北极涛动、极涡活动异常对北半球欧亚大陆冬季气温的影响

利用1951-2012年NCEP/NCAR全球月平均500 hPa高度场、气温场等再分析资料,北极涛动（AO）指数,北半球及其4个分区的极涡指数等资料,分析极涡和AO对北半球特别是欧亚大陆冬季气温异常分布的影响。北半球极涡面积指数与北半球气温相关场呈由北向南的“+、-”分布,显著正相关中心位于极区,显著负相关中心位于欧亚大陆中高纬度地区;AO指数与气温的相关场分布与此反位相。极涡各分区面积指数体现与各大洲气温显著相关的地域特征,尤其是亚洲极涡面积指数比AO的相关区域更偏向亚洲和中国东部及沿海地区,能表征亚洲大陆冬季风向中低纬度爆发的某些特征。2006年以来AO指数呈较明显的下降趋势,北半球、亚洲区极涡面积指数呈显著的上升趋势,这是有利于欧亚大陆近几年连续冬季气温异常偏低的年代际背景;2009-2011年北半球欧亚大陆冬季大范围低温事件,不仅与冬季AO负位相明显变强有关（2011年除外）,与北半球以及亚洲区极涡面积指数偏大联系更为密切,亦表明该区域冬季变冷的自然变率明显增强。     

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。      

2016/2017年冬季北半球大气环流及对我国冬季气温的影响

2016/2017年冬季(2016年12月至2017年2月),东亚冬季风强度较常年同期异常偏弱,西伯利亚高压偏弱。北极涛动(AO)在冬季以正位相为主。冬季北半球500 hPa高度距平场上,亚洲中高纬地区以纬向环流为主,我国为异常正高度距平控制。受其影响,我国各地气温普遍较常年同期偏高,全国平均气温为-1.5℃,较常年同期(-3.4℃)偏高1.9℃,为1961年以来最暖的冬季。季内各月冬季风指数和西伯利亚高压均偏弱,相应我国气温各月均偏高。冬季风的异常偏弱与夏季北极地区大气环流异常状态有关。2016年夏季北极大气环流的热力和动力状态影响了秋季北极海冰偏少的滞后影响效果,不利于冬季风的偏强。     

冬季北极涛动与极涡的变化分析

利用NCEP／NCAR资料计算出冬季极涡面积（PVA）指数和极涡强度（PVI）指数，对冬季北极涛动（AO）和北半球500hPa极涡指数进行周期分析，讨论了冬季AO与极涡的年际、年代际变化。结果表明：冬季AO指数与PVA指数呈反相关关系，与PVI指数呈正相关关系，且AO指数呈上升趋势，PVA指数呈下降趋势。冬季AO指数、PVA指数以及PVI指数均具有多重周期。强（弱）AO指数年，极地500hPa高度场降低（升高），PVI指数偏大（偏小），PVA指数偏小（偏大）。500hPa高度场上亚洲大槽、北美大槽均减弱（加强）。AO可激发出类似EU遥相关型的异常，从而影响到东亚地区的气候。冬季AO指数在1982年发生突变，且突变后北太平洋地区的正中心位置更靠东，强度更大。此外，AO突变前后极涡变化不是很显著。     

江门市冬春冷暖气候趋势预测模型

统计分析了1956年～2004年江门市冬春冷暖气候趋势，与500hPa高度场、赤道太平洋海温场、大气环流因子——西太平洋副高、极涡等的相关特征。结果表明，同期江门上空500hPa高度场为负距平区，前期至同期Nino3＋4区海温处于拉尼娜事件的衰退阶段或海温维持负距平阶段，上一年7月亚洲极涡面积偏大，江门冬季各月气温偏低。综合上述各因子并结合天文周期法、韵律法和最优气候均态法等，建立了江门市冬春冷暖气候趋势预测的概念模型。     

冬季平流层北极涛动对江南气温的影响

利用ERA—interim及NCEP—DOE两种再分析资料,分析了冬季北极涛动（Arctic Oscillation,AO）与我国江南地区地表气温相关的时空结构。结果表明：1）2月30hPa的Ao指数与江南地区地表气温的同期相关系数最高,这与AO指数和江南地区地表气温的标准差均在2月极大有关。2）30hPa的正AO事件加强时,贝加尔湖地区对流层易出现显著的正位势高度异常,有利于东亚地区出现向南、向下的异常风场,与之对应,西伯利亚高压向南扩展,有利于北方冷空气南侵至我国江南地区,造成局地气温负距平;反之亦然。     

秋季喀拉海海冰对2020和2021年12月京津冀冷暖反相的影响

2020/2021和2021/2022年冬季京津冀气温呈明显相反的季节内变化特征,前者前冬气温异常偏低后冬偏高,而后者前冬气温极端偏高后冬转冷。这两年前冬冷暖反相的直接原因是亚洲冬季风环流异常。2020年12月欧亚地区为典型的经向环流,西伯利亚高压偏强,乌拉尔山高压脊亦偏强,造成京津冀上空对流层中低层气温一致性偏低,而2021年12月环流形势相反。这两年冬季均处在拉尼娜背景下,但夏秋季喀拉海海冰异常有明显差异,可能是京津冀这两年前冬气温异常相反潜在的外强迫信号。统计和个例分析结果均表明,喀拉海海冰偏多易导致前冬西伯利亚高压偏弱,青藏高原地区海平面气压和亚洲大陆中纬度地区500 hPa位势高度均为正距平,不利于冷空气活动,造成2021/2022年前冬京津冀气温偏高,反之海冰偏少造成2020/2021年前冬偏冷。     

广西冬季极端气温与大气环流及海温场的遥相关

通过对广西1958-2006年88个代表站冬季（12月至次年2月）平均气温的EOF和REOF分析，探讨广西冬季气温异常冷暖年的时空分布结构特征。研究分析冬季气温前期和同期500hPa高度距平场和海温场的特征：异常偏冷年份的前期极涡较强，副高偏弱，亚洲西风带经向度较大，南亚高压较强；到冬季，亚洲中高纬经向环流继续加大，东亚大槽加深南移，南亚仍维持一浅脊。异常暖年的形势恰恰相反。拉尼娜年结束年易出现冬季气温异常偏冷年份，而厄尔尼诺年结束年易出现冬季气温异常偏暖年份。同时，黑潮区气温的变化对广西冬季气温异常有较好的指示作用。     

青藏高原冬季风异常与塔里木盆地冬季气温的关系

利用1961—2018年新疆103站逐月气温及NECP/NCAR逐月平均再分析资料,基于汤懋苍等定义的青藏高原季风指数,分析了青藏高原冬季风异常强、弱年及其变化特征,揭示了高原冬季风异常影响新疆塔里木盆地冬季气温的可能机制。结果表明:近57 a来,青藏高原冬季风略增强,高原冬季风指数与新疆冬季气温呈显著负相关,高原冬季风偏强有利于新疆冬季气温偏高,反之亦然。高原冬季风指数与新疆冬季气温之间的相关性存在明显区域差异,其中南疆高于北疆,西部高于东部,平原高于山区。南疆塔里木盆地冬季气温变化受高原冬季风影响最显著,而年际变化受高原冬季风异常的影响更强。青藏高原冬季风异常偏强年,850 hPa上中亚区域以及蒙古高原都有弱距平暖平流影响新疆;500 hPa上新疆位于位势高度正距平区,乌拉尔山北部为负距平区,欧亚50°N以北区域盛行西风气流,不利于北方冷空气南下影响塔里木盆地。高原冬季风异常偏弱年,850 h Pa上新疆受距平冷平流影响;500 hPa上乌拉尔山脊发展,引导冷空气南下入侵塔里木盆地。     

广西冬季极端气温与大气环流及海温场的遥相关

通过对广西1958~2006年88个代表站冬季(12月至次年2月)平均气温的EOF和REOF分析,探讨广西冬季气温异常冷暖年的时空分布结构特征。研究分析冬季气温前期和同期500hPa高度距平场和海温场的特征:异常偏冷年份的前期极涡较强,副高偏弱,亚洲西风带经向度较大,南亚高压较强;到冬季,亚洲中高纬经向环流继续加大,东亚大槽加深南移,南亚仍维持一浅脊。异常暖年的形势恰恰相反。拉尼娜年结束年易出现冬季气温异常偏冷年份,而厄尔尼诺年结束年易出现冬季气温异常偏暖年份。同时,黑潮区气温的变化对广西冬季气温异常有较好的指示作用。     

CMIP5模式对春季北极涛动影响后期冬季ENSO不对称性的模拟能力分析

根据观测资料的研究指出春季北极涛动(Arctic Oscillation, AO)对随后冬季厄尔尼诺-南方涛动(El Nino–Southern Oscillation, ENSO)的影响具有明显不对称性。春季AO处于正位相时,它对随后冬季厄尔尼诺(El Nino)事件的影响显著,然而春季AO负位相对随后冬季拉尼娜(La Nina)的影响不明显。本研究分析了30个来自CMIP5的耦合模式对春季AO与随后冬季ENSO不对称性关系的模拟能力。30个CMIP5耦合模式中,只有CNRM-CM5和GISS-E2-H-CC模式能较好地抓住春季AO与冬季ENSO的联系。进一步分析这两个模式中春季AO与冬季ENSO的不对称性关系,发现CNRM-CM5模式能较好地再现春季AO与冬季ENSO的非对称关系,即春季AO正(负)位相会导致赤道中东太平洋出现El Nino(La Nina)型海表温度增暖(冷却)。然而,GISS-E2-H-CC模式的模拟结果显示,春季AO对随后冬季ENSO的影响是对称的。本文随后解释了CNRM-CM5(GISS-E2-H-CC)模式能(不能)模拟出春季AO与冬季ENSO不对称关系的原因。对于CNRMCM5模式,在春季AO正位相年,副热带西北太平洋上空存在明显的异常气旋和正降水异常,正降水异常通过Gill型大气响应对赤道西太平洋异常西风的形成和维持起着重要作用,异常西风通过激发向东传播的暖赤道Kelvin波对随后冬季El Nino事件的发生产生显著的影响;然而,在春季AO负位相年,副热带北太平洋的异常反气旋和负降水异常较弱,导致赤道西太平洋的异常东风不明显,因此,春季AO负异常对随后冬季La Nina的影响不显著。所以,CNRM-CM5模式能够较好地抓住春季AO对随后冬季ENSO事件的非对称性影响。相比之下,对于GISS-E2-H-CC模式,春季AO正(负)位相年副热带西北太平洋上存在显著的正(负)降水异常,通过Gill型大气响应在赤道西太平洋激发出明显的异常西(东)风从而影响随后冬季的El Nino(La Nina)事件。因此,在GISS-E2-H-CC模式中,春季AO对随后冬季ENSO具有对称性影响。另外,模式捕捉春季AO对随后冬季ENSO非对称性影响的能力与模式对春季AO空间结构的模拟能力有一定的联系。     

中国冬季气温对ENSO的非线性响应特征

运用一双排套装的非线性神经网络统计模型,讨论了中国冬季气温对ENSO事件的非线性响应特征。结果表明,响应具有较明显的非线性特征,且这种非线性主要表现在振荡强度的差异上,即气温对El Nino事件的响应程度强于对La Nina事件的响应。El Nino位相下,气温的正距平中心主要出现在东北、江淮、福建以及新疆南部;La Nina位相下,上述地区气温出现负距平中心,但振荡强度较弱。气温对ENSO的响应可分为线性响应部分和非线性响应部分,其中非线性响应解释的方差约占线性响应的2/5,因此非线性响应的作用不可忽视。     

TBO的原因－异常东亚冬季风与ENSO循环的相互作用

基于对 ＮＣＥＰ／ ＮＣＡＲ再分析资料以及其他资料（ＯＬＲ，降水和气温等）的分析研究，结果表明东亚和西北太平洋地区的对流层环流和气候变化都有明显的准两年振荡（ＴＢＯ）特征。同时，异常东亚冬季风可以影响次年夏季的大气环流和气候变化，特别是在东亚地区；而异常东亚冬季风和ＥＮＳＯ循环间又有明显相互作用：持续的强（弱）东亚冬季风通过海─气相互作用可以激发 Ｅｌ Ｎｉ　ｏ（Ｌａ Ｎｉ　ａ）， Ｅｌ Ｎｉ　ｏ（Ｌａ Ｎｉ　ａ）反过来又可通过遥相关或遥响应而导致东亚冬季风偏弱（强）。强或弱的冬季风和ＥＮＳＯ循环是相互衔接在一起的，因此可以认为异常东亚冬季风与ＥＮＳＯ循环的相互作用是ＴＢＯ对流层准两年振荡）的基本原因。     

2011年夏季气候异常及主要异常事件成因分析

本文对2011年夏季的中国气候及大气环流异常特征进行分析,发现我国总体气温偏高,降水偏少。西北西部、华北南部、江淮至江南一带,西南地区东部等地出现了阶段性的较大范围极端高温天气过程。西南地区东部和广西等地出现严重干旱;而长江下游地区降水显著偏多。进一步对中国气候异常事件的成因分析表明：异常高压的长期维持,孟加拉湾的向北水汽输送偏弱及西太平洋副热带高压位置偏东使其西侧的东南和偏南水汽输送对我国西南地区影响小是导致西南地区严重干旱的大气环流因素;2010年秋季出现的中部型拉尼娜事件可能是西南干旱的一个重要外强迫条件。2011年夏季亚洲极涡偏弱偏小,欧亚中高纬地区经向环流偏强,有利于冷空气南下;同时,中纬度西太平洋地区海温持续偏低而激发反气旋性环流产生,造成西太平洋副高偏大偏强,冷暖气流在长江下游地区交汇造成降水显著偏多。     

EL NINO EPISODE-RELATED NH 100 hpa CIRCULATION ANOMALY

Investigation is carried out of winter Northern Hemisphere (NH) 100 hpa teleconnection, indicating the existence of a PNA pattern whose wavetrain well resembles that at 500 hpa level. During the climax of the EI Nino episode (winter), the 100 PNA becomes strong, a fact that manifests itself more clearly than at the 500 hpa level. Moreover, study is made of the anomaly in the tropical monthly windfield and mean circulation on a seasonal basis in a range of phases of the EI Nino event. Results show that the 100 hpa geopotential height is lowered on a large scale in the spring and previous winter with the event happening as compared to a La Nina year, wherewith diagnosis is performed of the 1991/1992 EI Nino episode.     

平流层极涡偏移对我国冬季降水的影响

利用1970—2010年NCEP/NCAR再分析资料、我国160站月平均降水资料分析了平流层极涡向欧亚大陆偏移与我国冬季降水的关系。结果表明:1月极涡偏欧亚大陆强度指数与同期1月降水的显著正相关区域主要分布在我国中部大面积地区及新疆西南部的少数地区,显著负相关区域主要分布在新疆中部;相对1月而言,与后期2月显著正相关区域仍然主要分布在我国的中部地区但向西北方向延伸,使得华中北部、华北南部相对减少,而华北西部、西北东部等地区增大。对流层环流形势显示出在欧亚型强极涡年的1月,东亚冬季风和东亚大槽异常减弱,我国内陆中东部东南风距平显著,而贝加尔湖北部北风距平显著,南下的冷空气与暖湿气流交汇地区较常年偏北,同时我国中部地区低层水汽向上传播也明显增强,存在显著的水汽强辐合中心。     

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。     

NUMERICAL SIMULATION OF LAG INFLUENCE OF ENSO ON EAST-ASIAN MONSOON

By prescribing sea surface temperature anomalies(SSTAs)over eastern equatorial Pacific inJanuary—March,the lag influence of ENSO(El Nino and La Nina)on monsoon over East Asiahas been studied.The results suggest that,due to the excitation of atmospheric low-frequencyoscillation by the SSTA,ENSO has significant lag influence on the monsoon over East Asia.During the summer after E1 Nino,the subtropical high over western Pacific is intensified andshows the northward and westward displacement,meanwhile,the rainfall over East China isbelow normal,especially in North China:during the winter after E1 Nino,both the Asian troughand the winter monsoon over East Asia are strengthened.During the summer after La Nina,theanomalous subtropical high prevails over the lower reaches of Yangtze(Changjiang)River,therainfall between Yangtze and Huaihe Rivers is below normal:during the winter after La Nina,both the Asian trough and the winter monsoon over East Asia are weaker.Compared with LaNina,the effect of El Nino is stronger,but it is not always opposite to the one of La Nina.     

ENSO对其后东亚季风活动影响的GCM模拟研究

将１～３月赤道东太平洋海表水温距平（ＳＳＴＡ）引入大气环流模式,模拟研究了ＥＮＳＯ（厄尔尼诺和拉尼娜）对其后东亚季风活动的影响。结果表明,由于ＳＳＴＡ在大气中强迫激发出了大气低频振荡,使得ＥＮＳＯ对其后的东亚季风活动仍有明显影响。厄尔尼诺之后的夏季,西太平洋副热带高压偏强偏北且西伸明显,中国东部降水偏少,尤其是华北地区;厄尔尼诺之后的冬季,东亚大槽偏深,冬季风偏强。拉尼娜之后的夏季,中国长江下游为异常副热带高压单体控制,江淮流域雨量偏少;拉尼娜之后的冬季,东亚大槽偏弱,东亚冬季风偏弱。厄尔尼诺的影响比拉尼娜的影响略强,两者的影响并非完全反相。