CAM3.0模式中北大西洋风暴轴对“三核型”海温异常的响应

为了探究冬季(12~2月)北大西洋地区风暴轴与海温异常的关系,利用伴随AO(Arctic Oscillation)出现的"三核型"海温异常对大气环流模式CAM3.0进行强迫,将模拟结果与NCEP/NCAR再分析资料做对比,发现CAM3.0在该SSTA强迫下可以再现伴随AO异常出现的风暴轴与急流异常,结论可概括为:海温正(负)异常时,北大西洋风暴轴增强(减弱),北美急流出口区向北(向南)摆动;"三核型"海温异常作为外强迫源,可能通过2种途径影响风暴轴的强度:首先通过热力作用改变中纬度低层大气斜压性来直接影响风暴轴,其次通过影响北美急流出口区的南北摆动来间接影响风暴轴;另外,海温正(负)异常可以增强(减弱)瞬变波与基本气流之间的正反馈效应。     

利用大气环流模式模拟北大西洋海温异常强迫响应

北大西洋地区的海温异常能够在多大程度上对大气产生影响,一直是一个有争议的问题。作者利用伴随北大西洋涛动出现的海温异常对大气环流模式CAM2.0.1进行强迫,考察了模式在冬季（12月、1月和2月）对三核型海温异常的响应。通过与欧洲中期天气预报中心提供的再分析资料的对比,发现该模式可以通过海温强迫在一定程度上再现具有北大西洋涛动特征的温度场和环流场。在北大西洋及其沿岸地区,模式模拟出了三核型的准正压响应,与经典的北大西洋涛动型大气异常是一致的。模式结果与北大西洋地区大气内部主导模态的差别主要体现在两个方面:一是异常中心位置多偏向于大洋上空,在陆地上的异常响应强度很弱;二是高纬地区对海温异常的响应不显著,没有强迫出与实际的大气模态相对应的异常中心,表明该地区海洋的反馈作用较弱。     

夏季北大西洋三极型海温异常与中国西南地区气温年际变化的联系

利用1951—2016年Hadley中心海温资料、NCEP/NCAR再分析资料和全国160站气温资料,研究了夏季北大西洋三极型海温异常与中国气温年际变化的联系及可能机制。结果表明,夏季北大西洋三极型海温异常与同期中国西南地区气温年际变化存在显著的负相关关系。夏季北大西洋“-+-”三极型海温异常激发的北半球中高纬欧亚遥相关波列,引起贝加尔湖地区位势高度升高,产生反气旋性环流异常,并引起东亚地区位势高度降低,产生气旋性环流异常。西南地区在对流层中下层位于贝加尔湖异常反气旋性环流的东部和东亚异常气旋性环流的西部,在两者的共同作用下,受异常偏北气流影响,有利于冷空气南下和堆积。与此同时,对流层高层的东亚副热带西风急流位置偏南,西南地区位于急流南侧的异常上升气流中。此种环流形势配置导致中国西南地区气温降低,反之亦然。     

西伯利亚高压强度与北大西洋海温异常的关系

利用NCEP/NCAR再分析资料和NOAA海温等资料,采用EOF、相关分析等方法,研究了西伯利亚高压(Siberian High,SH)强度和北大西洋海表温度(SST)的变化特征,揭示了二者的联系及其时空变化。结果表明:1)冬季SH在1960s中后期开始偏弱,2003年后略增强。2)各季北大西洋SST指数(全区平均SST的标准化距平)均在1960s中期后偏低,1990s末后偏高。北大西洋海温三极子位相由正转负的时间在春冬季(1970s初)晚于夏秋季(1960s初),而后均在1990s中期后进入正位相。3)各季偏高(低)的北大西洋SST指数和海温三极子正(负)位相均有利于冬季SH偏强(弱),但前者与SH的关系更显著,且冬季最强。北大西洋北部和西南部是影响SH强度的关键区,但SH对北部SST异常的响应范围在冬季最大,而对西南部的响应范围在夏季最大。4)当冬季大西洋SST指数异常偏高时,下游激发出的罗斯贝波列使乌拉尔山高压脊加强,使SH上空负相对涡度平流增大,高层辐合和低层辐散增强,整个对流层下沉气流深厚,促使SH增强,反之亦然。     

北大西洋涛动位相转换的数值研究

借助一个非线性准地转正压模型,模拟了基本西风气流的强弱、不同空间分布的天气尺度扰动涡对北大西洋涛动(NAO)位相转换的作用,以及大尺度双波地形对其的影响.通过一系列的对比试验发现,适当弱的基本西风气流有利于下游系统西退使NAO由正(负)位相转换为负(正)位相;振幅强、活动范围大的天气尺度扰动波是NAO由负位相转换为正位...     

春季欧亚大陆积雪主模态及其与北大西洋海温的关系

本文利用日本第二次全球大气再分析项目（JRA-55）提供的逐日积雪深度数据、欧洲中期天气预报中心（ECMWF）提供的全球再分析数据及Hadley海温数据分析了春季欧亚大陆积雪异常模态及其与北大西洋海温的遥相关关系,并通过模式模拟分析验证。结果表明:春季欧亚大陆雪深前两种模态差异显著,分别表现为东、西区域同向变化及反向变化两种非对称形态。其中,同期北大西洋“三极子型”海温模态与“马鞍型”海温模态分别与雪深第一、第二模态具有显著相关关系,这两种海温模态下对应的北半球中高纬波动作用通量分别呈丝绸之路（SRP）型和欧亚波列（EU）型两种传播特征,对中高纬西风气流的位置、强度产生了不同影响,进而对欧亚雪深分布产生遥相关作用。通过局地多尺度能量涡度分析法（Localized Multiscale Energy and Vorticity Analysis,简称MSE-VA）表明,北大西洋源区有自下向上的动能传输,另外,西风急流出口的平均动能转化增加,使得高层动能累积并向外辐散,从而对下游产生遥相关作用。通过CAM5.1模式模拟研究了北大西洋“三极子型”和“马鞍型”两种海温模态下的波作用通量传播特征,结果较好地验证了来自北大西洋的波动作用通量传播呈“SRP”型和“EU”型两种特征,对应的降雪分布表明两种模态下气候场要素的变化与对应雪深模态的分布特征一致。     

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。     

春季热带大西洋北部海温异常与我国盛夏降水异常的联系

利用Hadley中心的海表温度资料、全国160站降水资料以及NCEP-DOE AMIP-Ⅱ再分析等资料,运用多种统计分析方法,分析了春季（3—5月）热带大西洋北部海温异常变化特征及其对我国盛夏（7、8月）降水异常的影响。结果表明:春季热带大西洋北部模态是热带大西洋海温异常REOF分解的第一模态,方差贡献率为34.5%。热带大西洋北部海温异常年际变率具有明显的季节差异,其中春季最为显著。春季热带大西洋北部海温异常与我国盛夏华中地区降水异常有显著的正相关关系。进一步分析表明,春季热带大西洋北部的海温正异常可以激发出Rossby波,在热带大西洋西北部和热带东太平洋北部产生异常的气旋式环流,引起上述区域的对流层低层（上层）大气出现异常辐合（辐散）,并通过热带大西洋北部地区和太平洋之间的垂直环流异常,在中太平洋地区对流层低层大气出现异常辐散,有利于西北太平洋地区产生异常反气旋式环流,异常反气旋西北侧的西南气流有利于水汽输送至我国华中地区,使该地区降水偏多。且这种影响可以通过热带大西洋北部海温异常的持续性,从春季一直持续到盛夏。      

平流层极涡振荡与ENSO热带海温异常的时空联系

利用一个在等熵位涡坐标下建立的平流层极涡振荡(Polar Vortex Oscillation)指数,以及NCEP/NCAR再分析资料和NOAA_OISST_V2逐周海温资料,研究了月尺度以上热带海温异常与平流层极涡振荡的时间和空间联系,通过相关、回归以及合成分析发现,两者的显著联系主要发生在3—5年的年际时间尺度上,表现为ENSO型海温异常与极涡振荡年际趋势之间的时空关联。首先,两者的关系并不表现在同期相关上,而是当ENSO海温异常超前极涡振荡年际异常9—11个月时,两者具有最大的负相关关系。当前期热带海温偏暖(冷)时,9—11个月后极涡振荡的年际趋势为负(正)的异常,即极涡偏弱(强)或负(正)振荡事件为主。统计合成结果进一步证实,前期热带ENSO海温暖事件背景下,后期极涡振荡负事件的发生比正事件更多,强度更强,持续时间也更长,反之亦然;另外,前期热带ENSO暖海温背景下,极涡正、负振荡事件的发生均更频繁。研究连接热带ENSO海温异常与平流层极涡振荡的过程发现,热带海温异常不仅可在热带地区引起大气温度的异常响应,而且可以引发从平流层热带到极区的一系列温度异常同时向下和向极区的传播过程,并与9—11个月以后发生在极区的极涡振荡异常相联系。表明与热带海温异常相联系的极涡振荡年际异常,可能存在与季节尺度极涡振荡中类似的全球质量环流的异常变化。     

Impact of the North Atlantic sea surface temperature tripole on the East Asian summer monsoon

A strong (weak) East Asian summer monsoon (EASM) is usually concurrent with the tripole pattern of North Atlantic SST anomalies on the interannual timescale during summer, which has positive (negative) SST anomalies in the northwestern North Atlantic and negative (positive) SST anomalies in the subpolar and tropical ocean. The mechanisms responsible for this linkage are diagnosed in the present study. It is shown that a barotropic wave-train pattern occurring over the Atlantic-Eurasia region likely acts as a link between the EASM and the SST tripole during summer. This wave-train pattern is concurrent with geopotential height anomalies over the Ural Mountains, which has a substantial effect on the EASM. Diagnosis based on observations and linear dynamical model results reveals that the mechanism for maintaining the wave-train pattern involves both the anomalous diabatic heating and synoptic eddy-vorticity forcing. Since the North Atlantic SST tripole is closely coupled with the North Atlantic Oscillation (NAO), the relationships between these two factors and the EASM are also examined. It is found that the connection of the EASM with the summer SST tripole is sensitive to the meridional location of the tripole, which is characterized by large seasonal variations due to the north-south movement of the activity centers of the NAO. The SST tripole that has a strong relationship with the EASM appears to be closely coupled with the NAO in the previous spring rather than in the simultaneous summer.     

近60年华北春季干旱特征及其与北大西洋海表温度的关系

利用观测资料统计分析和CAM5.3数值模拟相结合的方法,基于标准化降水蒸散指数(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI),分析了1955-2018年华北地区春季干旱特征,并重点探讨了对北大西洋产生的影响.华北春季干旱的主要空间分布型为全区一致型,...     

热带海表温度及北大西洋涛动与ENSO事件的相关分析

采用交叉小波变换方法分析了热带SST、NAO与ENSO事件之间的多时间尺度相关特征。结果表明,热带SST与ENSO事件在2～7年和30年以上尺度的周期振荡上存在着显著的同位相正相关,其中以4年尺度周期的方差贡献最大,时域中热带SST冷暖变化的时间与ENSO冷暖交替的时间一一对应;北大西洋SST与ENSO事件在4年和15年尺度周期振荡上表现为方差贡献较大的正相关;NAO与ENSO事件相关较弱,在2～7年和10～24年尺度上表现为负相关,而25年以上尺度为正相关,时域中NAO强弱变化与ENSO冷暖交替的对应关系并不完全一致。     

北太平洋海温Victoria模态与ENSO年际关系的非对称特征

利用美国NOAA海表温度资料,重点分析了北太平洋海温异常EOF第二模态Victoria模态(VM)与ENSO年际关系的非对称特征.研究发现,VM和ENSO在年代际尺度上相关性较弱,而在年际尺度上有很好的相关关系,两者同期为负相关,VM超前1 a为正相关.然而,正负VM事件与ENSO冷暖位相在年际尺度上的联系存在着一定的...     

北大西洋海表面温度锋与大西洋风暴路径及大气大尺度异常的关系研究

运用NCEP、Had ISST再分析资料,北大西洋涛动(NAO)月指数序列,探讨了海表面温度(SST)锋的时空变化特征,揭示了北大西洋SST锋的主要气候变率及其与北大西洋风暴轴和大气大尺度环流异常的关系。研究表明,剔除季节循环后的SST锋显示其最主要变率为锋区的向南/北摆动,其对应的风暴轴发生相应的西南/东北移动,并同时在北大西洋上空对应一个跨海盆的位势高度负/正异常。这种环流异常可引起高纬度海平面气压(SLP)的反气旋/气旋式环流,这有利于增强海表面风对大洋副极地环流的负/正涡度异常输入,进一步减弱/加强了高纬度上层冷水向SST锋区的输送。北大西洋SST锋的另一主要模态为锋区在南北方向的分支和合并。当SST锋异常在40°N~45°N以单支形式加强时,对流层位势高度场和SLP南北梯度增大,对应NAO正位相,此时风暴轴也为单支型;同时SLP异常场促使冰岛附近具有气旋式风应力异常,亚速尔地区具有反气旋式风应力异常,导致副极地环流和副热带环流均加强,增加高纬度冷水和低纬度暖水在锋区的输入,从而进一步增强40°N~45°N附近的SST锋区。当SST锋异常在40°N~45°N纬带南北发生分支时,风暴轴也同时出现北强南弱的南北分支,此时对应了负位相NAO,来自北南的冷暖水输送减弱,SST锋也发生减弱分支。此外,位于大洋内区的SST锋东端也存在一个偶极子型的模态,尽管其解释方差相对较小,但仍与偏东北的NAO型具有显著相关。谱分析表明,北大西洋SST锋与风暴轴具有1~3年和年代际共振,与中高纬大尺度环流也存在周期1~3年的共变信号,其中准一年共变信号体现了SST锋和NAO之间的对应关系。进一步诊断分析表明,SST锋上空的近表层大气斜压性和经向温度梯度随着SST锋的增强而增强,经向热通量的向北输送导致涡动有效位能的增加;海洋的非绝热加热产生更强的垂直热量通量,这有利于涡动有效位能释放成为涡动动能,从而表现为该区域的风暴轴加强,并进一步影响风暴轴中的天气尺度扰动与下游大尺度环流异常的相互作用过程。     

冬季北大西洋涛动与中国北方极端低温相关性的年代际变化

本文基于中国地面气温日值网格数据集（V2.0）,采用滑动相关和相关分析等方法,揭示了冬季北大西洋涛动（NAO）对中国北方极端低温影响的事实,进一步证实了东北后冬（1、2月）冷日（夜）与同期NAO相关性的年代际变化。研究发现:在20世纪80年代中期前,东北后冬冷日（夜）频发,与NAO的相关性较好,而在80年代中期后东北后冬冷日（夜）少发,与NAO的相关性减弱。其中,1月在1969~1988阶段,东北冷日（夜）与NAO的相关性最好,相关区域显著,相关系数可达-0.68（-0.66）,而在1989~2009阶段二者相关性最弱,相关区域不显著。进一步分析发现,在不同年代际背景下,NAO引起的大气环流异常是导致东北1月冷日（夜）与1月NAO相关性年代际变化的重要原因。相关性较好的年代,NAO引起的环流异常有利于冷涡等天气系统维持在贝加尔湖到东北一带,使东北地区气温偏低,冷日（夜）频发;相关性较弱的年代,不利于冷空气南下,使东北地区气温偏高,冷日（夜）少发。     

春季格陵兰海冰变化及与北大西洋涛动和北极涛动的联系

采用长序列(1903—1994年)GISST海冰面积和海表温度(SST)资料、NCEP／NCAR再分析资料等，分析了春季格陵兰海冰面积年代际变化特征及其同北大西洋海气变化的关系。结果表明：春季格陵兰海冰面积变化的主要特征可由海冰变化的EOF第一主分量表示。春季海冰变化与前冬NAO／AO以及冬春1—4月份北大西洋墨西哥湾流区SST具有明显的反相变化趋势，且均具有准60a的周期变化特征。海洋向大气的热量输送(感热、潜热)受到海冰变化的显著影响(冰多输送少)。海冰作为大气的冷源，也明显影响地表净辐射的变化。进而，春季海冰变化可影响后期的大气环流变化：海冰面积偏大(偏小)，冰岛低压和阿留申低压偏弱(偏强)，夏季北非和亚洲大陆的SLP明显偏低(偏高)，两大陆夏季热低压加强(减弱)。     

春季东大西洋/西俄罗斯遥相关型异常与我国气温异常的联系

利用1979—2017年逐月中国160站气温资料和美国NCEP-DOE再分析资料,研究了春季东大西洋/西俄罗斯(East Atlantic/West Russia, EATL/WRUS)遥相关型异常与我国气温异常的联系,并初步探讨了这一联系的可能物理机制。研究结果表明,春季EATL/WRUS遥相关型正(负)位相表现为北大西洋至欧亚大陆中高纬地区的500 hPa位势高度场“+-+”(“-+-”)纬向波列,该波列的三个主要活动中心分别位于西欧、乌拉尔山附近和贝加尔湖南侧。在垂直方向上,春季EATL/WRUS遥相关型具有明显的相当正压结构。春季EATL/WRUS遥相关型异常与我国西北地区春季气温异常具有显著的正相关关系。当春季EATL/WRUS遥相关型处于正(负)位相年,乌拉尔山附近地区为负(正)位势高度异常和气旋性(反气旋性)环流异常,贝加尔湖南侧地区出现正(负)位势高度异常和反气旋性(气旋性)环流异常,使得影响我国西北地区的冷空气减弱(加强),从而导致我国西北地区春季气温异常升高(降低)。