2015/2016年冬季北极涛动异常活动及其对我国气温的影响

2015/2016年冬季,北极涛动(AO)季内变化特征明显。2015年12月,AO处在正位相,而到了2016年1月AO突然由正位相转为强负位相,导致极区冷空气南下,北半球和我国气温由暖转冷。AO由正位相转为负位相主要与北大西洋强风暴活动有关。2015年12月末,北大西洋上空有一气旋式强风暴出现,强风暴东侧西南气流将北大西洋上空大量的暖湿空气带向北极,导致北极气温迅速升高。北极气温迅速升高使得极区的位势高度场由偏低转为偏高,是导致AO由12月的正位相转为1月负位相的主要原因。     

中国冬季积雪变异及其与北极涛动的联系

本文利用1979～2010年NCEP/NCAR再分析资料、中国台站观测雪深、气温和降雪资料, 分析了中国冬季积雪时空分布特征, 结果表明:雪深经验正交分解第一模态有显著的南、北反位相特征, 当新疆北部、东北地区积雪偏多(少)时, 对应黄河以南和青藏高原地区积雪偏少(多)。近30年来中国冬季积雪变异与北极涛动(AO)有非常紧密的联系, 雪深的南、北反位相分布型与北极涛动有明显的反相关关系。AO负位相时, 500 hPa等压面上40°N以北存在着中心在贝加尔湖附近的气旋环流, 而在其南存在着中心在中国西南的反气旋性环流, 中国北方和南方地区分别受气旋和反气旋的控制。在我国北方地区, 与AO相联系的气旋环流异常导致降雪增多、地表温度偏低, 使得积雪增加;而在南方地区, 与AO相联系的反气旋性环流异常导致的降雪减少和气温偏高, 导致了积雪减少。本文的研究说明了北极涛动通过影响中国降雪和气温, 进而对中国冬季积雪产生可能的影响。     

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。     

一个观察北极涛动与北大西洋涛动关系的典型个例

北极涛动与大西洋涛动是否属同一气候变率模态一直是北极涛动动力学研究方面的一个颇具争议的话题。文中通过对"0801南方雪灾"期间及其前后北极涛动与北大西洋涛动异常及产生原因进行个例分析,对两者之间的关系进行了讨论。首先使用交叉子波变换与子波相关方法分析了两者的相位关系。发现在30—60天时间尺度上北极涛动与北大西洋涛动相位相差90°或-90°。而在10 20天这一尺度上北极涛动与北大西洋涛动具有大致相同的相位。对北极涛动及北大西洋涛动形成的动力过程及其在拉尼娜背景下各自特点的分析表明,这种不同尺度上位相关系的差异来自于波-流相互作用动力学的局域性。众所周知,北极涛动的3个活动中心的形成与分别位于北大西洋、北太平洋和北极平流层的3个波流相互作用中心有关。而北大西洋涛动则主要与位于北大西洋的波-流相互作用中心有关。拉尼娜事件的出现通过影响太平洋急流及行星尺度的准定常波从而进一步强化了30-60天时间尺度上北极涛动与北大西洋涛动的这种差异。这主要是因为太平洋急流或准定常行星波在对流层中直接影响了位于该区域的北极涛动的活动中心。同时准定常行星波冬季向上传播至平流层并与平流层极涡相互作用从而也影响了北极涛动在北极的活动中心。而在10—20天时间尺度上的北极涛动与北大西洋涛动同步关系则说明它们都是北极涛动的另一活动中心即大西洋上同一波-流相互作用现象——天气波破碎的反映。基于上述分析.文中倾向于认同将北极涛动和北大西洋涛动区别考虑的观点。     

Sea surface temperature anomaly in the tropical North Atlantic during El Nino decaying years

基于1979年到2016年多种再分析资料,本文分析了El Ni?o衰减年热带北大西洋的海温异常.结果表明,热带北大西洋海温在此期间呈显著变暖趋势.10次El Ni?o事件的合成结果表明热带北大西洋海温异常在El Ni?o事件峰值之后的春季达到最大值,并持续到夏季.一般而言,这种异常与三个因子有关,即El Nino,北大西洋涛动和长期趋势,能分别导致局地海温上升0.4℃,0.3℃和0.35℃.1983年和2005年的对比分析表明,尽管El Ni?o强度对春季北大西洋海温起到决定性作用,与长期趋势密切相关的前冬海温也很重要.此外,超前-滞后相关结果表明北大西洋涛动超前海温约2-3个月.比较两个冬季相反位相北大西洋涛动的年份(即1992年和2010年),表明北大西洋涛动也能调制北大西洋海温异常.冬季负位相北大西洋涛动能显著增强El Ni?o的强迫影响,反之亦然.换言之,如果北大西洋涛动与El Ni?o位相相合,衰减年北大西洋海温异常才更为显著.因此,为全面理解热带北大西洋海温变化,除长期趋势外,还必须考虑El Ni?o和北大西洋涛动的综合影响.     

南极涛动和北半球大气环流异常的联系

使用ECMWF逐日再分析资料分析研究了北半球冬季南极涛动和北半球大气环流异常之间的联系。资料的分析结果表明, 南极涛动和滞后其25～40天位于北大西洋地区的一个弱的类似于北大西洋涛动 (North Atlantic Oscillation, 简称NAO) 的偶极子模态, 以及伴随这一偶极子模态而出现的北半球中纬度纬向风异常之间存在着统计上的联系。处于正 (负) 位相的南极涛动对应着滞后25～40天后, 北大西洋高纬极区出现位势高度负 (正) 异常, 副热带大西洋出现位势高度正 (负) 异常; 同时, 在北半球中高纬度地区(45°N～65°N) 出现西 (东) 风异常, 中低纬度地区(25°N～40°N)出现东 (西) 风异常。文中也对资料分析结果进行了简单的动力学分析, 表明与南极涛动相联系的涡动动量异常是驱动北半球纬向平均纬向风异常的主要原因。     

2010年秋、冬季节华北持续性干旱的气候成因分析

利用1951～2011年中国台站观测的逐日降水、温度和美国NCEP/NCAR再分析月平均资料, 本文分析2010年秋、冬季(11月至次年2月)发生在华北地区持续性干旱的大气环流和海温异常特征, 并讨论了北极涛动(AO)和La Ni?a事件对此次干旱事件的影响。分析表明, 2010年发生在华北秋、冬季节的持续性干旱是叠加在降水减少气候趋势之上的一次极端干旱事件, 但本次极端干旱事件主要成因是受到同期较强的AO负位相和La Ni?a事件共同的影响。统计发现:AO的负位相有利于乌拉尔山阻塞高压维持和发展, 而贝加尔湖上空出现负位势高度异常, 导致东亚中高纬度经向环流加强和冷空气向南侵袭。AO负位相可导致贝加尔湖上空气压场偏低并影响冷空气的路径和强度, 进而间接地导致华北地区的干冷气候, 而同期La Ni?a的海温异常分布导致西北太平洋副热带高压偏弱偏南, 抑制了西太平洋水汽向华北地区输送, 从而直接导致该地区的干旱。由于2010年AO负指数和La Ni?a事件较历史干旱年份表现出较强和长时间持续性, 从而导致了锋面位置位于华北以南和华北本次的持续性干旱事件。     

北极涛动与我国北方强沙尘暴的关系

使用1954—2003年北极涛动指数、500hPa纬向环流指数和沙尘暴等气候观测资料,针对我国北方春季沙尘暴年际和年代际变化趋势,分析了以北极涛动为代表的大气环流异常变化的气候特征,揭示了其与我国春季沙尘暴相关的事实。结果表明：近50年北极涛动指数表现出由负位相向正位相转变的趋势,当冬季(12月～2月)北极涛动为负位相时,相应的纬向环流指数为负距平,中高纬度西风气流偏弱,有利于极地冷空气向南输送,西伯利亚高压偏强,我国北方春季易多发区域性沙尘暴;反之则不易发生区域性沙尘暴。     

Amplified winter Arctic tropospheric warming and its link to atmospheric circulation changes

本文讨论了20世纪以来冬季极地巴伦支-喀拉海(BKS)区域对流层增暖放大的物理原因。提出了大气环流结构的改变对极地深对流层增暖有重要影响。通过合成阻塞,排除阻塞影响等分析发现北极涛动负位相产生的负的北大西洋涛动与一起产生的西退的乌拉尔阻塞不利于BKS区域增暖,因为这种环流配置下水汽不能持续大量的进入BKS区域;相反,北大西洋涛动正位相与一起产生的准定常且持续时间长的乌拉尔阻塞,给BKS地区带来持续大量暖而湿的水汽通过增加感热能有利于极地对流层增暖放大。     

北极涛动指数及其年代际变化研究

运用NCEP／NCAR再分析月资料，根据北极涛动经向振荡的特征构建一个新的AO指数，使其能较好地表现AO的季节变化，并用回归分析和相关分析方法对指数进行检验。同时，用滑动平均方法对北极涛动的年代际变化进行研究，发现北极涛动在70年代中期存在位相突变，由负位相转为正位相，并解释了这种位相突变的气候意义。     

冬季与北大西洋涛动相关Rossby波列传播特征及对下游气候的影响

利用再分析数据,以在北半球冬季与北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation,NAO)相关的向下游传播的准定常波列在欧洲地区是否发生反射为标准,将1957/1958年至2001/2002年这45个冬季分为高纬型和低纬型两类冬季,分别简称为在H型和L型冬季。在H(L)型冬季,和NAO相联系的向下游传播的Rossby波列主要沿高纬度(低纬度)路径传播。对比了在两种类型冬季NAO与同期大气环流、近地面温度(Surface Air Temperature,SAT)、海表面温度(Sea Surface Tempertaure,SST)和降水的关系。结果表明:大气环流方面,在H型冬季,300 hPa位势高度异常在西-西伯利亚和中-西伯利亚西部与NAO呈现正相关,而在L型冬季300 hPa位势高度异常在亚洲东海岸(约40°N)和北太平洋呈现正相关,在H型冬季与NAO相关的经向风异常在中纬度形成波列,而在L型冬季与NAO相关的经向风异常在副热带形成波列;SAT方面,在H型冬季SAT异常在欧亚大陆腹地高纬度地区与NAO呈现正相关,而在L型冬季与NAO相关的SAT异常在欧亚大陆腹地的高纬度地区相对较弱,但NAO造成的SAT异常可以扩展到亚洲东北部;降水方面,H型冬季与L型冬季主要区别在中国南方,在H型冬季降水异常与NAO的关系相对较弱,而在L型冬季降水异常与NAO呈现正相关关系;SST方面,同期SST异常在北大西洋中纬度海域与NAO呈现正相关,而在L型冬季与NAO相关的SST异常在北大西洋中纬度地区相对较弱,在北大西洋北部和南部较强。总体而言,在H型和L型冬季,NAO具有不同下游影响。     

Extreme Cold Events in North America and Eurasia in November-December 2022: A Potential Vorticity Gradient Perspective

From 17 November to 27 December 2022, extremely cold snowstorms frequently swept across North America and Eurasia. Diagnostic analysis reveals that these extreme cold events were closely related to the establishment of blocking circulations. Alaska Blocking(AB) and subsequent Ural Blocking(UB) episodes are linked to the phase transition of the North Atlantic Oscillation(NAO) and represent the main atmospheric regimes in the Northern Hemisphere. The downstream dispersion and propagation of Rossby...     

全球海洋蒸发量年代际变化归因：动力因子分析

本文基于动力调整方法,利用客观分析海气通量（OAFlux）资料研究了1958～2016年全球海洋蒸发量变化及其动力作用和辐射强迫分量的变化,发现海洋蒸发量及其动力作用分量具有一致性年代际变化特征,特别是在20世纪70年代及90年代末期存在明显的年代际转折。进一步分析发现:主要动力因子有太平洋—北美遥相关型（PNA）、北极涛动（AO）、北大西洋涛动（NAO）、厄尔尼诺—南方涛动（ENSO）和阿留申低压（AL）,并受到太平洋年代际振荡（PDO）的影响,其中,1970年代末期的转折与PNA、PDO、ENSO和AL密切相关,而1990年代末期的转折还与NAO变化有关。动力作用分量的前六个模态解释方差达到67.5%,其中,低纬北太平洋和印度洋蒸发异常主要与海表温度（SST）及其引起的环流异常有关,南太平洋、中纬北太平洋和北大西洋蒸发异常与环流异常直接相关。ENSO与PDO在全球海洋蒸发量上的影响要大于NAO。单因子相关分析发现南方涛动指数（SOI）、NAO和PDO与海洋蒸发年代际变化密切相关。总体来说,动力作用分量在海洋蒸发的年代际变化中起主导作用,其中,以ENSO、NAO和PDO的影响最大。     

Interannual Variations of the Blocking High over the Ural Mountains and Its Association with the AO/NAO in Boreal Winter

This paper analyzes interannual variations of the blocking high over the Ural Mountains in the boreal winter and their association with the Arctic Oscillation/North Atlantic Oscillation (AO/NAO).In Jan...     

A possible cause of the AO polarity reversal from winter to summer in 2010 and its relation to hemispheric extreme summer weather

In 2010, the Northern Hemisphere, in particular Russia and Japan, experienced an abnormally hot summer characterized by record-breaking warm temperatures and associated with a strongly positive Arctic Oscillation (AO), that is, low pressure in the Arctic and high pressure in the midlatitudes. In contrast, the AO index the previous winter and spring (2009/2010) was record-breaking negative. The AO polarity reversal that began in summer 2010 can explain the abnormally hot summer. The winter sea surface temperatures (SST) in the North Atlantic Ocean showed a tripolar anomaly pattern—warm SST anomalies over the tropics and high latitudes and cold SST anomalies over the midlatitudes—under the influence of the negative AO. The warm SST anomalies continued into summer 2010 because of the large oceanic heat capacity. A model simulation strongly suggested that the AO-related summertime North Atlantic oceanic warm temperature anomalies remotely caused blocking highs to form over Europe, which amplified the positive summertime AO. Thus, a possible cause of the AO polarity reversal might be the “memory” of the negative winter AO in the North Atlantic Ocean, suggesting an interseasonal linkage of the AO in which the oceanic memory of a wintertime negative AO induces a positive AO in the following summer. Understanding of this interseasonal linkage may aid in the long-term prediction of such abnormal summer events.     

Dominant patterns of winter surface air temperature over Central Asia and their connection with atmospheric circulation

The dominant patterns of the winter (December–February) surface air temperature anomalies (SATAs) over Central Asia (CA) are investigated in this study. The first two leading modes revealed by empirical orthogonal function (EOF) analysis represent the patterns by explaining 74% of the total variance. The positive phase of EOF1 is characterized by a monopole pattern, corresponding to cold SATAs over CA, while the positive phase of EOF2 shows a meridional dipole pattern with warm and cold SATAs over northern and southern CA. EOF1 is mainly modulated by the negative phase of the Arctic Oscillation (AO) in the troposphere, and the negative AO phase may be caused by the downward propagation of the precursory anomalies of the stratospheric polar vortex. EOF2 is mainly influenced by the Ural blocking pattern and the winter North Atlantic Oscillation (NAO). The SATAs associated with EOF2 can be attributed to a dipole-like pattern of geopotential height anomalies over CA. The dipole-like pattern is mainly caused by the Ural blocking pattern, and the NAO can also contribute to the northern part of the dipole.摘要本文利用经验正交函数分解方法 (Empirical orthogonal function, EOF) , 针对1979–2019年冬季 (12月–2月) 中亚地区地面气温异常进行了研究. 结果表明, 中亚地区冬季地面气温异常的前两个EOF模态解释方差总占比可达74%. 其中, 第一模态 (EOF1) 正位相为一致型变化, 对应中亚地区气温冷异常; 第二模态 (EOF2) 正位相则为南北偶极型变化, 对应于中亚地区南冷北暖型气温异常. EOF1可能受到冬季北极涛动 (Arctic Oscillation, AO) 负位相的调制, 而AO的负位相则可能来自于前期平流层极涡正位势高度异常下传. EOF2则可能受到乌拉尔山阻塞及冬季北大西洋涛动 (North Atlantic Oscillation, NAO) 的共同调制. 乌拉尔山阻塞可引起中亚区域南北偶极型气温异常, 而冬季NAO可对该偶极型气温异常的北侧产生贡献.     

Holocene climate variability as derived from alkenone sea surface temperature and coupled ocean-atmosphere model experiments

Holocene climate modes are identified by the statistical analysis of reconstructed sea surface temperatures (SSTs) from the tropical and North Atlantic regions. The leading mode of Holocene SST variability in the tropical region indicates a rapid warming from the early to mid Holocene followed by a relatively weak warming during the late Holocene. The dominant mode of the North Atlantic region SST captures the transition from relatively warm (cold) conditions in the eastern North Atlantic and the western Mediterranean Sea (the northern Red Sea) to relatively cold (warm) conditions in these regions from the early to late Holocene. This pattern of Holocene SST variability resembles the signature of the Arctic Oscillation/North Atlantic Oscillation (AO/NAO). The second mode of both tropical and North Atlantic regions captures a warming towards the mid Holocene and a subsequent cooling. The dominant modes of Holocene SST variability emphasize enhanced variability around 2300 and 1000 years. The leading mode of the coupled tropical-North Atlantic Holocene SST variability shows that an increase of tropical SST is accompanied by a decrease of SST in the eastern North Atlantic. An analogy with the instrumental period as well as the analysis of a long-term integration of a coupled ocean-atmosphere general circulation model suggest that the AO/NAO is one dominant mode of climate variability at millennial time scales.     

The North Atlantic Oscillation—What Role for the Ocean?

The extent to which the North Atlantic Oscillation (NAO) is influenced by changes in the ocean state is an issue that has attracted much recent attention. Although there have been counter claims, the weight of evidence clearly suggests that forcing by the ocean of year-to-year changes in the NAO is a weak influence by comparison with atmospheric internal variability. The NAO is thus very different in character to the Southern Oscillation (SO), and its predictability—at least on seasonal-to-interannual timescales—is almost certainly much lower.Although weak, the influence of the ocean on the NAO is not negligible. In a previous study we found that wintertime North Atlantic climate, including the NAO, was significantly influenced by a tripole pattern of North Atlantic SST anomalies. Here we report the results of experiments to further elucidate the nature of this influence. We show that the tripole pattern induces a significant response both in the tropical Atlantic and at mid-to-high latitudes. The low latitude response is forced by the low latitude SST anomalies, but the high latitude response is influenced by the extratropical SST anomalies as well as those in the tropics. Furthermore, we find evidence of nonlinear interaction between the influence of the tropical and extratropical SST anomalies. Lastly, we investigate the feedback from the atmosphere onto the SST tripole. We find that the expected negative feedback is significantly modified at low latitudes by the dynamical response of the atmosphere.     

两类ENSO对中国北方冬季平均气温和极端低温的不同影响

利用1961-2012年观测、再分析资料以及全球大气环流模式数值试验,探讨了中国北方冬季平均气温对于不同类型（即东部型和中部型）ENSO事件的气候响应,并分析了不同类型ENSO对极端低温事件的可能影响,重点关注了北大西洋涛动（NAO）在其中的桥梁作用。结果表明,ENSO信号能通过调制北大西洋地区的大气环流改变欧亚中高纬度地区的纬向温度平流输送和西伯利亚高压的强度,进而影响中国北方冬季气温,由于不同类型ENSO事件海温分布的差异,这种影响具有明显的非线性特征。在两类厄尔尼诺和东部型拉尼娜事件冬季,北大西洋涛动均呈现负位相,不利于北大西洋的暖湿空气向欧亚大陆输送,西伯利亚高压偏强,因而中国北方地区较气候态偏冷。中部型厄尔尼诺和东部型拉尼娜事件冬季气温负异常的显著区域分别位于东北大范围地区、内蒙古河套附近;东部型厄尔尼诺事件冬季显著的冷异常信号仅局限于黑龙江北部与大兴安岭地区;而中部型拉尼娜事件冬季虽伴随北大西洋涛动正位相,但其空间结构向西偏移,对下游中国北方地区气温的直接影响并不显著,可能受局地信号干扰较大。数值试验再现了北大西洋涛动以及中国北方冬季气温对不同类型ENSO的响应,进一步佐证了上述结论。此外,两类厄尔尼诺事件冬季中国东北地区日平均气温容易偏低,极端低温事件的发生频次增多;而两类拉尼娜事件对极端低温的影响较弱。      

Influence of the Atlantic Multidecadal Oscillation on the Winter Climate of East China

The Atlantic Multidecadal Oscillation （AMO）, the multidecadal variation of North Atlantic sea surface temperature （SST）, exhibits an oscillation with a period of 65-80 years and an amplitude of 0.4℃. Observational composite analyses reveal that the warm phase AMO is linked to warmer winters in East China, with enhanced precipitation in the north of this region and reduced precipitation in the south, on multidecadal time scales. The pattern is reversed during the cold phase AMO. Whether the AMO acts as a forcing of the multidecadal winter climate of East China is explored by investigating the atmospheric response to warm AMO SST anomalies in a large ensemble of atmospheric general circulation model （AGCM） experiments. The results from three AGCMs are consistent and suggest that the AMO warmth favors warmer winters in East China. This influence is realized through inducing negative surface air pressure anomalies in the hemispheric-wide domain extending from the midlatitude North Atlantic to midlatitude Eurasia. These negative surface anomalies favor the weakening of the Mongolian Cold High, and thus induce a weaker East Asian Winter Monsoon.