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。     

冬季北极涛动异常对北太平洋风暴轴的可能影响

基于美国国家海洋和大气局气候预测中心公报的北极涛动（Arctic Oscillation,AO）指数逐月数据以及美国国家环境预报中心和大气研究中心的1986—2017年逐日再分析资料等,运用回归和合成分析等方法,分析了北极涛动与北太平洋地区风暴轴的时间演变特征、两者之间的联系及AO异常影响风暴轴的可能机制。结果表明：1）风暴轴经度指数与纬度指数有显著正相关性,两者具有同步变化的特征,而这两者与风暴轴强度指数都呈负相关,但不显著。AO指数与北太平洋风暴轴强度呈显著正相关,且AO指数与风暴轴经度、纬度指数也呈正相关,但并不显著。2）在北极涛动强正（负）位相年份,风暴轴区域天气尺度滤波方差强（弱）、500 hPa高度场上东亚大槽减弱（加深）、急流偏北偏强（偏南偏弱）、扰动动能增强（减弱）、斜压性增强（减弱）。可能影响机制是,异常变化的AO影响东亚大槽,改变急流强度,使斜压性发生变化,进而对风暴轴产生影响。     

春季北大西洋三极型海温异常变化及其与NAO和ENSO的联系

利用1951—2016年HadISST逐月海表温度(Sea Surface Temperature,SST)资料,NCEP/NCAR再分析资料以及1958—2016年美国伍兹霍尔海洋研究所(Woods Hole Oceanographic Institution,WHOI)提供的OAFlux数据集,运用经验正交函数分解(Empirical Orthogonal Function,EOF)和偏相关分析等统计方法,研究了春季北大西洋海温异常的主要特征及其与春季NAO和前期冬季ENSO联系。结果表明:春季北大西洋海温异常EOF的第一模态是自北而南出现的三极结构的海温距平型,其方差贡献率为35.7%。春季北大西洋三极型海温异常的形成主要受到春季NAO主导作用,还受到前期冬季热带中东太平洋海温异常的影响。消除前期冬季Niňo3.4的影响后,春季北大西洋三极型海温异常指数与同期北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation,NAO)指数的偏相关系数分别为0.50,通过了99%置信度水平的显著性检验。消除春季NAO的影响后,春季北大西洋三极型海温异常指数与前期冬季Niňo3.4指数的偏相关系数为-0.26,通过了95%信度水平的显著性检验。春季NAO正(负)位相引起的海表风场和海表湍流热通量的异常,进而激发出正(负)位相的北大西洋三极型海温异常。前期冬季ENSO事件可以引起春季大气环流异常和热带外海温异常,进而调制春季NAO对北大西洋三极型海温异常的影响。     

冬季北大西洋风暴轴异常对我国寒潮活动的可能影响

基于1961~2011年国家气象信息中心整编的566站逐日平均温度资料以及NCEP/NCAR(美国环境预报中心和国家大气研究中心)的逐日再分析资料等,利用奇异值分解(SVD)等方法,首先分析了年际尺度上冬季北大西洋风暴轴与同期我国寒潮频次的联系。发现,北大西洋风暴轴位置异常与我国寒潮频次变化存在显著的相关关系,即当在40°W以西风暴轴较气候平均位置偏北(偏南)和在40°W以东风暴轴较气候平均位置偏东北(偏西南)时,同期我国大部分地区的寒潮频次异常偏少(偏多),而其强度异常与我国寒潮频次变化的年际关系并不显著。进一步的分析结果表明,风暴轴位置的改变会引起天气尺度瞬变涡动的传播出现异常,而这种传播异常既可以直接影响我国寒潮活动,也可以通过其反馈作用影响大气环流来间接影响我国的寒潮活动。具体的可能影响过程如下:当风暴轴偏东北(偏西南)时,其离亚洲西风急流的位置较远(较近),不利(有利)于将北大西洋上强的瞬变涡动通过亚洲西风急流波导直接传播到我国地区;此时,北大西洋西风急流偏北(偏南),相应地北大西洋涛动(NAO)出现正(负)位相异常,而传播到下游的瞬变涡动通过动力反馈作用,可使得高纬西风加速(减速),极涡加深收缩(减弱扩张),冷空气禁锢在极地不易(容易)南下,而中纬西风则减速(加速),经向环流加强(减弱),从而引起西伯利亚低层冷堆温度增高(降低);最后,所有上述环流异常形势以及瞬变波的异常传播可最终导致我国的寒潮活动频次减少(增多)。     

冬季海温异常影响北太平洋东部型风暴轴的数值试验

最强中心出现在160°W以东地区的北太平洋风暴轴定义为东部型风暴轴,针对这种短期气候异常现象,利用大气环流模式CAM 3.0对其可能的外部强迫机制进行探究,主要关注赤道中东部和黑潮海区正、负海温异常的影响。结果表明:赤道海区负海温异常对风暴轴东部型的出现有重要意义,当该海区海温为负(正)异常且黑潮海区海温正(负)异常时,风暴轴表现为东(西)部型。风暴轴在中、东太平洋地区低层斜压性的增强,是太平洋风暴轴中、东端天气尺度涡动活动增强的主要原因。当出现东部型时,北太平洋东部区域急流强度增强,涡动斜压增长偏强,涡动的热量和动量输送加强,风暴轴和急流的反馈也加强;反之亦然。冬季赤道海区引起的大气响应范围较广,而黑潮海区的影响较为局地,尤其是黑潮海区的负异常主要影响风暴轴入口区域,表现为关于海温异常强迫的符号非对称性。     

冬季格陵兰以东区域海冰异常对北大西洋风暴轴的影响研究

对45个冬季格陵兰以东区域海冰密集度场与北大西洋500hPa位势高度滤波方差作奇异值(SVD)分析,结果表明:SVD得到的第一对空间典型分布反映了冬季格陵兰以东区域海冰异常与风暴轴的异常变化密切相关。进一步的合成分析显示,海冰异常使得大气环流调整,气压梯度、天气尺度涡动热量的经向通量和垂直通量、局地斜压性均发生改变,从而对风暴轴的强度及中心的位移造成影响。     

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。     

一种风暴轴逐日监测的方法及应用

提出了一种风暴轴逐日监测的方法, 可以获得逐日的风暴轴变化情况。并且采用了动态阈值定义了新的风暴轴的强度和位置指数, 从而可以有效对比不同层次、不同区域、不同时间的风暴轴变化情况。利用NCEP/NCAR再分析资料进行了监测结果的诊断分析。结果表明:各气象要素滤波结果都能表现出两个风暴轴主体, 但有位置上的差别。同时可以利用逐日检测的结果求得逐候、逐月的风暴轴监测结果。在不同高度的风暴轴中, 250~300 hPa高度的风暴轴强度最大, 850 hPa有极小值出现, 各层风暴轴强度呈现准正压结构。采用500 hPa高度场风暴轴监测结果做代表, 讨论了两大洋上各自的风暴轴偏强/偏弱、偏东/偏西、偏北/偏南时同期大气环流的500 hPa高度场和300 hPa纬向风场差异。     

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。     

冬季黑潮区域海温异常对北太平洋风暴轴的影响

该文对15个冬季北太平洋风暴轴区域500 hPa天气尺度滤波位势高度方差与北太平洋海表温度进行了奇异值分解 (SVD) 分析.结果表明, SVD得到的第二对空间典型分布反映了冬季黑潮区域的海温异常与风暴轴的异常变化密切相关.进一步的分析显示, 黑潮区域海温异常可能通过加强风暴轴入口区的斜压性, 激发或加强500 hPa高度场上的WP遥相关型, 主要影响冬季北太平洋风暴轴在入口区的强度变化和南北位移.     

北大西洋海温异常影响中东急流的观测分析和数值试验

采用1968—2009年的NOAA Extended Reconstructed Sea Surface Temperature(ERSST)资料、逐月NCEP/NCAR再分析资料以及改进的NCAR CAM3模式,分析了前期12月北大西洋海温异常对1月中东急流的影响。观测分析和数值试验结果表明,前期12月北大西洋关键区海温异常对1月中东急流具有重要影响,当前期12月北大西洋关键区海温为正（负）异常时,1月中东急流减弱（加强）;前期12月北大西洋关键区海温异常通过激发下游地区的异常大气波列来影响1月中东急流的变化。      

2015/2016年冬季北极涛动异常活动及其对我国气温的影响

2015/2016年冬季,北极涛动(AO)季内变化特征明显。2015年12月,AO处在正位相,而到了2016年1月AO突然由正位相转为强负位相,导致极区冷空气南下,北半球和我国气温由暖转冷。AO由正位相转为负位相主要与北大西洋强风暴活动有关。2015年12月末,北大西洋上空有一气旋式强风暴出现,强风暴东侧西南气流将北大西洋上空大量的暖湿空气带向北极,导致北极气温迅速升高。北极气温迅速升高使得极区的位势高度场由偏低转为偏高,是导致AO由12月的正位相转为1月负位相的主要原因。     

冬季北大西洋风暴轴的变化及其对西伯利亚高压的影响

采用1948—2010年NCEP/NCAR逐日再分析资料,计算大西洋风暴轴特征指数和西伯利亚高压特征指数,研究了冬季北大西洋风暴轴的变化及其对西伯利亚高压的影响。结果表明:风暴轴经度指数与西伯利亚高压纬度、强度、面积指数显著相关。风暴轴经度指数正异常月,大西洋天气尺度瞬变波活动向东扩展到欧洲乃至乌拉尔山以东,西伯利亚及东亚地区反气旋式波破碎加强,瞬变波对月平均气流的反馈作用使得欧亚大陆上空50°N以北西风加速、50°N以南西风减速;中纬度经向环流加强,气候态的西欧沿岸脊、欧洲东部槽、青藏高原北部脊均加强,东亚大槽减弱东移;在西伯利亚地区,暖空气向北输送加强,来自极区的冷空气南下减弱,致使西伯利亚及东亚地区温度偏高,西伯利亚高压面积减少、纬度偏南、强度减弱。风暴轴经度指数负异常月的情况则反之。     

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。     

“暖北极—冷欧亚”模态的年代际变化及其与北大西洋海温的联系

本文利用美国航空航天局戈达德空间研究所地表气温、美国国家海洋和大气局—环境科学协作研究所20世纪再分析资料,以及第六次国际耦合模式比较计划的多模式Historical试验结果,去除外强迫影响后,研究1910/1911～2019/2020年冬季（DJF）欧亚中高纬地区“暖北极—冷欧亚”（WACE）模态的年代际变化特征及其物理原因。结果表明:WACE具有显著的年代际变化,在WACE正位相时期,乌拉尔阻塞发生频率偏高,有利于热量向极区输送使得极区出现异常暖平流,且水汽向极区输送导致极区水汽辐合,向下长波辐射增加,另外对流活动增强导致潜热释放,进而极区温度上升。与此同时,极涡及欧亚大陆西风减弱且乌拉尔阻塞发生频率偏高,有利于冷空气侵袭欧亚大陆造成异常冷平流,且欧亚地区水汽辐散,向下长波辐射减少,对流活动减弱进而潜热释放减少,导致欧亚大陆温度降低。最后利用CAM3.0大气环流模式模拟了北大西洋海温正异常对WACE的影响,模式结果与统计结果相符合,进一步说明了北大西洋海温正异常可以通过强迫低层与高层大气环流异常,导致极区水汽辐合,欧亚大陆水汽辐散,进而影响WACE的年代际变化。     

冬季赤道西太平洋海温异常对太平洋风暴轴影响的数值试验

采用Ｔ４２Ｌ９大气环流模式,研究了冬季赤道西太平洋海表温度异常对太平洋风暴轴的影响。结果表明：冬季赤道西太洋正ＳＳＴＡ能显著增强风暴轴区域在气尺度扰动的强度,与风暴轴发展有关的涡动热量通量和动量通量也在风暴轴的入口区得的增强。     

北大西洋热带气旋生成频数变化对海温异常响应特征的研究

利用美国国家飓风中心(National Hurricane Center,NHC)的Best Track Data (HURDAT2)数据和美国国家预报中心/大气研究中心(NCEP/NCAR)大气再分析资料,运用广义平衡反馈分析方法(GEFA),研究多个海盆主要海表温度异常(SSTA)模对北大西洋热带气旋生成频数(TCGN)气候变率的强迫作用。(1)北大西洋TCGN的气候变率对北大西洋三极型模态(NA1)和太平洋mega-ENSO式模态(P1)具有显著的响应,对应的响应振幅分别为0.45和-0.28,即当NA1(P1)的时间系数增加(减小)1个标准差时,北大西洋TCGN将增加0.45(0.28)个。(2) TCGN对NA1、P1的气候变率、年代际变率有显著响应,但对年际变率响应不显著。(3)北大西洋TCGN在1995年前后发生异常变化,从平均8个增加到12.6个,NA1、P1对1995年后的TCGN异常增加的贡献分别为27%、45%。(4) NA1对北大西洋TC环境场的强迫中心多集中在20°N附近,而P1的多位于20°N以南以及墨西哥湾地区,为TC生成提供有利的动力和热力条件。     

北大西洋涛动对新疆夏季降水异常的影响

利用1961~2003年NCEP/NCAR再分析和新疆75个气象站月降水资料,分析新疆夏季降水与沿西亚副热带西风急流Rossby波和北大西洋涛动（NAO）的关系,研究表明,夏季斯堪的纳维亚半岛-中欧—西亚和中亚的准静止波传播是联系NAO与沿西亚副热带西风急流波活动和新疆夏季降水变化的纽带。通过波作用量的动力学诊断分析,讨论了夏季NAO正、负位相异常年准静止波传播特征和差异,夏季NAO强弱活动影响斯堪的纳维亚半岛EP通量散度强度和位置异常,该区EP通量散度强度和位置异常导致强辐散中心在中高纬向东传播的准静止波和沿副热带西风急流准静止波活动变化,从而影响新疆夏季降水。     

海温异常对东亚夏季风影响机理的研究进展

利用湖北省梅雨监测资料、国家气候中心新百项指数和NCEP/NCAR环流资料,分析了2020年湖北梅雨异常特征及其成因。结果表明：（1）2020年湖北梅雨持续时间异常长,为54 d,仅次于1996年;梅雨量异常多、强度强、雨日率大,均为1961年以来第1位。（2）高空西风急流、副热带高压、夏季风系统的冬夏调整季节性进程早,是造成湖北入梅早的主要原因。西风急流和副热带高压在7月下旬北跳,较常年时间偏晚,导致了出梅晚。入梅早、出梅晚,梅雨持续时间异常长。（3）在前冬El Niño事件、春夏热带印度洋海温偏暖和北大西洋三极子负位相的共同影响下,欧亚中高纬经向环流发展,冷空气活跃,副热带高压强且位置稳定,西侧水汽输送强,冷暖气流在长江中下游交汇,造成湖北省梅雨量异常偏多。

     

NCAR CAM3模式大气环流对日本东部附近海域海温异常的响应

使用NCAR CAM3.0大气环流模式,设计多组数值试验,研究了模式大气环流对初夏日本东部附近海域海温异常的响应。首先,在北太平洋中纬度选择异常海温区域,构造了假想的负海温异常,在5、6月份模式气候海温场上叠加该海温异常设计了敏感性试验。其次,在该试验的基础上,沿顺时针方向移动海温异常区域一个格点位置,其他条件不变,设计海温敏感区域变动后的系列试验;另外,通过改变加入模式中的海温异常强度,设计海温异常强度变化后的系列试验。最后,在把加入的海温异常变为正异常后,设计另一组试验。试验结果表明,模式能够较好地表现出初夏日本东部附近海域负海温异常引起的大气环流异常,欧亚中高纬纬向呈“＋、-”相间的波列结构。改变加入的负海温异常位置后,试验结果与对应的NCEP合成分析结果有较好的一致性,但是试验得到的大气环流异常分布并未随着加入的海温异常位置的有规律变化而发生同样的位置变动。模式中加入正的海温异常后,模式的试验结果不好。无论正负,模式中加入的海温异常增强后,试验得到的大气环流异常强度并未随着海温异常强度的增强而线性增强。