北半球冬季风暴轴维持的一种可能机制

利用对欧洲中期天气预报中心（ＥＣＭＷＦ）每日客观分析资料所作的观测分析及Ｔ４２Ｌ９大气环流模式（ＧＣＭ）所作的数值试验结果,提出了外热源强迫是北半球冬季风暴轴维持的一种可能机制,并试图给了影响过程的物理图象。     

西伯利亚风暴轴的气候特征及其可能维持机制

基于1959—2014年NCEP/NCAR的逐日再分析资料,首先研究了西伯利亚风暴轴各季节的气候平均特征,然后以冬季为例,利用能量诊断方程,从能量学的角度对其的可能维持机制进行了探讨,并在上述分析过程中与北半球两大洋风暴轴的特征进行了对比。结果表明:(1)西伯利亚风暴轴一年四季都独立存在,虽强度要比两大洋风暴轴的强度弱很多且位置偏北,但可以定义为一个弱风暴轴。(2)比较来看,西伯利亚风暴轴强度的季节变化与北太平洋风暴轴的季节变化类似。与两大洋风暴轴位于急流东北侧不同,冬季西伯利亚风暴轴位于东亚温带急流的西侧。(3)进一步的能量分析结果表明,与两大洋风暴轴一样,斜压不稳定的能量转换(Ke4)也是西伯利亚风暴轴区域天气尺度扰动动能的主要来源;而扰动非地转位势通量散度项(Ke3)和时间平均气流对扰动动能的平流输送项(Ke1)也是风暴轴下游发展所需的扰动动能来源之一。     

北半球风暴轴附近的能量转换

用１９８０￣１９８４年的ＥＣＭＷＦ客观分析资料，对任选一年的任意月份、正常年和尼尔尼诺年的特别月份天气尺度涡动能量及其与时间平均气流之间的能量转换项进行了分析。结果表明：在风暴轴区域，天气尺度涡动动能和天气尺度涡动有效位能最大，天气尺度涡动与时间平均气流之间的能量转换也是最剧烈；在风暴轴的入口区、出口区，天气尺度涡动与时间平均气流之间的能量转换是反向的，从而使风暴轴维持在比较常定的区域。     

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。     

冬季北半球风暴轴能量演变的个例分析

利用观测资料,从扰动能量变化方程出发,通过分析能量的逐日演变过程,对风暴轴的各种内部因素在其维持中的作用进行了详细探讨。结果发现,涡动非地转位热能量所引起的“下游发展效应”是风暴轴得以在一常定区域维持的重要因素。     

北半球冬季风暴轴与ENSO循环的关系及其能量平衡特征

利用欧洲中期天气预报中心的再分析资料,分析了北半球冬季对流层上层300 hPa面上风暴轴与ENSO循环的关系以及风暴轴的能量平衡特征.研究表明,由于El Nino年北太平洋的哈德莱环流增强,导致北太平洋西风急流向赤道和向东伸展,进而引起了北太平洋风暴轴的增强并向赤道和向东伸展;而La Nina年事件期间情形正好相反.在北大西洋,El Nino年其西风急流中心最大值有所减小,但整个西风急流区域有所扩大并向西和向赤道伸展,相应北大西洋风暴轴强度在El Nino年也有所减弱并向西和向赤道方向伸展;La Nina事件的情形正好相反.能量分析表明,斜压转换的正值中心位于风暴轴及其上游区域.在El Nino年,北太平洋斜压转换的正值中心向赤道和向下游伸展,而北大西洋斜压转换的正值中心向赤道和向西伸展,这与北太平洋风暴轴和北大西洋风暴的变化趋势是一致的.行星尺度扰动对斜压转换的贡献比天气尺度扰动的贡献要小,而行星尺度-天气尺度扰动的相互作用项对斜压转换的贡献更小.研究还表明,能量正压转换的正中心化于风暴轴的上游,负中心位于风暴轴区域.相对于La Nina年,El Nino年北太平洋东部的正压转换负值中心偏北,北美的正值中心位置偏南,而北大西洋的负值中心强度减弱范围变小.这些变化与从La Nina年剑El Nino年北太平洋和北大西洋风暴轴的变化是一致的.在能量的正压转换过程中,天气尺度扰动的贡献要大于行星尺度扰动,而行星尺度-天气尺度扰动的相互作用项的贡献更小.     

冬季北半球风暴轴的协同变化及其与大气环流的相互作用

基于1971—2016年NCEP/NCAR的逐日、逐月再分析资料,研究冬季北半球西伯利亚风暴轴(Siberian Storm Track,SIST)、北太平洋风暴轴(Pacific Storm Track,PST)和北大西洋风暴轴(Atlantic Storm Track,AST)的协同变化特征及其与大气环流的关系。结果表明:(1)三大风暴轴不仅各自的位置与强度变化存在显著相关性,风暴轴之间也存在一定的协同变化且年代际尺度上比年际尺度上更紧密。年际尺度上,SIST与AST的经度变化呈显著负相关,而PST和AST的协同性较差;年代际尺度上,SIST与PST的经、纬度变化均呈弱的负相关,SIST与AST的经度和强度变化均呈显著正相关,PST与AST的经、纬度变化均呈显著负相关。(2)由联合EOF分析得到北半球风暴轴的协同变化时空特征:在年际尺度上,第一模态主要表现为SIST偏弱(强),PST主体偏弱(强)、东南偏强(弱),AST略偏北(南)偏强(弱)但不显著的协同变化。PC1为正位相时,对应的大气环流异常为:500 hPa高度场上为太平洋北美(Pacific North America,PNA)型和欧亚(Eurasian,EU)型的正位相,东亚急流偏强且偏南;第二模态主要表现为SIST偏强(弱)且偏东(西),PST中东部偏南(北)、西部强度偏强(弱),AST偏强(弱)的协同变化。PC2为正位相时,对应的大气环流异常为:500 hPa高度场上为PNA型和大西洋东部(East Atlantic,EA)型的正位相,北美急流减弱;在年代际尺度上,第一模态主要表现为SIST偏西(东)且偏弱(强),PST偏东(西)且偏弱(强),AST偏西(东)且偏弱(强)的协同变化。PC1为正位相时,对应的大气环流异常为:500 hPa高度场上为西大西洋(West Atlantic,WA)型和EU型的正位相。第二模态主要表现为SIST偏强(弱)且偏北(南),PST偏南(北)且偏弱(强),AST北抬(南压)的协同变化。PC2为正位相时,对应的大气环流异常为:500 hPa高度场上为EU型和WA型的正位相,东亚急流强度加强且偏南,北美急流强度减弱。     

风暴轴的研究

从风暴轴的三维结构、时间演变、维持机制及其与平均气流间的相互作用等方面出发,对风暴轴的研究动态和主要结构作了评述,并对该领域的研究前景作了一定的展望 。     

冬季北太平洋风暴轴的年代际变化特征及其可能影响机制

利用1958-2002年的ERA-40再分析资料,用谐波变换和EOF方法分析了冬季北太平洋风暴轴在年代际时间尺度上的变化特征,并通过回归分析的方法初步探讨了风暴轴年代际变化的可能影响机制.结果表明,在年代际时间尺度上,北太平洋风暴轴有两种主要模态,第1模态是风暴轴在其气候平均位置增强或减弱的主体一致变化型,其年代际变化受到上游涡旋强迫的影响,北大西洋强(弱)的涡旋活动,使得冬季北太平洋西风急流减弱(增强)、变宽(窄)、北抬(南压),同期北太平洋风暴轴活动偏强(弱),黑潮延续体区海表温度有偏暖(冷)的响应;第2模态是风暴轴中东部在气候平均位置南北两侧振荡的经向异常型,与太平洋年代际振荡(PDO)循环的暖(冷)位相相联系,下垫面海温非绝热加热的作用,激发加强(减弱)大气中类太平洋/北美遥相关型(PNA)的响应,引起大气斜压性异常偏南(北),使得风暴轴整体南压(北抬),且中东部向东南(北)方向移动.因此,冬季北太平洋风暴轴的年代际变化不仅是局地波-流相互作用的结果,还应考虑上游涡旋活动和海温热力强迫的作用.     

冬季北太平洋风暴轴的年代际变化

对1948-2004 NCEP／NCAR 500hPa高度场资料进行滤波后,采用累积距平、Morlet小波分析、合成分析等方法,研究了风暴轴中心的强度、经纬度以及面积指数的年代际变化。结果表明,56a来北太平洋风暴轴的中心强度平均约为32dagpm^2,中心位置约在172°W、44．5°N。小波分析表明,冬季北太平洋风暴轴的中心强度和面积都存在着18a的年代际变化周期。此外,风暴轴中心强度与面积指数有很好的正相关关系。总的来说,风暴轴中心强度增强（减弱）时期,一般对应着风暴轴面积增大（缩小）和位置向西（东）、向南（北）移动。     

Representation of Northern Hemisphere winter storm tracks in climate models

Northern Hemisphere winter storm tracks are a key element of the winter weather and climate at mid-latitudes. Before projections of climate change are made for these regions, it is necessary to be sure that climate models are able to reproduce the main features of observed storm tracks. The simulated storm tracks are assessed for a variety of Hadley Centre models and are shown to be well modelled on the whole. The atmosphere-only model with the semi-Lagrangian dynamical core produces generally more realistic storm tracks than the model with the Eulerian dynamical core, provided the horizontal resolution is high enough. The two models respond in different ways to changes in horizontal resolution: the model with the semi-Lagrangian dynamical core has much reduced frequency and strength of cyclonic features at lower resolution due to reduced transient eddy kinetic energy. The model with Eulerian dynamical core displays much smaller changes in frequency and strength of features with changes in horizontal resolution, but the location of the storm tracks as well as secondary development are sensitive to resolution. Coupling the atmosphere-only model (with semi-Lagrangian dynamical core) to an ocean model seems to affect the storm tracks largely via errors in the tropical representation. For instance a cold SST bias in the Pacific and a lack of ENSO variability lead to large changes in the Pacific storm track. Extratropical SST biases appear to have a more localised effect on the storm tracks.     

冬季北半球极涡强度对北太平洋风暴轴的影响

利用美国NCEP/NCAR再分析资料和中国国家气候中心北半球极涡强度指数资料,采用相关和合成分析等方法,初步分析了北半球极涡强度对北太平洋风暴轴的影响及其可能机制。研究发现,北半球极涡与北太平洋风暴轴之间有同步的强弱变化特征,在北半球极涡强度的高(低)值年,一般对应着风暴轴强度的增强(减弱),风暴轴区域扰动动能的加大(减弱),天气尺度涡动向极和向上的热量以及西风动量输送的显著增强(减弱)。进一步分析表明,极涡的异常变化可以通过改变欧亚大陆及其下游北太平洋上空的高度场,进而改变东亚西风急流的强度以及风暴轴上游的斜压性,从而对风暴轴产生影响。     

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。     

冬季北太平洋风暴轴的年际型态及其与大气环流的关系

利用NCEP/NCAR再分析资料,运用31点带通数字滤波、线性相关和合成分析方法,研究了1961/1962—2010/2011年冬季北太平洋风暴轴西部、东部区域强度指数的年际演变特征,划分了风暴轴的典型型态,并进一步探讨了与同期北半球500 hPa位势高度场和SLP的关系。结果表明:风暴轴气候态的极大值区域位于中纬度北太平洋中西部,最大值点的频数集中区域和均方差分布的异常中心都有两个。风暴轴西部和东部区域强度指数(WI和EI)的年际演变具有独立性,典型型态可分为单、双中心型两类。WI(EI)指数与北半球500 hPa位势高度场的相关分布类似于WP(PNA)遥相关型;单中心型风暴轴偏强时,极涡南扩,平均槽加深;呈双中心型时,极涡明显偏西。WI(EI)指数与SLP的相关分布类似于NPO(NAO)遥相关型;单中心型风暴轴偏强(弱)时,SLP距平场呈AO遥相关型的正(负)异常位相。