中国热带大气季节内振荡研究进展

热带大气季节内振荡(包括MJO)是大气环流的重要系统,它的活动及异常既对其他系统有一定的作用,也对长期天气和短期气候有明显影响。因此,热带大气季节内振荡一直是大气科学的前沿研究课题之一。文中对近5—10年中国学者的有关研究工作及其进展做了简要回顾和综合,主要包括:(1)热带大气季节内振荡特别是MJO的动力学机制;(2)热带大气季节内振荡以及MJO的数值模拟问题,特别是大气非绝热加热廓线对模式模拟MJO的重要作用;(3)热带大气季节内振荡和MJO,特别是在赤道西太平洋地区,与ENSO的相互作用关系;(4)热带大气季节内振荡(包括MJO)及其流场形势对西太平洋台风活动的重要影响,即MJO对西北太平洋台风生成数的调制作用,以及热带大气季节内低频气旋性(LFC)和反气旋性(LFAC)流场对西太平洋台风路径的影响;(5)热带大气季节内振荡(包括MJO)的活动及异常对东亚和南亚夏季风建立、活动异常的影响,以及它们与中国降水异常的密切关系。     

青藏高原雪盖的季节内变化及其影响

回顾了青藏高原雪盖的季节内变化及其影响研究的新进展。高原大部分地区雪盖不稳定且持续时间短,导致高原雪盖具有显著的季节内快速变化特征。局地气温和降水的季节内变化是控制高原雪盖季节内变化的直接原因,这种直接关系是区域大气环流季节内活动的结果。高原雪盖季节内变化还与大尺度大气环流的季节内活动有关,热带季节内振荡、北极涛动和北大西洋涛动引起的大气季节内过程可解释部分高原雪盖季节内变率。高原雪盖季节内变化通过雪-反照率效应迅速对大气施加影响,雪盖造成的冷异常通过大气平流过程影响高原及其下游地区,造成东亚高空急流和东亚大槽增强。由于高原雪盖季节内变化的重要影响,数值预报中高原雪盖的初始场和预报场会影响次季节预报技巧。     

热带MJO和ENSO对西北太平洋热带气旋影响研究综述

对西北太平洋热带气旋的活动规律作了综合评述,简单回顾了热带季节内振荡（MJO）特征和厄尔尼诺/南方涛动（ENSO）特征以及两者间关系,较系统地总结了近年来国内外学者关于MJO和ENSO对西北太平洋海域热带气旋活动影响和机理等方面的研究成果。讨论的热带气旋活动特征包括源地、频数、路径、强度、生命期和登陆等几个方面,并简单讨论了目前该领域存在的科学问题和未来可能的研究方向。     

夏季MJO持续异常的主要特征分析

在MJO传播过程中,其活动中心并不总是规律地沿赤道东传。本文通过资料分析发现,夏季MJO的活动中心会出现东传停滞的情况,表现为MJO在赤道太平洋持续异常活跃或者在印度洋持续异常活跃两种形式。为更好描述MJO这种东传不明显的异常特征,本文定义了一个描述MJO持续异常的指数,并据此对夏季MJO持续异常的主要特征进行分析。通过小波分析的方法,发现夏季MJO持续异常时其振荡周期会出现缩短或变弱。通过对MJO持续异常状况下的大气环流进行合成对比分析后发现,夏季MJO的持续异常会对热带大气环流造成显著的影响。具体表现为:MJO夏季在赤道太平洋（印度洋）持续活跃的时候,赤道沃克环流减弱（增强）,西太平洋哈得来环流增强（减弱）,西太平洋副高位置偏北（偏南）,赤道太平洋（印度洋）高层辐散且对流活跃。     

冬季北极涛动异常对北太平洋风暴轴的可能影响

基于美国国家海洋和大气局气候预测中心公报的北极涛动（Arctic Oscillation,AO）指数逐月数据以及美国国家环境预报中心和大气研究中心的1986—2017年逐日再分析资料等,运用回归和合成分析等方法,分析了北极涛动与北太平洋地区风暴轴的时间演变特征、两者之间的联系及AO异常影响风暴轴的可能机制。结果表明：1）风暴轴经度指数与纬度指数有显著正相关性,两者具有同步变化的特征,而这两者与风暴轴强度指数都呈负相关,但不显著。AO指数与北太平洋风暴轴强度呈显著正相关,且AO指数与风暴轴经度、纬度指数也呈正相关,但并不显著。2）在北极涛动强正（负）位相年份,风暴轴区域天气尺度滤波方差强（弱）、500 hPa高度场上东亚大槽减弱（加深）、急流偏北偏强（偏南偏弱）、扰动动能增强（减弱）、斜压性增强（减弱）。可能影响机制是,异常变化的AO影响东亚大槽,改变急流强度,使斜压性发生变化,进而对风暴轴产生影响。     

印度洋偶极子对热带大气季节内振荡传播的可能影响

利用多种大气和海温资料,通过相关、合成分析以及个例对比分析,重点研究了热带印度洋偶极型海温模态对热带大气季节内振荡传播的可能影响。结果表明:东南印度洋30～60天OLR距平及赤道印度洋中部30～60天850 hPa纬向风距平都与偶极子指数显著相关;印度洋正（负）偶极型海温模态对应的东印度洋异常冷（暖）水以及赤道印度洋中部850 hPa东（西）风距平阻碍（促进）了季节内对流活动的持续性东传,使得MJO的传播在赤道东印度洋-西太平洋发生明显的中断（持续）。      

全球变化背景下北半球冬季MJO传播的年代际变化

利用1979~2013年实时多要素MJO（Madden-Julian Oscillation）监测（RMM）指数,美国NOAA逐日长波辐射资料和NCEP/NCAR再分析资料等,分析了全球变化背景下北半球冬季MJO传播的年代际变化特征。从全球平均气温快速增暖期（1985~1997）到变暖趋缓期（2000~2012）,MJO 2~4位相频次减少,5~7位相频次增多,即MJO对流活跃区在热带印度洋地区停留时间缩短、传播速度加快,而在热带西太平洋停留时间加长、传播明显减缓。进一步分析发现,以上MJO的年代际变化特征与全球变化年代际波动有关。当太平洋年代际涛动（PDO）处于负位相时,全球变暖趋缓,热带东印度洋—西太平洋海温异常偏暖,使其上空对流加强,垂直上升运动加强,对流层低层辐合,大气中的水汽含量增多,该区域的湿静力能（MSE）为正异常。当MJO对流活跃区位于热带印度洋地区时,MJO异常环流对季节平均MSE的输送在强对流中心东侧为正、西侧为负,有利于东侧MSE扰动增加,使得MJO对流扰动东移加快;而当MJO对流活跃区在热带西太平洋地区,MJO异常环流对平均MSE的输送形成东负西正的形势,东侧MSE扰动减小,不利于MJO快速东传。因此,全球变化背景下PDO引起的大气中水汽含量及MSE的变化可能是MJO传播年代际变化的重要原因。     

热带印度洋MJO活动对孟加拉湾西南夏季风季节内振荡的影响

通过对1979—2008年热带太平洋30—60 d振荡(Madden-Julian Oscillation,MJO)指数、美国国家环境预报中心再分析资料和日本气象厅降水资料的分析,发现热带东印度洋MJO强度和传播状况影响孟加拉湾西南夏季风季节内振荡及相关低频环流、对流和降水分布。当热带东印度洋MJO在春末夏初较活跃时,孟加拉湾西南季风季节内振荡活动在4—8月比其不活跃时提前约20 d(约1/2个周期),其对于孟加拉湾西南季风季节内振荡的影响可持续整个季风期,使西南季风的季节内振荡不仅酝酿期和活跃期提前发生,季风期有所延长,季节内振荡也更强。西南季风季节内振荡具有明显的北传和东传特征,北传沿孟加拉湾通道从赤道向副热带推进,而东传则沿10°—20°N从孟加拉湾向东传至南海地区。春末夏初时热带东印度洋MJO的异常状况,正是通过对西南季风季节内振荡东传和北传的影响,进而对孟加拉湾西南季风季节内振荡在季风期的酝酿、维持和活跃产生作用,这种作用同时体现在强度和时间上。孟加拉湾西南夏季风季节内振荡强度与热带东印度洋MJO在4月21日—5月5日的活动呈现显著负相关,当热带东印度洋MJO在春末夏初较活跃时,孟加拉湾西南夏季风季节内振荡的强度较大,在5—8月经历3次季节内振荡波动,低频对流场和环流场在1—3位相(孟加拉湾西南夏季风季节内振荡为正位相)和4—6位相(负位相)时呈反位相特征,这是由MJO低频对流的东传及在孟加拉湾和南海这两个通道上的北传引起的。从印度半岛到菲律宾群岛的降水在1—3位相和4—6位相上分别为正异常和负异常,其中,在第2位相(孟加拉湾西南季风季节内振荡波峰)和第5位相(孟加拉湾西南季风季节内振荡波谷)时分别为降水最大正异常和最大负异常。反之,在热带印度洋MJO在春末夏初不活跃年时,孟加拉湾西南夏季风季节内振荡活动较弱,强度偏弱且振荡也不规律。     

大气季节内振荡研究进展

在简单回顾大气季节内振荡(MJO)的特征、热带和中高纬MJO的联系及其在半球间相互作用的基础上,较系统地总结了近年来关于MJO的研究进展,涉及MJO和ElNino的关系、MJO的动力学机制及其季节变化和年际异常,并简单讨论了MJO研究中存在的问题及未来的研究前景。     

2019年4～6月云南持续性高温天气的大气环流异常成因

2019年4～6月云南省发生了历史罕见的持续性极端高温天气,并引发了严重气象干旱。本文利用1961～2019年逐日温度和大气再分析等资料以及CESM-LE计划（Community Earth System Model Large Ensemble Project）模式模拟结果,分析了历史同期云南极端高温天气发生的环流特征,探讨了2019年云南破纪录持续性高温的成因。历史极端高温日的合成分析表明,云南地区对流层上层显著异常反气旋伴随的强下沉异常和到达地表太阳辐射增加,是引发该区域极端高温天气的主要成因。该异常反气旋的形成主要源自北大西洋经东欧平原、西西伯利亚平原向东亚传播的高纬度罗斯贝波和经北非、黑海、伊朗高原向东亚传播的中纬度罗斯贝波之间的相互作用。2019年极端高温的强度和与之相应异常反气旋出现自1961年以来的最强。外强迫导致的增暖对2019年极端暖异常强度的贡献约为37.51%,同时对类似2019年以及更强极端暖事件发生概率的贡献为56.32%,内部变率对该事件也具有重要贡献。2019年4～6月北极涛动（Arctic Oscillation,AO）和ENSO事件分别处于历史极端负位相和暖位相。一方面,在AO强负位相影响下,极地上空深厚的位势高度正异常向南伸至东欧平原,有利于高纬度波列和云南上空的反气旋异常增强。另一方面,ENSO事件暖位相加强了西北太平洋异常反气旋环流,令西北太平洋副热带高压增强西伸至我国内陆地区,维持了云南上空反气旋异常。两者的共同作用,造成了2019年4～6月云南上空持续的深厚异常反气旋,云南地区继而出现持续性极端高温事件。     

主编语

正北极涛动(AO)是指北半球中纬度地区与北极地区气压形势出现此消彼长的"跷跷板"式变化,是北半球中高纬地区大气环流年际变率的第一主导模态。而厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)则是热带太平洋地区年际变化的最强信号,同时也是整个气候系统年际变化尺度上的最强信号。这两个气候系统对全球大范围的天气和气候都能产生显著的影响。本期主打文章(P6)总结了近年来关于AO影响ENSO的最新研究进展,旨     

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。     

1—3月北极涛动对北半球热带太平洋和大西洋对流活动的可能影响

利用1979—2008年日分辨率的向外长波辐射资料以及NCEP再分析资料,去除ENSO影响后,分析了1—3月北极涛动对热带太平洋和热带大西洋对流活动及降水的可能影响。结果表明北极涛动偏强(弱)时,热带太平洋和大西洋对流活动显著偏强(弱)。北半球热带大洋冬季平均向外长波辐射与北极涛动指数的相关系数存在两个显著负相关区:一个位于中太平洋区,大致包括13°—20°N、160°E—170°W;另外一个位于热带大西洋,显著区覆盖的范围大体包括5°—20°N、15°—70°W。这些区域的降水量也表现出显著的正相关。向外长波辐射、强对流面积指数、强对流强度指数、平均降水量等指标与北极涛动指数的相关均以冬季同期最高,随时间滞后相关迅速减弱。与此对应的对流层低层大气环流也有显著变化,850hPa风场的变化表现为热带太平洋有异常的气旋性环流,气旋中心区与显著强对流和降水异常区一致。而热带大西洋有显著的经向环流辐合和风切变,与异常对流和降水区吻合。海洋模式的模拟结果表明,与北极涛动有关联的海温分布,很大程度上与大气强迫有关,说明热带1—3月降水和对流活动与海温的关联较弱。北极涛动与热带太平洋、大西洋对流和降水活动之间主要是通过大气环流的变动产生联系的。     

大气季节内振荡研究进展

在简单回顾大气季节内振荡(MJO)的特征,热带和中高纬MJO的联系及其在半球间相互作用的基础上,较系统地总结了近年来关于MJO的研究进展,涉及MJO和El Nino的关系,MJO的动力学机制及其季节变化和年际异常,并简单讨论了MJO研究中存在的问题及未来的研究前景.     

广西冬季降水的低频特征及其与MJO的联系

应用广西壮族自治区国家气象站降水,NCEP/NCAR逐日再分析资料,NOAA逐日向外长波辐射(OLR)等逐日资料,NOAA-CPC热带大气季节内振荡(MJO)指数等,使用经验正交函数分解方法分析了广西冬季降水的气候特征;用功率谱、带通滤波、相关分析和滞后线性回归等方法,以及定义MJO相关降水事件,研究了广西冬季降水异常偏多年的降水低频特征及其与MJO的联系。(1)广西冬季降水特征以全区一致型分布为主;冬季降水异常偏多年份的逐日降水具有14~26 d的低频周期。(2) MJO强对流在赤道印度洋东部发展并东传到西太平洋热带地区时,广西可出现冬季持续强降水。(3)当MJO异常对流在印度洋东部热带地区产生,中南半岛地区到华南地区上空为异常低频偏南和偏西南气流,有利于降水形成;当印度洋东部热带地区为MJO对流抑制区,华南地区上空为异常低频偏东气流控制,不利于降水产生。(4)华南地区上空大气环流的异常是由热带印度洋地区的MJO对流激发的Rossby波列造成。      

热带MJO对2009年11月我国东部大范围雨雪天气的可能影响

结合对历史资料的分析,研究了2009年11月热带地区一次强的热带大气季节内振荡（MJO）过程与11月我国东部大范围雨雪天气的可能联系,结果表明2009年11月强的MJO过程是我国东部大范围雨雪天气的一个重要的影响因子。MJO对流11月上中旬在印度洋地区异常活跃,尤其是MJO对流中心在第3位相（印度洋中东部）维持了9天（7—16日）,对应了11月两次最强的降水（雪）过程。对MJO历史事件的合成分析显示,当MJO对流位于印度洋时,我国东部大部地区降水概率明显增加,温度偏低,与2009年11月的实况一致。中高纬地区大气环流的异常有可能受到热带MJO对流强迫的影响,这种影响可能通过遥相关的方式来实现。当MJO对流位于印度洋时,有利于欧亚中高纬环流维持两脊一槽的分布,同时西太平洋副热带高压偏强偏西,东亚东部地区维持一条显著的对流活跃带,这些环流异常形势与2009年11月的实况也较一致,体现了MJO对热带外地区环流异常影响的一般特征。热带地区MJO对流的异常通过对流加热强迫,除引起大尺度纬向环流异常外,同样会引起经向环流异常,从而影响热带外地区环流。当MJO对流位于印度洋时,西太平洋地区为异常的下沉运动控制,东亚东部辐合上升,在热带和中纬度地区之间形成一个异常的经向环流圈,经向环流的存在进一步有利于低层低纬度水汽的向北输送,造成东部降水偏多。利用MJO的发展和演变,对于把握类似2009年11月这样的大范围雨雪气候异常很有帮助。      

南北涛动与南极涛动及北极涛动的相互作用

利用NCEP/NCAR再分析资料,分析了南北涛动（Interhemispheric Oscillation,IHO）与北极涛动（Arctic Oscillation,AO）和南极涛动（Antarctic Oscillation,AAO）的联系。分析表明：1）北极涛动（AO）、南极涛动（AAO）与全年各自半球中高纬度地表气压变化密切联系。其中,AO冬季强度最强,且在春季、冬季的影响范围大。而AAO对南半球中高纬的地表气压变动影响更为明显,其在夏季影响范围最大。2）南极涛动（AAO）与南北涛动（IHO）有很好的同期相关性,南极涛动可部分解释南北涛动的形成。IHO与AO存在不显著的负相关,南北半球中高纬大气运动具有相对独立性。3）南北涛动（IHO）与全球较大范围内的地面气压变化有关,而去除AAO信号后,夏季在南极地区原显著相关区显著减少,夏季AAO与IHO存在密切联系。4）南北涛动（IHO）主要与春季、秋季和冬季亚洲、欧洲北部地面气温关系密切。秋季最强,春季次之,冬季最弱。夏季IHO与全球地面气温没有较好的联系。亚欧大陆北部的热力作用可能部分地解释了南北涛动的形成。     

热带西太平洋季内震荡相关的赤道开尔文波对厄尔尼诺事件影响的初步探索

从海洋Kelvin波的角度研究了热带西太平洋季节内振荡（Madden-Julian Oscillation,MJO）对厄尔尼诺（El Nio）事件的影响。通过资料处理确定了热带西太平洋MJO相关的风应力强迫产生的海洋Kelvin波指数K,该指数代表了Kelvin波的强度。通过对比指数K与温跃层深度的变化,分析指出当El Nio事件发展过程中出现强MJO相关的海洋Kelvin波,并且该东传波动传递的是温跃层异常下沉信号时,会增大El Nio事件的振幅,对El Nio事件的发展起到重要的促进作用（1997/1998年El Nio事件）;当MJO相关的海洋Kelvin波较弱时对El Nio事件影响不大,而且当传递的是温跃层异常上升信号时反而会对El Nio事件的发生与发展起到阻碍作用。总之,热带西太平洋MJO事件对El Nio事件在特定的情况下有重要影响,但并不能决定El Nio事件的发生或终结。     

南极海冰涛动对北半球夏季大气环流的影响

南极海冰首要模态呈现偶极子型异常,正负异常中心分别位于别林斯高晋海/阿蒙森海和威德尔海。过去研究表明冬春季节南极海冰涛动异常对后期南极涛动（Antarctic Oscillation,AAO）型大气环流有显著影响,而AAO可以通过经向遥相关等机制影响北半球大气环流和东亚气候。本文中我们利用观测分析发现南极海冰涛动从5～7月（May–July,MJJ）到8～10月（August–October, ASO）有很好的持续性,并进一步分析其对北半球夏季大气环流的可能影响及其物理过程。结果表明,MJJ南极海冰涛动首先通过冰气相互作用在南半球激发持续性的AAO型大气环流异常,使得南半球中纬度和极地及热带之间的气压梯度加大,在MJJ至JAS,纬向平均纬向风呈现显著的正负相间的从南极到北极的经向遥相关型分布。对流层中层位势高度场上,在澳大利亚北部到海洋性大陆区域,出现显著的负异常,在东亚沿岸从低纬到高纬呈现南北走向的“? + ?”太平洋—日本（Pacific–Japan,PJ）遥相关波列,其对应赤道中部太平洋及赤道印度洋存在显著的降水和海温负异常,西北太平洋至我国东部沿海地区存在显著降水正异常和温度负异常;低纬度北美洲到大西洋一带存在的负位势高度异常和北大西洋附近存在的正位势高度异常中心,构成一个类似于西大西洋型遥相关（Western Atlantic,WA）的结构,对应赤道南大西洋降水增加和南撒哈拉地区降水减少。从物理过程来看,南极海冰涛动首先通过局地效应影响Ferrel环流,进而通过经圈环流调整使得海洋性大陆区域和热带大西洋上方的Hadley环流上升支得到增强,海洋性大陆区域特别是菲律宾附近的热带对流活动偏强,激发类似于负位相的PJ波列,影响东亚北太平洋地区的大气环流,而热带大西洋对流增强和北传特征,则通过激发WA遥相关影响大西洋和欧洲地区的大气环流。以上两种通道将持续性MJJ至ASO南极海冰涛动强迫的大气环流信号从南半球中高纬度经热带地区传递到北半球中高纬地区,从而对热带和北半球夏季大气环流产生显著影响。     

MJO对2018年华北夏季降水的影响

本文基于华北夏季降水资料和热带大气季节内振荡（Madden–Julian Oscillation，简称MJO）指数、NCEP/NCAR（美国国家环境预报中心/美国国家大气研究中心）再分析环流资料，采用多种统计方法分析MJO与2018年华北夏季降水的关系及影响机制。结果表明:（1）MJO与华北夏季降水有密切的联系。虽然MJO不能移到较高纬度直接影响华北夏季降水，但MJO对流区的气旋会在其北侧激发出反气旋环流，这对“气旋—反气旋对”在缓慢东移过程中，处于较高纬度的反气旋会直接影响华北夏季降水。即MJO会间接影响华北夏季降水，表现为当夏季MJO进入5、6位相时，华北地区夏季会出现明显降水过程，但降水强弱与MJO振幅大小有关。（2）影响机制方面。在850 hPa，伴随MJO的“气旋—反气旋对”的东移，它会造成华北夏季偏南风水汽输送加强（对应RMM1）或东南风水汽输送加强（对应RMM2），从而有利于降水过程发生。在500 hPa层，MJO通过中层扰动向中高纬的传播，诱导副热带高压移到朝鲜半岛附近并加强，对西来高空槽形成阻挡作用，有利于华北地区产生上升运动，从而有利于华北夏季降水过程发生。（3）可以用MJO制作华北夏季延伸期降水过程预报。