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。     

北极涛动与我国北方强沙尘暴的关系

使用1954—2003年北极涛动指数、500hPa纬向环流指数和沙尘暴等气候观测资料,针对我国北方春季沙尘暴年际和年代际变化趋势,分析了以北极涛动为代表的大气环流异常变化的气候特征,揭示了其与我国春季沙尘暴相关的事实。结果表明：近50年北极涛动指数表现出由负位相向正位相转变的趋势,当冬季(12月～2月)北极涛动为负位相时,相应的纬向环流指数为负距平,中高纬度西风气流偏弱,有利于极地冷空气向南输送,西伯利亚高压偏强,我国北方春季易多发区域性沙尘暴;反之则不易发生区域性沙尘暴。     

热带准两年振荡影响北半球冬季大气环流的诊断分析

利用NCEP/NCAR再分析资料,首先讨论了热带纬向风准两年振荡(QBO)的东、西风位相的划分标准.结果发现,赤道50 hPa的风与西风深厚度关系最密切,即赤道50 hPa的纬向平均风为西(东)风时往往代表平流层下层为一层深厚的西(东)风.在此基础上诊断分析了1958/1959～1997/1998年共40个冬季中热带纬向风QBO对北半球中高纬度地区纬向平均环流和准定常行星波传播的影响.诊断分析表明,热带QBO对北半球冬季大气环流的影响主要表现在平流层和对流层上层.热带QBO的东风位相年与西风位相年相比,中高纬地区的绕极西风环流明显减弱,中低纬地区则出现相反变化,从而在平流层的纬向平均环流分布上呈现偶极子形式.纬向平均流的这种年际变化可以很好地用中高纬度准定常行星波传播的异常加以解释,QBO的东风位相年和西风位相年相比,中高纬准定常行星波向极地的传播更强,从而在高纬度平流层产生异常的E-P通量辐合,波-流相互作用的结果使得西风减弱.但是热带纬向风QBO的影响在1958/1959～1997/1998年的前后20年有所差异.后20年相对于前20年而言,东西风位相的差异有所减小,Hol-ton-Tan振荡明显减弱;就行星波传播而言,东风位相年下,前20年行星波向上传播较弱,而后20年则以大约70°N为分界点,以南向上传播较强,以北向上传播较弱.这种差异可能跟中高纬度纬向西风的自身变化有关.     

CMIP5模式对北极涛动的模拟评估

基于国际耦合模式比较计划第五阶段(CMIP5)历史试验(historical)的输出结果,评估了26个耦合模式对北极涛动(AO)的模拟能力。对各模式逐月AO指数序列的功率谱分析表明,有23个模式能够模拟出AO模态无显著变化周期的特征。这些模式也能够较好地再现冬季AO在海平面气压场上的主要分布特征,但均高估了AO模态的强度。对于伴随着冬季AO位相变化而出现的中高纬度偶极型的纬向平均纬向风异常,CMIP5中只有一些模式有较好的模拟表现,大多数模式对其中心位置和强度的模拟存在明显不足。对比之下,MPI-ESM-P对AO时空特征的模拟更接近观测结果。     

东亚高空纬向风的季节内振荡对登陆中国大陆热带气旋活动的影响

使用1979—2015年欧洲长期天气预报中心所提供的ERA-Interim再分析资料和中国气象局上海台风研究所整编的西北太平洋热带气旋（TC）最佳路径资料,分析了7—8月东亚高空纬向风的季节内振荡（ISO）信号特征及其与登陆中国大陆热带气旋（TC）的关系。结果表明:（1）200 hPa纬向风在副热带、中纬度地区季节内振荡显著,尤其是在纬向西风带中,有两个南北分布的大值中心,方差贡献均超过50%。（2）基于东亚高空纬向风的ISO和EOF典型空间模定义的西风指数(EAWI),可以用来描述东亚高空纬向西风在ISO尺度上的经向移动。（3）在西风指数的ISO负位相期间,登陆中国东南沿岸22 °N以北的TC增多;反之减少。在西风急流出口南侧的副热带区域,200 hPa ISO纬向风向北移动,使纬向西风位置偏北,出现东风异常,从而使西风减弱;TC引导气流为向西的异常,有利于TC登陆中国大陆偏北沿岸;同时有异常的ISO纬向异常东风切变,有利于TC登陆过程的维持。（4）在西风指数的ISO负位相期间,在对流层高层西风急流出口区向南输送的天气尺度的E矢量,在TC登陆地区,出现异常扰动涡度通量的辐合,引起了该区域的西风减弱。      

北太平洋涛动区500 hPa高度场季节变化特征及其对中国东北区降水的影响

利用国家气候中心1960~2000年500 hPa高度场10°×5°经纬度月平均资料，采用EOF、SVD方法，分析了北太平洋涛动区（25°~70°N，140°E~150°W）500 hPa高度场季节变化特征和中国东北区80个测站降水场相关。结果表明:（1）北太平洋涛动区500 hPa高度场冬季EOF第1载荷向量场呈由北向南的“-，+”波列分布，这种北南分布相反型，占总体方差贡献的40%，可以表现为北低南高，类似地面气压场涛动 (NPO) 的正位相阶段，反映了40年北太平洋中高纬度上空以东亚大槽为定常波的大气环流基本模态，亦是NPO呈正位相阶段的主要成因，反之，类似地面气压场涛动（NPO）的负位相阶段，第2载荷向量场呈整体“+”值分布，占方差贡献28%，该模态则表现为东亚大槽被长波脊替代的与气候基本模态呈相反分布的异常环流型；夏季第1载荷向量场基本模态则为全区的正值分布，占总体方差贡献的30%，第3载荷向量呈北“+”南“-”的分布，占方差贡献的13%，表明夏季500 hPa高度场NPO不是主要模态；春秋两季均呈现出较为明显的NPO模态；（2）北太平洋涛动区500 hPa高度冬季平均场与东北区夏季降水场呈由北向南的“+，-”相关波列，存在显著的相关性（α＞0.01）, 第1对SVD奇异向量占总方差贡献的49%，当NPO区前冬500 hPa高度场呈负位相阶段时，东北区夏季降水偏多，反之，东北区夏季干旱少雨，其它季节亦有类似隔季相关关系。     

北极涛动的纬向对称结构

运用NCEP／NCAR再分析月资料,分季节研究了北极涛动的纬向结构,以及与之相对应的纬向平均纬向风和经圈环流异常的空间结构特征,并初步探讨了北极涛动的维持机制。结果表明,北极涛动在水平方向上主要呈纬向对称的环形模态,且这种结构在冬季北极涛动的活跃期表现更为显著;而夏季纬向对称型随季节风带的北移和极涡的减弱,其节点也相应向极地移动。与北极涛动纬向对称型相联系的纬向平均纬向风在冬季表现为明显的偶极型,向上延伸到平流层;而夏季这种形态明显减弱,并只限于对流层中。与冬、夏季北极涛动纬向对称型相对应的平均经圈环流异常均表现为增强的费雷尔环流和哈得来环流,这种形势有利于北极涛动形成正反馈机制,使之得以长期维持。     

北半球平流层下部气温的准两年周期振荡

由分析1966—1985年北半球30hPa 月平均气温资料得出,中纬地区气温准两年周期振荡比低纬地区更清楚,平均周期26.3月,振幅约2.8℃,振荡的峰和谷值都出现在冬季.中纬气温和赤道上空纬向风的准两年振荡之间位相配合密切,中纬气温准两年振荡的峰与赤道上空10hPa 为东风,70hPa 为西风的位相一致,谷则有相反的位相.它们的这种准两年周期振荡是通过平均经圈环流相联系的.强烈的火山喷发能影响气温的准两年周期振荡.     

冬季青藏高原上游西风模态与中国降水及NAO的关联

利用ERA40再分析资料和中国区域站点降水观测资料分析了冬季北大西洋至青藏高原上游地区上空西风变率的EOF主要模态(简称高原上游西风模态),并考察了这些模态与中国区域降水及北大西洋涛动(NAO)之间的联系。研究结果表明,冬季高原上游最主要的两种西风模态(EOF1和EOF2)都和北大西洋涛动(NAO)显著相关,却与中国冬季降水的关系明显不同:EOF1对应着整体位置偏北、南侧活动中心偏东的NAO型,并与高原西南侧及长江中下游地区冬季降水存在显著正相关;而EOF2对应着整体位置偏南,南侧活动中心位置偏西的NAO空间型,与中国冬季降水却没有显著的相关关系。进一步研究指出,在偏强的EOF1中,低纬异常西风带可向东伸展到位于亚欧大陆中南部的高原上游,造成高原西南侧中下层气流的爬升运动增强,导致高原西南侧降水异常偏多,同时,该西风异常可绕过高原形成异常西南风,与异常偏高的西太平洋副热带高压南侧湿润的东南风异常汇合于长江中下游地区,产生异常辐合上升运动,从而引起长江中下游地区冬季降水增强,反之亦然;而EOF2较EOF1位置偏东、偏南,低纬纬向风东伸较弱,对中国冬季降水影响不明显。这表明冬季高原上游西风异常分布的形态对下游中国区域降水的影响至关重要,而西风EOF1模态是NAO通过上下游效应影响中国冬季降水的一个重要媒介。     

冬季青藏高原上游西风模态与中国降水及NAO的关联北大核心CSCD

利用ERA40再分析资料和中国区域站点降水观测资料分析了冬季北大西洋至青藏高原上游地区上空西风变率的EOF主要模态(简称高原上游西风模态),并考察了这些模态与中国区域降水及北大西洋涛动(NAO)之间的联系。研究结果表明,冬季高原上游最主要的两种西风模态(EOF1和EOF2)都和北大西洋涛动(NAO)显著相关,却与中国冬季降水的关系明显不同:EOF1对应着整体位置偏北、南侧活动中心偏东的NAO型,并与高原西南侧及长江中下游地区冬季降水存在显著正相关;而EOF2对应着整体位置偏南,南侧活动中心位置偏西的NAO空间型,与中国冬季降水却没有显著的相关关系。进一步研究指出,在偏强的EOF1中,低纬异常西风带可向东伸展到位于亚欧大陆中南部的高原上游,造成高原西南侧中下层气流的爬升运动增强,导致高原西南侧降水异常偏多,同时,该西风异常可绕过高原形成异常西南风,与异常偏高的西太平洋副热带高压南侧湿润的东南风异常汇合于长江中下游地区,产生异常辐合上升运动,从而引起长江中下游地区冬季降水增强,反之亦然;而EOF2较EOF1位置偏东、偏南,低纬纬向风东伸较弱,对中国冬季降水影响不明显。这表明冬季高原上游西风异常分布的形态对下游中国区域降水的影响至关重要,而西风EOF1模态是NAO通过上下游效应影响中国冬季降水的一个重要媒介。     

夏季纬向平均气流变动的主要模态及其与AO和ENSO的联系

使用NCEP-NCAR月平均再分析资料,研究了夏季纬向平均气流变动的主要模态及其与北极涛动(AO)和ENSO的联系,探讨了夏季[u]主要模态维持的可能机制。结果表明,北半球夏季纬向平均[u]的异常分布表现为两个主要模态。EOF1反映了与AO相对应的纬向平均[u]的分布,EOF2反映了与ENSO相对应的纬向平均[u]的分布。周期分析显示了EOF1、EOF2分别具有与AO及ENSO相似的周期。滞后相关分析表明,除了夏季之外的其他季节EOF1与ENSO存在显著相关,而EOF2与AO亦存在显著相关。夏季,EOF1与ENSO、EOF2与AO的同期相关量值小且不显著。这些说明,北半球夏季纬向平均气流变化的主要模态可以有效分离,其分别代表了AO和ENSO有关的信号。这对于更好地理解AO和ENSO的全球影响具有重要意义。利用准地转无加速定理,发现EOF1和EOF2对应的时间系数高低值年的E-P通量散度的合成差值场分别与纬向平均[u]的EOF1、EOF2分布表现出很好的对应关系,其中行星波对纬向平均气流主要模态的维持起着主要作用。余差环流与E-P通量散度分布型相似,量值相当,但符号相反。在一些地区,大气涡动的摩擦耗散也起着一定的作用。这些平衡了波动的能量输送作用,使纬向平均[u]的结构得以维持。     

Diagnostic Comparison of Wintertime East Asian Subtropical Jet and Polar-Front Jet: Large-Scale Characteristics and Transient Eddy Activities

Diagnostic comparison of the East Asian subtropical jet (EASJ) and polar-front jet (EAPJ) in winter season is carried out by using the ERA-40 dataset. The large-scale circulation characteristics and synopticscale transient eddy activities (STEAs) associated with the EASJ and EAPJ are examined. The results show that the EASJ and EAPJ in the upper-level monthly mean data have no clear geographical border, while the distribution of the numbers of jet cores from the daily data exhibits a distinct boundary at the latitudes of the northern Tibetan Plateau. The two areas with large numbers of jet cores correspond to the EASJ and EAPJ regions. The analysis of STEAs over the East Asian region shows a spatial match of STEAs with the EASJ and EAPJ in winter: the strong EASJ is located within the weak southern branch of the STEA while the relatively weak EAPJ appears within the active northern branch of the STEA, indicating that the EAPJ is the jet coexisting with the STEA. Further analysis shows two anomalous modes of the winter EAPJ: the anomalous anticyclonic/cyclonic circulation and the weakened/strengthened local westerly wind. The large-scale circulation anomalies in the Northern Hemisphere related to the first mode are concentrated in the Eurasian mid to high latitudes, and are also influenced by the anomalous circulation in the upstream area. When the local westerly wind over the EAPJ region is weakened/strengthened, the westerly jet in the eastern part of the EASJ and that in the western Pacific region show opposite variations. The corresponding anomalous atmospheric circulation demonstrates the Eurasian (EU) pattern. The EAPJ anomalies are also closely linked with the STEA anomalies over East Asia. The anomalies in the northern branch of the STEA propagate as a wave train along its axis into the East Asian coastal waters, and then migrate eastward to the oceanic region. However, the ones near the southern branch are trapped over the eastern part of East Asia and its coastal waters at 200 hPa.     

冬季热带西太平洋海平面气压与后期亚洲夏季风的关系

利用月平均的NCEP/NCAR再分析资料(1958-1996),基于一个新的冬季热带西太平区域环流指数,研究了冬季热带西太平洋环流的极端异常及其随时间的演变。研究发现,冬季热带西太平洋环流异常与北半球亚洲大陆高纬度地区的气候变化有紧密的联系。随着季节发展,冬季出现在热带西太平洋的一个反气旋(气旋)环流异常逐渐向东北方向移动并向西扩展,其东西方向的轴线逐渐被拉长。因此,位于反气旋(气旋)环流异常南部的异常东风(西风)连续向西伸展到印度半岛,导致南亚夏季风减弱(增强)。同时,随着季节发展,源于热带西太平洋的气压异常逐渐移近并最终占据亚洲大陆,进而影响夏季亚洲大陆热低压。     

东亚夏季风异常活动的空间多模态特征

利用ERA40再分析资料,采用相关、合成、自然正交函数展开（EOF分析）等方法,探讨了东亚地区夏季风活动的多空间模态特征及其与大气环流异常的可能联系。结果表明：1）东亚夏季风活动存在3种差异明显的典型空间模态。第一模态反映了夏季风活动在我国东部沿海及以东洋面与其以西地区的反相变化,主要体现了夏季风活动主体位置的东西变动;第二模态反映了自我国华南,经长江中下游、山东半岛、渤海湾至我国东北及朝鲜半岛一带夏季风活动的一致性变化,体现了东亚夏季风活动的整体强弱;第三模态主要反映了夏季风活动在中国以东洋面、朝鲜半岛、东北亚一带与我国华南地区的反相变化,主要体现了夏季风活动主体位置的南北移动。2）东亚夏季风活动的多空间模态对应的大气环流异常存在显著差异。东亚夏季风第一空间模态与亚洲南部区域以及鄂霍次克海上空的SLP呈负相关,而与北极极区、贝加尔湖地区及日本以东洋面的SLP呈正相关;而与同期500hPa高度场的相关分布主要表现为自极地经鄂霍次克海至日本以东洋面的“＋-＋”的波列分布特征。第二模态与SLP和500hPa高度场的相关分布具有非常相似的空间分布形势,均表现为东北、朝鲜半岛、日本海一带与菲律宾洋面、鄂霍次克海地区的反位相分布,自低纬向高纬呈现“＋-＋”的波列分布特征。第三模态与SLP和500hPa高度场的相关分布,主要表现为菲律宾附近洋面、日本及以东洋面、贝加尔湖到亚洲北部的负正相间的分布形势。     

中国冬季月地面气温的年际变化

基于观测资料和再分析资料,对我国冬季各月地面气温的年际变异时空演变以及它们之间的相互关系、相关的环流异常特征进行了统计诊断分析,并对大气内部的影响过程和机制进行解释。我国冬季各月地面气温的主要年际变异模态是除青藏高原地区外的全国一致型,其次为南北反号分布型。我国冬季1月与2月气温的主要年际变异模态之间存在显著的同相变化关系,而它们与前期12月气温的主要变异型存在一定程度的反相变化关系。我国冬季各月地面气温主要年际变异模态又与欧亚大陆更大范围的高纬—中低纬度地区气温的反号变异型直接相关。与我国冬季各月大范围的地面气温变异相关的温度异常信号存在于深厚的对流层,其中异常信号在地面最显著,其强度随高度逐渐衰减。地表温度异常可以通过地表向上长波辐射通量异常来影响近地面乃至更高层次的气温异常。在冬季各月,欧亚大陆北部上空对流层各层出现的明显西风异常加强,使得高纬度的冷空气南侵活动减弱,从而造成我国乃至更大范围且垂直深厚的气温暖异常。     

ENSO与中国夏季降水的联系:冬季QBO的调制作用

使用NCEP/NCAR再分析资料、中国气象局台站降水资料和GPCC降水资料,系统研究了在冬季平流层准两年振荡(Quasi-Biennial Oscillation, QBO)调制下,厄尔尼诺-南方涛动(El Ni?o-Southern Oscillation, ENSO)不同阶段与中国夏季降水的可能联系。根据两者的位相和强度,可将它们的配置分为QBO西风/El Ni?o、QBO西风/La Ni?a、QBO东风/El Ni?o、QBO东风/La Ni?a。研究结果表明,在年际时间尺度上,ENSO和QBO无显著相关关系。冬季QBO西风位相时,El Ni?o发展年夏季,我国整体偏旱,而华南偏涝;衰减年夏季,华南、华东北部偏旱,东北、长江流域偏涝。La Ni?a发展年夏季,我国东部降水异常呈负-正-负的三极分布;衰减年夏季,东南沿海偏涝。冬季QBO东风位相时,El Ni?o发展年夏季,长江以北偏旱;衰减年夏季,我国东部降水异常呈负-正-负的三极分布。La Ni?a发展年夏季,江淮和华南南部偏旱;衰减年夏季,我国东部沿海偏涝。ENSO是影响我国夏季降水异常的重要因子,而QBO的调制作用在ENSO衰减年夏季更为显著。相比冬季QBO东(西)风位相,QBO西(东)风位相时El Ni?o (La Ni?a)期间赤道西太平洋负(正)海温异常更强,衰减年夏季位于西太平洋的异常下沉(上升)运动和印度洋的异常上升(下沉)运动更强更深厚,西太平洋副热带高压范围更大(小),南亚高压更偏东(西)。      

北太平洋冬季海-气耦合的主模态及其与瞬变扰动异常的联系

利用45年的ECMWF再分析资料,使用SVD方法研究了冬季北太平洋地区表层海温(SST)异常与大气环流异常间的主要耦合模态,探讨了大尺度海-气耦合型与天气尺度瞬变扰动的相互关系。分析结果表明,中纬度北太平洋地区冬季存在两种主要的海-气耦合型,第1种耦合型反映了与ENSO紧密相关的中纬度北太平洋冬季海温异常分布型以及大气的PNA型,第2种耦合型SST异常集中在东亚沿海以及中纬度北太平洋海流区,相应的大气场则为暖(冷)SSTA上空东西向带状区域内位势高度偏高(低),明显独立于ENSO型。进一步的合成分析表明,在第1种耦合型SST正(负)异常年里,冬季阿留申低压主体位置偏西南(东北),从东北亚到北美西海岸的西北—东南向带状区域内是低层大气温度正(负)异常区和高层西风负(正)异常区,西风负(正)异常中心位于西风急流出口处的北太平洋中东部,而西风急流主体区的风速变化很小。在第2种耦合型东亚沿海至中纬度北太平洋海流区SST偏暖(冷)时,阿留申低压整体偏弱(强),SST暖(冷)异常上空的大气温度偏暖(冷),高层西风急流区西风偏弱(强)。两种耦合型均显示出在北太平洋中纬度地区大气和海洋的异常相关中心有很好的空间对应性。在两种耦合型下,中纬度北太平洋冬季的大气斜压性也发生截然不同的改变,引起中纬度天气尺度瞬变扰动活动异常。瞬变扰动异常的动力强迫作用对北太平洋西风异常的形成存在正反馈作用,而其热力作用则试图破坏与两种海-气耦合模态相关的大气温度异常型。     

Variability of the Caribbean Low-Level Jet and its relations to climate

A maximum of easterly zonal wind at 925 hPa in the Caribbean region is called the Caribbean Low-Level Jet (CLLJ). Observations show that the easterly CLLJ varies semi-annually, with two maxima in the summer and winter and two minima in the fall and spring. Associated with the summertime strong CLLJ are a maximum of sea level pressure (SLP), a relative minimum of rainfall (the mid-summer drought), and a minimum of tropical cyclogenesis in July in the Caribbean Sea. It is found that both the meridional gradients of sea surface temperature (SST) and SLP show a semi-annual feature, consistent with the semi-annual variation of the CLLJ. The CLLJ anomalies vary with the Caribbean SLP anomalies that are connected to the variation of the North Atlantic Subtropical High (NASH). In association with the cold (warm) Caribbean SST anomalies, the atmosphere shows the high (low) SLP anomalies near the Caribbean region that are consistent with the anomalously strong (weak) easterly CLLJ. The CLLJ is also remotely related to the SST anomalies in the Pacific and Atlantic, reflecting that these SST variations affect the NASH. During the winter, warm (cold) SST anomalies in the tropical Pacific correspond to a weak (strong) easterly CLLJ. However, this relationship is reversed during the summer. This is because the effects of ENSO on the NASH are opposite during the winter and summer. The CLLJ varies in phase with the North Atlantic Oscillation (NAO) since a strong (weak) NASH is associated with a strengthening (weakening) of both the CLLJ and the NAO. The CLLJ is positively correlated with the 925-hPa meridional wind anomalies from the ocean to the United States via the Gulf of Mexico. Thus, the CLLJ and the meridional wind carry moisture from the ocean to the central United States, usually resulting in an opposite (or dipole) rainfall pattern in the tropical North Atlantic Ocean and Atlantic warm pool versus the central United States.     

中层大气行星波在臭氧的季节和年际变化中输运作用的数值研究──Ⅰ．常定流的情况

本文构造了一个３４层球坐标原始方程波－流相互耦合谱模式，利用此模式从拉格朗日平均环流的观点研究了在常定流下行星波对臭氧的输运作用。研究结果表明，行星波对臭氧的输运有明显的季节变化，在北半球冬季，由于行星波上传到平流层而大大增强了中高纬地区向极地向下的Ｏ３输运；并且还表明，热带纬向风的ＱＢＯ不仅通过影响东、西风切变而引起热带Ｏ３分布的年际变化，而且通过影响行星波的传播引起了行星波对Ｏ３输运的年际变化，这表现为当热带纬向风处于东风位相时，中高纬地区行星波对Ｏ３的输运比西风位相时强。