大气环流持续异常的研究进展

对大气环流持续异常观测事实及其形成理论研究进行了比较系统的总结,并重要总结了自８０年代以来这一领域所取得的进展,最后简要地分析了尚存在的问题及不足。     

与华北地区春季降水量异常关联的大气环流异常

华北地区的春旱极大地影响着农作物的播种和生长.因此,尽管华北地区的春季1降水量没有夏季降水量那么多,但它的变化规律及其原因也是一个非常值得研究的问题.在本文中,我们指出,相对平均值而言,华北地区春季降水量的年际变化相当大.早年降水量的变化幅度相对较小,而降水多的年份之间降水量却有相当大的变化.进而,我们分析了在年际变化时间尺度上,与华北地区春季降水异常相关联的大尺度大气环流异常.发现在华北春季降水多时,东亚地区上空在整个对流层中存在一反气旋式环流异常,即与季节演变特征相符,而在热带地区存在与季节演变相反的环流异常.东亚地区上空这种反气旋式环流使得东亚大槽偏东、偏弱,并使得在我国东部地区出现南风异常,这种南风异常一直达到华北地区,为华北地区的降水提供有利条件.此外,反气旋式异常随高度向西斜,也为扰动的发展提供了有利的环流背景.本文对对流层高层经向风的分析结果表明,与华北春季降水密切相关的东亚地区反气旋式环流异常和南北风异常与出现在北半球中纬地区的波列有关系,但关于该波列产生的原因却有待进一步的研究.       

欧亚积雪异常分布对冬季大气环流的影响 II.数值模拟

基于观测分析的结果 ,采用NCARCCM2模式 ,设计了三组数值试验方案 ,研究了积雪的异常分布对冬季大气环流的影响及其可能的物理过程。结果表明 ,数值模拟与观测分析所得结果一致 ,冬季积雪的异常分布 ,通过积雪的辐射冷却效应 ,可以改变地表的热状况以及地表对大气加热的异常 ,引起大气温度、位势高度场的调整 ,激发冬季大气EUP遥相关型 ,导致东亚冬季风环流的异常     

平流层臭氧对地表有机氯排放的多耦合响应

采用一个包含平流层化学、辐射、动力相互作用的二维模式,对地表有机氯排放变化影响平流层的具体过程作出评估,从而确定平流层臭氧对于地表有机氯排放的多耦合响应,也检验了“蒙特利尔议定书”的减排效果。结果表明,以议定书框架协议达成的20世纪90年代地表有机氯排放减少按30％计算,通过输送、扩散和一系列化学反应,导致平流层中上层的各活性化学族的浓度发生变化,稳定后平流层40km到48km经向平均的相对变化率,ClOx减少20％,HOx和NOx增加2％左右,O3恢复5％左右。此外,这些成分变化导致平流层中上层辐射加热率增加,平流层变冷趋势减缓0．6K。     

“三江源”夏季降水异常与大气环流异常的关系

利用三江源地区14个站1961-2005年逐月降水资料,对全区近45年夏季降水异常的时空特征及与大气环流异常的关系进行了分析.结果表明,近45年来,三江源地区的夏季降水量具有良好的空间一致性,总体呈微弱的减少趋势,减少幅度为9mm/45a;三江源地区经历了5个干、湿交替的阶段,存在较明显的准2年、准4～6年的振荡周期,自1980年代中期后12～14年左右的周期信号较强;1968、1979及1986年是3个明显的气候突变点,小波分析结果与降水序列大-小-大-小-大的变化趋势及突变检验存在良好的对应关系.环流分析表明,三江源地区夏季旱、涝年份的大气环流配置形势在高度距平场、风场和温度场均呈反向变化,可作为强信号,对三江源夏季降水的异常预测起指示作用.     

北半球春季大气臭氧年际变化特征及其对大气温度和环流场的影响

北半球春季中高纬地区大气臭氧总量具有明显的年际变化，正（负）异常时，与其相应对的流层平均温度、位势高度场均为负（正）异常，平流层异常情况相反，北大西洋地区大气臭氧年际异常与其他地区正好相反，这是区别大气臭氧与其他温室气体影响的重要标志。     

华北夏季旱涝的前期环流异常及其与北太平洋海温的关系

文章分析了华北地区夏季旱涝的前期春季大气环流和北太平洋海温异常（SSTA）分布特征,探讨SSTA与异常环流的关系,并用OSU-AGCM进行黑潮地区热源异常强迫的数值试验。结果表明,当春季北极低涡明显减弱,欧亚大陆中高纬度地区纬向环流加强,西太平洋副高位置偏北偏西,且存在负PNA型异常环流时,华北地区夏季多雨涝;反之则少雨干旱。此时,西北太平洋和赤道东太平洋SST分别存在较大的正、负异常,它们与春季环流异常密切相关,黑潮区SSTA对北半球副热带及其以北的大气环流产生显著影响,正的SSTA是造成华北夏涝年的前期春季异常环流形势的重要因素。     

渤海冰情异常年的典型大气环流概念模型

选取1960—2013年渤海冰情等级和北半球1959—2014年NCEP/NCAR再分析500 h Pa和1000 h Pa高度场逐日资料,采用滑动平均、相关分析和聚类分析等方法,研究了渤海冰情异常年的大气环流概念模型。结果表明:重冰年有3类典型环流型(偏北气流型、西北气流型、东北气流型),每个环流型代表了一条影响渤海的冷空气路径;其共同特点是欧亚高纬地区为正距平,贝加尔湖到我国东北地区为负距平,亚洲中高纬度为经向环流。轻冰年也分为3类典型环流型(新地岛极涡型、欧洲大槽型、欧亚环流平直型),它们的共同特点是亚洲区域南高北低,极区为负距平,中高纬区域为正距平,亚洲中高纬度环流平直。     

北太平洋海温年代际变化与大气环流和气候的异常

对应北太平洋海表温度(SST)年代际变化的两个基本模态,即25～35年模和7～10年模,分析研究了北半球大气环流和气候异常的形势.其结果极为清楚地表明,对应北太平洋SST的年代际模的正、负位相,大气环流和气候异常的形势都近乎相反,充分说明SST年代际模的重要作用;由于北太平洋SST的两个年代际模有十分相近的水平结构特征,它们对大气环流和气候的影响也有十分相似的特征;北太平洋海温年代际模对大气环流的影响在中高纬度地区呈正压结构特征,而在热带地区的响应主要有斜压结构特征.     

On the Nonlinear Response of Lower Stratospheric Ozone to NO_x and ClO_x Perturbations for Different CH_4 Sources

The impact of sulfate aerosol, ClO2 and NOx perturbations for two different magnitudes of CH4 sources on lower stratospheric ozone is studied by using a heterogeneous chemical system that consists of 19 species belonging to 5 chemical families (oxygen, hydrogen, nitrogen, chlorine and carbon). The results show that the present modeled photochemical system can present several different solutions, for instance, periodic states and multi-equilibrium states appearing in turn under certain parameter domains, through chlorine chemistry and nitrogen chemistry together with sulfate aerosol as well as the increasing magnitude of CH4 sources. The existence of catastrophic transitions could produce a dramatic reduction in the ozone concentration with the increase of external sources.     

2011年海洋和大气环流异常及对中国气候的影响

本文基于实时和历史观测资料,利用气候统计和气候机理诊断方法,对2011年气候异常及成因进行总结分析。结果表明,全球海洋外源强迫和大气内部动力过程共同作用下的大气环流系统组合异常,是造成2011年中国大部地区降水异常偏少,温度明显偏高,呈现暖干型气候特征的主要原因。具体表现为,拉尼娜事件在2011年夏季短暂中断后,9月再次进入拉尼娜状态;西太平洋副热带高压在5月之前异常偏弱、偏东,致使长江中下游出现严重春旱,之后副热带高压有所加强,尤其在6月异常偏强,使长江中下游地区梅雨量偏多、旱涝急转;秋季副热带高压脊线偏北、中高纬度冷空气活动阶段性活跃,致使华西、黄淮地区秋雨异常偏多;热带印度洋海温演变经历负偶极型海温模态后,夏季转为全区一致型暖海温;2010／2011年东亚冬季风偏强,2011年南海夏季风爆发偏早、结束偏晚,东亚夏季风正常偏弱;西北太平洋和南海热带气旋生成数量处于偏少的年代际时段,2011年热带气旋生成数量偏少。     

陕西夏季旱涝的主要环流特征

利用1961—2008年NCEP／NCAR再分析资料以及陕西地面月降水资料,采用EOF分解、合成分析等方法,分析了陕西夏季旱涝的时空分布特征以及前期气候系统的异常信号特征。结果表明：陕西夏季多雨年乌拉尔山高压脊和鄂霍次克海高压偏强,贝加尔湖低槽偏深,西太平洋副热带高压偏强,西伸脊点偏西。并且前期冬季中高纬度中亚长波脊偏强偏西,西太平洋副热带高压偏强,印缅槽偏弱,700hPa西北地区东部至华北偏北风异常偏强,赤道东太平洋出现暖水位相,西风漂流区海温偏低,印度洋海温偏高,陕西夏季易多雨;而陕西夏季少雨年西太平洋副热带高压偏弱,西伸脊点偏东,陕西主要受中亚高脊前西北气流控制。前期冬季中高纬度欧洲西北部低槽偏强,中亚长波脊偏弱,西太平洋副热带高压偏弱,印缅槽偏强,700hPa西北地区东部至华北偏南风异常偏强,赤道东太平洋出现冷水位相,西风漂流区海温偏高,印度洋海温偏低,陕西夏季易少雨。     

华北夏季降水减少与北半球大气环流异常的关系

利用华北地区20站夏季降水资料和NCEP/NCAR再分析资料,采用趋势分析、合成分析等方法,对华北夏季降水减少与北半球大气环流异常进行对比分析。结果表明,华北夏季降水量1951—2008年呈显著减少趋势,平均每10 a减少13.4 mm,1965年发生了气候突变,之后降水量减少更加明显。北半球大气环流在1965年前后有明显不同：1）1951—1965年夏季500 hPa高度场欧洲大槽、贝加尔湖槽较深,乌拉尔山高压脊较强,经向环流表现突出;而1966—2008年夏季欧洲大槽、贝加尔湖槽较浅,乌拉尔山高压脊较弱,纬向环流表现突出。2）1951—1965年夏季500 hPa蒙古冷槽位置偏北偏西,冷空气活动经常影响华北地区;而1966—2008年夏季蒙古冷槽位置东移南压到河套附近,冷空气经常影响华北以南以东地区。3）1951—1965年夏季海平面气压场蒙古低压异常强大,而1966—2008年蒙古低压明显减弱。4）1951—1965年夏季850 hPa东亚夏季风一直伸展到华北、东北地区,蒙古地区存在明显的气旋性环流,在河套附近产生风向辐合;而1966—2008年东亚夏季风在到达30°N附近风速显著减小,很少越过长江到达华北地区,在长江流域形成了风速辐合,同时蒙古地区的气旋性环流消失,河套附近的风向辐合变的很弱。1951—1965年华北多雨是由于东亚夏季风水汽的有效输送和河套附近的风向辐合造成的,而1966—2008年长江流域多雨是由于东亚夏季风在这里产生了风速辐合造成的。华北夏季降水减少与北半球大气环流异常有很好的联系。     

2014年海洋和大气环流异常及对中国气候的影响

本文基于实时、历史观测资料和再分析资料,综合分析2014年海洋和大气环流异常特征,并讨论这些异常特征对中国气候的主要影响。分析表明：2013/2014年冬季,极涡偏向西半球,东亚冬季风和西伯利亚高压均偏弱,导致我国冬季气温总体偏高。受冬季风强度季节内变化影响,前冬暖、后冬冷。2014年赤道中东太平洋形成一次厄尔尼诺事件,4月以来热带印度洋全区一致海温模态正位相维持发展,受暖海温外强迫影响,夏、秋季西太平洋副热带高压强度偏强、位置偏南,主汛期我国东部降水呈“北少南多”型异常分布。2014年南海夏季风爆发异常偏晚,强度偏弱。东亚夏季风强度偏弱,有利于我国东部主汛期雨带偏南,江南梅雨区和长江中下游梅雨区梅雨量偏多,北方大部夏季降水偏少。     

2004年中国长江以南地区严重秋旱特征及其同期大气环流异常

利用2004年8～10月的中国160台站降水资料以及NCEP/NCAR再分析资料,分析了2004年秋季发生在中国长江以南地区的严重干旱（简称2004年长江以南秋旱）前兆和发展特征以及秋旱持续期间的东亚大气环流异常。结果表明:2004年长江以南秋旱是以8月在广西境内出现小范围干旱为前兆,9月扩展到长江以南中部地区,10月遍及整个长江以南地区而达到鼎盛的一个发展过程。2004年长江以南秋旱事件的发生、发展和鼎盛期都受到了同期东亚大气环流异常的很大影响:2004年秋季东南亚上空的整层经向水汽输送出现了显著的负异常,说明2004年秋季长江以南地区上空的整层水汽在经向上由南向北的输送减弱而从北向南的输送加强;850 hPa水汽输送的异常加强了从北向南的水汽输送,从而影响了秋旱的发展。结合2004年秋旱持续期间850 hPa 流场异常分析,2004年秋季850 hPa的流场在台湾海峡附近上空出现了一个气旋性的异常环流,它导致了西南水汽及其与越赤道气流和东南水汽的混合气流（10°N～20°N, 135°E～150°E）在向北的输送路径上发生改变,并且此混合气流进入内陆从而加强了大陆上空由北向南的干冷气流,进一步影响了秋旱的发展。通过分析850 hPa等压面上的垂直速度场发现:秋旱同期长江以南地区下沉气流异常,这种天气形势不利于降水的产生。2004年秋季长江以南地区受到了闭合高压——西太平洋副热带高压（简称西太副高）的长期控制,形成少雨的天气。除此之外,中高纬地区脊区前方和槽区的后方易于冷空气的南下输送, 这在很大程度上也促使了秋旱的发展。     

The Euro-Atlantic Circulation Response to the Madden-Julian Oscillation Cycle of Tropical Heating: Coupled GCM Intervention Experiments

Abstract

Intervention experiments using the Coupled Forecast System model, version 2 (CFSv2), have been performed in which various Madden-Julian Oscillation (MJO) evolutions were added to the model’s internally generated heating: Slow Repeated Cycles, Slow Single Cycle, Fast Repeated Cycles, and Fast Single Cycle. In each experiment, one of these specified MJO evolutions of tropical diabatic heating was added in multiple ensemble reforecasts of boreal winter (1 November to 31 March for 31 winters: 1980–2010). Since in each experiment, multiple re-forecasts were made with the identical heating evolution added, predictable component analysis is used to identify modes with the highest signal-to-noise ratio. Traditional MJO-phase analysis of total model heating (dominated by internally generated heating) shows that the MJO-related heating structure compares well with heating estimated from observed fast and slow episodes; however, the model heating is larger by a factor of two. The evolution of Euro-Atlantic circulation regimes indicates a clear response due to the added heating, with a robust increase in the frequency of occurrence of the negative phase of the North Atlantic Oscillation (NAO?) after the heating crosses into the Pacific and a somewhat less robust increase in the positive phase of the NAO (NAO+) following Indian Ocean heating. In the Fast Cycle experiments, the model response is somewhat muted compared with the Slow Cycle experiments. The Scandinavian Blocking regime becomes more frequent prior to the NAO? regime. The two leading modes in the predictable component analysis of 300?hPa height (Z300), synoptic scale feedback (DZ300), and planetary wave diabatic heating in all experiments form an oscillatory pair with high statistical significance. The oscillatory pair represents the cyclic response to the particular MJO signal (Fast or Slow, Single, or Repeated Cycles) in each case. The period is about 64 days for the Slow Cycle and 36 days for the Fast Cycle, consistent with the imposed periods. The time series of one of the leading modes of Z300 is highly anti-correlated with the frequency of occurrence of the NAO– in the Repeated Cycle experiments. A clear cycle involving the Z300 and DZ300 leading modes is identified.     

大气环流对北大西洋湾流区海温“再现”的响应

利用全球海洋—大气快速耦合模式（Fast Ocean-Atmosphere Model,FOAM）,采用模式中的初值方法,研究了湾流区海温再现过程及其对北半球大气环流和气候的影响。FOAM模式很好地模拟了北大西洋湾流区的海温＂再现＂过程,模式中海面热通量异常与SST异常表现出不同步的响应特征。海面热通量异常在初冬季节达到最大值,而SST异常滞后,在冬季晚期达到最大值,从而在初冬和晚冬对北半球大气环流造成不同的影响。初冬季节北半球大气环流主要受海洋热通量异常的强迫,在北大西洋和北太平洋上空呈现相当正压的异常低压槽响应,北极地区为异常高压脊,类似北极涛动的负位相,可能造成欧洲南部和北非大陆气温偏高,亚洲大陆气温偏低。而晚冬季节北半球大气环流主要受SST异常的驱动,在北大西洋和北太平洋上空表现为相当正压的异常高压脊响应,北极地区为异常低压槽,类似北极涛动的正位相,可能造成欧洲南部和北非大陆气温偏低,亚洲大陆气温偏高,中国东部降水异常偏多30%左右。北太平洋大气环流的异常由北大西洋湾流区海洋热通量和SST异常强迫下游大气环流所激发,进一步通过Rossby驻波的能量频散东传至北太平洋而造成的。     

青藏高原夏季500hPa纬向风的时空演变特征及其与我国降水的关系

本文利用NCEP/NCAR月平均再分析资料及中国160个测站月降水资料, 采用经验正交函数分解 (EOF)、相关分析、合成分析等方法, 对青藏高原夏季500 hPa纬向风近59年来的年际、 年代际变化趋势及其与我国降水的关系进行了分析。时空演变特征的分析结果表明: 自1950年以来, 青藏高原夏季500 hPa纬向风总体呈现减弱趋势, 其中在1950年代西风偏弱, 1960年代西风明显偏强, 1970年代至21世纪初西风一直处于偏弱阶段; 纬向风变化趋势的空间分布表现为高原大部分区域上空纬向风呈现减弱趋势, 其减弱趋势由东南向西北递增, 高原西北部及中部地区减弱趋势最为明显; 对高原夏季500 hPa纬向风距平时间序列作EOF分解, 得出第一特征向量的空间分布表现为整体减弱型, 其时间权重系数呈现长期正趋势; 时间系数的11年滑动平均分析表明1950年代后期到1960年代中后期纬向西风整体增强趋势比较明显, 1960年代末到21世纪初为西风减弱阶段, 且期间没有出现明显的上升或下降趋势; 时间系数的突变分析表明纬向风在1967年发生了一次较明显的减弱突变; 时间系数的小波分析表明其具有2~4年的周期, 这一周期成分在1950年代前期和1990年代末至21世纪初这两个时段比较显著。年际、 年代际尺度上高原夏季500 hPa纬向风减弱与我国降水关系的分析均表明: 高原纬向风减弱时长江中下游以北的我国部分地区降水偏少, 以东北和华北表现明显, 长江中下游以南地区降水明显偏多, 降水场与大气环流、 水汽通量散度场都有较好的配置关系。     

Varying Rossby Wave Trains from the Developing to Decaying Period of the Upper Atmospheric Heat Source over the Tibetan Plateau in Boreal Summer

This study demonstrates the two different Rossby wave train(RWT) patterns related to the developing/decaying upper atmospheric heat source over the Tibetan Plateau(TPUHS) in boreal summer. The results show that the summer TPUHS is dominated by quasi-biweekly variability, particularly from late July to mid-August when the subtropical jet steadily stays to the north of the TP. During the developing period of TPUHS events, the intensifying TPUHS corresponds to an anomalous upper-tropospheric high over the TP, which acts as the main source of a RWT that extends northeastward, via North China, the central Pacific and Alaska, to the northeastern Pacific region. This RWT breaks up while the anomalous high is temporarily replaced by an anomalous low due to the further deepened convective heating around the TPUHS peak. However, this anomalous low, though existing for only three to four days due to the counteracting dynamical effects of the persisting upper/lower divergence/convergence over the TP, acts as a new wave source to connect to an anomalous dynamical high over the Baikal region. Whilst the anomalous low is diminishing rapidly, this Baikal high becomes the main source of a new RWT, which develops eastward over the North Pacific region till around eight days after the TPUHS peak. Nevertheless, the anomaly centers along this decaying-TPUHS-related RWT mostly appear much weaker than those along the previous RWT.Therefore, their impacts on circulation and weather differ considerably from the developing to the decaying period of TPUHS events.     

华北盛夏降水年代际变化与南半球环流异常的关系

利用NCEP/NCAR再分析资料和中国160个台站降水资料,分析了华北盛夏降水与南半球马斯克林高压、澳大利亚高压的年际关系。结果表明,华北盛夏降水和马高、澳高在年际变化尺度上都有着显著的负相关关系,且这种关系存在年代际变化,并重点分析了与华北盛夏降水年代际变化相对应的南半球环流异常型的特征。