中国冬季两类极端低温事件特征及其大气环流成因分析

近年来,中国冬季极端低温事件逐渐增多,其天气表征和成因存在很大差异。本文将极端低温事件分成大范围持续性低温事件(EPECE)和普通寒潮事件(CWE)两类,对其特征和大气环流成因进行了分析。结果表明:CWE平均维持3～5天,过程期间降温迅速并很快升温、降水出现在过程前期;而EPECE平均维持超过15天,降温幅度更大、降温范围更广、降水主要在过程后期。进一步分析环流成因发现,在EPECE中,事件开始前11(-11)天时对流层波动出现异常信号并上传,平流层极涡中心偏东,-9天时出现异常向东扩展的反气旋式Rossby波破碎(AWB)又将能量下传至对流层,阻塞高压异常向东扩展至90°E,阻塞强度最大超过24,阻塞频率最大超出气候态50%,西伯利亚高压的强度增强到1053 hPa。上述异常维持至过程发生后7(+7)天,从而使得冷空气爆发时降温剧烈、持续时间长。而CWE中前兆信号出现相对较晚,-3天时平流层极涡中心位于极点附近,伴随第0天出现AWB,乌拉尔山地区阻高异常局限在60°E附近,阻塞强度最大超过20,阻塞频率最大超出气候态45%,西伯利亚高压强度达到1050 hPa。+3天后,各环流系统的异常几乎消失,因而降温虽然剧烈但维持时间较短。     

北半球冬季平流层环流的持续异常

本文利用1975—1976到1985—1986年共11个冬季的50hPa位势高度场(10°×10°) 资料,揭示了北半球冬季平流层环流持续异常的观测研究结果。 　分析结果表明:北半球冬季平流层内存在显著的环流持续异常,主要出现在三个地区: 北美地区、亚洲大陆北部区、西欧北部巴伦支海及新地岛地区,其中以北美地区最为显著; 北美地区异常持续的位势高度场距平与亚洲大陆北部距平还具有明显的See—Saw现象,遥相 关特征十分清晰。文中还进一步指出北半球冬季平流层环流具有比对流层环流更显著、强烈 的持续异常。     

“05·6”华南持续性暴雨发生前上对流层及平流层异常信号分析

利用欧洲中心ERA-Interim再分析资料,对"05·6"华南持续性暴雨发生前上对流层及平流层信号进行分析。分析结果表明,暴雨发生前一周,暴雨区域上空对流层顶高度出现先降低后升高再降低的变化,这种变化与日本南部的位涡异常存在较好的对应关系,即我国中纬度沿海一带至日本的高位涡带向华南延伸,使得华南地区上空的位涡升高,对流层顶下降。在环流场中,本次暴雨发生前低纬地区上对流层下平流层（UTLS）区域的东风与1991~2010年平均值相比偏强偏北,华南地区上空平流层东风场也偏强,平流层低层东风在暴雨发生前第9天提早向下传播;位势高度场中,"05·6"华南暴雨发生前中低纬度100 hPa上的南亚高压中心位置偏东偏南;华南地区UTLS区域有较强的位势高度场正异常,在暴雨发生前随时间出现两次明显的加强,但在暴雨发生后减弱。南亚高压中心位置的偏移、东风信号的提早下传、高位涡空气入侵华南均有利于降水的发生。     

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。     

冬季北半球平流层季节内振荡与对流层季节内振荡的关系

通过平流层大气ISO与对流层大气ISO的比较分析,发现在中高纬地区平流层大气ISO与对流层大气ISO有着许多相同点.北半球冬半年平流层大气环流主要低频模态也可认为是北极涛动(AO),其空间分布的主要特征为; 高纬度地区与中低纬度地区为反位相变化,北极地区附近具有最大的变化值; 其季节内振荡的正位相对应于AO增强,负位相对应于AO减弱.北半球冬半年平流层100 hPa 和70 hPa 位势高度场的低频遥相关分析表明,北极地区(概指北纬60°N以北)和北半球其他大部分地区呈负相关,北极涛动扮演了非常重要的角色.同时,北半球冬半年平流层的主要低频波列是从欧亚大陆中部到西北太平洋,并且由纬向型低频波列(欧亚大陆-西伯利亚-太平洋)和经向型低频波列(欧亚大陆-北极-太平洋)共同构成.平流层30 hPa 和对流层500 hPa 上经过带通滤波(15～90 d)位势高度场的EOF第一主分量的形势有十分类似的特征,它们对应的时间系数序列有显著的延迟相关关系.因此可以认为,北半球平流层大气ISO的变化要先于对流层大气,在滞后35 d 左右其相关系数达到最大.大气环流模式(SAMIL)的数值模拟试验结果也表明,平流层的低频扰动可以在14 d 之后便在对流层500 hPa上激发出低频响应,其谱峰在30 d 左右.这进一步表明,通过大气季节内振荡,平流层的异常可以影响到对流层.     

ENSO 年冬季北半球平流层大气环流异常特征分析

利用1957-2002年欧洲中心的再分析资料和Hadley气候预测和研究中心的全球海表温度资料,对ENSO年冬季的平流层环流进行了合成分析,分别从暖事件和冷事件年的温度场、高度场和风场,分析研究了平流层大气环流的异常特征.分析结果表明,对应El Ni(n)o年冬季,在赤道东太平洋的温度场、高度场和纬向风场都有由大气低层的正距平转变为平流层负距平的特征;与之相反,在El Ni(n)a年冬季,赤道东太平洋大气低层的负距平到了高层变为正距平.同时,在纬向平均垂直剖面图中, El Ni(n)o年冬季北半球高纬地区从对流层顶到平流层温度场和高度场为正距平,而La Ni(n)na年出现相反的情况.在热带平流层,El Ni(n)o年冬季高空纬向风场在50 hPa到15 hPa左右为负距平,从15 hPa到1 hPa为正距平;而El Ni(n)a年则相反.在El Ni(n)o年冬季100 hPa以上的北半球高纬度地区存在一个类偶极子结构的异常高度场和风场,El Ni(n)o年在极区主要为正距平,El Ni(n)a年在极区主要为负距平.     

两类极区平流层异常增温的特征及其与850hPa温度的关系

采用NCEP/NCAR逐日再分析资料,将冬季极区平流层增温分为两种类型:Ⅰ型和Ⅱ型,并分析了两种类型增温的特征、机制及其与850hPa温度的关系。结果表明,波动强迫的强度和对流层的热量能否向上到达平流层是决定两类平流层异常增温的两个主要因素。Ⅰ型平流层增温期间,对流层也表现出了明显的增温特征,850hPa与平流层温度距平场呈现相当正压结构,极区和中纬度异常表现为反位相的振荡,呈现典型的北极涛动的特征;Ⅱ型平流层异常增温期间,增温异常仅局限在平流层范围内,平流层的中低层与高层呈现反位相的距平分布,850hPa温度距平场呈现无规则的分布特征。     

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。     

平流层环状模的分类特征及其与对流层的关系

采用NCEP/NCAR逐日再分析资料,通过对北半球环状模指数的分析,将平流层异常分为两类:S型和D型,研究了两类平流层异常过程的差异及其与对流层的关系.结果表明,两种类型的异常特征在平流层类似,而主要的差别发生在对流层.在S型平流层异常期间,平流层纬向风异常有随时间向下传播的趋势,对流层表现为与平流层一致连续的纬向风异常;位势高度和温度距平场的分布中,最显著的特征是对流层与平流层呈相当正压结构,极区和中纬度异常表现为反位相的振荡,呈现典型的北极涛动特征.在D型平流层异常期间,平流层纬向风异常随时间向下传播的趋势不存在,另外平流层纬向风异常仅局限在平流层范围内,对流层表现为与平流层相反的纬向风异常;位势高度和温度距平场的分布中,平流层中低层与高层呈现反位相的距平分布,在对流层中低层,温度和位势高度的距平场呈现无规则的分布.     

中国大范围极端低温事件的特征分析

利用NCEP/NCAR的逐日再分析资料和国家气象信息中心的观测站温度资料,分析了中国大范围极端低温事件的特征。基于强度、范围和时间3个条件定义了全国性极端低温事件,得到38个大范围极端低温事件(LECES),根据影响地域分为全国型、东部型、华南华北型、西北华南型、华北东北型5类,对比分析各类型事件的环流形势特征。结果表明：全国型LECES在发生前15 d左右存在前兆信号,乌拉尔山出现明显的阻塞形势,300 hPa高空急流呈正负纬向带状分布,急流增加,东亚季风强,西伯利亚高压增强,冷空气在亚洲北部堆积。在850 hPa上,西伯利亚地区为异常强大的反气旋,中国大部分地区受北风控制,这种高低空环流系统的配置和演变影响着我国,使中国发生极端低温天气。此外,与全国型LECES相比,其他型LECES在发生前5 d左右出现前兆信号,事件持续时间短,强度弱,且500 hPa高度场、海平面气压场的异常区域决定了LECES的类型。     

Possible impacts of Barents Sea ice on the Eurasian atmospheric circulation and the rainfall of East China in the beginning of summer

Possible influences of the Barents Sea ice anomalies on the Eurasian atmospheric circulation and the East China precipitation distribution in the late spring and early summer (May-June) are investigated by analyzing the observational data and the output of an atmospheric general circulation model (AGCM).The study indicates that the sea ice condition of the Barents Sea from May to July may be interrelated with the atmospheric circulation of June. When there is more than average sea ice in the Barents Sea, the local geopotential height of the 500-hPa level will decrease, and the same height in the Lake Baikal and Okhotsk regions will increase and decrease respectively to form a wave-chain structure over North Eurasia.This kind of anomalous height pattern is beneficial to more precipitation in the south part of East China and less in the north.     

热带副热带高度异常对长江流域和华北旱涝影响的数值模拟与分析

前期南亚高压的异常增强或者减弱,热带、副热带地区100 hPa高度的异常增高或者降低,热带西风的异常增强或者减弱,对长江流域和华北地区夏季的降水异常具有预示作用。文中设计了一系列的数值试验进行模拟研究,包括控制试验、敏感试验和4组合成试验。合成试验模拟结果表明,前期热带、副热带高度异常分布,能够再现长江流域、华北旱涝情况。前期南亚高压、热带、副热带高度、风异常对长江流域和华北地区夏季降水的异常均有预示作用。100 hPa叠加高度、风异常的敏感试验结果表明:前期南亚高压、热带与副热带地区100 hPa高度场和环流场的异常不仅可以预示、事实上能够引起长江流域和华北夏季降水的异常———前期南亚高压异常增强、热带、副热带地区100 hPa高度场异常增高、西风异常增强,易引起长江流域降水偏多、华北降水偏少;反之,则容易引起长江流域降水偏少、华北降水偏多。     

Occurrence of winter air temperature extremes in Central Spitsbergen

The occurrence of daily air temperature extremes in winter in Central Spitsbergen in the period 1975–2008 was analysed. The mean winter temperature was found to be increasing by approximately 1.65°C per decade. Negative extremes were becoming less frequent, decreasing at a rate of approximately 5 days per decade, whereas the frequency of positive extremes showed a small (2 days per decade) but insignificant positive trend. Furthermore, circulation patterns responsible for positive and negative temperature extremes were analysed. Composite maps of the sea level pressure (SLP) and 500-hPa geopotential heights (z500 hPa) means and anomalies were constructed for the days with positive and negative extremes. Circulation patterns causing extremely warm winter days are characterised by a cyclonic centre or a low pressure trough over the Fram Strait. Cyclones located west of Spitsbergen with a warm sector over the archipelago bring warm air masses from the southern quadrant. On extremely cold days, the cyclone centres are usually located over the Barents Sea. This SLP pattern implies airflow from the north and northeast that brings cold Arctic air to the North Atlantic. Another factor in the occurrence of the temperature extremes in Central Spitsbergen is the sea-ice cover. Negative temperature extremes usually occur together with a high concentration of sea ice, particularly in the middle and end of winter.     

云南夏季降水异常的影响因子及物理统计预测方法

云南夏季降水年际变化较大,影响因子众多,夏季降水的预测较为困难。使用1965—2017年云南省122个气象观测站的逐日降水资料和NCEP大气环流资料,采用年际增量的方法来预测云南夏季降水。文中基于云南夏季降水年际增量变化规律和影响夏季降水的环流形势及物理过程,选取了6个具有物理意义的预测因子,包括:前期2月南太平洋海温异常、前期2月东亚北部海平面气压异常、前期4月北美500hPa位势高度异常、前期5月太平洋北部海平面气压异常、前期1月印度半岛北部500hPa位势高度异常及前期2月澳洲以南地区200hPa高度场偶极子异常,来建立云南夏季降水预测模型。并对预测模型进行逐年交叉检验和1998—2017年逐年独立样本检验。交叉检验中夏季降水年际增量预测值和观测值的相关系数为0.85,相对均方根误差为8.0%。回报检验中夏季降水年际增量的相对均方根误差为9.1%,63.0%的异常年份预测值能够准确地预报出夏季降水异常。该预测模型有较好的预测能力。     

2018/2019年冬季北半球大气环流特征及对我国冬季气温异常的影响

2018/2019年冬季,东亚冬季风较常年同期偏强,西伯利亚高压偏强。在北半球500 hPa高度距平场上,乌拉尔山地区为高度场正异常,贝加尔湖 巴尔喀什湖地区为高度场负异常,欧亚中高纬整体以经向型环流为主。冬季冷空气活动较频繁且强度偏强,受其影响,除东北地区、西南地区及华南地区中东部等地气温较常年同期偏高外,全国其余地区气温偏低。此外,欧亚中高纬环流季节内调整明显,导致我国气温异常表现出明显的阶段性特征。前期秋季巴伦支海 喀拉海海冰密集度偏低是造成东亚冬季风偏强的重要原因。     

华东高温期的大气环流特征分析

利用NCEP/NCAR再分析资料和地面气象站点资料,对1951—2005年华东高温日数较多（少）月和高温过程各阶段的500 hPa位势高度、850 hPa温度和相对湿度及700 hPa垂直速度的环流特征进行对比分析。结果表明：在高温日数较多月,副高西伸,850 hPa温度较高而相对湿度较低,华东中南部下沉气流明显,华东多为位势高度、温度和垂直速度正距平及相对湿度负距平;而在高温日数较少月,副高东退,850 hPa温度较低而相对湿度较高,整个华东为上升气流,并为位势高度、温度和垂直速度负距平及相对湿度正距平。与高温前期和衰退期相比,高温盛期副高北抬西进,华东850 hPa温度较高而相对湿度较低,华东南部下沉气流强盛,各要素距平值增加,多数要素距平中心移向华东或其周边。高温间断期则比盛期各要素距平减弱。大气环流要素场及其距平场的变动可以作为预报华东7—8月高温日数多寡和高温进程的参考依据。     

Intraseasonal variability of winter precipitation over central asia and the western tibetan plateau from 1979 to 2013 and its relationship with the North Atlantic Oscillation

Winter precipitation over Central Asia and the western Tibetan Plateau (CAWTP) is mainly a result of the interaction between the westerly circulation and the high mountains around the plateau. Empirical Orthogonal Functions (EOFs), Singular Value Decomposition (SVD), linear regression and composite analysis were used to analyze winter daily precipitation and other meteorological elements in this region from 1979 to 2013, in order to understand how interactions between the regional circulation and topography affect the intraseasonal variability in precipitation. The SVD analysis shows that the winter daily precipitation variability distribution is characterized by a dipole pattern with opposite signs over the northern Pamir Plateau and over the Karakoram Himalaya, similar to the second mode of EOF analysis. This dipole pattern of precipitation anomaly is associated with local anomalies in both the 700 hPa moisture transport and the 500 hPa geopotential height and is probably caused by oscillations in the regional and large-scale circulations, which can influence the westerly disturbance tracks and water vapor transport. The linear regression shows that the anomalous mid-tropospheric circulation over CAWTP corresponds to an anti-phase variation of the 500 hPa geopotential height anomalies over the southern and northern North Atlantic 10 days earlier (at 95% significance level), that bears a similarity to the North Atlantic Oscillation (NAO). The composite analysis reveals that the NAO impacts the downstream regions including CAWTP by controlling south-north two branches of the middle latitude westerly circulation around the Eurasian border. During the positive phases of the NAO, the northern branch of the westerly circulation goes around the northwest Tibetan Plateau, whereas the southern branch encounters the southwest Tibetan Plateau, which leads to reduced precipitation over the northern Pamir Plateau and increased precipitation over the Karakoram Himalaya, and vice versa.     

两个大气环流模式SAMIL和BCC_AGCM对北半球冬季极涡振荡的模拟对比

基于与NCEP再分析资料的比较, 本文利用大气环流模式SAMIL和北京气候中心大气环流模式BCC_AGCM的1950～1999年的AMIP试验模拟数据, 对北半球冬季环流及平流层极涡振荡的模拟性能进行了评估分析。结果表明两个模式都可以再现北半球环流基本型以及环流振荡的主导模态。对冬季气候平均态的模拟, 两个模式模拟的热带—热带外温度梯度均偏大, 极夜急流偏强, 极涡偏冷偏强;100～20 hPa平均位势高度场谐波分析表明两个模式模 拟的行星波偏弱;气候平均的10 hPa极夜急流均存在1个月的季节漂移, 200 hPa副热带西风急流较NCEP偏弱。两个模式模拟的环流变化的主导模态均代表极涡振荡, SAMIL极涡振荡的强度大于BCC_AGCM, BCC_AGCM极涡振荡的频率要高于SAMIL。连续功率谱分析表明, NCEP资料中极涡振荡存在4.6个月的显著周期, 相应地, SAMIL中为5.5个月的显著周期, BCC_AGCM中为4.8个月。NCEP资料中的极涡振荡主要发生在12～3月, SAMIL模拟的极涡振荡主要发生在2～3月, BCC_AGCM模拟的极涡振荡主要发生在2～4月。     

东亚夏季风异常活动的空间多模态特征

利用ERA40再分析资料,采用相关、合成、自然正交函数展开（EOF分析）等方法,探讨了东亚地区夏季风活动的多空间模态特征及其与大气环流异常的可能联系。结果表明：1）东亚夏季风活动存在3种差异明显的典型空间模态。第一模态反映了夏季风活动在我国东部沿海及以东洋面与其以西地区的反相变化,主要体现了夏季风活动主体位置的东西变动;第二模态反映了自我国华南,经长江中下游、山东半岛、渤海湾至我国东北及朝鲜半岛一带夏季风活动的一致性变化,体现了东亚夏季风活动的整体强弱;第三模态主要反映了夏季风活动在中国以东洋面、朝鲜半岛、东北亚一带与我国华南地区的反相变化,主要体现了夏季风活动主体位置的南北移动。2）东亚夏季风活动的多空间模态对应的大气环流异常存在显著差异。东亚夏季风第一空间模态与亚洲南部区域以及鄂霍次克海上空的SLP呈负相关,而与北极极区、贝加尔湖地区及日本以东洋面的SLP呈正相关;而与同期500hPa高度场的相关分布主要表现为自极地经鄂霍次克海至日本以东洋面的“＋-＋”的波列分布特征。第二模态与SLP和500hPa高度场的相关分布具有非常相似的空间分布形势,均表现为东北、朝鲜半岛、日本海一带与菲律宾洋面、鄂霍次克海地区的反位相分布,自低纬向高纬呈现“＋-＋”的波列分布特征。第三模态与SLP和500hPa高度场的相关分布,主要表现为菲律宾附近洋面、日本及以东洋面、贝加尔湖到亚洲北部的负正相间的分布形势。