冬季鄂霍次克海海冰对北太平洋风暴轴年际变化的影响

利用北极海冰密集度资料和NCEP＼NCAR再分析资料,运用统计方法讨论了冬季鄂霍次克海及其邻近海区海冰异常与同期北太平洋风暴轴的联系。结果发现,冬季鄂霍次克海西南部海区海冰面积异常与北太平洋海温异常共同作用对北太平洋风暴轴在西北一东南方向的伸缩及强度的年际变化有重要影响,而在海温异常的共同作用下,鄂霍次克海东北部及舍列霍夫海海区海冰面积异常则主要影响风暴轴的南北位移和强弱。     

冬季北美大西洋地区温带气旋的活动特征及与NAO的关系

基于气旋识别追踪算方法和ERA-Interim再分析数据,提取获得了北美北大西洋地区(20°N-80°N,130°W-0°W)1979-2012年冬季的温带气旋数据集。经统计分析表明,温带气旋的生成源地和活动范围有向西南方向漂移的趋势,且温带气旋生成源地的平均纬向、经向位置,以及其活动范围的平均经向位置与冬季NAO指数具有显著相关性。通过进一步合成分析发现,冬季NAO正位相事件期间700 h Pa强斜压性区域较负位相事件期间偏北、偏东,这在一定程度上解释了不同位相事件期间温带气旋生成源地的分布差异。NAO正位相事件期间500 h Pa的西风带位置较负位相事件期间偏北则是NAO正位相事件期间温带气旋活动范围偏北的原因。而冬季NAO正(负)位相显示出减少(增加)的趋势,进而导致了研究区域内温带气旋的生成源地向西南偏移,活动范围向南偏移。     

北太平洋爆发性气旋的统计特征

利用FNL(Final Analyses)全球格点资料,对2000—2015年冷季(10月至来年4月)发生于北太平洋(20°N~65°N,110°E~100°W)的爆发性气旋进行了分析研究。依据爆发性气旋的空间分布特征和高时间分辨率的资料,将爆发性气旋定义修订为海表面中心气压(地转调整到45o N)12h平均加深率达到1hPa/h以上的气旋。根据爆发性气旋最大加深率的大小,在强度上将其划分为4类:弱、中、强和超强。日本海、西北太平洋、中西太平洋、中东太平洋和东北太平洋为北太平洋爆发性气旋的5个多发区域,发生于各区域的爆发性气旋依次称之为:JOS(Japan-Okhotsk Sea)、NWP(Northwestern Pacific)、WCP(West-Central Pacific)、ECP(East-Central Pacific)和NEP(Northeastern Pacific)爆发性气旋。北太平洋爆发性气旋发生频数自西向东逐渐减少,呈现出"西多东少"的分布特征。爆发性气旋的统计特征因发生区域不同而呈现出较大差异,NWP爆发性气旋多发生于冬季和早春,而NEP爆发性气旋多发生于秋季和早春;相对于NEP爆发性气旋,NWP爆发性气旋发展较为剧烈,中心最低气压较低,爆发史长和发展史长较长。NWP爆发性气旋的移动路径多为西南-东北向,随着爆发强度的增强,其移动路径更趋于集中。NEP爆发性气旋的移动路径因生成位置的不同而呈现出较大差异,在中西太平洋和中太平洋海域生成的NEP爆发性气旋,其移动路径前期多为偏东向,后期折向西北;而在中东太平洋海域生成的NEP爆发性气旋,其移动路径多为西南-东北向。海洋暖流为NWP和NEP爆发性气旋的急剧发展提供了有利的海洋物理环境场。     

北极秋季海冰减少与亚洲大陆冬季温度异常

本文使用SVD等诊断分析方法探讨北极秋季海冰密集度与亚洲冬季温度异常之间的关系。结果表明,近30余年来,北极秋季海冰减少伴随着亚洲大陆冬季温度降低,但青藏高原地区、北冰洋和北太平洋沿岸除外。北极秋季海冰密集度减小激发欧亚大陆和北冰洋北部两个区域位势高度的改变,这种异常的变化模态从秋季持续到冬季。位势高度异常的负值中心位于巴伦支海和喀拉海。位势高度异常的正值中心位于蒙古区域。与重力位势高度异常伴随的风场异常为亚洲冬季温度降低提供自北向南的冷气流。随着北极海冰的不断减少,其与亚洲大陆冬季温度降低之间的关系将为气候长期预测提供参考。     

秋季西北太平洋热带气旋累积能量的年际变化及其预报

秋季是西北太平洋热带气旋平均强度最强的季节,热带气旋累积能量(accumulated cyclone energy,ACE)是热带气旋平均强度的表征指标,基于1979—2015年日本气象厅最佳路径热带气旋数据集,以及美国冰雪中心海冰数据和哈得来环流中心海温数据,利用回归分析和多元逐步回归等方法,对秋季西北太平洋ACE指数进行了分析和预报。研究表明:秋季西北太平洋ACE指数具有显著的年际变化特征,与厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)有关,最大和最小值分别出现在1991年的厄尔尼诺年和1999年的拉尼娜年,在厄尔尼诺发展年的秋季ACE一般较强,而在拉尼娜衰减年的秋季热带气旋强度则较弱; ACE指数变化受来自北极海冰变化强迫中纬度异常波列的影响及其受到厄尔尼诺海温模态的调制;由于海冰在波弗特海的异常增多,强迫对流层高层夏季出现类似北半球环球遥相关型异常波列,波列正压下传,使得夏秋季西北太平洋副热带高压东退北移;副热带高压活动的变化和太平洋海温的异常分布影响了局地的环流,热带气旋生成源地弱的垂直风切变区域偏东和涡度显著增大有利于热带气旋在暖海洋上发展强盛。最后进行建模预报,预报效果为0.69。若单独使用海温或海冰作为唯一要素来预报,预报效果将大大降低。     

东亚冬季气温的年际变化特征及其与海温和海冰异常的关系

通过谐波分析的方法,对东亚31个冬季(1980—2010年)的气温提取年际变化分量(周期小于8a部分)进行EOF分析。结果发现:在年际变化的时间尺度上,东亚冬季气温表现为高纬模态和低纬模态2个主要模态,它们一起可以解释总方差73%的变化。进一步分析表明,在年际变化尺度上,与气温变化的高纬模态相联系的大气环流表现为显著的北极涛动(AO)负位相分布,海平面气压场上西伯利亚高压和阿留申低压北移,对流层中层东亚大槽西移,高层西风急流向西北方向移动;副热带北太平洋和阿拉斯加湾的海表面温度(SST)变化呈偶极子振荡分布,这种准两年的周期振荡对这一模态的出现有一定的预示意义。而与气温变化的低纬模态相联系的大气环流表现为类AO正位相分布,与之相关的西伯利亚高压和阿留申低压南移,对流层中层东亚大槽东移,高层的西风急流则是向东南方向移动;赤道东太平洋的SST异常可能对这一模态的形成有一定的作用,而东亚近海的SST则更多是被动地改变。此外,海冰异常变化与东亚冬季气温变化的联系主要体现在:在前夏和前秋,东西伯利亚海-波弗特海海冰异常减少(增加)对应着随后东亚冬季气温变化的高纬模态(低纬模态),而冬季东亚气温变化的高纬模态(低纬模态)又与后期春季北极东半球的海冰异常增加(减少)具有较好的相关性,此外白令海和鄂霍次克海的海冰异常变化是伴随东亚冬季气温变化产生的。     

乌拉尔阻塞与巴伦支-喀拉海海冰的季节特征及其相关关系

本文采用经验正交函数分析、线性回归、相关性分析等方法对1982—2017年乌拉尔阻塞(UB)与巴伦支-喀拉海(BKS)海冰季节特征及其相关关系进行分析发现,UB活动频率与BKS海冰密集度均有较强的季节性周期变化,且不同季节BKS海冰与UB相关性不同。进一步对秋季UB与冬季BKS海冰的相关关系分析发现:秋季UB频率在BKS及其周边区域增多的年份里,秋季到冬季结冰期内,局地BKS海域500hPa位势高度持续增加、低层大气温度持续升高;同时,秋季BKS海域海表面温度异常增暖持续至冬季。上述海洋、大气条件不利于结冰期BKS海冰的冻结,因此这些年份里冬季BKS海冰密集度减少。此外,秋季BKS海冰减少也伴随着冬季UB高纬度频率增加。     

冬季赤道中东太平洋海温异常对北半球两大洋风暴轴协同变化的可能影响

利用NCEP/NCAR(National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research)和NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)提供的再分析资料和CPC(National Climate Prediction Center)提供的Nino3.4指数,研究了与赤道中东太平洋海温异常相对应的ENSO(El Nio-Southern Oscillation)不同位相对同期北半球海气耦合关系及两大洋风暴轴协同关系的影响,具体结论如下:1)赤道中东太平洋海温异常与冬季北半球两大洋风暴轴协同变化关系密切,具体表现为海温正异常时对应北太平洋风暴轴和北大西洋风暴轴同时增强,且大西洋风暴轴整体和太平洋风暴轴东部位置南压,海温负异常时则相反。2)海温正异常(El Nio)年时,对流层中层极涡向北太平洋地区伸展,西北太平洋副热带高压增强西移,东亚大槽减弱,高度场异常对应WP(Western Pacific pattern)、EA(Eastern Atlantic pattern)型遥相关的负位相和PNA(Pacific-North American pattern)型遥相关正位相,对流层低层加拿大高压增强,阿留申低压强度增强并向东南方向移动,东亚急流增强东伸,北美急流强度增强,欧亚大陆50°N附近西风增强,经向环流减弱,北半球的斜压异常分布有利于北太平洋东部风暴轴南侧以及中西部风暴轴的有效位能向扰动动能转换,使得风暴轴增强东部南压,北大西洋风暴轴南部斜压增强,使得风暴轴整体偏南,中、西部强度增强。海温负异常(La Nia)年时,海温和环流异常在两大洋基本与El Nio年相反,对应两大洋风暴轴强度同时减弱,同时北大西洋风暴轴整体和北太平洋风暴轴东部北抬。3)海温正异常(El Nio)年时,北美大陆为北暖南冷的异常分布,60°N以南的东亚地区除我国西南外基本为温度异常升高。海温负异常(La Nia)年时,由于高度场和风场异常在欧亚大陆和北美大陆上的异常分布与El Nio年时并不是完全相反,使得温度场异常主要表现在北美南部和东亚北部异常升高。     

ENSO循环相联系的北太平洋低纬度异常西边界流

用SODA海洋同化和NCEP大气再分析资料,分析了热带太平洋次表层海温异常主要模态与北太平洋低纬度西边界流海域上层海洋环流和亚洲-北太平洋地区大气垂直和水平流场变化之间的关系,得到以下结果:（1） 在热带太平洋海洋次表层ENSO事件具有两种模态,二者组合构成ENSO循环。第一模态为ENSO成熟期,主要出现在冬季,第二模态为ENSO过渡期,主要出现夏季。（2） ENSO循环对北太平洋低纬度西边界流区上层海洋环流有重要影响。在El Niño发展期或La Niña 衰退期,该区出现气旋性异常环流,北赤道流（NEC）加强,NEC分叉位置北移,棉兰老海流（MC）加大,菲律宾以东黑潮（KC）减小,北赤道逆流（NECC）最强。在El Niño（La Niña）成熟期,该区气旋性（反气旋性）异常环流达最强,NEC最强（最弱）,NEC分叉位置最北（最南）,MC最大（最小）,KC最小（最大）,NECC减弱（加强）。在El Niño衰退期或La Niña发展期与El Niño发展期相反,该区出现反气旋性异常环流,由此导致相应流系异常发生反位相变化。（3） ENSO循环对北太平洋低纬度西边界流海域上层海洋环流的影响是通过ENSO事件期间热带太平洋热力状况异常改变上空大气环流来实现的。ENSO事件首先造成热带太平洋海洋热力状况异常,导致其上空对流活动异常,后者直接或间接通过“大气桥”能量传输引起相关地区大气环流场的变化,致使海面风应力场异常,进而强迫上层海洋环流场的相应变化。文章最后还分析了ENSO事件期间菲律宾附近异常反气旋或异常气旋性风场的产生和持续原因,讨论了北太平洋低纬度西边界流海域海气相互作用在ENSO循环中的贡献。     

西中太平洋经向大气环流的年际变化

讨论了西中太平洋经向大气环流的年际变化特征,其中西太平洋区(WP)和中太平洋区(CP)EOF分解的第一模态分别是WP的负异常Hadley环流和CP的正异常Hadley环流,其时间系数与Nio3.4指数极为一致;第二模态的最显著空间特征是两区都在5°N~15°N有异常上升,但其时间系数与Nio3.4指数同期相关很低。西中太平洋有2类海表面温度异常(SSTa),通过其上的深对流潜热加热驱动异常Hadley环流:El Nio型驱动了WP区和CP区赤道区符号相反的第一模态异常环流型;热带辐合带(ITCZ)型驱动了WP区和CP区5°N~15°N区符号一致的第二模态异常环流。     

表层暖水在南海11月份台风路径北移中的作用

生成于西北太平洋的台风经常穿过南海海盆。与1980年以前相比,1980年以后南海11月份的台风路径显示出了明显的北移现象。通过数据分析和数值模拟研究发现,南海表层暖水在台风路径的北移现象中扮演了极为重要的角色。南海表层的增暖导致南海西北部的大气环境形成了显著的气旋式环流异常以及南海中部相应的南风异常,从而引导台风路径更向北偏移。     

西北太平洋热带气旋与上层海洋热含量的关系

利用SODA(Simple Ocean Data Assimilation)的海温资料和Unisys Weather的热带气旋资料,研究了1960-2008年期间北太平洋上层150 m的热含量分布特征及其与西北太平洋热带气旋发生频次的关系。考虑了纬度的变化对热含量的影响后,北太平洋热含量的高值中心位于10°N左右,与上层海温结构相符,计算结果更加符合物理意义。北太平洋热含量与西北太平洋热带气旋频数年际相关性研究表明在北太平洋中高纬度大洋内区和赤道东太平洋热带不稳定波发生区呈现出前期冬季正相关性。此相关性存在显著年代际的变化,在1970-1975年和1984-2008年期间最强,1976-1983年期间较弱。在北太平洋中高纬度大洋内区,同期春夏秋季同样存在强正相关。在西太平洋暖池区,同期秋季负相关最为显著。赤道中太平洋区域在夏季呈显著的正相关,秋季减弱。赤道东太平洋海域的相关性前期冬季负相关最为显著,春季负相关性减弱,夏季和秋季无显著相关。     

北极海冰与北半球大气环流及气温的相关性分析

利用NASA的北极海冰密集度资料(分辨率1.0°×0.25°,时间1979.10-2002.8)对冬季(12-2月)鄂霍次克海到白令海(42°-66°N、131°-158°W)的海冰场进行EOF分解,得到特征向量的空间分布及时间系数.利用NCEP再分析月资料(分辨率2.5°×2.5°,时间1979-2002年),采用合成分析的方法,分别对该区域海冰分布第一特征向量时间系数超过+0.5和低于-0.5年份做冬季500hPa高度、l000hPa高度、1000hPa气温的合成距平场.分析结果表明该区域的海冰分布与北半球中高纬度的大气环流和气温有显著的关系,同一模态下的海冰分布反位相时对应的大气状况也有明显的相反趋势.     

热带海洋-大气耦合的主模态

依据1948年1月～2005年12月NCEP的海表温度(SST)和大气再分析的月平均资料,利用MCA方法,首次确定了代表全球热带海洋-大气相互作用的最主要信号的热带海洋-大气耦合主模态,该主模态随时间的变化与热带太平洋埃尔尼诺-南方涛动(ENSO)模态非常一致,揭示了该主模态包含以下海洋-大气相互作用物理过程:秋季印度尼西亚海洋-大陆区上空850 hPa出现异常的纬向风辐散和经向风辐合导致赤道东、中太平洋海温正异常,热带印度洋海温则出现东冷-西暖的—"偶极子"型异常;冬季热带太平洋出现典型的ENSO盛期对应的海洋-大气耦合型,在南海和热带远西太平洋出现低空反气旋环流异常,热带印度洋出现海盆一致增暖,而热带大西洋海温异常不明显;冬季热带太平洋和热带印度洋的SST异常可以导致春季赤道中太平洋西风异常,南海冬季风减弱,热带西北太平洋出现更明显的低空反气旋环流异常和赤道东风异常,热带西北大西洋出现西南风异常;该模态对夏季大气环流的影响主要表现为热带印度洋海盆一致模态对东亚季风的影响。     

北黄海海樽类的种类组成和分布特征

为研究北黄海海樽类的群落特征,根据2006—2007年北黄海(36.95°N~39.66°N,120.95°E~124.02°E)海域4个季节的海洋调查资料,分析了北黄海海樽类的种类组成、数量变化、分布特征及其与环境的关系。结果显示:北黄海共记录到浮游海樽类4种,其中春季1种,夏季3种,秋季1种,冬季在北黄海未记录到海樽类。梭形纽鳃樽(Salpafusiformis)在春季和夏季两个季节都有出现,分布区主要位于黄海中部,且夏季大于春季,两季节的平均丰度分别为5.2和2.5ind/m3。贝环纽鳃樽(Cyclosalpa bakeri)仅在夏季出现,分布在黄海冷水团区,平均丰度仅为0.1ind/m3。软拟海樽(Dolioetta gegenbauri)仅在夏季1个站位出现,丰度仅为0.2ind/m3。暖水种小齿海樽(Doliolum denticulatum)是秋季北黄海唯一记录到的海樽类,分布几乎遍及整个研究水域,并具有很高的丰度,平均丰度为34.4ind/m3。典型的暖水种小齿海樽在北黄海的大量出现并成为浮游动物的优势种可能是温带水域的海洋生态系统对全球变暖的响应信号。     

热带太平洋海温异常对北极海冰的可能影响

本文利用1950-2015年间Hadley环流中心海冰和海温资料及NCEP/NCAR再分析资料,研究了热带太平洋海温异常对北极海冰的可能影响,并从大气环流和净表面热通量两个角度探讨了可能的物理机制。结果表明,在ENSO事件发展年的夏、秋季节,EP型与CP型El Niño事件与北极海冰异常的联系无明显信号。而La Niña事件期间北极海冰出现显著异常,并且EP型与CP型La Niña之间存在明显差异。EP型La Niña发生时,北极地区巴伦支海、喀拉海关键区海冰异常减少,CP型La Niña事件则对应着东西伯利亚海、楚科奇海地区海冰异常增加。在EP型La Niña发展年的夏、秋季节,热带太平洋海温异常通过遥相关波列,使得巴伦支海、喀拉海海平面气压为负异常并与中纬度气压正异常共同构成类似AO正位相的结构,形成的风场异常有利于北大西洋暖水的输入,同时造成暖平流,偏高的水汽含量进一步加强了净表面热通量收入,使得巴伦支海、喀拉海海冰异常减少。而在CP型La Niña发展年的夏季,东西伯利亚海、楚科奇海关键区受其东侧气旋式环流的影响,以异常北风分量占主导,将海冰从极点附近由北向南输送到关键区,海冰异常增加,而净表面热通量的作用较小。     

北半球中高纬度大气环流主模态的季节演变及其与北极海冰变化的联系

利用31a(1979—2009)气候月平均的海平面气压(SLP)资料,提出1种与北半球中高纬度环流转变相适应的分季法。并根据这个客观分季方法,通过SEOF分析,发现大气环流主模态的季节演变有着典型的北极涛动(AO)空间结构,其时间系数在1990年代中期发生转型。500hPa上纬向波的涡度有着南北反位相的分布特征,冬季正涡度的区域对应着气旋性环流,其覆盖范围广,而夏季正涡度区域更偏北,可见AO在冬季增强,夏季减弱。北半球SLP异常的EOF分解第一模态为北极涛动(AO),第二模态是偶极异常(DA);将这2个模态称之为北半球中高纬度大气环流异常的优势模态。通过计算优势模态与海冰面积的超前滞后相关性,发现AO依然是控制海冰变化的前期大气环流异常的模态,而DA则可能是海冰快速变化后期大气环流的主导模态。     

冬季北太平洋流场异常主要模态与PDO及NPGO的关系

采用复经验正交函数(EOF)分解和小波分析,对冬季北太平洋上层海流异常进行了统计动力诊断,并讨论了主要模态与北太平洋年代际振荡(PDO)模态和北太平洋环流振荡(NPGO)模态的关系。结果显示,冬季北太平洋上层洋流异常复EOF分解的第一模态是PDO在流场异常上的反映,第二模态则包含了NPGO的明显信息。主要依据有:(1)第一和第二模态的实时间系数序列分别有准20a和准13a的年代际变化周期,与PDO和NPGO模态的年代际变化周期相同;(2)第一和第二模态实时间系数与北太平洋海表面温度异常(SSTA)的回归系数场的空间分布分别与PDO和NPGO模态的空间结构相近。根据第一和第二模态上层洋流异常计算得到的垂直运动异常的分布,与SSTA的PDO和NPGO模态的空间分布类似,表明海盆尺度流场异常造成的垂直运动是形成PDO和NPGO模态的重要原因。     

北极冬季季节性海冰双模态特征分析

近年来北极海冰快速变化,北极中央区边缘正由以多年冰为主转为季节性海冰为主。通过对北极冬季季节性海冰的EOF分解发现,2002-2012年期间北极季节性海冰变化的前两模态主要体现为2005年和2007年的季节性海冰距平。其中第二模态主要体现了北极海冰在2005年的一种极端变化,而第一模态不仅体现了北极海冰在2007年的变化,还体现了北极季节性海冰的从负位相到正位相的转变。通过比较发现,在研究时段北极季节性海冰最主要的变化发生在北极太平洋扇区,在2007年,冬季季节性海冰距平发生位相转变,2007-2010年一直维持正位相,北极太平洋扇区冬季季节性海冰保持显著正距平。太平洋扇区表面温度最大异常也发生在2007年,从大气环流来看,2007年之后波弗特海区异常高压有利于夏季太平洋扇区海冰的减少,而西风急流的减弱有利于夏季波弗特海区异常高压的维持,结合夏季海冰速度,顺时针的冰速分布有利于海冰离开太平洋扇区,因而会导致冬季太平洋扇区季节性海冰转为正距平并且从2007年一直维持到2010年。     

2012年登陆我国热带气旋的气候特征分析

利用1981—2012年热带气旋数据资料,统计分析了2012年登陆我国热带气旋的特征;并且利用美国国家环境预报中心(NCEP)再分析数据和美国国家海洋大气管理局(NOAA)的avhrr卫星数据,分析了其原因。结果表明,2012年登陆热带气旋登陆地点偏北是由当年夏季西北太平洋副热带高压(以下简称"副高")的脊线位置偏北,热带季风槽位置偏北等因素所造成的。登陆热带气旋强度偏强和北太平洋(30°N、160°—170°E)区域海温表现出很好的正相关关系,与东太平洋(20°N、120°W)区域海温呈现了负相关关系。