东亚2005年和2006年冬季风异常及其与准定常行星波活动的关系

利用NCEP/NCAR再分析资料系统地分析了2005年与2006年冬季欧亚大陆的气温和东亚冬季风的差别及其与北半球准定常波活动的关系。分析结果表明:2005年冬季欧亚大陆中、高纬度地区气温偏低,东亚冬季风偏强;而2006年冬季欧亚大陆中、高纬度地区气温偏高,出现暖冬,东亚冬季风偏弱。分析结果还表明,这两年冬季东亚冬季风的差别不仅是由于西伯利亚高压和阿留申低压的变异所造成,而且是由于北极涛动(北半球环状模)的变化所造成。并且,作者还从这两年冬季北半球准定常行星波活动的差异,在动力理论上进一步讨论了这两年冬季北半球气候和东亚冬季风差异的机理。结果表明:2005年冬季北半球行星波活动为低指数,准定常行星波在高纬度往平流层传播加强,而往低纬度对流层上层传播减弱,造成了行星波E-P通量在高纬度地区对流层中、上层辐合加强,而在副热带地区对流层中、上层辐散加强,引起了北半球高纬度地区极锋急流减弱,而副热带急流加强,这有利于西伯利亚高压的发展,从而引起了东亚冬季风增强;相反,2006年冬季北半球行星波活动为高指数,准定常行星波在高纬度往平流层传播减弱,而往低纬度对流层上层传播加强,造成了行星波E-P通量在高纬度地区对流层中、上层辐散加强,而在副热带地区对流层中、上层辐合加强,引起了北半球高纬度地区极锋急流加强,而副热带急流减弱,这不利于西伯利亚高压的发展,从而引起了东亚冬季风减弱。     

东亚2005年和2006年冬季风异常及其与准定常行星波活动关系的分析研究

利用NCEP/NCAR再分析资料系统地分析了2005年与2006年冬季欧亚大陆的气温和东亚冬季风的差别及其与北半球准定常波活动的关系。分析结果表明:2005年冬季欧亚大陆中、高纬度地区气温偏低，东亚冬季风偏强; 而2006年冬季欧亚大陆中、高纬度地区气温偏高，出现暖冬，东亚冬季风偏弱。分析结果还表明，这两年冬季东亚冬季风的差别不仅是由于西伯利亚高压和阿留申低压的变异所造成，而且是由于北极涛动 (北半球环状模) 的变化所造成。并且，作者还从这两年冬季北半球准定常行星波活动的差异，在动力理论上进一步讨论了这两年冬季北半球气候和东亚冬季风差异的机理。结果表明:2005年冬季北半球行星波活动为低指数，准定常行星波在高纬度往平流层传播加强，而往低纬度对流层上层传播减弱，造成了行星波E-P通量在高纬度地区对流层中、上层辐合加强，而在副热带地区对流层中、上层辐散加强，引起了北半球高纬度地区极锋急流减弱，而副热带急流加强，这有利于西伯利亚高压的发展，从而引起了东亚冬季风增强；相反，2006年冬季北半球行星波活动为高指数，准定常行星波在高纬度往平流层传播减弱，而往低纬度对流层上层传播加强，造成了行星波E-P通量在高纬度地区对流层中、上层辐散加强， 而在副热带地区对流层中、上层辐合加强，引起了北半球高纬度地区极锋急流加强，而副热带急流减弱，这不利于西伯利亚高压的发展，从而引起了东亚冬季风减弱。     

东亚季风系统的动力过程和准定常行星波活动的研究进展

本文系统地回顾了近几年来关于东亚季风系统的动力过程与机理方面的研究,特别是关于东亚季风系统年际和年代际变异与准定常行星波活动关系的研究。最近的许多研究表明东亚夏季风系统变异的动力过程主要与东亚／太平洋型(即EAP型)遥相关有关,利用EAP型遥相关理论不仅可以说明东亚夏季风系统各成员之间内在联系的机理,而且可以揭示热带西太平洋热力和菲律宾周围对流活动影响东亚夏季风系统季节内、年际变化及其异常的经向三极子结构的动力过程;除了EAP型遥相关外,研究还表明北半球夏季从北非到东亚的对流层上层经向风异常存在一个沿急流传播的遥相关型,它对东亚夏季风系统异常的经向三极子型分布也有重要影响。并且,最近关于东亚冬季风变异与行星波活动的关系已做出许多研究,并获得很大进展。这些研究表明:北半球冬季准定常行星波传播波导在年际和年代际变化上存在着反相振荡特征,即若“极地波导”加强,则“低纬波导”将减弱,反之亦然;准定常行星波两支波导的反相振荡与北半球环状模(NAM)的年际和年代际振荡有紧密联系,而NAM的变化通过行星波活动的异常可以导致东亚冬季风的年际和年代际变化;此外,准定常行星波活动的年际变化与东亚冬季风异常之间的关系明显地受热带平流层纬向风准两年周期振荡(QBO)的调制,进一步的研究还提出了可能的机理。最后本文还指出:2005～2007年冬季东亚冬季风的异常不仅与西伯利亚高压和阿留申低压的变异有关,而且与极涡的演变和准定常行星波活动密切相关。     

中国东北冬季极端低温的年代际变化及其成因

利用JRA-55再分析资料和中国824站日最低气温数据,分析了1961—2013年冬季中国东北地区极端低温的年代际变化及其动力成因。结果表明:东北冬季极端低温1980s中期前频发,1980s后期到2000s初少发,2000s后恢复多发。这与贝加尔湖阻塞高压频次偏多—偏少—偏多的同步年代际变化直接相关,与北极涛动(Arctic Oscillation,AO)和准定常行星波活动的年代际振荡相联系。相比于1980s中期前,1988—1999年期间行星波沿极地波导向平流层的传播减弱,引起高纬度平流层下层E-P通量辐合变弱;而行星波沿低纬波导往副热带对流层上层的传播增强,造成副热带对流层中上层E-P通量辐合增强。行星波E-P通量散度的异常由于波—流相互作用,分别导致了极夜急流加强、副热带急流减弱,因而AO增强,不利于贝湖阻高建立和环流经向型发展,极端低温减少。2000—2013年,行星波活动相反,导致AO减弱,贝湖阻高多发,极端低温恢复增多。     

东亚冬季风气候变异和机理以及平流层过程的影响

本文综述了近几年来关于东亚冬季风变异特征和机理方面的研究,特别对平流层过程对东亚冬季风和气候异常的可能影响作了回顾和进一步分析.东亚冬季风的变异除了季风强弱变化外,还有东亚冬季风的路径变化;研究表明,前者往往对应全国气温一致的变化,而后者可以引起我国气温的南北反相振荡,并导致东亚冬季风变异存在南北两个子系统.此外,进入本世纪后,东亚冬季风的建立推迟,并且东亚冬季风在盛期明显减弱,但冬季风活动在早春比以往要更为活跃,这些变化与冬季气温南北反相变化也有密切的联系.进一步的分析揭示出东亚气温的南北反相变化是东亚冬季风变异的主要模态之一,而且它与平流层极涡强度密切相关.当异常的平流层极涡向下传播时,可以引起对流层低层北极涛动(AO)的异常以及西伯利亚高压的异常,并在东亚地区出现南北反相的温度变化.有关东亚冬季风变异的成因研究表明,上世纪70年代中后期以后,热带厄尔尼诺—南方涛动(ENSO)的影响变弱,而中高纬的北太平洋涛动(NPO)和乌拉尔地区阻塞强度的影响显著增强,相关研究还揭示了这些变化的原因.此外,东亚冬季风在1987年以后的持续减弱主要与准定常行星波活动年代际变化有关,行星波活动通过波流相互作用可以影响AO以及西伯利亚高压和阿留申低压,从而导致冬季风异常.最后,本文还讨论了太阳活动11年周期变化对东亚冬季气候异常的可能影响和过程.     

不同年代际背景下AO与冬季中国东北气温的关系

采用1951—2006年北极涛动指数序列、NCEP/NCAR再分析资料和我国160站气温资料,利用滑动相关分析研究了不同年代际背景下北极涛动与冬季中国东北气温年际异常关系的变化情况。结果表明,两者的关系在20世纪60年代中后期显著增强,在80年代中后期减弱。不同年代际背景下,与AO相关联的中高纬度大气环流异常发生的明显改变是AO与东北冬季气温关系发生年代际变化的原因。强相关年代,西伯利亚高压与阿留申低压均明显减弱,东亚冬季风偏弱,对流层中下层异常东南风控制东北地区,对流层中层东亚大槽明显减弱,环流的经向性减弱,使该地区冬季气温偏高;相关较弱的年代则以上表现不明显。     

平流层强、弱极涡事件的演变过程及其对我国冬季天气的影响

本文利用1979～2010年的NCEP再分析资料,通过北半球环状模NAM指数挑选出的强、弱极涡个例,分析了北半球平流层异常变化过程中行星波的演变以及与之相联系的我国天气的变化特征。结果表明,在强极涡事件前,行星波1波会被反射回对流层,极地波导减弱,低纬波导增强,中高纬地区的E-P通量矢量有着从平流层传播到对流层的趋势;强极涡事件后,极地波导增强,低纬波导减弱。在弱极涡事件前,中、高纬度行星波1波沿着极地波导的传播明显增强;弱极涡事件后,极地波导明显减弱。与此对应的我国天气也有明显变化,在强极涡事件前,我国大部分地区温度偏低,南方地区偏湿而新疆西北部和云南西部地区偏干;在强极涡事件后,东亚冬季风进一步增强,冷空气加强南下,南方地区可降水量减少,新疆西北部仍然偏干,而云南大部分地区可将水量增加。在弱极涡事件前,东亚冬季风显著增强,使我国气温偏冷,降水减少,而弱极涡事件后,我国气温明显回升,中、东部地区和新疆西北部地区降水明显增加。     

近40年来东亚冬季风的年代际时空变化趋势

利用经验正交函数－奇异值分解（EOF－SVD）综合分析方法和1961～2000年NCEP/NCAR月平均再分析资料对近40年来东亚冬季风和冬季表面气温的年代际变化特征及其相关关系进行了分析。研究结果表明, EOF得到的冬季海平面气压场主成分空间结构（第一特征向量）及其时间系数可以较好地反映出东亚冬季风的变化, 而且可以同时得到东亚冬季风强度和南扩程度的变化, 具有一定的优越性。通过对冬季海平面气压和表面气温年代际分量的EOF－SVD综合分析, 发现了东亚冬季风强度减弱、南扩加强的年代际变化趋势, 冬季表面气温则表现出中高纬地区海陆热力差异减弱、低纬地区海陆热力差异加强的年代际变化特征, 两者之间存在很好的对应关系。另外, 大陆冬季表面气温与海平面气压的年代际对应关系比海洋的更加显著, 表明对温室效应的区域气候响应与东亚冬季风的年代际变化之间可能存在较为密切的联系。     

北半球准定常行星波气候平均态的资料分析和数值模拟

利用NCEP/NCAR再分析资料和大气环流模式(CCSR/NIES AGCM Ver 5.6),对北半球准定常行星波的气候平均态分布进行分析和模拟.再分析资料分析的结果表明:北半球冬季,准定常行星波沿两支波导向上传播,其中一支在对流层上层转向中低纬度传播,另外一支折向高纬度,通过极地波导上传到平流层.其中,1波和2波可以上传到平流层,因而其振幅分布除在中低纬的对流层上层出现一个次大值外,在高纬度平流层中上层会出现一个最大值,3波则主要限制在对流层,其振幅分布除在副热带对流层上层出现一个次大值外,最大值出现在中纬度对流层上层.北半球夏季,整个平流层为东风环流,极地波导不存在,行星波不能上传到平流层,在对流层活动也较弱,1波、2波、3波的传播情况大致相似,表现为在对流层上层由中纬度向赤道地区的传播.相应的振幅分布是,对1波和2波而言,最大值出现在中低纬对流层顶附近,同时在中高纬对流层上层出现一个次大值,而3波的振幅分布正好相反,最大值出现在中高纬对流层上层,次大值则在中低纬对流层顶附近.利用大气环流模式进行的数值模拟表明,模式可以比较好地模拟冬夏季准定常行星波的传播路径,但模拟的北半球冬季沿极地波导向平流层的传播明显偏弱,其结果是对1波、2波而言,高纬度平流层中上层的振幅最大值明显小于再分析资料的数值.文中还讨论了数值模拟与资料分析中行星波的差异可能对大气环流模拟的影响.     

近50年中国大陆冬季气温和区域环流的年代际变化研究

利用中国大陆468 个站点1960～2013 年逐日气温资料,本文首先对中国冬季气温的年代际变化特征进行分析。通过气候跃变检验分析发现,中国冬季气温在整体变暖的趋势上叠加有年代际波动,可划分为冷期、暖期和停滞期三个时期。本文对比三个时期的冬季大气环流发现,冷/停滞期（暖）期西风环流减弱（增强）而东亚大槽增强（浅薄）,槽后的辐合下沉增强（削弱）,西伯利亚高压增强（减弱）,这加强（削弱）了东亚冬季风,冷空气更多（少）侵入中国大陆地区,冬季气温偏低（高）。北半球环状模/北极涛动（Northern Hemisphere Annular Mode,NAM/Arctic Oscillation,AO）正是通过东亚冬季风系统对中国冬季气温,尤其是冬季最低气温有很强的年代际影响。太平洋年代际振荡（Pacific Decadal Oscillation,PDO）与中国冬季气温在年代际上也有很好的正相关关系。进一步将PDO 的年代际变化分量作为背景,分析NAM/AO 和厄尔尼诺—南方涛动（El Nino Southern Oscillation,ENSO）不同配置下的东亚冬季风环流场可以发现,两者的配置作用不仅影响着中国冬季气温一致变化型的年代际波动,而且也可以影响到冬季气温南北反相振荡型的变化,这从一个方面解释了1980 年代和1990年代北方变暖较强及最近十年北方降温趋势较为明显的原因。     

热带基本气流对冬季北半球中高纬度准定常行星波的影响

本文利用一个包括Rayleigh摩擦、Newton冷却及水平涡旋热力扩散的准地转34层球坐标模式来研究冬季北半球地形与热源强迫所产生的准定常行星波与热带基本气流的关系。 计算结果表明,冬季热带平流层基本气流是西风时,其北半球中高纬度平流层波数2准定常行星波的振幅偏大;而当冬季热带平流层基本气流是东风时,其北半球中高纬度平流层波数2准定常行星波的振幅偏小,这与实际结果比较一致。 计算结果还表明冬季热带对流层基本气流对中高纬度准定常波的影响要比平流层基本气流的影响大。     

INFLUENCE OF THE BASIC FLOW IN THE TROPICS ON THE STATIONARY PLANETARY WAVES AT MIDDLE AND HIGH LATITUDES DURING THE NORTHERN HEMISPHERE WINTER

The relationship between the quasi-stationary planetary waves forced by topography and heat sourceduring the Northern Hemisphere winter is investigated by means of a quasi-geostrophic,34-level,sphericalcoordinate model with the Rayleigh friction,the Newtonian cooling and the horizontal eddy thermal diffu-sion.The calculated results show that when the basic flow is the westerly in the tropical stratosphere,theamplitude of quasi-stationary planetary wave for zonal wavenumber 2 at middle and high latitudes is largerduring the Northern Hemispheric winter;while when the basic flow is the easterly,it is smaller.This is inagreement with the observed results.The calculated results also show that influence of the basic flow in the tropical troposphere on the quasi-stationary planetary waves is larger than that of the basic flow in the tropical stratosphere on the quasi-stationary planetary waves.     

北半球冬季准定常行星波的三维传播及其年际变化

作者回顾了应用叶笃正先生所创立的Rossby波频散理论,来研究准定常行星波在三维大气的能量频散以及在北半球冬季三维大气中的传播规律,并应用NCEP/NCAR再分析资料和由大气环流数值模拟所得的模式资料的40年风场、温度场资料计算了冬季北半球准定常行星波的E-P通量.计算结果表明了北半球冬季准定常行星波在三维大气传播具有沿两支波导的传播特征,这与从理论分析所得的结果相吻合.作者还分析了冬季准定常行星波的E-P通量分布的年际变化,分析结果表明了准定常行星波在北半球冬季三维大气中传播的这两支波导有明显的年际振荡;并且,从冬季准定常行星波的E-P通量辐散辐合的年际变化与北极涛动的年际变化相比较,发现准定常行星波两支波导的年际振荡直接影响着北极涛动(AO),因而说明了准定常行星波活动的年际变化可以影响对流层的气候变化.     

The Role of Stationary and Transient Planetary Waves in the Maintenance of Stratospheric Polar Vortex Regimes in Northern Hemisphere Winter

Using 1958-2002 NCEPNCAR reanalysis data, we investigate stationary and transient planetary wave propagation and its role in wave-mean flow interaction which influences the state of the polar vortex (PV) in the stratosphere in Northern Hemisphere (NH) winter. This is done by analyzing the Eliassen-Palm (E-P) flux and its divergence. We find that the stationary and transient waves propagate upward and equatorward in NH winter, with stronger upward propagation of stationary waves from the troposphere to the stratosphere, and stronger equatorward propagation of transient waves from mid-latitudes to the subtropics in the troposphere. Stationary waves exhibit more upward propagation in the polar stratosphere during the weak polar vortex regime (WVR) than during the strong polar vortex regime (SVR). On the other hand, transient waves have more upward propagation during SVR than during WVR in the subpolar stratosphere, with a domain of low frequency waves. With different paths of upward propagation, both stationary and transient waves contribute to the maintenance of the observed stratospheric PV regimes in NH winter.     

Interdecadal Variability of the East Asian Winter Monsoon and Its Possible Links to Global Climate Change

This paper presents a concise summary of the studies on interdecadal variability of the East Asian winter monsoon (EAWM) from three main perspectives. (1) The EAWM has been significantly affected by global climate change. Winter temperature in China has experienced three stages of variations from the beginning of the 1950s: a cold period (from the beginning of the 1950s to the early or mid 1980s), a warm period (from the early or mid 1980s to the early 2000s), and a hiatus period in recent 10 years (starting from 1998). The strength of the EAWM has also varied in three stages: a stronger winter monsoon period (1950 to 1986/87), a weaker period (1986/87 to 2004/05), and a strengthening period (from 2005). (2) Corresponding to the interdecadal variations of the EAWM, the East Asian atmospheric circulation, winter temperature of China, and the occurrence of cold waves over China have all exhibited coherent interdecadal variability. The upper-level zonal circulation was stronger, the mid-tropospheric trough over East Asia was deeper with stronger downdrafts behind the trough, and the Siberian high was stronger during the cold period than during the warm period. (3) The interdecadal variations of the EAWM seem closely related to major modes of variability in the atmospheric circulation and the Pacific sea surface temperature. When the Northern Hemisphere annular mode/Arctic Oscillation and the Pacific decadal oscillation were in negative (positive) phase, the EAWM was stronger (weaker), leading to colder (warmer) temperatures in China. In addition, the negative (positive) phase of the Atlantic multi decadal oscillation coincided with relatively cold (warm) temperatures and stronger (weaker) EAWMs. It is thus inferred that the interdecadal variations in the ocean may be one of the most important natural factors influencing long-term variability in the EAWM, although global warming may have also played a significant role in weakening the EAWM.