的研究；最后，对时间平均可预报性的研究结论进行了总结。