南半球10 hPa极地涡旋的多尺度变化特征分析

利用NCEP/NCAR 10 hPa月平均高度场资料, 计算了1948\_2007年南半球10 hPa极地涡旋的强度指数P、 面积指数S和中心位置指数(λc, φc)。用它们分析了南半球10 hPa极地涡旋的季节变化、 年际异常及其可能成因, 分析了10 hPa极地涡旋强度与南极涛动的关系。结果表明： (1) 南半球10 hPa极区12月~1月受反气旋控制, 3~10月受气旋控制, 2月、 11月为环流转换季节。(2) 1(7)月反气旋(气旋)指数P\, S均在1970年代后期发生了显著的跃变; 跃变前反气旋(气旋)由极弱(极强)振荡地增强(减弱)至接近气候均值, 跃变后反气旋由极强振荡趋于气候均值, 气旋在偏弱的状态下振荡。(3) 1月反气旋中心位置存在显著的年代际变化, 而7月气旋中心位置的年际变化明显。(4) 臭氧异常可引起南半球10 hPa 1月极地反气旋年际异常(正相关), 但与7月极地气旋异常无关。(5) 1月、 7月极地涡旋强度指数P与南极涛动指数(AAOI)呈显著的负相关, 可由P来表征AAOI。     

近百年来的南极绕极波变化特征

采用2011年发布的20世纪全球大气环流再分析资料,结合长期观测序列,分析了百余年来大气中南极绕极波的强弱变化和传播过程。结果显示,南极绕极波有显著的年代际变化,在1940~1960年和1980~2000年附近出现和活跃,而在其他年代消失。东南太平洋南极绕极波振幅最强,该区域的海气耦合过程可能是绕极波信号增强的关键之一。初步揭示了百年来南极绕极波和南极涛动的对应关系,偏强的南极涛动有利于南极绕极波的出现,但并非决定绕极波产生的唯一因素。     

北极涛动和南极涛动的年变化特征

北极涛动(Arctic Oscillation,简称AO)和南极涛动(Antarctic Oscillation,简称AAO)分别用于描述北半球和南半球热带外气候变率的主要模态,它们分别是北半球和南半球中纬度和高纬度之间气压变化的跷跷板结构.作者利用1958年1月～1999年12月的NCEP/NCAR全球再分析月平均资料、北极涛动指数IAO和南极涛动指数IAAO来研究AO和AAO的年变化特征以及AO和AAO与纬向平均的月平均各要素场的相关系数随纬度和月份的变化规律.     

南极气候变化的季节特征

利用1962～1993年南极16站地面至30hPa10个标准层上月平均温度、南极臭氧总量以及2800MHz太阳通量资料,采用最大熵功率谱方法,研究了各季中月南极诸高度气候的线性趋势变化、熵谱特征及其可能原因。结果显示:南极平流层气温(臭氧总量)在各月均呈变冷(减少)趋势,10月100hPa气温(臭氧总量)10年的变率最大达-1.8℃(-14.8%).南极对流层气温(2800MHz太阳通量)在各月均呈显著增暖(增强)趋势,1月500hPa气温(太阳通量)10年的变率高达0.4℃(22.1个单位).各月太阳通量均呈显著的3年及9～10年甚低频-年代际周期变化。而对流层850～500hPa气温变化熵谱仅在7月具有相应的特征,南极对流层顶气温在各季中月均无显著的趋势变化及周期性变化。提出南极春季臭氧的显著减少及夏季太阳通量的增强是平流层显著变冷及对流层变暖的重要原因;南极夏季对流层显著增暖导致南极大陆边缘部分冰雪消融,可能是近年来全球海平面升高的重要原因之一。     

南极涛动异常与2006年我国东部夏季降水形势预测

南极涛动是南半球中高纬主要的气候变率模态，反映了南半球中高纬大气环流反位相的变化及质量交换的实质。南极涛动强，表示南半球绕极低压加深和中高纬西风加强弱，反之亦然。作者近年的研究表明了南极涛动是一个重要的气候因子，能够影响东亚的冬春气候和我国北方的沙尘频次以及华北、长江中下游的夏季降水。根据作者已有的研究结果，可以依据3—4月南极涛动指数的变化，尝试预测2006年我国东部夏季降水形势，进而考察南极涛动异常信号对我国东部夏季降水形势的预测价值。     

基于IPCC AR4耦合模式的南极涛动和北极涛动的模拟及未来变化预估

评估了参加政府间气候变化委员会第4次评估报告(IPCCAR4)的耦合模式对南极涛动和北极涛动的模拟能力。分析了24个模式对1970—1999年南极涛动和北极涛动的模拟效能,并与两套再分析资料ERA-40和NCEP-1进行了对比分析。结果表明,模式的模拟能力具有一定的季节依赖性,冬季模拟能力最好。大多数模式对南极涛动空间结构和时间序列趋势的模拟好于北极涛动。根据Taylor图选出具有较好模拟能力的模式并做集合分析,发现经过选取的模式集合可以明显改善模式的模拟能力。分析SRESA1B情景下的南极涛动和北极涛动的模拟、预估结果表明:1970—2099年,南极涛动和北极涛动指数均呈持续上升趋势,北极涛动指数增长略显平稳。相对于1970—1999年、2060—2089年两半球的海平面气压场均呈现极区气压降低、中纬度气压升高的形态,同样表明南、北极涛动在后一时段更强。因此,在气候变暖背景下,南、北极涛动将持续增强,21世纪中期的臭氧恢复可能不会显著影响这种趋势。     

异常弱的南极涛动和2006年我国春季沙尘气候形势

从2005/2006年冬季南极涛动的变异出发,讨论2006年我国春季沙尘气候形势,进而考察南极涛动对我国沙尘气候的预测能力。2005/2006年冬季南极涛动非常弱,在两半球间的经向遥相关的作用下,出现南半球中高纬西风减弱,欧亚西风减弱,欧亚冷空气活跃,西伯利亚、蒙古国、我国北方大部地区(包括华北)2005年冬季12月气温较多年平均偏低,这样就造成沙源地区的冻土层增厚,春季回暖后,沙尘物质条件丰富。因此,在弱南极涛动的影响下,春季蒙古气旋活跃,地面大风增加,我国华北地区春季沙尘天气频繁发生。     

南极海冰涛动与ENSO的关系

对近30年南极海冰密集度资料的EOF和SVD分析，发现南极地区在罗斯海外围和别林斯高晋海的海冰密集度场存在着“翘翘板”的变化特征，并与ENSO有密切联系。由此定义两个海冰关键区的差值为南极海冰涛动指数（ASOI），ASOI超前SOI和Nino3指数2个月时，其正、负相关系数达到最大，并通过α=0.001的信度检验。ASOI高、低指数阶段对应的南半球海平面气温、气压场和风场的合成分析表明，海冰关键区的异常变化可能引起温度、气压、风场的响应而影响南太平洋的洋流，进而对ENSO的发生、发展产生影响。     

南极涛动和北半球大气环流异常的联系

使用ECMWF逐日再分析资料分析研究了北半球冬季南极涛动和北半球大气环流异常之间的联系。资料的分析结果表明, 南极涛动和滞后其25～40天位于北大西洋地区的一个弱的类似于北大西洋涛动 (North Atlantic Oscillation, 简称NAO) 的偶极子模态, 以及伴随这一偶极子模态而出现的北半球中纬度纬向风异常之间存在着统计上的联系。处于正 (负) 位相的南极涛动对应着滞后25～40天后, 北大西洋高纬极区出现位势高度负 (正) 异常, 副热带大西洋出现位势高度正 (负) 异常; 同时, 在北半球中高纬度地区(45°N～65°N) 出现西 (东) 风异常, 中低纬度地区(25°N～40°N)出现东 (西) 风异常。文中也对资料分析结果进行了简单的动力学分析, 表明与南极涛动相联系的涡动动量异常是驱动北半球纬向平均纬向风异常的主要原因。     

南极海冰与南半球大气环流关系的初步探讨

本文利用１９７３—１９８２年南极海冰北界资料，分析了南极海冰平均北界（海冰范围）的变化及其与南半球大气环流变化间的联系。１９７６年前，南极海冰平均北界偏北（海冰范围扩大），而１９７７年－１９８０年，南极海冰平均北界偏南（海冰范围缩小）。与此相对应，这两个时期的南半球大气环流具有明显不同的特点。在南极海冰平均北界偏北、海冰范围扩大时期，南极高压和绕极低压带偏弱，南半球中高纬度地区槽脊位置偏西，南印度洋和南大晒洋副热带高压偏弱，南太平洋副热带西凤减弱、中纬度西风加强，而南太平洋副热带高压和印度尼西亚低压带发展，南方涛动处于正位相阶段；在南极海冰平均北界偏南、海冰范围缩小时期，则相反。分析表明，南方涛动与南极海冰之间存在相互联系，并以南极海冰超前南方涛动约２个月时的关系最好，其次是南极海冰落后南方涛动４个月。     

Verification and Improvement of the Ability of CFSv2 to Predict the Antarctic Oscillation in Boreal Spring

The boreal spring Antarctic Oscillation(AAO) has a significant impact on the spring and summer climate in China. This study evaluates the capability of the NCEP's Climate Forecast System, version 2(CFSv2), in predicting the boreal spring AAO for the period 1983–2015. The results indicate that CFSv2 has poor skill in predicting the spring AAO, failing to predict the zonally symmetric spatial pattern of the AAO, with an insignificant correlation of 0.02 between the predicted and observed AAO Index(AAOI). Considering the interannual increment approach can amplify the prediction signals, we firstly establish a dynamical–statistical model to improve the interannual increment of the AAOI(DY AAOI), with two predictors of CFSv2-forecasted concurrent spring sea surface temperatures and observed preceding autumn sea ice. This dynamical–statistical model demonstrates good capability in predicting DY AAOI, with a significant correlation coefficient of 0.58 between the observation and prediction during 1983–2015 in the two-year-out cross-validation. Then, we obtain an improved AAOI by adding the improved DY AAOI to the preceding observed AAOI. The improved AAOI shows a significant correlation coefficient of 0.45 with the observed AAOI during 1983–2015. Moreover, the unrealistic atmospheric response to March–April–May sea ice in CFSv2 may be the possible cause for the failure of CFSv2 to predict the AAO. This study gives new clues regarding AAO prediction and short-term climate prediction.     

Strengthened Relationship between the Antarctic Oscillation and ENSO After the Mid-1990s during Austral Spring

This paper documents a decadal strengthened co-variability of the Antarctic Oscillation(AAO)and ENSO in austral spring after the mid-1990 s.During the period 1979–93,the ENSO(AAO)spatial signatures are restricted to the tropics–midlatitudes(Antarctic–midlatitudes)of the Southern Hemisphere(SH),with a weak connection between the two oscillations.Comparatively,after the mid-1990 s,the El Ni o-related atmospheric anomalies project on a negative AAO pattern with a barotropic structure in the mid–high latitudes of the SH.The expansion of El Ni o-related air temperature anomalies have a heightened impact on the meridional thermal structure of the SH,contributing to a weakened circumpolar westerly and strengthened subtropical jet.Meanwhile,the ENSO-related southern three-cell circulations expand poleward and then strongly couple the Antarctic and the tropics.Numerical simulation results suggest that the intensified connection between ENSO and SST in the South Pacific since the mid-1990 s is responsible for the strengthened AAO–ENSO relationship.     

南极臭氧的短期气候变化特征

利用1957～1992年南极地区大气臭氧总量地面观测站资料，对南极地区臭氧的时空变化特征进行了研究。结果表明，虽然近35年来南极地区的大气臭氧有较明显的减小趋势，但在不同地区、时段和季节，其变化趋势也不同。近年来南极地区大气臭氧的显著亏损，主要是由南极臭氧洞的形成和发展所造成的。南极地区的大气臭氧存在明显的年振荡、准20个月和准30个月的振荡周期。臭氧变化与天文日照、平流层温度场、平流层冰晶云及人类活动排放到大气中的氟氯烃和溴化烃等污染物质有关。     

Effects of Wind Fences on the Wind Environment around Jang Bogo Antarctic Research Station

This study investigated the flow characteristics altered by Jang Bogo Antarctic Research Station using computational fluid dynamics(CFD) modeling. The topography and buildings around Jang Bogo Station were constructed with computeraided-design data in the CFD model domain. We simulated 16 cases with different inflow directions, and compared the flow characteristics with and without Jang Bogo Station for each inflow direction. The wind data recorded by the site's automatic weather station(AWS) were used for comparison. Wind rose analysis showed that the wind speed and direction after the construction of Jang Bogo Station were quite different from those before construction. We also investigated how virtual wind fences would modify the flow patterns, changing the distance of the fence from the station as well as the porosity of the fence. For westerly inflows, when the AWS was downwind of Jang Bogo Station, the decrease in wind speed was maximized(-81% for west-northwesterly). The wind speed reduction was also greater as the distance of the fence was closer to Jang Bogo Station. With the same distance, the fence with medium porosity(25%–33%) maximized the wind speed reduction.These results suggest that the location and material of the wind fence should be selected carefully, or AWS data should be interpreted cautiously, for particular prevailing wind directions.     

秋季南极涛动异常对冬季中国南方降水的影响

本文针对秋季南极涛动（AAO）和冬季中国南方降水的关系作了研究,发现两者之间存在显著的反向年际变化关系。AAO正（负）异常年,副热带西风急流显著增强（减弱）,欧洲西部槽、乌拉尔山高压脊和东亚沿岸大槽均偏强（偏弱）,阿留申低压、南支槽和西太平洋副高偏弱（偏强）,西南急流上的扰动不活跃（活跃）,我国大部分地区出现异常偏北风（偏南风）和OLR弱正距平,导致南方降水偏少（偏多）。两半球存在东亚—南半球高纬地区和纵贯太平洋南北的两个遥相关型,海洋性大陆对流活动可能是秋季AAO影响南方冬季降水的一个机制。因此,秋季南极涛动的异常很可能对预测我国南方冬季降水有显著指示意义。     

南极臭氧洞的影响因子和变化趋势

利用卫星和台站观测的南极臭氧资料和NCEP/NCAR再分析资料,分析了南极臭氧近年来的变化特征和影响因子,探讨了南极臭氧洞期间中山站臭氧突变过程与大气动力的作用。结果显示,平流层氯和溴的卤化物当量（EESC）和平流层温度是影响南极臭氧洞面积的关键因子。臭氧总量与EESC和平流层温度均具有显著相关,表明两站虽然都位于臭氧洞边缘,EESC和平流层温度对臭氧总量的变化仍然可以起决定性的作用,同时也验证了EESC参数在东南极大陆沿岸具有适用性。 EESC的年代际变化与臭氧变化趋势相似,臭氧的年际变化与平流层温度关系密切。回归结果表明,2010年后臭氧洞面积逐渐减小,在2070年左右可能恢复到1980年前的水平,但其结果存在很大的不确定性。     

The Role of Ozone Depletion in the Lack of Cooling in the Antarctic Upper Stratosphere during Austral Winter

Temperature trends in the upper stratosphere are investigated using satellite measurements from Stratospheric Sounding Unit(SSU) outputs and simulations from chemistry–climate models(CCMs) and the Coupled Model Intercomparison Project Phase 6(CMIP6). Observational evidence shows a lack of cooling in the Antarctic, in contrast to strong cooling at other latitudes, during austral winter over 1979–97. Analysis of CCM simulations for a longer period of1961–97 also shows a significant contrast in the...     

Study of background aerosols in the Antarctic troposphere

Systematic year-round observations of submicron aerosols were carried out at Syowa Station (69°00'S, 39°35'E) in 1978. On the basis of the results of these observations, it is concluded that two types of aerosols originating from different sources are present in the Antarctic croposphere. With the intrusion of maritime air, mostly in the polar night months, sea salt particles and ammonium sulfate particles contained originally in the clean maritime air are dominant. The size distribution of such aerosols is monomodal, having a single mode at around 0.03 m in radii. On the other hand, in the sunlit months, sulfuric acid droplets are predominant and the size distribution is bimodal, having an additional mode at around 0.005 m in radii. Those sulfuric acid particles seem to be formed photochemically within a specific layer in the mid to lower troposphere over Antarctica. Most Antarctic submicron particles are of tropospheric origin, not of stratospheric nor anthropogenic origin.