东亚经向型气压异常偶极模与冬季北太平洋关键区域海温的关系及其数值模拟试验

进一步从资料分析和大气环流模式的敏感性试验, 对西北太平洋海温异常与亚太中高纬度地区冬季海平面气压异常经向偶极模的关系及影响进行了研究。资料分析表明, 对应冬季亚太地区海平面气压的经向(ME)型偶极模, 西北太平洋中高纬度海温异常的影响存在两个重要关键区。尤其是(40°N～55°N, 150°E～160°W)海区的海温异常与冬季东亚经向型气压偶极模指数I_ME有明显正相关, (20°N～35°N, 125°E～170°W)海区的海温异常与指数I_ME有明显负相关。而上述两个关键海区的SSTA对经向型振荡模的影响, 主要是通过热通量异常的作用。敏感性模拟试验清楚表明, 西北太平洋关键区的海温异常对亚洲—太平洋地区冬季海平面气压场的经向偶极模有一定影响。区域1(42°N～62°N, 145°E～165°W)的负异常相对于其自身的正异常来说, 对亚太地区海平面气压场的负经向偶极模贡献更大, 而区域2 [(22°N～42°N, 135°E～175°E)和(26°N～42°N, 175°E～170°W)]的正异常相对区域1的负异常来说对负经向偶极模的贡献更大一些。但是, 单独区域1的负异常海温和单独区域2的正异常海温影响下的海平面气压场响应的负经向偶极模都会有不同程度的位置偏移。当存在区域1的负异常海温和区域2的正异常海温相互匹配的情况下, 亚洲—太平洋地区冬季海平面气压场的负经向偶极模特征更为显著。     

欧亚地形对不同季节大气环流影响的数值模拟研究

利用气候模式F-GOALS的大气谱分量SAMIL,设计了有、无欧亚地形的对比试验。通过分析其高度差异、流场差异、降水差异和温度差异得到欧亚地形对不同季节大气环流影响的特征。结果表明,欧亚地形对大气环流和气候的影响随季节变化而变化,基本可分为冬季型(11月~次年4月),夏季型(6~9月)及转化型(5月,10月),在中高纬高低层呈相当正压结构。冬季型高度差异以35°N和100°E为界,在北面呈西高东低,南面呈西低东高。夏季型在西太平洋地区为北高南低,在大陆上空为上正下负。850 hPa流场差异场的冬季型在西太平洋北/南部为气旋式/反气旋式环流,在大陆上以“青藏高原(TP)偶极流型”为主要特征;夏季的副热带以环绕青藏高原的气旋性环流和西太平洋的反气旋环流为主要特征。地形强迫的冬半年“TP偶极型”加强了冬季西伯利亚冷空气活动,形成了江南的春雨和华南的早汛期降水。地形强迫的夏季流型形成了孟加拉湾-青藏高原中东部的强降水差异,使东亚降水向北伸展,并引起亚洲降水分布的调整。     

南半球中纬度偶极模态与亚洲—非洲夏季降水

南半球大气环流第一模态为南极涛动, 它表现出较好的纬向对称结构。本工作利用经验正交分解方法研究发现, 在南半球的东半球, 夏季(6~9月)大气环流还存在一个重要的模态。不同于南极涛动, 该模态表现为显著的纬向偶极分布, 本文定义其为偶极模态。在海平面气压场上, 该模态的解释方差可以达到20%以上, 表现出显著的年际变化特征。进一步的研究发现, 该偶极模态与亚非夏季降水存在密切联系, 尤其与我国华南、南亚以及热带非洲东部地区的夏季降水存在显著的正相关关系。机制分析表明, 南半球这一偶极模态的异常会影响东半球越赤道气流的变化, 从而造成向上述三个地区的水汽输送的多寡, 并最终导致这三个地区夏季降水发生变化。本工作揭示的偶极模态变化独立于南极涛动, 研究结果不但可以深化对南半球环流系统变化特征及影响的认识, 而且对亚非夏季降水的变化特征和机制研究也具有重要意义。     

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。     

太平洋海温对冬季阿留申低压的影响

众多的研究表明,海温异常对大气环流具有一定的影响作用。鉴于阿留申低压与我国乃至东亚地区天气气候的密切关系,本文重点分析了太平洋海温对冬季阿留申低压的影响问题,对阿留申低压与500 hPa环流的联系在此也作了简单的讨论。为便于本文之研究,根据1951—1986年冬季各月海平面气压场资料,定义了冬季阿留申低压强度指数。在月平均海平面气压图上,60°N以南的太平洋区域,对1010 hPa范围内的每个网格点,取1009 hPa为1,1008 hPa为2,1007 hPa为3……余类推,用其累加值作为月阿留申低压强度指数。冬季强度指数为12月至翌年2月各月强度指数和的平均。     

中国东部冬季气温异常与海表温度异常的关系分析

采用SVD、 相关分析及EOF方法, 分析了中国东部冬季地面气温与北大西洋及北太平洋海温异常变化的关系。结果表明： （1）中国东部冬季气温变化的一致性较高; （2）冬季气温异常与前一年9月北大西洋海域关键区（16°～40°N, 60°～24°W）海温和当年2月西北太平洋关键区（20°～40°N, 124°E～180°）海温呈显著的正相关分布, 即前一年9月北大西洋和当年2月西北太平洋海温异常偏高（低）, 东部冬季气温亦偏高（低）, 即前一年9月北大西洋海温的异常是否为我国冬季气温的气候预测提供了一种前期信号; （3）关键区海温对中国东部冬季气温的影响存在区域差异。北大西洋前期海温与中国东部冬季气温有密切的关系, 而西北太平洋的海温主要影响长江流域及其以北的季风中部区; （4）海温影响气温的可能机理是西北太平洋海温异常升高, 使乌山脊减弱, 阿拉斯加脊减弱, 东亚大槽减弱向东移动, 纬向环流加强, 高纬度的冷空气不易南下, 导致我国东部大部分地区冬季气温偏暖, 反之亦然。在年代际尺度上, 纬向环流和东亚大槽对海温有显著的响应; 但在年际变化方面, 东亚大槽对海温的响应不显著。     

近百年北半球冬季海平面气压场与冬季气温的多时间尺度相关

用１８８４～１９９４年资料研究了北半球冬季海平面气压距平场的时空结构及其与北半球冬季气温的相关关系。指出,近百年北半球冬季大尺度海平面气压场表现为４个基本模态。研究了这些模态的空间环流结构和时间演变特征（长期趋势、突变及阶段性）。指出,反映北半球阿留申低压强度的冬季海平面气压距平场的第二特征模态,在年际,年代际变化关系上与北半球的平均气温关系是非常密切的。     

Nino C区秋季海温异常对东亚冬季大气环流的影响

研究了秋季赤道中东太平洋（Nino C区:0～10°S,180～90°W）的SST异常对东亚冬季大气环流的可能影响。在揭示二者联系的基础上,通过分析海温异常所引起的500hPa高度、经向风及纬向风的异常特征,探讨了秋季海温异常影响东亚冬季大气环流的可能途径。研究发现,Nino C区秋季SST异常,能够对东亚及西太平洋地区的大气环流及风场产生显著影响,进而影响东亚冬季风活动:秋季SST正（负）异常,引起西太平洋地区出现类似负（正）WP遥相关型的环流异常,中纬度纬向西风加强（减弱）,东亚及沿海地区出现异常南（北）风分量,经向风减弱（加强）,最终导致偏弱（强）的东亚冬季风活动。这是海温异常影响东亚冬季大气环流的一种可能途径。     

中国东南部冬季降水变化及其环流特征

利用1951-2011年中国160站降水资料及NCEP/NCAR再分析资料,分析了中国东南部冬季降水的年际变化及与之相关的环流和水汽输送特征。结果表明:中国东南部冬季降水年际差异较明显,当降水异常偏多(少)时,蒙古高压及中国广大南方地区海平面气压异常偏低(高),而亚洲附近的洋面上则异常偏高(低);500 hPa上,巴尔喀什湖附近的高压脊和东亚大槽均偏弱(强);高层东亚西风急流异常偏弱(强),中东地区急流异常偏强(弱);中国东部20~30°N出现显著异常上升(下沉)运动,低纬度地区出现异常下沉(上升)运动。影响中国东南部冬季降水的水汽输送主要有两支:来自西风带绕高原的南支气流,经过阿拉伯海和孟加拉湾向华南的输送水汽;来自低纬西太平洋,经南海向中国西南的水汽输送。此外,东亚冬季风与中国东南部冬季降水关系密切。     

印度洋海温偶极振荡对东亚环流及降水影响

利用NCEP／NCAR提供的50a再分析资料、英国气象局全球海温资料、中国气象局整编的160站降水资料，采用相关、合成、奇异值分解等方法讨论了印度洋海温异常偶极振荡对东亚夏季大气环流及降水的影响。结果表明：印度洋海温偶极振荡异常，引起了大气环流的异常，影响了季风强度和雨带分布。印度洋海温偶极振荡正位相年时，印度洋上为东风异常，西太平洋副高偏西、偏南、偏强，菲律宾附近对流活动减弱，东亚夏季风偏强，华南夏季降水偏多；印度洋海温偶极振荡负位相年时，西太平洋副高偏东、偏北，东亚夏季风偏弱，长江黄河之间有异常辐合，降水偏多。     

南极海冰涛动对北半球夏季大气环流的影响

南极海冰首要模态呈现偶极子型异常,正负异常中心分别位于别林斯高晋海/阿蒙森海和威德尔海。过去研究表明冬春季节南极海冰涛动异常对后期南极涛动（Antarctic Oscillation,AAO）型大气环流有显著影响,而AAO可以通过经向遥相关等机制影响北半球大气环流和东亚气候。本文中我们利用观测分析发现南极海冰涛动从5～7月（May–July,MJJ）到8～10月（August–October, ASO）有很好的持续性,并进一步分析其对北半球夏季大气环流的可能影响及其物理过程。结果表明,MJJ南极海冰涛动首先通过冰气相互作用在南半球激发持续性的AAO型大气环流异常,使得南半球中纬度和极地及热带之间的气压梯度加大,在MJJ至JAS,纬向平均纬向风呈现显著的正负相间的从南极到北极的经向遥相关型分布。对流层中层位势高度场上,在澳大利亚北部到海洋性大陆区域,出现显著的负异常,在东亚沿岸从低纬到高纬呈现南北走向的“? + ?”太平洋—日本（Pacific–Japan,PJ）遥相关波列,其对应赤道中部太平洋及赤道印度洋存在显著的降水和海温负异常,西北太平洋至我国东部沿海地区存在显著降水正异常和温度负异常;低纬度北美洲到大西洋一带存在的负位势高度异常和北大西洋附近存在的正位势高度异常中心,构成一个类似于西大西洋型遥相关（Western Atlantic,WA）的结构,对应赤道南大西洋降水增加和南撒哈拉地区降水减少。从物理过程来看,南极海冰涛动首先通过局地效应影响Ferrel环流,进而通过经圈环流调整使得海洋性大陆区域和热带大西洋上方的Hadley环流上升支得到增强,海洋性大陆区域特别是菲律宾附近的热带对流活动偏强,激发类似于负位相的PJ波列,影响东亚北太平洋地区的大气环流,而热带大西洋对流增强和北传特征,则通过激发WA遥相关影响大西洋和欧洲地区的大气环流。以上两种通道将持续性MJJ至ASO南极海冰涛动强迫的大气环流信号从南半球中高纬度经热带地区传递到北半球中高纬地区,从而对热带和北半球夏季大气环流产生显著影响。     

冬季各月北太平洋涛动的年际变化及其与我国降水异常的联系

利用ERA-Interim的海平面气压(Sea Level Pressure,SLP)再分析资料和中国160站的降水观测资料,分析了冬季各月(当年12月、次年1月和2月)北太平洋涛动(North Pacific Oscillation,NPO)的年际变化特征,及其与我国同期降水异常之间的联系。结果表明:1)冬季各月NPO指数的年际变化较为显著,但各月NPO指数年际变化之间的相关性较差,1979—2012年冬季12月与1月NPO指数年际变化之间的相关系数为0.09,而1月与2月NPO指数的相关系数仅为-0.003,均没有通过信度检验。2)1月和12月NPO指数年际变化与同期我国黄淮流域降水异常之间存在明显的正相关,而2月NPO指数年际变化与同期我国华北降水异常之间为明显的负相关。3)当1月(12月)NPO指数增加1个标准差时,我国黄淮流域降水量比多年平均值增加约50%(40%);而当2月NPO指数增加1个标准差时,我国华北降水量比多年平均值减少约30%。     

我国东部梅雨期降水的年际和年代际变化特征及其与大气环流和海温的关系

基于我国160站59年(1951～2009年)的月降水观测资料、美国气象环境预报中心和国家大气研究中心(NCEP/NCAR)提供的再分析资料和Hadley中心的海表温度(Sea Surface Temperature,简称SST)资料,对我国东部(100°E以东,15°N～40°N)梅雨期(6月和7月)降水的时空变化特...     

ENSO对中国西北地区秋季异常降水的影响

以奇异值分解（SVD）方法为基础,用1960～1994年35年的资料,分析了ENSO对中国西北地区秋季降水异常的影响,然后用奇异向量的海温场时间系数与500hPa高度场和海平面气压场进行交叉相关,讨论了在ENSO年引起西北地区降水异常的环流特征。结果表明,赤道中东太平洋海表温度异常与西北秋季大范围的区域性降水异常有较好的对应关系,在ElNino年,西北地区秋季大部分地区降水异常偏少,其中青藏高原东北侧的青海东部、甘肃中东部、宁夏南部和陕西北部等西北主要的雨养农业区降水明显偏少。引起这种异常的环流特征表现为500hPa高度场出现PNA异常流型,强异常中心多分布在低纬度,印缅槽偏弱,西太平洋副高加强西伸,脊线南移,南海副高和北美副高加强;东亚中纬度冬季盛行的1波流型在秋季异常发展,新疆脊偏强,东亚大槽加深西移。海平面气压场上,乌拉尔山北部高压、欧洲南部低压及阿留申低压等较高纬度系统异常加强（加深）。LaNino年情况相反。     

Characterizing the winter concurrent variation patterns of the subtropical and polar-front jets over East Asia

In this study, the concurrent variation relationships between the East Asian subtropical jet (EASJ) and polar-front jet (PFJ) over the East Asian land mass in the winter season on different timescales are identified and the impacts of the jet concurrent variation patterns on the atmospheric circulation in mid–high latitude regions and climate anomalies in China are examined, using NCEP–NCAR reanalysis data and observational data. The major variability modes of the winter upper-level wind field on interannual timescales are characterized by the meridional shift of the PFJ and out-of-phase variation in the intensity of the subtropical jet and PFJ. On subseasonal and synoptic timescales, the concurrent variation relationships can be categorized into four configuration patterns: a strong (weak) subtropical jet accompanied by a weak (strong) PFJ, or a strong (weak) subtropical jet with a strong (weak) PFJ. The out-ofphase variation [i.e., a stronger (weaker) EASJ and weaker (stronger) PFJ] is found to be more common than the inphase variation [i.e., a stronger (weaker) EASJ and stronger (weaker) PFJ]. These concurrent variation relationships represent the integral structure and variation features of the atmospheric general circulation over East Asia, and have significant impacts on the weather and climate. The strong subtropical jet/weak PFJ (weak subtropical jet/strong PFJ) pattern leads to anomalous negative (positive) geopotential height in midlatitude regions and favors cold (warm) conditions, and positive (negative) rainfall anomalies in southern China. For both strong jet configurations, the geopotential height anomaly in the mid–high latitudes shows a northwest–southeast tilted dipole pattern, resulting in northern warm–southern cold temperature anomalies, and positive rainfall anomalies in southern China. For both weak jet situations, positive geopotential height anomalies dominate the East Asian area, and warm conditions occur over most areas in China, corresponding to less negative rainfall anomalies in southern China. The complicated rainfall and temperature anomaly patterns in China can be explained by the concurrent variation relationships between the two jets. A close relationship may exist between the synoptic-scale transient eddy activity (STEA) and the intensity of jet streams, especially for the PFJ. Significantly reduced (strengthened) STEA over the polar-front area is intimately associated with a decreased (increased) intensity of the PFJ.     

2018/2019年冬季浙江罕见持续阴雨天气的环流异常与海温强迫

利用NCEP/NCAR全球再分析资料、地面观测资料和自动站降水资料,分析了2018/2019年冬季浙江罕见连续阴雨寡照天气过程中冬季风环流和南支槽等环流异常,并从西风带波动、海温强迫等方面研究了局地环流异常的成因。结果表明:2018/2019年冬季连阴雨事件中雨日、日照破历史记录,雨量较常年同期明显偏多。主要的环流异常为西北太平洋异常反气旋（WNPAC）明显偏北,同时阿留申低压和西伯利亚高压亦偏北,东亚地区40°N以南有强的偏南风异常,冬季风偏弱;南支槽较常年偏强,保证了浙江上空有持续的水汽和扰动输送。对流层中层存在沿欧洲向东亚—西太平洋传播的波动能量,波能在东亚地区一直向南传播至20°N以南,可能导致WNPAC明显北抬和南支槽加强。ENSO是WNPAC的重要强迫源,ENSO暖位相使得海洋性大陆出现异常对流冷却,而浙江上空对流加强,ENSO对南支槽活动强度亦有明显的制约作用。中国近海海温偏高是WNPAC和阿留申低压明显偏北的重要影响因素。2018/2019年冬季局地环流异常可能由ENSO和中国近海海温协同强迫所致。     

冬季东亚中纬度西风急流对我国气候的影响

利用1957—2001年欧洲中期数值天气预报中心再分析资料及地面台站观测资料，分析了冬季东亚西风急流与我国气候的关系。首先定义了冬季东亚西风急流强度指数(区域30°~35°N，127.5°~155°E冬季200 hPa纬向风u₂₀₀平均值的标准化值)和切变指数(区域15°~25°N，100°~115°E与区域30°~40°N，100°~115°E的平均u₂₀₀之差的标准化值)，这两个指数能较好地反映冬季东亚西风急流的强度变化和位置的南北移动，二者相关系数为-0.48，通过99%信度检验。西风急流强度与亚洲和西太平洋大范围的大气环流有密切关系，而西风急流位置移动则与印度洋、中东太平洋的大气环流有密切关系，并分析了冬季急流强度指数和切变指数与我国温度和降水的关系。结果表明:当西风急流强度偏强时，西风急流位置偏北，此时在急流入口区左侧由于气流辐合造成低层气压上升，在出口区左侧则由于气流发生强烈辐散，引起低层气压下降，所以西伯利亚地区上空从对流层低层到中层高度值升高，北太平洋高度值降低，东西向气压差加大的形势，同时东亚大槽偏强，海陆气压差加大和东亚大槽偏强，导致冬季风强度偏强，引起我国从北到南的陆面降温，同时30°~40°N低层有下沉气流，使得华北、华中和长江中下游地区降水偏少；当西风急流强度偏弱时，西风急流位置偏南，整个东亚地区存在南风异常，东亚冬季风较弱，在25°N附近有上升气流，此时华南和内蒙古、华北降水偏多，内蒙古地表温度偏高。     

与冬季北太平洋大范围海温异常相联系的海气特征

采用1948—2014年NCEP/NCAR大气再分析资料以及延伸重建海温资料,基于大气海洋间不同的主导关系对冬季北太平洋大范围海温异常进行分类,探究其相应的海气结构特征。结果表明:1)大气影响海洋的个例多于海洋影响大气的个例,即在冬季北太平洋大气强迫海洋占主要地位,但也存在海洋对大气的反馈作用。2)对于大气影响海洋而言,SST(Sea Surface Temperature)暖异常区上空主要伴随着东北—西南走向的相当正压高低压异常(东北高西南低),对应东南风异常以及显著的深厚暖异常,表现出相当正压暖/脊结构,冷异常情况与此相反。SST异常为净热通量异常与风速异常共同作用引起。3)对于海洋影响大气而言,在SST暖异常区上空西部为南北向高低压异常(北高南低),东部为低压异常,对应偏东风异常。在SST冷异常区上空为偶极型的南北向高低压异常(南高北低),对应偏西风异常;位势高度异常表现出相当正压结构且较大气影响海洋时相对偏弱,大气暖(冷)温度异常比较浅薄且主要局限于对流层低层。4)海洋温度结构异常主要表现为,在大气影响海洋时海温异常由表层下传,海洋影响大气时为上下一致的温度异常。     

冬季亚洲—太平洋涛动年际变率与东亚气候异常

利用1948—2011年NCEP/NCAR月平均再分析资料和1951—2010年我国160站降水量资料,研究了冬季亚洲—太平洋区域的大气遥相关及其与东亚冬季风和降水的关系。结果表明:冬季在亚洲—西太平洋与中、东太平洋中低纬度对流层上层扰动温度之间存在类似于夏季的亚洲—太平洋涛动 (APO) 现象,即当东亚中低纬度对流层中、上层偏暖时,中东太平洋中低纬度对流层中上层温度偏冷,反之亦然。冬季APO可以反映冬季亚洲—太平洋东西向热力差异强度变化,与夏季相比,冬季APO遥相关在亚洲的中心位置略偏南、偏东,且冬季APO与大气环流关系与夏季也有所不同;当冬季APO指数偏高时,对流层上层东亚大槽位置偏西,而东亚热带地区的高压向北伸展,导致我国南方对流层为深厚的异常反气旋系统所控制,此时南方地区对流层低层盛行异常的偏东北气流,并伴随水汽辐散和异常下沉运动,南方降水偏少;冬季APO指数与ENSO有紧密联系。     

全球变暖减缓背景下欧亚秋冬温度变化特征和原因

采用气候序列变化趋势诊断和一元线性回归等分析法,研究和讨论了2000-2012年和1976-1999年两种年代际背景下全球陆地不同区域的年平均地表温度的变化特征。发现欧亚大陆中高纬度地区是对全球变暖减缓贡献最大的区域。且该地区在2000年以来秋季年代际增温,而冬季年代际降温。从同期大气环流的配置来看,在对流层低层,秋季西伯利亚高气压年代际减弱,而冬季西伯利亚高气压年代际增强。在对流层中高层,秋季从西欧至东北亚为"高-低-高"的高度场异常分布,纬向环流加强,经向环流减弱,而冬季极地与贝加尔湖地区的高度场呈偶极型分布,东亚大槽加深,经向环流加强。进一步研究发现,超前一个季节的喀拉海附近的海冰与欧亚中高纬度秋冬两季温度的年代际变率有着密切的联系。一方面,夏季(秋季)海冰减少影响秋季(冬季)中高纬度大气环流;另一方面,夏季(秋季)海冰减少,使得秋季(冬季)从北极至中高纬度大陆的对流层低层水汽含量增加(减少),大气逆辐射增强(减弱)导致秋季(冬季)增温(降温)。