大气季节内振荡的耦合模式数值模拟

分析GOALS/LASG海气耦合模式10年积分200hPa纬向风场的逐日输出结果,引用1980～1989年期间逐日的NCEP/NCAR再分析资料作为实测对照,结果显示该耦合模式抓住了热带大气低频振荡(IO)的基本时空分布特征,模拟IO的强度较多数大气模式强而接近真实,但空间一致性仍不清晰,典型周期不够显著。NCEP资料与耦合模式都反映模拟IO的季节变化与其年际变化有关,模拟较强IO的年份表现IO的季节变化特征也较真实。模拟IO的年际变化与热带东太平洋的SST呈明显的负相关变化。SST暖异常的年份,IO活动较弱。IO变化滞后于SST异常60天左右的相关性最显著。对比单独积分GOALS/LASG的大气模式的结果,发现二者的主要差别在于耦合模式再现IO的季节性特征更真实,反映了海气耦合对IO变化的调制作用。利用海气耦合模式,理解IO对流活动与上层海洋的相互作用过程,是真实描述IO必要的手段。     

冬季北半球平流层季节内振荡与对流层季节内振荡的关系

通过平流层大气ISO与对流层大气ISO的比较分析,发现在中高纬地区平流层大气ISO与对流层大气ISO有着许多相同点.北半球冬半年平流层大气环流主要低频模态也可认为是北极涛动(AO),其空间分布的主要特征为; 高纬度地区与中低纬度地区为反位相变化,北极地区附近具有最大的变化值; 其季节内振荡的正位相对应于AO增强,负位相对应于AO减弱.北半球冬半年平流层100 hPa 和70 hPa 位势高度场的低频遥相关分析表明,北极地区(概指北纬60°N以北)和北半球其他大部分地区呈负相关,北极涛动扮演了非常重要的角色.同时,北半球冬半年平流层的主要低频波列是从欧亚大陆中部到西北太平洋,并且由纬向型低频波列(欧亚大陆-西伯利亚-太平洋)和经向型低频波列(欧亚大陆-北极-太平洋)共同构成.平流层30 hPa 和对流层500 hPa 上经过带通滤波(15～90 d)位势高度场的EOF第一主分量的形势有十分类似的特征,它们对应的时间系数序列有显著的延迟相关关系.因此可以认为,北半球平流层大气ISO的变化要先于对流层大气,在滞后35 d 左右其相关系数达到最大.大气环流模式(SAMIL)的数值模拟试验结果也表明,平流层的低频扰动可以在14 d 之后便在对流层500 hPa上激发出低频响应,其谱峰在30 d 左右.这进一步表明,通过大气季节内振荡,平流层的异常可以影响到对流层.     

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。     

热带季节内振荡与北大西洋涛动年际变化的关系

运用K均值聚类法将冬季北大西洋及欧洲地区的天气流型分为4种不同的流型。研究了不同阶段8种不同位相的热带季节内振荡（MJO）与这4种流型的年际变化的关系。通过一系列的对比试验发现,K均值聚类法划分得到的不同位相的北大西洋涛动（NAO）的天数能很好地反映NAO指数;无论是在1978～1990年（简称为P1阶段）还是在1991～2010年（简称为P2阶段）,MJO第3（6）位相影响NAO正（负）位相;但在P1阶段存在NAO的位相转换,当MJO处于第1位相时,NAO由弱的负位相转换为正位相,当MJO处于第6位相时, NAO由正位相转换为负位相;而在P2阶段NAO并没有明显的位相转换,当MJO处于第1位相时,NAO由偶极子结构转换为波列结构。     

海温热力强迫-涛动和低频振荡机理的动力学研究

用动力分析和数值计算的方法讨论了对海温热力强迫的响应，结果表明，对于行星尺度系数，海温热力场的持续强迫作用可以很快激发出稳定的大气平衡态响应，该响应表现出明显的大尺度东－西及南－北向涛动特征，对于天气尺度系统，海温热力场则主要激发出大气低频振荡，研究结果揭示了海温势力构型与大气响应形式的基本对应关系和动力过程，提出了一些新观点。     

北极涛动与北大西洋涛动的低频变化特征

本文主要利用小波分析方法研究北极涛动(AO)和北大西洋涛动(NAO)的低频变化和周期特征。结果表明:AO在1965年以前有准两年周期振荡,1975年后转为准8 a周期和准16 a周期;NAO也存在相似的周期转变,但其准8 a周期出现在60年代末到1976年前后,并且没有明显的准16 a周期;AO和NAO准8 a周期的交叉小波能谱在1975年前后达到极大值,这与北半球气候突变时间基本吻合。另外,AO和NAO模态的北大西洋中心在1975年后表现出不同程度的东移,AO中心移到地中海地区,且太平洋中心明显增强,使其纬向对称的环形模态较突变前更显著。     

北半球冬季中高纬30～60天振荡动能源,汇的特征

利用ＥＣＭＷＦ／ＷＭＯ资料，计算了１９８５年１１月－１９８６年３月的大气低频动能、低频动能通量散度，详细讨论其冬季平均的水平分布特征，并揭示大气低频动能源和汇的水平传播特征。结果表明：大气低频动能的大值中心正好对应于持续性异常的活动中心，且主要位于大气环流遥相关型ＰＮＡ和ＥＵ波列路径附近，大气低频动的强源（汇）主要位于西风急流的出口（入口）区；在中高纬地区，大气低频动能源和汇主要呈现向西的纬向传播     

北半球冬季副热带西风急流及有关环流委内振荡若干特征分析

利用１９８１￣１９８５年４个冬季的ＥＣＭＷＦ逐日网格点资料（其中包括一个ＥＮＳＯ年）,采用了最大熵谱计算、方差百分比计算和Ｂｕｔｔｅｒ Ｗｅｒｔｈ带通滤波等方法,分析了北半球冬季绕全球副热带西风急流和有关环流３０￣６０ｄ低频振荡的分布特征及其年际差异。结果表明：三支副热带西风急流核心具有很强的季内稳定性;３０￣６０ｄ振荡的显著区正常年主要分布在急流出口区南、北侧,ＥＮＳＯ年主要出现在急流入口区和出     

1998年青藏高原大气低频振荡的结构特征分析

使用ＮＣＥＰ／ＮＣＡＲ再分析的逐日资料,研究了１９９８年夏季青藏高原大气低频振荡的结构特征。结果表明：不同低频频率的遥相关水平结构既有相似的波列结构,也存在相异的特征。高原主体的低频振荡为相当正压结构,低频降水一般位于低频气旋性环流及低频气流辐合带内,利用高原低频降水可提前预测江南及高原南部的低频降水活动,高原和长江中下游及东北地区的低频水存在同时加强和同时减弱的关系。     

大气角动量平衡的研究进展

重点分析了20世纪80年代以来国内外关于大气角动量平衡研究的一些代表性工作。总结了地气系统角动量交换、角动量输送及其与山脉和摩擦力矩异常、地转异常、ENSO等关系的研究结果。指出了一些应当深入研究的方向。     

Atmospheric Angular Momentum Transport and Balance in the AGCM-SAMIL

NCEP/NCAR reanalysis data and the spectral atmospheric general circulation Model (AGCM) of IAP/LASG (SAMIL) are employed to investigate the transport and balance of atmospheric angular momentum (AAM). It is demonstrated that SAMIL depicts the general features of the AAM transport and balance reasonably well. The AAM sources are in the tropics and sinks are in the mid-latitudes. The strongest meridional transport occurs in the upper troposphere. The atmosphere gains westerly momentum and transports it upward in the areas of surface easterlies, and downward into the areas of surface westerlies. Consequently, AAM balance is maintained. Systematic biases of the model compared to the reanalysis and observations are revealed. Possible mechanisms for these biases are investigated. In SAMIL, the friction torque in the tropics is stronger compared to the observations, which is probably due to the excessive precipitation along the Inter-tropical convergence zone (ITCZ) in the model, since the simulated Hadley circulation is much stronger than observed. In the winter half of the year, the transport center is in the lower troposphere in the SAMIL model, but it is in the upper troposphere in the reanalysis and observations. These discrepancies also suggest that simulations of convection and tropical precipitation need to be improved and that higher resolution is necessary for a quantitative simulation of AAM transport and balance. Results also demonstrate that the analysis of the transport and balance of atmospheric angular momentum is a powerful tool in diagnosing climate models for potential improvement.     

华北地区冬季持续性异常低温事件与大气低频振荡活动的关系

采用1959—2009年日平均气温观测资料和NCEP/NCAR逐日再分析资料,对华北地区冬季持续性异常低温事件进行了定义,并在此基础上统计分析了该区近50 a来冬季持续性异常低温事件的发生规律及环流特征,然后对华北地区持续性异常低温事件与大气低频振荡之间的关系进行了研究。研究表明,近50 a来华北地区共出现26次持续性异常低温事件;环流场上持续性异常低温过程对应的是乌拉尔山高压脊的建立、发展、消亡以及东亚大槽的维持、加深、减弱过程;同时,分析发现低频波动与持续性异常低温事件密切相关,10~20 d低频环流场上华北、东北地区上空的低频气旋、中西伯利亚的低频反气旋,及30~60 d低频环流场上西西伯利亚附近的低频反气旋及日本海附近的低频气旋是造成持续性异常低温事件的重要低频影响因子,进一步分析发现对流层高层到低层的低频信号主要是由中高纬向低纬且自西向东传播,来影响我国华北地区的。     

大气低频振荡对2015年冬季华北强降温事件的影响

利用1980—2016年中国日最低温度和NCEP/NCAR再分析资料,分析了大气低频振荡对华北2015年冬季区域强降温事件(Regional Extremely Cold Event,简称RECE)的影响。结果表明：1)两次过程均与最低温度10～20 d低频分量从峰到谷值的变化相应。2)第一(二)次过程巴尔喀什湖-贝加尔湖(简称巴-贝湖)高压位置偏西(偏东北),西伯利亚高压偏南(偏北),东亚大槽呈东北-西南(南-北)走向,阿留申低压偏深(偏西偏深),无(有)北极涛动负异常,高低层冷空气源地均位于贝湖北部60°N附近(巴湖以北上空和华北局地),降温较慢(快速)。地中海低频扰动能量的持续输送是造成两次降温过程持续时间差异的原因之一。3)-18 d(-12 d)500 hPa高度场中西欧低频负(正)异常,是华北强降温事件的延伸期预报参考信号。     

华南汛期持续性降水特征及其与30~90 d大气低频振荡的联系北大核心

利用全国756站逐日降水资料以及NCEP/NCAR再分析资料,研究了1961—2011年我国东部汛期持续性降水30~90 d低频变化特征及其与大气低频振荡的联系。结果表明,华南地区降水偏多型是汛期持续性降水低频变化的主导模态。对流层低层位势高度负异常和气旋型环流异常,以及高层略向北偏移的环流异常为华南汛期持续性降水低频变化提供了大尺度形势场。当西太平洋副热带高压脊线维持在22°N附近时,来自孟加拉湾和南海的水汽输送维持了华南地区汛期持续性降水活跃位相,向东北传播的副热带大气低频振荡系统对华南汛期持续性降水具有调制作用。此外,华南汛期降水低频变化还具有南北迁移的经向演变特征。     

阿留申低压次季节尺度异常对北太平洋冬季降水的影响分析

利用1979—2018年的冬季逐日气象数据,研究了北太平洋地区冬季（12月至次年2月）阿留申低压次季节尺度变化特征,分析了次季节尺度阿留申低压异常与降水和极端降水异常之间的联系。选择1979—2018年共40个阿留申低压次季节尺度从异常增强到减弱的完整事件,记录下每个位相具体日期运用于合成分析。通过合成分析的结果可知：次季节尺度阿留申低压异常增强（减弱）时,北太平洋海盆区的降水呈现出明显的东多（少）西少（多）,同时副热带西太平洋略偏多（少）的分布型。次季节尺度蒸发异常和整层水汽输送散度异常能够解释以上降水异常的空间分布。在阿留申低压异常偏强时,自北太平洋中部向东北延伸至北美沿岸区域内大气河发生频率增加,使得海盆中部向东和东北汇聚更多的水汽,北美西海岸地区更易发生极端降水事件。     

热带季节内振荡对西北太平洋台风生成的大尺度环境的影响

基于澳大利亚气象局发布的RMM(Real-time Multivariate Madden-Julian oscillation)指数,将热带大气季节内振荡划分为8个位相,统计分析了各位相西北太平洋台风生成频数和位置的变化特征,并进一步利用BDI(Box Difference Index)指数分析了台风生成的活跃和不活跃位相之间环境要素的差别。结果表明,相比于台风生成的不活跃位相(1、2、3位相),在利于台风生成的活跃位相(5、6、7位相)期间,环境场具有更强的低层辐合和高层辐散外流、更高的对流层中层相对湿度和更广的垂直切变较小区域。进一步研究表明,在台风生成的活跃和不活跃位相之间,大尺度环境场的差别主要体现在动力因子方面,尤其是低层辐合场。     

北半球冬半年平流层大气低频振荡特征的研究

利用NCEP/NCAR(1970～1999年)位势高度场和风场再分析资料,通过小波分析的方法,研究并揭示了北半球冬半年平流层大气低频振荡的周期,然后通过滤波等方法,揭示了冬半年平流层大气低频振荡的空间结构、传播规律、地域分布特征及北半球低频遥相关的一些分布特征,并且与对流层大气低频振荡作比较.作者对北半球平流层大气低频振荡进行的系统分析研究结果表明:在北半球冬半年平流层,大气低频振荡十分显著,其振荡周期以60天最为显著,在垂直方向上表现出正压结构特征,在水平方向上表现为一致西传,并且以北极涛动(the arctic oscillation)占据主导地位.北半球冬半年平流层大气低频振荡主要活动区域为北极地区,并且在45°N附近还存在3个活动中心,即欧亚大陆、北太平洋和北大西洋中心.     

2019年南海夏季风爆发特征及其与10~25 d ISO的关系北大核心

使用NCEP/NCAR再分析资料对2019年高度场、OLR场和风场进行了环流分析,计算假相当位温、西南风和垂直风切变等物理量,并且使用Lanczos滤波器滤波后进行分位相讨论了ISO与2019年南海夏季风爆发的关系。结果表明,2019年南海夏季风爆发的日期为5月6日,其爆发偏早。在5月6日后具体特征表现为:200 hPa高空急流范围扩大,强度增强;副热带高压不断东撤,南海地区不再盛行西南风;850 hPa上南海地区盛行西南风且对流大面积爆发;假相当位温随高度变化的特征显示出对流增强的趋势。为了探讨2019年南海夏季风爆发与ISO的关系,进一步研究发现2019年存在10~25 d大气季节内振荡。一方面,ISO有利于2019年爆发时间偏早,另一方面,南海夏季风爆发后从孟加拉湾—印度洋东部低频对流多次随时间向东北传播,经历发展—最强—减弱—抑制—最弱—恢复的6个阶段,有利于南海地区偏西风增强以及对流活动的爆发维持,使得其爆发强度增强。     

东亚夏季风强弱年季节内振荡的传播特征

利用1979—2007年的逐日OLR资料和1960—2007年NCEP/NCAR逐日再分析风场资料,采用合成分析和波谱分析方法研究了强弱夏季风年北半球夏季季节内振荡(BSISO)的基本特征。结果表明:BSISO的能谱主要分布在1波和2波范围内,在热带地区,主要是以1波东传为主,在较高纬度,可以看到明显的西传分量;而在经向上主要是以30～60 d周期的北传为主。在强(弱)夏季风年时,纬向方向上,热带地区ISO东传加强(减弱),而20°N以北的较高纬度,ISO西传是减弱(加强)的;经向方向上,最显著的差异是西太平洋地区北传ISO是加强(减弱)的。造成强弱夏季风年ISO传播差异的原因是由于强弱夏季风年中西太平洋地区纬向风场和对流场存在明显差异,在这种大范围大气环流异常的情况下,ISO的经向和纬向传播产生了明显的差异。