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.     

南海大气季节内振荡特征及其与ENSO循环的关系

采用1979—2009年NCEP/NCAR再分析资料、NOAA向外长波辐射(outgoing long-wave radiation,简称OLR)及扩展重建海表面温度资料,对南海大气季节内振荡(Intra-seasonal Oscillation,简称ISO)特征及其与ENSO循环的关系进行了诊断分析。结果表明:1)南海大气ISO的30~60 d周期在5—10月均显著。一般年南海大气ISO的对流传播在纬向上存在东传和西传,在经向上具有南北半球季节性摆动的特征。以低频动能表征的南海大气ISO强度年代际变化特征明显,近31 a来趋势增强,年变化呈单峰结构,峰值在7—8月。2)南海大气ISO的对流与ENSO循环显著相关,其强度在El Nio(La Nia)年减弱(增强)。与一般年对比,南海大气ISO对流在El Nio和La Nia年均表现为西传减弱、北传显著。北传特征表现为强对流活跃带于春季(4—5月)北跳至北半球(在La Nia年最北可至35°N),但在北半球的传播方向与一般年相比存在显著差异。3)南海大气ISO强度与ENSO循环关系密切,在El Nio(La Nia)年减弱(增强),两者表现为约半年(6~8个月)的滞后相关。Nio3区海表面温度异常序列与南海大气ISO强度的相关在中西太平洋地区和El Nio成熟前的春、秋季最显著,同时相关中心伴随低频动能高值区东移。     

基于微波探测资料的全球大气亮温长期变化趋势研究

本文使用1978—2013年美国大气海洋局NOAA研发的STAR V3.0版本的MSU/AMSUA逐月亮温格点数据,引入集合经验模式分解(EEMD)方法,研究了高空大气亮温的非线性变化趋势,尤其注重亮温气候趋势的时间演变特征,并与传统线性回归(CLR)方法做了对比研究。结果表明,在全球对流层增温、平流层降温的大背景下,基于EEMD的亮温非线性趋势演变特征表现为:近10 a对流层中、高层全球平均增暖趋势放缓,甚至出现轻微的降温趋势;北半球对流层增暖首先出现在北极,随后向低纬度方向延伸。北极对流层增暖向上影响高层大气,最高可以扩展到平流层低层。南半球对流层中低纬度地区受北半球大气影响也出现增温。另外,近10 a南极地区出现显著的独立增温现象。平流层变冷北半球最早从中纬度地区开始发生,变冷逐渐增强的同时向极地和低纬度两侧扩张。南极上空平流层大气早期也出现显著变冷,然而随着2000年以后南极大范围增暖,平流层变冷逐渐转移到中低纬地区。     

青藏高原地区大气红外探测器（AIRS）资料质量检验及揭示的上对流层水汽特征

上对流层水汽（UTWV）是大气中最重要的温室气体,对全球气候变暖有重要贡献; 而青藏高原被认为是UTWV进入平流层的重要通道,在平流层－对流层水汽交换及平流层水汽变化中扮演着重要角色。首先利用高原探空站资料对大气红外探测器（AIRS）反演的水汽数据在高原地区的质量进行了检验,发现AIRS反演的水汽数据与探空实测数据是相当一致的。其中全年和夏半年AIRS的可信度较好,而冬半年,尤其是上对流层AIRS水汽可信度相对较低,但在缺乏高精密数据时仍部分可用。利用AIRS资料对青藏高原地区UTWV季节变化特征进行了分析,结果表明,高原冬季偏干,而夏季显著偏湿,并且空间分布具有明显的不均匀性。经验正交函数(EOF)分析显示,夏季高原UTWV主要存在三种空间分布型,即全区一致型,高原东西偶极型和南北带状偶极型。一致型分布具有明显的季节变化,而偶极型则以季节内振荡为主。在此基础上,重点研究夏半年高原地区UTWV季节内振荡特征,结果表明,UTWV季节内振荡的显著周期位于10～20天和30～60天。前者主要表现为纬向东传,并且可以越过高原进入我国江淮流域上空;而后者主要向南移动,基本表现为高原局地振荡。最后,进一步探讨了高原UTWV季节内振荡的可能机制,结果表明,高原地区UTWV的低频变化主要与高原热状况、南亚高压活动及其与二者相耦合的对流活动有关。     

南海—热带西北太平洋地区季节内尺度海气变化关系

本文系统地回顾了作者近年来关于南海-热带西北太平洋地区大气和海洋季节内尺度变化关系方面的主要研究成果。文中对10~20天和30~60天两种季节内振荡海气变化关系的不同以及冬、夏季间的差异进行了系统地比较。相比较而言,大气中10~20天振荡所占比例大于30~60天振荡,海表温度30~60天的振荡在南海和西北太平洋副热带地区比10~20天振荡的贡献大,而在低纬度西太平洋地区10~20天振荡与30~60天振荡贡献相近或稍大。在北半球夏季,10~20天低频振荡的分布呈西南—东北走向,由赤道西太平洋地区向西北偏西方向传播,而30~60天低频振荡则以东西向分布为主,表现为由南向北的传播特征。在北半球冬季,10~20天和30~60天两种低频振荡的水平结构类似,均表现为西南—东北走向;同时,南海地区季节内变化信号表现出明显的向南传播的独特特征,并与东亚冬季风的季节内变化密切相关。北半球夏季,南海—菲律宾海地区10~20天低频振荡强度在厄尔尼诺发展年得到加强,而30~60天低频振荡强度则在拉尼娜衰减年得以加强。分析还指出,热带西北太平洋地区夏季热带辐合带附近的季节内变化,尤其是10~20天尺度变化,对季节平均海表温度异常有显著的反馈作用。     

夏季青藏高原上空30～50天大气低频振荡与南亚高压活动的关系

分析了1981年、1982年两年5-9月青藏高原地区上空大气低频振荡特征.夏季青藏高原地区上空是30-50天厚度低频振荡的活跃区和显著区,但低频振荡的位置、范围和强度存在明显年际变化.并且,高原地区上空30-50天厚度低频振荡与南亚高压活动密切相关,表明夏季高原热状况的低频分量对北半球大气环流变化有重要影响,具有明确的天气气候学意义.     

全球大气位势高度场气候变率的球函数分析

为了研究全球大气位势高度场的气候变率, 利用NCEP/NCAR再分析资料, 按照距平高度场平均强度指数 (I_a) 分析发现, 半球距平高度场强度呈年单周振荡, 冬大夏小, 冬季随高度单调增大, 夏季有弱高、低值中心出现, 而北、南半球的差异明显表现在季节变化上; 进一步根据半球大气位势高度距平场球函数谱低维、低阶的基本特征, 将半球环流异常分为半球均匀异常 ( H ′₀₀)、纬向均匀异常 ( H ′₀)、超长波尺度异常 ( H ′_ul) 和长波尺度异常 ( H ′_l) 4种类型, 用波数域0≤m, k≤6上的球函数系数资料求得它们的方差贡献, 给出了4类异常的方差贡献随高度、季节变化的规律以及它们的半球际差异。由此得到异常环流球函数谱结构的总体特征为:对流、平流层之间存在明显变化。从对流层进入平流层, 一般由超长波异常为主转为纬向均匀异常为主 (冬半球) 或半球均匀为主 (夏半球); 半球均匀异常在对流层中不重要, 长波尺度异常在平流层中不重要, 它们拟合异常方差一般均小于10%; 北、南半球最大差异表现在冬季平流层R′₀₀和冬、夏季对流层R′₀南半球大于北半球, 冬、夏季对流层R′_l北半球大于南半球。     

大气对南极冰异常的遥响应及其季节内振荡

运用ＩＡＰＡＧＣＭ模式证实了大气对南极冰异常的强迫遥响应是激发产生全球大气季节内振荡的重要机制,进而着重考察了候平均偏差结果的时间序列,并且通过带通滤波处理,特别分析了响应场中３０～６０ｄ低频振荡的特征及其活动。通过分析发现：大气对南极冰减退的响应是一种具有３０～６０ｄ周期的低频遥响应,并呈现出清楚的二维Ｒｏｓｓｂｙ波列特征;强迫场中的３０～６０ｄ季节内振荡具有着同实际大气中的低频振荡相类似的垂直结构和传播特征。大气响应场中３０～６０ｄ振荡能量在垂直方向上随高度的增加而增加,在纬向上表现出明显的区域性特征,即季节内振荡的最大动能区（由于ＣＩＳＫ机制）分布在大洋内;ＥＵＰ,ＰＮＡ,ＡＳＡ和ＲＳＡ波列可能是全球大气低频扰动传播的主要路径,３０～６０ｄ低频扰动在波列路径上的传播具有很大的一致性和系统性,从而使中高纬和热带地区、以及南北半球的３０～６０ｄ大气振荡相互联系起来,而且可以认为,赤道中太平洋和赤道中大西洋地区是南北半球３０～６０ｄ低频振荡间相互作用和相互联系的重要通道。     

春季青藏高原西北侧20天振荡与北半球大气环流的关系

本文使用1991年春季青藏高原西北侧8个站日平均气温和KWBC客观分析资料,对青藏高原西北侧大气20天振荡与北半球大气环流的关系进行了研究.结果表明:春季青藏高原西北侧大气存在显著的20天振荡,这种振荡在垂直结构上表现为正压特征,并且指出在20天振荡的峰值和谷值时期,即分别对应着青藏高原西北侧高温少雨和低温时期,北半球大气环流具有截然不同的特征.     

中间层顶区域大气平均风场年和半年振荡的全球结构

利用2003~2011年TIDI(TIMED Doppler Interferometer)风场观测数据研究了中间层顶区域80~105 km纬向平均风场年振荡和半年振荡振幅和相位的全球分布结构,并给出了它们的年际变化。在热带地区,纬向风半年振荡最显著。振幅峰值中心位于南半球10°S~20°S范围,出现与平流层半年振荡类似的相对于赤道不对称的分布,并且振幅峰值与以前在该区域的研究结果存在较大差别。在中高纬度地区,纬向风和经向风被年振荡所控制。纬向风在高度100 km以下中高纬度都存在振幅大值中心;经向风年振荡只出现在两半球中纬度高度95 km以下,并且南北半球振幅峰值中心分布不一致。分析结果还显示年振荡和半年振荡振幅存在显著地年际变化,相位的年际变化则较小,但北半球热带地区经向风年振荡振幅和相位表现出2年周期的变化。     

On the Differences and Climate Impacts of Early and Late Stratospheric Polar Vortex Breakup

The stratospheric polar vortex breakup (SPVB) is an important phenomenon closely related to the seasonal transition of stratospheric circulation. In this paper, 62-year NCEP/NCAR reanalysis data were employed to investigate the distinction between early and late SPVB. The results showed that the anomalous circulation signals extending from the stratosphere to the troposphere were reversed before and after early SPVB, while the stratospheric signals were consistent before and after the onset of late SPVB. Arctic Oscillation (AO) evolution during the life cycle of SPVB also demonstrated that the negative AO signal can propagate downward after early SPVB. Such downward AO signals could be identified in both geopotential height and temperature anomalies. After the AO signal reached the lower troposphere, it influenced the Aleutian Low and Siberian High in the troposphere, leading to a weak winter monsoon and large-scale warming at mid latitudes in Asia. Compared to early SPVB, downward propagation was not evident in late SPVB. The high-latitude tropospheric circulation in the Northern Hemisphere was affected by early SPVB, causing it to enter a summer circulation pattern earlier than in late SPVB years.     

北半球冬季中纬度位势高度场的季节内振荡

利用1979—2012年逐日NCEP/DOE再分析资料,分析北半球中纬度冬季(11月1日—4月30日)对流层位势高度的季节内振荡特征。结果表明:对流层上层位势高度的季节内变化强度较中下层更强,中心主要位于太平洋和大西洋上空;对流层上层位势高度场主要为1~3波的超长波形势,功率谱分析结果表明其时间序列呈现显著的季节内振荡(10~60 d)特征;10~60 d滤波的位势高度异常空间分布与原异常场一致,位势高度季节内振荡随时间主要表现为向西传播的特征,尤其表现在北太平洋上空,而亚欧大陆更为复杂一些;亚洲冬季风对北半球中纬度位势高度的季节内振荡有响应,主要表现为蒙古高压位置和强度的异常,继而对我国冬季气温产生影响。     

平流层异常下传对2009年12月北半球大范围降雪过程的影响

2009年12月北半球中纬度出现大范围持续低温、暴风雪等天气。采用NCEP／NCAR再分析资料研究了平流层AO（Arctic Oscillation,北极涛动）异常信号下传的特征及其对本次极端气候事件的影响,并讨论了与平流层异常信号下传相关的行星波活动。结果表明：1）与此次极端气候事件相联系的负位相A0异常11月首先发生在平流层,维持将近1个月后于12月初开始下传,并且迅速传至地面。12月整个对流层的位势高度及温度在极区附近出现强的正异常,而中纬度地区则为负异常。2）平流层AO异常信号下传后,地面出现有利于低温降雪过程的环流异常。12月上旬,亚洲大陆东部及北美大陆西部出现异常偏北风,造成了俄罗斯、北美西部大面积负的温度异常;12月中下旬,欧洲大陆盛行偏西北气流,同时蒙古高压增强,欧亚大陆北部包括中国北方出现大片负的温度异常。3）在此次极端气候事件之前,北半球高纬度地区有异常强的行星波上传至平流层,导致平流层出现负位相的AO异常,并维持了一个月;随后,上传到平流层的行星波减弱,同时平流层负位相的AO异常迅速传至地面,导致了有利于低温降雪的环流异常。     

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。     

北极涛动的年代际变化及其气候影响

北极涛动(Arctic Oscillation,AO)是北半球热带外地区大气环流变率的主导模态,对北半球以及区域尺度气温变化具有重要影响.AO可在没有外强迫条件下通过d波流相互作用形成,因此它被认为是全球气候系统内部变率的重要组成部分.研究年代际尺度上AO的变化及其气候影响,可加深对当前北半球气候变化规律的物理理解,也...     

The variability of the horizontal circulation in the troposphere and stratosphere – a comparison

Summary The variability of the horizontal circulation in the stratosphere and troposphere of the Northern Hemisphere (NH) is compared by using various approaches. Spatial degrees of freedom (dof) on different time scales were derived. Modes of variability were computed in geopotential height fields at the tropospheric and stratospheric pressure levels by applying multivariate statistical approaches. Features of the spatial and temporal variability of the winterly zonal wind were studied with the help of recurrence and persistence analyses. The geopotential height and zonally-averaged zonal wind at the 50-, 500- and 1000-hPa level are used to investigate the behavior of the horizontal circulation in the lower stratosphere, mid-troposphere and at the near surface level, respectively. It is illustrated that the features of the variability of the horizontal circulation are very similar in the mid-troposphere and at the near surface level. Due to the filtering of tropospheric disturbances by the stratospheric and upper tropospheric zonal mean flow, the variability of the stratospheric circulation exhibits less spatial complexity than the circulation at tropospheric pressure levels. There exist enormous differences in the number of degrees of freedom (or free variability modes) between both atmospheric layers. Results of the analyses clearly show that the concept of a zonally symmetric AO with a simple structure in the troposphere similar to the one in the stratosphere is not valid. It is concluded that the spatially filtered climate change signal can be detected earlier in the stratosphere than in the mid-troposphere or at the near surface level. Received June 28, 2000/Revised March 10, 2001     

20世纪90年代末东亚冬季风年代际变化特征及其内动力成因

为纪念陶诗言先生对东亚冬季风研究的杰出贡献,本文利用我国测站、NCEP/NCAR和ERA-40/ERA-Interim再分析资料分析了我国冬季气温和东亚冬季风在20世纪90年代末所发生的年代际跃变特征及其内动力成因。分析结果表明:从20世纪90年代末之后,我国冬季气温和东亚冬季风发生了明显的年代际跃变。从1999年之后,随着东亚冬季风从偏弱变偏强,我国冬季气温变化从全国一致变化型变成南北振荡型（即北冷南暖型）,并由于从1999年之后我国北方冬季气温从偏高变成偏低,故冬季低温雪暴冰冻灾害频繁发生,同时,我国冬季气温和东亚冬季风年际变化在此时期从以往3～4 a周期年际变化变成2～8 a周期;并且,结果还表明了东亚冬季风此次年代际变化是由于西伯利亚高压和阿留申低压的加强所致。本文还从北极涛动（AO）和北半球准定常行星波活动的动力理论进一步讨论了此次东亚冬季风年代际跃变的内动力成因及其机理,结果表明:从20世纪90年代末之后,北半球冬季准定常行星波在高纬地区沿极地波导传播到平流层加强,而沿低纬波导传播到副热带对流层上层减弱,这造成了行星波E-P通量在高纬度地区对流层和平流层辐合加强,而在副热带地区对流层中、上层辐散加强,因而导致了北半球高纬度地区从对流层到平流层纬向平均纬向流和欧亚上空极锋急流减弱,而副热带急流加强,这造成了AO减弱和东亚冬季风加强。     

On the Interrelation between Spring Bihemispheric Circulations at Middle and High Latitudes

Bihemispheric atmospheric interaction and teleconnection allow us to deepen our understanding of large-scale climate and weather variability. This study uses 1979-2017 spring NCEP reanalysis to show that there is interrelation between bihemispheric circulations at the extratropics. This is regarded as a significant negative correlation between the Antarctic and the Arctic regional surface air pressure anomalies, which is induced by interhemispheric oscillation (IHO) of the atmospheric mass. The spatial pattern of IHO is characterized by antiphase extratropical airmass anomalies and geopotential height anomalies from the troposphere to stratosphere between the Southern and Northern Hemisphere. IHO is closely related to stronger bihemispheric low-frequency signals such as Antarctic Oscillation and Arctic Oscillation,thereby demonstrating that IHO can be interpreted as a tie in linking these two dominant extratropical circulations of both hemispheres. IHO is associated with a strong meridional teleconnection in zonal winds from the middle-high troposphere to the lower stratosphere, with the wind anomalies in the form of alternate positive-negative wavy bands extending from the Antarctic to Arctic region, which act as a possible approach to interactions between the bihemispheric atmospheric mass. It is argued that IHO-related omega angular momentum anomalies led by the extratropical atmosphere cause the meridional teleconnection of relative angular momenta, thereby giving rise to the zonal wind anomalies. The modeling of GFDL and UKMO as components of the CMIP5 project have been verified, achieving the related IHO structure shown in the present paper.     

夏季青藏高原位势高度场的长期振荡与气候变化

利用北半球５００ｈＰａ月平均位势高度场资料，揭示了夏季（６—８月）青藏高原位势高度场的长期振荡及其与两大洋副热带环流的相互联系。并分析了这种长期变化对全球和中国气候的影响。