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。     

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。     

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。     

平流层极涡变化与我国冬季气温、降水的关系

利用国家气候中心提供的1951-2010年逐月环流指数资料,分析了北半球极涡强度指数、面积指数和中心强度指数的相关关系,并通过极涡强度指数的变化讨论了冬季北半球极涡强度的时间变化特征。结果表明,冬季极涡强度指数与面积指数和中心强度指数有较好的相关性,能够更好地反映冬季极涡强度的变化特征;冬季极涡存在准13年的年代际振荡周期,准5年的年际振荡周期在20世纪90年代后期较为明显。结合气温、降水观测资料和NCEP/NCAR月平均再分析资料,探讨了极涡强、弱不同年份我国冬季气温、降水和大气环流形势的变化。相对极涡弱值年而言,极涡强值年我国北方地区、东部地区特别是东北地区的气温偏高,西南大部分地区的气温偏低,长江流域和华南地区的气温变化不明显;我国南方地区降水偏多,长江中下游和华南地区的降水偏多最为明显,北方地区的降水略有减少;500hPa高度场上高纬度地区的位势高度降低,中高纬度的位势高度升高,冷空气向极地聚集,东亚大槽减弱,我国东北和东部地区的气温偏高;同时东亚冬季风减弱,湿空气向我国内陆输送,长江流域和我国南方地区的降水偏多。     

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。     

中国冬季气温的年际变化

利用中国160站1951-2000年的冬季月平均气温资料，用EOF分析、小波分析和合成分析等方法对中国近50年来的冬季气温的年际变化和时空分布特征进行研究。结果表明：中国冬季气温50年来有显著的增暖趋势，在70年代后期增暖幅度开始加大，年际变化以6～9年周期为主。中国冬季气温的空间变化有很好的一致性，全国绝大部分区域呈整体变暖或变冷的趋势，并且气温变化南北有别，从南向北幅度逐渐变大。另一种模态是当东北、华北和西北地区冬季气温较高时，其它地区则偏冷；反之亦然。     

亚洲东部冬季地面温度变化与平流层弱极涡的关系

利用NCEP资料计算NAM指数和标准化温度距平,对17次平流层弱极涡事件时亚洲东部温度变化进行了研究。结果表明:平流层环流异常比对流层温度变化超前约15天,地面温度变化的最大距平出现在平流层弱极涡后期,大约以40°N为界,北部比正常年份偏冷而南部偏暖。文中通过位势涡度的分布和变化以及500 hPa东亚大槽的变化讨论了其影响过程和机理,在弱极涡初期和中期,自平流层向下,高位涡冷空气主要局限于60°N以北。从弱极涡的后期开始,在45°N以北地区,高位涡冷空气向南扩张,在对流层中上层,极地附近的高位涡冷空气扩张到45°N附近。同时,500 hPa东亚大槽虽有加强,但低压区向东延伸,而贝加尔湖附近的高压脊显著减弱,致使槽后的偏北气流减弱,槽后冷空气主要影响中国华北、东北及其以北地区,造成这些地区偏冷。而40°N以南地区,从弱极涡的后期开始有南方低位涡偏暖空气向北运动,同时冷空气活动减少,地面显著偏暖。     

北极涛动与东北冬季温度的联系

利用1950-1999年NCEP／NCAR再分析资料和东北地区冬季温度资料,借助经验正交函数（EOF）分解、相关分析、合成分析以及关联表方法,研究了北极涛动指数（Arctic Oscillation Indices,AOI）与我国东北地区冬季温度的联系。结果表明,AOI具有明显的上升趋势（趋势系数R=0．35）,其振幅在1968／1969年之前较小,而在1968／1969年之后明显增大,具有明显的年代际变化;并且AOI与东北地区冬季温度具有一致的上升趋势（相关系数R=0．59）。研究表明,AO的异常变化通过西伯利亚高压、阿留申低压、东亚地区极地东风以及东亚冬季风异常,进而影响我国东北地区冬季温度异常,它们之间存在着密切的相关关系。     

北极涡活动对我国同期及后期气温的影响

利用NCEP／NCAR1950-2002年500hPa月平均再分析高度场资料计算出北半球及各分区的月平均极涡面积、强度，讨论了它们与我国气温的相关。结果表明：北半球500hPa年平均和4季的极涡面积大小与我国多数站点同期气温呈负相关，尤其在年平均及冬季状况下最显著，1-12月极涡面积与气温的负相关呈由减弱到增强的变化趋势；而极涡强度与我国同期气温的相关性相对较弱，在秋冬季不少地区出现正相关，1-12月极涡强度与气温负相关性的变化趋势是由增强到减弱。利用奇异值分解研究极涡对后期我国气温的影响后发现，极涡指数与后期我国气温呈负相关，但不同季节差异较大。当冬季Ⅳ区极涡面积显著缩小、北半球极涡总强度明显增强时，长江中下游以北及东北地区下一年春季气温通常上升；春季Ⅰ区极涡面积、强度异常偏大，则夏季华南沿海、西南及河套地区气温比常年偏低；若春季北半球极涡强度减弱、夏季亚洲区极涡面积收缩，则其后的秋季华北气温相对较高。     

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。     

冬季北极涛动和华北冬季气温变化关系研究

利用北极涛动指数（AOI）、NCEP／NCAR40a再分析资料中的海平面气压（SLP）、850、500、200hPa等压面高度场资料及中国160站月平均气温资料，运用小波分析，经验正交函数（EOF）分析等方法，分析了华北冬季气温和冬季北极涛动指数的变化特征及其关系。结果表明它们之间存在有着显著相关，特别是在年代际尺度上关系尤其密切。华北在20世纪70年代初以前为持续冷冬，80年代中期之后变为持续暖冬，其间相对正常，而冬季北极涛运指数亦存在类似的3个阶段，冬季北极涛动高（低）低数年，华北地区为暖（冷）冬年。其原因在于，北极涛动在于对流层低层和高层都可激发类似EU遥相关型的异常，通过影响西伯利亚高压和东亚大槽影响华北地区气温。强（弱）涛运年大气环流具有弱（强）东亚冬季风特征，西伯利亚高压减弱（增强），亚洲大陆地面东北风减弱（增强），高空东亚大槽减弱（增强）。     

极涡与南亚高压的关系及对我国降水的协同影响

利用1951～2016年NCAR再分析月平均资料及台站降水资料,研究了极涡与南亚高压的关系及其对我国降水的协同影响。结果表明:极涡和南亚高压在夏、秋、冬季周期变化的时间尺度基本一致,夏季为准9a尺度变化,秋季为准8a尺度变化,冬季为准4a尺度变化;极涡和南亚高压的相关性在夏季最强,在春季最弱,其同期变化对我国降水的影响十分显著;根据同期的极涡和南亚高压各自面积指数标准化距平的正负,将"正-正、正-负、负-正、负-负"四个模态分别定义为SS型、SW型、WS型、WW型,其中SW型与WS型占比较多,表明极涡与南亚高压的同期变化以负相关为主;春季极涡与南亚高压对我国降水的影响主要在新疆及东北渤海湾一带,SS型和WS型对应北方多雨,SW型和WW型反之;夏季其影响主要在高原北部及长江中下游地区,除SW型以外,其余三种分型均对应长江中下游地区多雨;秋季其影响主要在新疆地区,SS型和WS型对应该地区降水偏多,SW型和WW型反之;冬季其影响主要在新疆至长江三角洲一带,SW型对应40°N附近地区多雨,WW型对应西北至东南地区少雨;夏季,极涡与南亚高压的异常调整了东亚大气环流的配置,进而对我国的降水产生影响。     

极涡与南亚高压的关系及对我国降水的协同影响

利用1951～2016年NCAR再分析月平均资料及台站降水资料,研究了极涡与南亚高压的关系及其对我国降水的协同影响.结果表明:极涡和南亚高压在夏、秋、冬季周期变化的时间尺度基本一致,夏季为准9a尺度变化,秋季为准8a尺度变化,冬季为准4a尺度变化;极涡和南亚高压的相关性在夏季最强,在春季最弱,其同期变化对我国降水的影响...     

冬季北极涛动的影响分析

采用美国NCEP/NCAR月平均再分析资料、中国气象局160站地面月资料以及美国国家海洋和大气局月平均北极涛动（AO）指数,研究了1979～2008年12～2月AO与该时期北半球大气环流和我国气候的关系。发现当AO异常时,西风带和副热带的环流有很大的差别。当AO异常强时,北太平洋是一对偶极性异常环流：中高纬度为反气旋异常环流,副热带为气旋异常环流。这种形势越到高层越明显,范围也越大。对流层中高层中高纬度的反气旋异常环流西扩到贝加尔湖以东,副热带的气旋异常环流西扩到中印半岛。由于这种异常分布,西太平洋副热带高压偏弱,东亚高空西风急流偏弱,东亚大槽偏弱。乌拉尔山附近是负距平,不利于乌拉尔山高压脊发展。在海平面气压场上,北太平洋为正距平,而在西伯利亚为负距平,阿留申低压和西伯利亚高压偏弱,因此东亚冬季风偏弱。由于冬季风偏弱,导致我国东部、东北、新疆和内蒙古温度偏高。AO异常弱时,环流形势正好相反,冬季风偏强,我国温度偏低。AO的异常也影响我国降水,AO异常强时,除内蒙古、新疆降水偏少外,大部分地区降水偏多,异常降水中心在华南沿海;而当它异常弱时,江南、华南、内蒙古和新疆降水偏多,其他地区降水偏少,异常降水中心位于江南。2008年1月AO活跃,与AO强时平均情况一致,两者在中纬度的东亚有非常好的相似性,都为正距平,表示东亚大槽偏弱;北太平洋的偶极性异常环流对在对流层中、上层也是明显的。最主要的差异在乌拉尔山和西太平洋地区,由于造成2008年1月我国南方持续雨雪冰冻天气重要因素的西太平洋副热带高压、乌拉尔山阻塞高压和冬季风与AO偏强的平均情况相反,因此AO不是造成持续雨雪冰冻天气的原因。     

东亚冬季风的变化与中国气温异常的关系

分析了近40年(1951—1990年)东亚冬季(12、1、2月)季风的变化及其与中国气温的关系。用两个指标定义冬季风：一个为IWS,表示冬季风的强度,另一个为IWE,表示冬季风向南扩展的程度。IWS的的主要周期为11.0年和2.2年,IWE的主要周期为7.3年和3.1年。IWS与全国气温的关系除西南高原地区外,均为明显负相关。IWE和全国气温的关系与IWS有所不同,高相关区沿东部和南部沿海及长江上游,形成Ｕ形分布。50年代IWS为正,IWE为负,所以我国北方偏冷,但Ｕ形带的气温则偏高。80年代相反,IWS     

夏季北半球极涡与南亚高压东西振荡的关系

利用合成分析、交叉谱和Morlet小波分析,讨论了夏季100 hPa极涡面积指数与南亚高压东西振荡间的关系。结果表明:极涡与南亚高压东伸指数之间存在显著的反相关关系,当极涡面积扩张时,南亚高压易偏西;当极涡面积收缩时,南亚高压则易东伸。交叉谱的结果也表明:二者在不同波数上,也具有显著关系,在7.5年及3年周期振动上,二者位相相差较小。同时,在南亚高压异常偏东及偏西年份,高度场、流场、温度场均有不同的配置形式,这在一定程度上反映了南亚高压偏东及偏西年不同的环流特征。     

我国冬季气温的年际变化及其与大气环流和海温异常的关系

利用我国160个台站49个冬季（1951/1952～1999/2000年）的气温资料和NCEP/NCAR再分析资料,通过波谱分析的方法提取变量的年际变化分量（周期小于8年部分）进行分析,结果发现：在年际变化的时间尺度上,我国冬季气温表现为全国一致变化型（EOF1）和南北反相变化型（EOF2）两个主要模态,并可以解释总方差60％以上的变化。进一步分析表明,在年际变化尺度上,与气温全国一致变化型相联系的大气环流表现出海陆气压差的改变以及与此相关的东亚大槽强度的变化和东亚高空急流位置的南北移动;赤道中东太平洋的异常海温对这一模态的出现有一定的预示意义,而中国近海的海温则更多的是被动地随气温改变。与南北反相变化型相联系的大气环流表现出显著的北极涛动特征,这一模态的出现会使得次年春季的西北太平洋海温呈现以30°N为界南北反相变化的形态;而北太平洋的海温异常可能对这一模态的形成有一定的作用。这两个模态的空间分布虽然与年代际尺度上的分布非常相似,但它们的相对强弱和对应的环流却有很大的差异。分析显示,全国一致变化型可能更多地表现出年代际变化的特征,而南北反相变化型更多地表现出年际变化的特征;结果还表明,我国冬季气温的变化在不同的时间尺度上是受不同因子影响的。因此,在研究我国冬季气温变化时,将不同的时间尺度分开考虑是十分必要的。     

1957-2000年东北地区春季极端气温变化及其与北极涛动的关系

利用东北地区32个测站1957-2000年逐日气温资料,分析了东北春季极端气温指数的变化特征及其与同期和前期北极涛动指数的关系。结果表明：春季日气温距平值基本上是由高纬向低纬、由东向西增加;44 a来日气温距平强度变化呈现正趋势,春季的冷日和冷夜呈减少趋势,暖日和暖夜呈增加趋势。东北春季气温与春季北极涛动（Arctic Oscillation, AO）在年际时间尺度上具有很强的正相关性,AO和极端气温指数也存在着相同的变化周期和突变时间。     

中国北方冬季气温的年际变化对北太平洋东部海温异常的响应

利用地面气温观测资料及NCEP/NCAR逐月再分析资料,分析了中纬度北太平洋东部海温异常变化对中国北方地区冬季气温的可能影响。结果表明,前期夏、秋季中纬度北太平洋东部海温与北方地区冬季气温存在持续稳定的正相关关系,并且这种相关性在年代际尺度上较年际尺度更为显著。这种联系与中纬度北太平洋东部关键区海温在对流层中低层激发出的一种类似北美—大西洋—欧亚遥相关型波列有关。当前期关键区海温偏高（低）时,其激发的波列使得乌拉尔山阻塞高压偏弱（强）,西伯利亚高压偏弱（强）,导致贝加尔湖以南大部地区受正（负）高度距平控制,亚洲地区中高纬以纬（经）向环流为主,有利于北方大部地区气温偏高（低）。研究表明,中纬度北太平洋东部海温异常通过激发出一个从关键海区到我国北方地区的跨越东西半球的遥相关型波列,引发北半球中高纬度大气环流异常,进而影响北方冬季气温。     

Lagged Responses of the Tropical Pacific to the 11-yr Solar Cycle Forcing and Possible Mechanisms

This paper uses two subsets of ensemble historical-Nat simulations and pi-Control simulations from CMIP5 as well as observational/reanalysis datasets to investigate responses of the tropical Pacific to the 11-yr solar cycle. A statistically significant 11-yr solar signal is found in the upper-ocean layers above the thermocline and tropospheric circulations. A warming response initially appears in the upper layers of the central equatorial Pacific in the solar maximum years in observations, then increases and shifts into the eastern Pacific at lagged 1–3 yr. Meanwhile, an anomalous updraft arises over the western equatorial Pacific and shifts eastwards in the following years with anomalous subsidence over the Maritime Continent. These lagged responses are confirmed by the historical-Nat simulations, except that the initial signal is located more to the west and all the responses are weaker than the observed. A simplified mixed-layer heat budget analysis based on the historical-Nat simulations suggests that the atmospheric forcing, especially the shortwave radiation, is the major contributor to the initial warming response, and the ocean heat transport effect is responsible for the eastward displacement of the lagged warming responses. In the solar maximum years, the zonal ocean temperature gradient in the western–central Pacific is reduced by the initial warming, and anomalous westerly winds appear over the western equatorial Pacific and extend into the eastern Pacific during the lagged years.These anomalous westerly winds reduce the wind-driven ocean dynamical transport, resulting in the initial warming in the central equatorial Pacific being amplified and the surface warming shifting eastward during the lagged 1–3 yr.