冬季北太平洋风暴轴的年际型态及其与大气环流的关系

利用NCEP/NCAR再分析资料,运用31点带通数字滤波、线性相关和合成分析方法,研究了1961/1962—2010/2011年冬季北太平洋风暴轴西部、东部区域强度指数的年际演变特征,划分了风暴轴的典型型态,并进一步探讨了与同期北半球500 hPa位势高度场和SLP的关系。结果表明:风暴轴气候态的极大值区域位于中纬度北太平洋中西部,最大值点的频数集中区域和均方差分布的异常中心都有两个。风暴轴西部和东部区域强度指数(WI和EI)的年际演变具有独立性,典型型态可分为单、双中心型两类。WI(EI)指数与北半球500 hPa位势高度场的相关分布类似于WP(PNA)遥相关型;单中心型风暴轴偏强时,极涡南扩,平均槽加深;呈双中心型时,极涡明显偏西。WI(EI)指数与SLP的相关分布类似于NPO(NAO)遥相关型;单中心型风暴轴偏强(弱)时,SLP距平场呈AO遥相关型的正(负)异常位相。     

北太平洋东部风暴轴的变化特征及其与大气环流和SST异常的关系

利用欧洲中期天气预报中心ECMWF(European Center for Medium-range Weather Forecast)逐日再分析资料(ERA40),通过经验正交函数(empirical orthogonal function,EOF)分解发现,冬季北太平洋东部风暴轴有着显著的年际变化特征:第一变化模态为在气候平均位置南北相反的偶极子变化型,第二变化模态为在气候平均位置处一致增强或减弱的变化型,第三变化模态为三极子的变化型。进一步的回归分析发现:当东部风暴轴南压(北抬)时,同期冬季是一种厄尔尼诺(拉尼娜)年海温异常空间分布型,中纬度北太平洋海区以及赤道中、东海区,冬季冷(暖)异常的洋面上是异常低压(高压),对流层中层是太平洋—北美型(Pacific-North American Pattern,PNA)遥相关的正(负)位相;当东部风暴轴增强(减弱)时,同期冬季黑潮区海温偏暖(偏冷),对流层中层表现为西太平洋型(West Pacific Pattern,WP)遥相关的正(负)位相;当东部风暴轴呈现西北—东南+-+(-+-)相间三极子的分布时,同期冬季巴布亚新几内亚附近海温异常偏暖(冷),夏威夷附近海温异常偏冷(暖),冬季冷(暖)异常的洋面上是异常低(高)压,对流层中层表现出类似PNA正(负)位相。EOF分解各模态所对应时间系数与阿留申低压(Aleutian Low,AL)指数、PNA指数、Nino3指数、WP指数、黑潮海温(Kuroshio Current,KC)指数之间存在显著的相关,这些证明了东部风暴轴与同期大气环流及SST异常之间的联系。     

冬季北半球风暴轴的协同变化及其与大气环流的相互作用

基于1971—2016年NCEP/NCAR的逐日、逐月再分析资料,研究冬季北半球西伯利亚风暴轴(Siberian Storm Track,SIST)、北太平洋风暴轴(Pacific Storm Track,PST)和北大西洋风暴轴(Atlantic Storm Track,AST)的协同变化特征及其与大气环流的关系。结果表明:(1)三大风暴轴不仅各自的位置与强度变化存在显著相关性,风暴轴之间也存在一定的协同变化且年代际尺度上比年际尺度上更紧密。年际尺度上,SIST与AST的经度变化呈显著负相关,而PST和AST的协同性较差;年代际尺度上,SIST与PST的经、纬度变化均呈弱的负相关,SIST与AST的经度和强度变化均呈显著正相关,PST与AST的经、纬度变化均呈显著负相关。(2)由联合EOF分析得到北半球风暴轴的协同变化时空特征:在年际尺度上,第一模态主要表现为SIST偏弱(强),PST主体偏弱(强)、东南偏强(弱),AST略偏北(南)偏强(弱)但不显著的协同变化。PC1为正位相时,对应的大气环流异常为:500 hPa高度场上为太平洋北美(Pacific North America,PNA)型和欧亚(Eurasian,EU)型的正位相,东亚急流偏强且偏南;第二模态主要表现为SIST偏强(弱)且偏东(西),PST中东部偏南(北)、西部强度偏强(弱),AST偏强(弱)的协同变化。PC2为正位相时,对应的大气环流异常为:500 hPa高度场上为PNA型和大西洋东部(East Atlantic,EA)型的正位相,北美急流减弱;在年代际尺度上,第一模态主要表现为SIST偏西(东)且偏弱(强),PST偏东(西)且偏弱(强),AST偏西(东)且偏弱(强)的协同变化。PC1为正位相时,对应的大气环流异常为:500 hPa高度场上为西大西洋(West Atlantic,WA)型和EU型的正位相。第二模态主要表现为SIST偏强(弱)且偏北(南),PST偏南(北)且偏弱(强),AST北抬(南压)的协同变化。PC2为正位相时,对应的大气环流异常为:500 hPa高度场上为EU型和WA型的正位相,东亚急流强度加强且偏南,北美急流强度减弱。     

冬季北太平洋风暴轴的年代际变化

对1948-2004 NCEP／NCAR 500hPa高度场资料进行滤波后,采用累积距平、Morlet小波分析、合成分析等方法,研究了风暴轴中心的强度、经纬度以及面积指数的年代际变化。结果表明,56a来北太平洋风暴轴的中心强度平均约为32dagpm^2,中心位置约在172°W、44．5°N。小波分析表明,冬季北太平洋风暴轴的中心强度和面积都存在着18a的年代际变化周期。此外,风暴轴中心强度与面积指数有很好的正相关关系。总的来说,风暴轴中心强度增强（减弱）时期,一般对应着风暴轴面积增大（缩小）和位置向西（东）、向南（北）移动。     

冬季北大西洋风暴轴的东西变化及其能量诊断

利用NCEP/NCAR再分析资料,定义一个风暴轴经度指数,基于这个指数做合成分析,对冬季北大西洋风暴轴63 a(1948-2010年)的东西变化特征及其能量平衡差异进行了诊断。主要结论如下:(1)北大西洋风暴轴存在明显地东扩和西退。当风暴轴向东扩展时,天气尺度瞬变波可以向下游发展至乌拉尔山以东的亚洲上空;风暴轴西退时,天气尺度瞬变波活动范围向西收缩到15°W以西的大洋上空。(2)能量诊断表明,当风暴轴向东扩展时,涡动动能在高纬度的大西洋东部及西欧上空明显增强。在0°以西的区域,涡动动能的增强主要归因于能量斜压转换过程的增强;而在0°以东区域,涡动动能的增强可能与涡动非地转位势通量引起的"下游发展效应"增强有关。风暴轴向西收缩时,变化相反。     

冬季北太平洋风暴轴指数的评估及其改进

首先对风暴轴的定义及其强度和位置表征方法进行了归纳总结, 然后利用1958～2001年44年冬季ERA40位势高度场资料重新评估了几种不同的风暴轴特征指数, 分析得到: 这些不同的定义方法在表征风暴轴强度变化方面具有一致性, 但在描述风暴轴的位置变动方面有较大差异。根据冬季北太平洋风暴轴主体的强度和位置变化特征, 提出了一组更为恰当的动态定量的表征方法, 即取北太平洋及其周边区域 (30°N～60°N, 120°E～120°W) 冬季500 hPa位势高度天气尺度滤波方差大于20 dagpm2的所有格点滤波方差的平均值, 以及满足上述条件所有格点的经度平均和纬度平均分别作为冬季北太平洋风暴轴的强度指数 (NII)、经度指数 (NXI) 和纬度指数 (NYI)。通过比较分析, 证明了新定义的指数更能反映风暴轴实际的变动特征。继而利用新指数分析了冬季北太平洋风暴轴的强度和位置的长期变化, 得到以下结论:44年中, 冬季北太平洋风暴轴的强度微弱增加, 且在1970年代中期以前北太平洋风暴轴的强度和位置的年代际变化关系复杂; 1970年代中期以后北太平洋风暴轴的强度和位置的年代际变化具有准协同一致性, 表现为偏弱期位置偏西偏南, 偏强期位置偏东偏北。而且, 这种长期变化与太平洋海气系统成员的低频变化有相关性, 其变化成因是复杂的。     

东亚-北太平洋区域冬季大气环流趋势分析

利用1948-2005年2．5°×2．5°的NCEP／NCAR再分析月平均高度场资料、温度场资料和高空风场资料,对冬季东亚-北太平洋区域环流进行了分析。结果表明,阿留申低压加深,西伯利亚高压减弱。500hPa高度场上,我国除了东北之外的其他地区位势高度存在明显的升高趋势;东亚温带西风急流和西太平洋西风急流增强,西太平洋西风急流存在向东延伸的趋势,东亚冬季风强度减弱;58年来冬季东亚-北太平洋区域内大陆上空大气变暖,海洋上空大气变冷,两者的温度差值增大。我国青藏高原和黄土高原变暖趋势明显。     

北太平洋海温异常的空间模态及其与东亚环流异常的关系

运用英国气象局全球海温和NCEP/NCAR 再分析逐月资料, 分析了1979年以来北太平洋夏季海温异常的主要模态, 并探讨了海温异常的空间分布与东亚环流异常的关系。结果表明: 北太平洋夏季海温主要存在两种模态, 当太平洋热带地区西高东低 (西低东高), 西太平洋到黑潮区海温偏高 (低), 东南太平洋的海温偏低 (高) 时, 东亚贝加尔湖南侧地区为显著的正 (负) 高度异常。进一步分析发现这种环流异常与北太平洋西部海温异常引起的辐合辐散有关, 北太平洋西部近大陆海域海温异常偏暖 (冷), 对应上空为异常的上升 (下沉) 运动, 因质量的连续性使贝加尔湖南侧地区低层辐散 (辐合) 异常, 有利于该地区异常反气旋性环流的加强 (减弱)。     

中纬度北太平洋SST异常与大气环流的关系

在分析北太平洋（６０°Ｎ～２０°Ｓ）ＳＳＴ距平分布特征的基础上，确定出北太平洋海流区为中纬度北太平洋ＳＳＴ变化最活跃的海区。讨论了该海区ＳＳＴ异常与大气环流的相互关系，并与赤道中、东太平洋ＳＳＴ异常和大气环流的相互影响进行了对比分析，发现北太平洋海流区ＳＳＴ异常时，大气环流存在显著的ＰＮＡ型环流。本文还指出在中纬度北太平洋ＳＳＴ异常与北半球大气环流的相互作用中，大气环流是首先启动的方面。     

冬季黑潮海域异常加热与北太平洋大气环流的耦合关系

利用NCEP/NCAR和OAFlux月平均资料,采用SVD方法分析冬季黑潮海域的热通量和北太平洋500 hPa位势高度场之间的关系。第1对奇异向量占总方差的86.24%,表现为黑潮北部海域异常多的放热和北太平洋中西部的500 hPa位势高度场异常低。将正负异常年的各气象要素的距平场进行合成分析后表明：当阿留申低压增强（减弱）时,黑潮海域上空的西北风增强（减弱）,导致近地面层大气温度降低（升高）,使得热通量异常释放增加（减少）,从而降低（升高）了海表面温度。在黑潮海域及其下游,温度场在纬向垂直方向是斜压结构,位势高度场是相当正压结构,反映的是冷低压（暖脊）结构。通过分析风场无旋分量和垂直速度的距平发现,在中纬度地区存在距平的纬向环流圈：大气在北太平洋中部的低层上升（下沉）,在对流层高层（低层）分别向西、向东运动,在黑潮海域和北美西部下沉（上升）,增强（减弱）了中纬度纬向环流圈（MZC）。     

冬季北太平洋大气低频环流的年际和年代际变化特征及其与大气环流和海温异常的联系

利用1979—2015年ECMWF逐日再分析资料,通过EOF分解和回归分析研究了冬季北太平洋大气低频环流的年际和年代际变化特征及其与海表面温度异常(SSTA)和大气环流异常之间的联系。研究结果表明:冬季中纬度北太平洋地区850 h Pa低频尺度环流存在3个明显的变化模态:第一模态为海盆尺度的单极型异常气旋(反气旋)式环流,同期太平洋SSTA呈现El Ni1o(La Ni1a)以及PDO暖位相(冷位相)空间分布,阿留申低压强度增强(减弱),对流层中高层是正位相(负位相)的PNA型遥相关,北太平洋天气尺度风暴轴中东部南压(北抬);第二模态为在白令海峡和副热带地区呈气旋式与反气旋式环流南北向偶极型变化,同时中纬度北太平洋SSTA呈现NPGO(North Pacific Gyre Oscillation)正位相(负位相)的空间分布,黑潮区域SSTA偏暖(偏冷),北太平洋SSTA经向梯度加大(减小),对流层中高层为负位相(正位相)的WP型遥相关,北太平洋天气尺度风暴轴整体偏北(偏南),强度增强(减弱);第三模态为北太平洋中西部和北美西岸呈气旋式与反气旋式环流东西向偶极型异常,黑潮区域SSTA偏冷(偏暖)而北太平洋东部SSTA偏暖(偏冷),SSTA纬向梯度加大(减弱),同时赤道东太平洋出现类似La Ni1a(El Ni1o)的SSTA分布,北太平洋天气尺度风暴轴中东部明显减弱(加强)而西部略有加强(减弱)。     

欧洲冬季５００ｈＰａ环流异常及与中国气候异常的关系

用中国160气象站月平均降水和气温资料以及NCEP/NCAR月平均再分析资料,采用EOF分析等方法,研究了冬季欧洲500 hPa高度异常的变化特征及其与中国气候的关系.结果表明:(1)EOF第1模态主要反映了欧洲东部大槽和西欧脊的空间变化特征,定义了主模态的两种异常型:西高东低型和西低东高型;(2)主模态时间系数与40°N以南中国中东部一直到华南地区的降水呈显著正相关关系,而与中国东北、内蒙古中东部以及长江下游沿海的气温呈显著正相关关系;(3)西高东低异常型年,有利于欧洲中高纬冷空气向中国南方地区传输,不利于向中国北方地区传输;有利于孟加拉湾水汽向中国华南地区输送,也有利于西北太平洋水汽向中国东部以及北方输送;欧亚高纬度高压系统减弱,而西北太平洋海面低压系统减弱,东亚冬季风减弱;反之亦然.     

东亚—北太平洋大气环流和瞬变扰动的年代际变化

用NCEP/NCAR再分析资料,分析了东亚—北太平洋大气环流、大气斜压性和天气尺度瞬变扰动活动的年代际变化特征。东亚—北太平洋地区低层大气温度和比湿及高层的西风急流都存在明显的年代际变化。西风年代际异常与大气斜压性年代际异常之间有密切联系。夏季北太平洋北部到西伯利亚高原上空的天气尺度瞬变扰动活动年代际增强,但夏季低层瞬变热力和瞬变水汽强迫的年代际异常对北太平洋中纬度低层平均温度和比湿年代际异常的作用并不显著。冬季,西太平洋西风急流年代际增强与急流下方大气斜压性年代际增加相一致,使该地区瞬变扰动年代际增强,增强的瞬变扰动将更多能量传送给西风气流,巩固了西风急流的年代际异常。年代际尺度上冬季异常的瞬变热力强迫和瞬变水汽强迫对低层大气温度和比湿异常有显著的削弱作用。     

Boreal winter rainfall anomaly over the tropical indo-pacific and its effect on northern hemisphere atmospheric circulation in CMIP5 models

Experimental outputs of 11 Atmospheric Model Intercomparison Project （AMIP） models from phase 5 of the Coupled Model Intercomparison Project （CMIP5） are analyzed to assess the atmospheric circulation anomaly over Northern Hemisphere induced by the anomalous rainfall over tropical Pacific and Indian Ocean during boreal winter.The analysis shows that the main features of the interannual variation of tropical rainfall anomalies,especially over the Central Pacific （CP） （5°S-5°N,175°E-135°W） and Indo-western Pacific （IWP） （20°S-20°N,110°-150°E） are well captured in all the CMIP5/AMIP models.For the IWP and western Indian Ocean （WIO） （10°S-10°N,45°-75°E）,the anomalous rainfall is weaker in the 11 CMIP5/AMIP models than in the observation.During El Ni（n）o/La Ni（n）a mature phases in boreal winter,consistent with observations,there are geopotential height anomalies known as the Pacific North American （PNA） pattern and Indo-western Pacific and East Asia （IWPEA） pattern in the upper troposphere,and the northwestern Pacific anticyclone （cyclone） （NWPA） in the lower troposphere in the models.Comparison between the models and observations shows that the ability to simulate the PNA and NWPA pattern depends on the ability to simulate the anomalous rainfall over the CP,while the ability to simulate the IWPEA pattern is related to the ability to simulate the rainfall anomaly in the IWP and WIO,as the SST anomaly is same in AMIP experiments.It is found that the tropical rainfall anomaly is important in modeling the impact of the tropical Indo-Pacific Ocean on the extratropical atmospheric circulation anomaly.     

冬季北太平洋风暴轴纬向变化特征及其与我国极端低温频次的可能联系

采用NCEP/NCAR和ERA40再分析资料,分析了垂直方向上冬季北太平洋风暴轴纬向结构的时空演变特征,揭示了北太平风暴轴纬向结构具有显著年际、年代际变化特征。冬季北太平洋风暴轴纬向结构主要呈现出全区一致、东西反相两种分布型("A"型和"B"型),细分为整体一致性强型("A+"型)、整体一致性弱型("A-"型)、东弱西强型("B+"型)和东强西弱型("B-"型)。研究表明:冬季北太平洋风暴轴的纬向结构与我国极端低温频次的关系密切,风暴轴呈"A+"("A-")型纬向结构时,我国整体区域极端低温频次偏少(多);风暴轴呈"B+"("B-")纬向结构时,我国全区极端低温频次偏多(少)。     

中国冬季气温月际变化特征及其对大气环流异常的响应

基于1951—2014年中国160站月气温和NCEP/NCAR再分析资料,利用季节的经验正交函数分解（S-EOF）等方法,研究了中国冬季气温月际变化的时、空演变特征及其对大气环流异常的响应。结果表明,中国冬季气温在月尺度上常常出现前、后冬相反甚至冷暖交替的现象。中国冬季气温月际变化存在3个主模态:全冬一致型、前后反相型和冷暖交替型。当西伯利亚高压冬季一致偏强（偏弱）时,冬季一致冷（暖）;当海陆热力差异由强变弱、西伯利亚高压强度由强变弱,东亚西风急流比较稳定,强度偏强,位置由南向北移动时,冬季前冷后暖;当大气环流发生突变,尤其是海平面气压场和500 hPa位势高度场上大气活动中心的频繁调整,西伯利亚高压强度在月时间尺度上强弱交替时,冬季气温呈冷—暖—冷交替变化。      

中国东部冬季气温异常的主模态与大气环流的关系

利用中国东部季风区375个测站,1961-2006年历年平均地面气温资料,采用EOF、SVD、相关分析等方法,分析了中国东部季风区冬季气温与500hPa高度场异常变化的关系。结果表明:影响冬季气温的关键区有两个,皆为显著正相关;SVD分析表明:乌山脊弱,东亚槽浅,纬向环流偏强,经向环流偏弱,极涡面积偏小,使南下冷空气偏少,冬季气温易偏高。上年7月北大西洋高压异常偏强(偏弱),次年冬季气温将会异常偏暖(偏冷),北大西洋前期高度场与气温普遍有密切的关系,主要影响长江流域及其以北的季风中北部区;建立了气温距平与北大西洋关键区上年7月高度距平的关系,并建立了均生函数模型,预测了未来20 a的气温变化趋势。     

春季北太平洋风暴轴的年际与年代际变化特征及其与太平洋海温异常的关系

利用20世纪大气再分析资料和欧洲中心海温资料研究了春季西北太平洋风暴轴的年（代）际变化特征以及在不同年代际背景下风暴轴与太平洋海温关系的转变。结果表明,春季西北太平洋风暴轴主要存在两种空间变化模态,即反映其强度变化的第1模态和反映其南北位置变化的第2模态。年代际及以上时间尺度上,风暴轴强度、位置与太平洋海温的关系主要表现为大气对海洋的强迫作用。在不同年代际背景下,风暴轴与太平洋海温的关系则存在明显的年代际转变：1977年以后,风暴轴强度与太平洋海温的关系主要表现为大气对海洋的强迫作用,而在1977年之前则主要表现为海洋对大气的强迫作用,特别是同期冬季日本以东黑潮和黑潮延伸区海温异常的强迫作用;风暴轴南北位置与太平洋海温异常的关系,在1977年以后表现为大气对海洋的强迫作用,主要表现为对北太平洋中部海温的影响,但在1977年以前表现为海洋和大气的共同作用,风暴轴南北位置的变化还与同期的赤道中东太平洋海温异常有关,表明ENSO可能对风暴轴的位置变化存在影响。