基于FMM算法的我国寒潮路径分类及气候特征分析

利用1965—2015年冬半年寒潮过程数据和NCEP/NCAR再分析资料,通过FMM算法聚类分析,将影响我国寒潮路径确定为4类,并统计分析了不同类型路径寒潮的活动变化趋势以及环流特征。研究结果表明:各类路径寒潮的频数、强度、季节分布和年际变化存在显著差异,第一类西路转向型寒潮频数最多且逐年减少趋势最大,第三类西北型寒潮强度最大,第四类西路型寒潮在春季频发且变化趋势平缓;在寒潮爆发时刻,500 h Pa温压场配置、风场转变、高层涡度平流和冷暖平流以及地面冷高压分布与寒潮路径的选择密切相关,其中第二类北路型寒潮的低槽、负涡度区和冷平流区偏东分布,第三类则相应偏西。     

云南雨季开始期东亚副热带西风急流变化和冷空气活动

利用1961—2010年NCEP/NCAR逐日再分析资料和云南站点降水资料,通过数理统计和动力诊断方法分析了东亚副热带西风急流(东亚急流)的低频变化特征、形成机理及其与云南雨季开始的关系。研究显示,东亚急流南移增强是云南雨季开始的重要触发因子,即伴随云南雨季开始东亚急流明显南移且强度增强,急流入口区的垂直环流也随之南移增强,而云南正好处于垂直环流上升支的影响范围;与此同时,东亚中纬度冷空气活跃,急流入口区的垂直环流下沉支为干冷气流,十分有利于对流层中低层冷暖空气在云南交汇形成降水。上述过程与欧亚大陆中高纬10～30天低频波列(EU型)的传播密切相关,当波列上的冷性气旋在东亚上空向东南方向移动时即可造成副热带西风急流的增强南移和冷空气的活跃南下。分析还显示EU型波列对4—7月的云南降水也有显著影响,并且波列的年际异常及其与夏季风的相互作用是影响云南雨季开始早晚的重要原因。      

北极涛动对华南地区寒潮的影响

利用1960—2010年(NCEP/NCAR)再分析资料和我国同期549个气象观测站的日最低气温与日平均气温资料,分析华南地区寒潮爆发次数、爆发路径与北极涛动(AO)的相关关系,并结合冬季大气环流异常研究了AO对华南寒潮过程的影响。结果表明:AO指数与华南寒潮爆发次数呈负相关;AO指数为正时,AO偏弱,寒潮爆发次数较少,中层东亚大槽偏弱,出现异常东南风,不利于冷空气向南扩散,对寒潮爆发起阻碍作用;当AO指数为负时,AO偏强,影响华南的寒潮偏多,中层东亚大槽偏强,出现异常西北风,有利于冷空气向南扩散,对寒潮爆发起加强作用。由于AO与寒潮的爆发次数有着较强的相关关系,在寒潮过程中冷空气的输送路径的确定可以为预报提供一定依据。AO与寒潮爆发路径分析结果表明,AO异常强年,低层冷气团输送异常,从蒙古出发折向日本,在日本南部转向华南地区输送,另一路冷气团由西伯利亚出发,到青海一带折向广西输送,并在广西区域折向华南地区输送,AO异常弱年并没有明显异常冷气团输送。     

冬季北大西洋风暴轴异常对我国寒潮活动的可能影响

基于1961~2011年国家气象信息中心整编的566站逐日平均温度资料以及NCEP/NCAR(美国环境预报中心和国家大气研究中心)的逐日再分析资料等,利用奇异值分解(SVD)等方法,首先分析了年际尺度上冬季北大西洋风暴轴与同期我国寒潮频次的联系。发现,北大西洋风暴轴位置异常与我国寒潮频次变化存在显著的相关关系,即当在40°W以西风暴轴较气候平均位置偏北(偏南)和在40°W以东风暴轴较气候平均位置偏东北(偏西南)时,同期我国大部分地区的寒潮频次异常偏少(偏多),而其强度异常与我国寒潮频次变化的年际关系并不显著。进一步的分析结果表明,风暴轴位置的改变会引起天气尺度瞬变涡动的传播出现异常,而这种传播异常既可以直接影响我国寒潮活动,也可以通过其反馈作用影响大气环流来间接影响我国的寒潮活动。具体的可能影响过程如下:当风暴轴偏东北(偏西南)时,其离亚洲西风急流的位置较远(较近),不利(有利)于将北大西洋上强的瞬变涡动通过亚洲西风急流波导直接传播到我国地区;此时,北大西洋西风急流偏北(偏南),相应地北大西洋涛动(NAO)出现正(负)位相异常,而传播到下游的瞬变涡动通过动力反馈作用,可使得高纬西风加速(减速),极涡加深收缩(减弱扩张),冷空气禁锢在极地不易(容易)南下,而中纬西风则减速(加速),经向环流加强(减弱),从而引起西伯利亚低层冷堆温度增高(降低);最后,所有上述环流异常形势以及瞬变波的异常传播可最终导致我国的寒潮活动频次减少(增多)。     

1990年代和2000年代华北寒潮的对比及其与北极海冰的联系

基于华北区域均一化站点气温资料、NCEP/NCAR大气再分析资料、CFSR大气再分析资料以及NOAA高分辨率北极海冰密集度资料,对比研究了1990年代与2000年代华北寒潮的差异及其与秋、冬季北极海冰的联系。结果表明:影响华北的区域性寒潮事件在1990年代（2000年代）发生的频次为1957~2011年最多（少）,但寒潮平均强度偏弱（强）,冷空气大多源自格陵兰岛（新地岛）附近,取偏西（偏北）路径进入华北。秋、冬季新地岛附近以及巴芬湾附近海冰在2000年代初显著减少,导致1990年代与2000年代出现显著环流差异:1990年代（2000年代）极区位势高度存在负异常（正异常）,欧亚大陆大型槽脊波动较弱（强）,绕极区西风较强（弱）,东亚大槽较弱（强）,西伯利亚高压较弱（强）,使得华北寒潮在两段时间出现上述差异。     

东亚太平洋与欧亚遥相关型的相互配置及其气候影响

利用近60 a中国160站夏季降水资料和NCEP/NCAR月平均位势高度场、风场等再分析资料,采用相关分析和合成分析等方法对东亚太平洋遥相关型(EAP)和欧亚遥相关型(EU)的不同配置特征及其对中国夏季降水的影响进行了研究.研究结果表明:EAP与EU两种遥相关型是相互独立的,相关系数为-0.03.两者存在以下四种配置:EAP和EU均活跃且位相相同(第Ⅰ类配置)、EAP和EU均活跃且位相相反(第Ⅱ类配置)、仅EU活跃(第Ⅲ类配置)和仅EAP活跃(第ⅣV类配置).EAP与EU呈现不同配置类型时,中国夏季的降水分布相应的存在差异.当二者之间是第Ⅰ类配置时,降水异常分布呈北方型;当二者配置为第Ⅱ类时,降水异常分布呈现出中间型,雨带集中在长江流域;第Ⅲ类配置时,降水大值区主要集中在长江中上游黄河以南地区;而第Ⅳ类配置时,降水集中在长江中下游地区,雨带呈东北—西南走向.     

长江中下游冬季两类冷空气活动事件的环流差异及其与急流的关系

利用1981—2020年台站观测的降水和最低气温资料,从长江中下游地区冬季冷空气活动事件中分出"降温有降水"和"降温无降水"两类事件(简称为"冷湿"和"冷干"事件),结合再分析资料,分析两类事件的冷暖空气活动特征和大气环流差异,进而探讨其与急流的联系。结果发现,长江中下游冷空气活动事件发生频次逐年减少,其中冷干事件发生频次逐年减少,冷湿事件发生频次显著增加,且冷湿事件的降温幅度大于冷干事件。冷湿事件发生时,高层副热带急流北移、极锋急流偏弱,中层存在倾斜槽脊、副热带高压偏西,低层西伯利亚高压增强,有来自西南的暖湿气流在长江中下游地区辐合上升;冷干事件发生时,高层副热带急流偏弱、极锋急流偏强,中层槽脊倾斜程度偏弱、副热带高压偏东,低层西伯利亚高压南移,有来自北方的偏干气流在长江中下游地区辐散下沉。此外,与冷湿事件相比,冷干事件过程中急流强度指数和经向风位置指数的波动更加频繁,冷空气活动持续时间更短。     

1951—2006年期间我国寒潮活动特征分析

利用中央气象台1951—2006年共56年冬半年(9月至次年5月)的冷空气天气过程资料、NCEP/NCAR逐日再分析海平面气压、500 hPa高度场和850 hPa气温等资料,统计分析了我国寒潮若干气候特征和寒潮中期过程的物理量场特征,并引入聚类方法划分寒潮典型物理过程。结果表明:(1)1951—2006年期间我国寒潮强冷空气逐年的活动频次呈明显下降趋势。功率谱周期分析表明,我国强冷空气活动有多年代际的变化周期。秋、冬、春季节是寒潮易发时节。(2)对我国寒潮天气过程特征物理量统计得到了一些表征寒潮天气特征量的阈值。寒潮冷高压强度有较明显的季节性变化特征,其源地大多可追溯到亚欧大陆北端极地,寒潮冷高压受山脉阻挡,在西伯利亚增强后最常以西北路径爆发南下,是我国寒潮最常见的路径。(3)乌拉尔山阻塞形势的崩溃与寒潮爆发密切相关;西风环流指数在寒潮爆发前6日前后至爆发后2日前后出现明显下降;在寒潮初始阶段,北半球高纬度以2波为主要特征,在寒潮爆发前,高纬度2波或3波为优势波的概率较大;北半球中纬度在寒潮中期过程主要为3波能量变化;北半球极涡面积迅速增大,与东亚"倒Ω流型"的建立紧密相关,是极地冷空气南下酝酿堆积的重要标志。     

2006年广西冬春强冷空气过程对比分析

2006年1月4~6日、2月16~18日和3月12~14日广西分别出现了寒潮、强降温天气。本文从天气学角度对3次强冷空气影响过程的天气特点、大气环流特征、冷空气源地及影响路径等方面进行对比分析,分析表明:中高纬环流形势相似、冷空气堆积区及南下形式相同是三次过程的共性,高压脊的位置、冷空气的强度及其影响路径、南支槽造成的降水等差异是造成广西不同程度寒潮天气的主要因素。     

三水区冷空气特征及对天气要素的影响

基于1968年10月—2018年4月三水国家气象观测站的观测资料和NCEP再分析资料,采用线性回归、Mann-Kendall检验、EEMD分解、R/S分析等方法,分析了三水区冷空气的特征及其对气温、风雨的影响。结果表明:三水区冷空气呈略减少趋势(未通过显著性检验),具有7年左右的显著变化周期;冷空气强度以弱冷空气为主,寒潮仅占总冷空气活动的1.8%;超过半数的低温过程出现在弱冷空气影响期间;影响三水区的冷空气越强时风力也越强,但冷空气过程平均风力很少能达到6级或阵风达到8级;冷空气带来的降水以小到中雨为主,北脊南槽型、低槽东移型、东亚槽后型和横槽型是造成冷空气暴雨的主要环流形势场。     

东亚高空急流协同变化对冬季欧亚遥相关型气候效应的影响

利用NCEP/NCAR再分析资料和我国地面735站气温和降水资料,首先分析了欧亚遥相关型的时间演变和结构特征,在此基础上探讨了欧亚遥相关型不同位相时东亚大气环流的差异,并进一步研究了欧亚遥相关型影响我国冬季气温和降水过程中东亚高空急流的重要作用。从结构上看,欧亚遥相关型位势高度异常中心位于250 hPa高度,表现出准正压的结构。欧亚遥相关型位于正位相时,东亚温带急流强度偏弱且位置向北移动;副热带急流强度偏强,两支急流在45°N附近有明显分界;西伯利亚高压和阿留申低压强度增强;东亚大槽加深,槽线倾斜不明显。负位相时则相反。欧亚遥相关型与东亚高空急流的联系是其影响我国气温降水的重要原因。正欧亚遥相关型时,偏弱的温带急流区较强的北风分量有利于北方冷空气南下,从而造成我国气温偏低;偏强的副热带急流区增强的南风将副热带地区暖湿空气向北输送,两支急流协同变化,影响我国冬季降水异常的分布。去掉温带急流或副热带急流偏强的年份,欧亚遥相关型与我国温度、降水的相关性显著减弱,说明欧亚遥相关型是通过东亚高空急流协同变化的桥梁,对我国温度和降水异常产生影响。进一步研究发现,欧亚遥相关型与副热带急流的关系不如其与温带急流稳定,导致在欧亚遥相关型同一位相时东亚高空急流存在两种不同的配置,这种高空急流配置的不唯一性使得东亚高空急流能对欧亚遥相关型的气候效应起到调控作用。     

中国冬季气温月际变化特征及其对大气环流异常的响应

基于1951—2014年中国160站月气温和NCEP/NCAR再分析资料,利用季节的经验正交函数分解（S-EOF）等方法,研究了中国冬季气温月际变化的时、空演变特征及其对大气环流异常的响应。结果表明,中国冬季气温在月尺度上常常出现前、后冬相反甚至冷暖交替的现象。中国冬季气温月际变化存在3个主模态:全冬一致型、前后反相型和冷暖交替型。当西伯利亚高压冬季一致偏强（偏弱）时,冬季一致冷（暖）;当海陆热力差异由强变弱、西伯利亚高压强度由强变弱,东亚西风急流比较稳定,强度偏强,位置由南向北移动时,冬季前冷后暖;当大气环流发生突变,尤其是海平面气压场和500 hPa位势高度场上大气活动中心的频繁调整,西伯利亚高压强度在月时间尺度上强弱交替时,冬季气温呈冷—暖—冷交替变化。      

2014年夏季浙江低温多雨的大尺度环流特征及与海温异常关系

利用NECP/NCAR再分析资料、国家气候中心和NOAA相关资料,研究了与2014年浙江夏季低温多雨事件相关的大尺度环流特征和海温因子。结果表明:中纬度我国东部到日本南部气旋性环流异常的存在有利于浙江夏季出现低温多雨,异常偏强偏南的西太平洋副热带高压（简称副高）是8月罕见低温多雨的直接原因;东亚-太平洋型遥相关（EAP）和欧亚型遥相关（EU）是影响浙江夏季低温阴雨的主要遥相关型,当EAP负位相和EU正位相时,冷空气容易堆积和南下,与暖湿气流交汇,有利于降水降温,8月罕见低温阴雨是EAP负位相和EU正位相协同作用的结果。进一步的分析表明ENSO暖位相激发了西太平洋上空强烈的异常下沉气流和反气旋,使得副高偏南偏强,东亚地区呈EAP波列型响应;热带印度洋海温全区一致模态（IOBW）暖位相的维持进一步减弱了8月海洋性大陆地区的对流活动;北大西洋中部海温季内的变化或许与EU位相的转变有联系。     

Seasonality of the Interaction between Convection over the Western Pacific and General Circulation in the Northern Hemisphere

The seasonality of the interaction between convection over the western Pacific and general circulation in the Northern Hemisphere (NH) is analyzed in the present paper with singular value decomposition (SVD) and empirical orthogonal function (EOF) analysis approaches, based on 500 hPa monthly mean geopotential height data and high-cloud amount data. The analyses demonstrate that coupled dominant patterns in the interaction between the convection over the western Pacific and the general circulation in NH are different in various seasons. In spring, the convection over the western Pacific is closely related with the western Atlantic (WA) and North Pacific (NP) like patterns of the general circulation in NH, and some associations between the WA and NP like pat?terns and the El Ni?o / Southern Oscillation (ENSO) cycle are also existed. The Pacific Japan (PJ) pattern is the dom?inant pattern in the interaction between the interannual variabilities of the convection over the western Pacific and the general circulation in NH summer. The WA like pattern and 3-4 year period oscillation are also relatively obvious for the summer case. In autumn, the convection over the western Pacific is closely linked with the Eurasian (EU) like pattern and the Atlantic oscillation in the general circulation in NH, it is suggested that in autumn the vitiation of convective activity over the western Pacific is largely affected by the general circulation anomaly (cold air from high latitudes) through EU like teleconnection pattern. Abrupt change happened by the end of 1980’s in the autumn interaction. The strong interaction between the western Pacific (WP) and EU like patterns in the general circulation in NH and the convection over the western Pacific and a linear trend of increasing of this interaction are also suggested in winter. It is also demonstrated that the interaction in summer and winter is stronger than in the transition seasons (spring and autumn).     

西北太平洋热带气旋在ENSO发展和衰减年的路径变化

本文运用有限混合模型算法对1979~2015年夏、秋季（6~11月）中国气象局（CMA）上海台风研究所（STI）的最佳路径数据集热带气旋（TC）路径进行聚类,将其路径分为七类,分别为第一类（西太西移型）、第二类（南海西移型）、第三类（沿海转折型）、第四类（低纬转折型）、第五类（洋面转折型）、第六类（近海转折型）、第七类（日本海转折型）;并利用S-EOF（季节EOF,Seasonal Empirical Orthogonal Function）方法确定ENSO四个位相（El Ni?o发展年、El Ni?o衰减年、La Ni?a发展年、La Ni?a衰减年）,分析在不同ENSO位相下TC路径的年际变化以及相应的流场,得到一些有意义的结论:El Ni?o发展年,TC在西北太平洋东南海域活动频繁,以第六类（近海转折型）路径为主;El Ni?o衰减年以第二类（南海西移型）路径居多,第七类（日本海转折型）路径也较为活跃;La Ni?a发展年,TC集中在西北象限海域,以第七类（日本海转折型）路径为主;La Ni?a衰减年,TC源地多位于我国沿海地区与台湾岛附近洋面上,以第三类（沿海转折型）路径为主。     

我国南方持续性低温与东亚冬季风“北弱南强”模态的关系

本文研究了南方持续性低温事件的环流特征,并讨论了它与冬季风南北反相模态的关系。南方持续性低温过程与寒潮过程不同。与寒潮过程相比,南方低温事件持续时间较长,发生频率较低。寒潮过程中,中高纬度环流以波列状槽脊形势为主。而南方低温事件中,中高纬度以大型斜脊斜槽为主要影响系统。大型斜脊斜槽导致冷空气主要以西方路径为主,中纬度为平直气流所控制。东亚大槽向北收缩,日本南部地区为正高度距平控制,它对冷空气东移起了阻挡作用,使得南方地区长期处于冷空气控制,造成极端低温主要出现在黄河以南地区。同时,活跃的南支扰动也显著影响南方持续性低温的发生。东亚冬季风通常被视为一个整体。近年来的研究指出,除了南北一致变化模态,冬季风还存在南北反相变化模态。在南方持续性低温事件中,地表风场距平表现出南北变化反相的特征,即北方为偏南风距平控制,南方为偏北风距平控制。这与冬季风分布的南北反相变化的特征相一致。这种类型与北风相联系的南方降温并不是由高纬度强冷空气南下造成的。个例分析的结果也验证了上述结果。     

基于自动识别的近三十年华北地区冬季冷锋活动异常及其可能成因

利用1989—2018年ERA5再分析资料,使用适用于欧亚大陆的冷锋两步客观识别算法,得到冬季冷锋活动数据集。在此基础上,分析了近30年来华北地区冬季冷锋的活动特征,并讨论了冷锋活动异常的可能成因。结果表明:（1）华北地区是东亚大陆上冬季冷锋频数最多、活动最强的区域,且华北地区冷锋活动强度有明显的年际变化;（2）华北地区冷锋活动强年,从北大西洋到欧亚大陆上空存在一个明显的欧亚遥相关（EU）波列正位相,华北地区上空500 hPa为负位势高度异常,表明东亚大槽增强,相应的西伯利亚高压偏强;（3）欧亚大陆北部边缘海区为异常暖平流时,华北地区冷空气活动增强,冷锋活动也增强;（4）大西洋北部的海面温度（SST）异常可能通过激发对流层中、上层的罗斯贝波,该罗斯贝波向东传播经欧洲—西西伯利亚传至中国华北地区,从而影响华北地区的冷锋活动强度。      

近30多年中国东北地区春季寒潮的年代际变化及其可能原因

利用1979~2011年中国东北地区119站气温观测数据,对东北春季寒潮的年代际变化特征进行了分析,并在此基础上通过分析大气环流及北极海冰的变化,对寒潮年代际变化的可能原因进行了探讨。结果表明,东北地区春季寒潮的频次及强度在20世纪80年代末和21世纪初均有明显年代际转折,即20世纪90年代寒潮频次减少而强度增加,21世纪初寒潮频次有所回升但强度减弱。北极新地岛地区海冰的变化可能是造成我国东北地区寒潮活动年代际变化的原因之一。20世纪90年代新地岛附近海冰迅速减少,地表温度明显升高,而高纬海平面气压偏低,此处冷空气不易南下,同时东亚大槽偏强,冷空气强度增加。21世纪初该区海冰减少趋势减缓,冷空气频次有所回升,强度减弱。     

全球变暖背景下南宁地区寒潮活动的变化

 利用1961-2005年南宁地区8个气象观测站的逐日平均气温和最低气温资料,分析近45 a南宁地区寒潮活动的特征及其多年变化特点,并且研究了环流场异常对寒潮事件发生频率的影响。结果表明,南宁地区寒潮活动期区域差异较大：东部开始早,结束晚;西北部开始晚,结束早,寒潮出现在12、1和2月。近45 a来,寒潮具有两次跃变异常,分别发生在20世纪70年代前期和90年代后期;寒潮活动总的趋势是减少的,减少频数为0.12次/10 a,这主要与日最低气温比较高有关。此外,针对强寒潮活动年和弱寒潮活动年,给出了500 hPa典型高度距平场特征。