东亚强寒潮--冷涌越过赤道并引发南半球热带气旋和强降水的个例研究

作者对2005年1月初北半球一次强冷空气爆发、越过赤道并影响南半球天气作了较深入的分析.此次冷空气活动引发了东亚的寒潮和大风降温;跨越赤道,在那里形成强烈扰动和强对流天气;并进入南半球,在澳大利亚夏季风槽中激发了强的对流活动,使季风低压发展增强,达到了热带气旋的强度;该热带低压又正好处于南半球中高纬西风槽前,沿槽前西北气流向南深入内陆,在澳大利亚的西澳、北澳和昆士兰等州引发了强降水,进一步确认了我国学者李宪之早在上世纪30年代提出的冬半球强冷空气爆发可以越过赤道并激发夏半球对流活动与热带气旋这一精辟的观点.此外,还揭示出冷空气活动使Hadley环流增强,利于冬季风维持.最后提出了伴有强烈扰动的冬季风环流系统的模型.     

南极海冰涛动对北半球夏季大气环流的影响

南极海冰首要模态呈现偶极子型异常,正负异常中心分别位于别林斯高晋海/阿蒙森海和威德尔海。过去研究表明冬春季节南极海冰涛动异常对后期南极涛动（Antarctic Oscillation,AAO）型大气环流有显著影响,而AAO可以通过经向遥相关等机制影响北半球大气环流和东亚气候。本文中我们利用观测分析发现南极海冰涛动从5～7月（May–July,MJJ）到8～10月（August–October, ASO）有很好的持续性,并进一步分析其对北半球夏季大气环流的可能影响及其物理过程。结果表明,MJJ南极海冰涛动首先通过冰气相互作用在南半球激发持续性的AAO型大气环流异常,使得南半球中纬度和极地及热带之间的气压梯度加大,在MJJ至JAS,纬向平均纬向风呈现显著的正负相间的从南极到北极的经向遥相关型分布。对流层中层位势高度场上,在澳大利亚北部到海洋性大陆区域,出现显著的负异常,在东亚沿岸从低纬到高纬呈现南北走向的“? + ?”太平洋—日本（Pacific–Japan,PJ）遥相关波列,其对应赤道中部太平洋及赤道印度洋存在显著的降水和海温负异常,西北太平洋至我国东部沿海地区存在显著降水正异常和温度负异常;低纬度北美洲到大西洋一带存在的负位势高度异常和北大西洋附近存在的正位势高度异常中心,构成一个类似于西大西洋型遥相关（Western Atlantic,WA）的结构,对应赤道南大西洋降水增加和南撒哈拉地区降水减少。从物理过程来看,南极海冰涛动首先通过局地效应影响Ferrel环流,进而通过经圈环流调整使得海洋性大陆区域和热带大西洋上方的Hadley环流上升支得到增强,海洋性大陆区域特别是菲律宾附近的热带对流活动偏强,激发类似于负位相的PJ波列,影响东亚北太平洋地区的大气环流,而热带大西洋对流增强和北传特征,则通过激发WA遥相关影响大西洋和欧洲地区的大气环流。以上两种通道将持续性MJJ至ASO南极海冰涛动强迫的大气环流信号从南半球中高纬度经热带地区传递到北半球中高纬地区,从而对热带和北半球夏季大气环流产生显著影响。     

东亚夏季风与澳洲冬季风强弱互补变化联系及其异常环流特征

利用NCEP/NCAR再分析资料、Hadley中心海温资料及CMAP降水资料等,通过亚澳季风联合指数挑选异常年份,对东亚夏季风和澳洲冬季风强度反相变化特征进行研究。结果表明,当东亚夏季风偏强、澳洲冬季风偏弱时,南北半球中低纬地区都出现了复杂的异常环流系统。在热带地区对流层低层,西北太平洋为异常反气旋式环流系统所控制,与南太平洋赤道辐合带的异常反气旋环流在赤道地区发生耦合,形成赤道异常东风,而在南北印度洋上则存在两个异常气旋式环流系统。在这两对异常环流之间的海洋性大陆地区,出现赤道以南为反气旋环流而赤道以北为气旋式环流。在东亚季风区,东南沿海的东侧海洋上存在反气旋异常,中国东南地区受异常反气旋西南侧的东南风影响。此外,澳洲北部受异常西风影响。这就形成了东亚夏季风偏强、澳洲冬季风偏弱的情形,从而东亚夏季风和澳洲冬季风活动出现了强弱互补的变化特征。当东亚夏季风偏弱、澳洲冬季风偏强时,南北半球的环流特征则出现与上述相反的环流特征。总体而言,当东亚夏季风偏强、澳洲冬季风偏弱时,东亚—澳洲季风区在南北半球呈现出不同的气候异常分布特征,即北半球降水北少南多、气温北高南低,南半球降水西多东少、气温西高东低。     

2021/2022年冬季全球大气环流特征及主要灾害性天气分析

利用国家气象信息中心发布的第一代全球大气/陆面再分析产品数据分析了2021/2022年北半球冬季全球大气环流的主要特征及其主要灾害性天气。结果表明：2021/2022年北半球冬季全球陆地降水偏多、气温偏高、灾害性天气多、极端性强。北半球对流层上层中高纬大气环流主要呈现出“三槽三脊”特征,前期太平洋—北美地区PNA负位相环流形势最强,后期北大西洋涛动(NAO)正位相环流形势最为显著,中高纬度槽脊强度和位置变化是造成欧亚大陆和北美低温、寒潮暴风雪等灾害性天气的直接原因。南半球极涡为单极型,基本位于极圈内且大部分时段强度偏强,副热带高压强度偏强且稳定少动,造成澳大利亚、阿根廷等地持续高温天气。2月南印度洋热带气旋活跃,一个月内先后有4个热带气旋登陆或影响马达加斯加,造成严重洪涝灾害。     

20世纪两次全球增暖事件的比较

20世纪20年代和70年代全球出现了两次突变增暖,本文分析比较了这两次全球增暖的起源地,空间分布特点,影响范围,以及北半球增温和降温最大地区的气温变化与其相对应的大气环流变化的联系等.发现,第一次全球增暖始于北半球新地岛西北、冰岛及以北的极地地区,主要增暖区在北大西洋、格陵兰岛、冰岛和北半球中、高纬大陆地区,主要增暖季节是夏季.第二次全球增暖最早可能始于南半球南印度洋海盆及南极大陆地区,增暖中心有明显向北半球方向移动的倾向并广泛影响到全球热带、副热带海洋,没有明显的区域和季节增暖差异;北半球第二次增暖比南半球约晚10年,主要增温区在东亚大陆和北美西部,主要增暖季节在冬季.分析还发现,20世纪北半球增暖最强的东亚大陆、北美西北部和降温显著的冰岛、格陵兰岛、北大西洋以及中北太平洋等地的气温变化与其相应的大气环流系统的异常变化关系密切.     

我国秋季降水的年际变化及与热带太平洋海温异常分布的关系

利用我国160个站点58年(1951～2008年)的降水资料、NCEP/NCAR再分析环流资料和Hadley海表温度资料,对我国秋季降水年际变化的特征和可能成因进行了分析。结果显示,秋季降水前两模态分别反映长江流域及以南地区和长江以北的江淮、黄淮、华北、四川盆地北部至河套等地降水的变化,两降水模态的变化都以年际尺度为主,年代际变化特征不明显。就环流形势而言,第一模态的年际变化主要与西太平洋副热带高压的强度及相应的对流层低层菲律宾群岛附近的异常气旋/反气旋联系紧密,第二模态的年际变化则可能受到副热带高压的南北位置和相应的日本岛附近的异常气旋/反气旋的影响。同时,两模态及相应的异常环流还分别与热带东印度洋和热带西太平洋附近的异常垂直运动关系密切,热带地区的异常垂直运动可能通过经圈方向的异常环流影响到东亚地区。此外,两降水模态不仅与热带地区的异常环流关系密切,而且与热带海温异常也存在紧密的联系。与两模态相关联的热带太平洋海温异常显示出不同的分布特征,当热带东太平洋偏暖/冷,西太平洋偏冷/暖时,长江以南地区降水偏多/少。而当热带东太平洋和中太平洋一致偏暖/冷时,长江以北地区降水易偏少/多。两降水模态与热带海温及热带地区异常环流之间的密切关系显示热带太平洋海温异常的不同分布可能通过激发不同的热带地区异常垂直环流形势而对降水产生影响。     

1998年和2016年北大西洋海温异常对中国夏季降水影响的数值模拟研究

基于1979-2016年ERA-Interim再分析资料和CAM5.3模式,研究了2016年和1998年北大西洋海温异常对中国夏季降水以及大尺度环流的可能影响及其机制。结果表明,这两年前夏（6-7月）长江中下游及其以南地区降水均异常偏多,但1998年降水异常较2016年更为显著。后夏（8月）,2016年长江以南地区降水异常偏多,长江-黄河流域降水异常偏少,而1998年降水异常分布与之相反。2016年和1998年夏季中国东部降水异常的差异与西北太平洋对流层低层异常反气旋以及欧亚中高纬度环流变化的共同作用直接相关。敏感性数值试验的结果表明,北大西洋海温异常的显著差异是导致2016年和1998年夏季中国东部降水以及大尺度环流异常存在明显差异的重要原因之一。一方面,北大西洋海温异常可以通过改变欧亚中高纬度环流进而对中国夏季降水产生影响。1998年北大西洋海温异常自热带至副极地呈类似"+ - +"型分布,这种海温异常型能够在前夏欧亚中高纬度地区激发出双阻型的环流异常响应。2016年北大西洋海温异常自热带至副极地呈相对弱的"- + -"型分布,欧亚中高纬度环流异常响应总体偏弱。另一方面,北大西洋海温异常还可以通过影响热带纬向环流进而对西北太平洋对流层低层异常反气旋起调制作用。1998年北大西洋海温异常对夏季西北太平洋异常反气旋起增强作用,这与热带印度洋-太平洋海温的强迫作用相协调。然而,2016年北大西洋海温异常则有利于西北太平洋异常反气旋的减弱,这与热带印度洋-太平洋海温的强迫作用相反。因此,在这3个大洋的协同作用下,2016年和1998年前夏西北太平洋异常反气旋均偏强,但前者的振幅弱于后者。在后夏,1998年西北太平洋对流层低层仍受异常反气旋控制,2016年则为异常气旋控制。      

IOD Modoki事件对华南后汛期降水异常的影响及可能机理

利用1979—2019年CN05.1中国区域高分辨率降水格点数据、英国Hadley中心观测海温数据、ERA5逐月大气再分析资料及大气环流模式,研究了华南后汛期期间(7—9月)IOD Modoki事件与华南后汛期降水异常的关系及可能机理。观测资料结果表明,华南后汛期降水异常与热带印度洋中部(东和西部)海温异常呈显著正(负)相关关系,表现为印度洋IOD Modoki或印度洋三极子事件的空间分布型。滤除ENSO信号影响后,华南后汛期降水异常仍和IOD Modoki存在较为密切的联系。IOD Modoki正异常对华南后汛期降水异常的影响有以下途径,一方面,异常水汽从热带印度洋东部向西输送至热带中印度洋后,在北半球受科氏力作用向东输送至华南地区,为华南地区提供了充足的水汽条件,并且对华南地区降水正异常的主要水汽辐合贡献为平均水汽的水平扰动散度项和扰动引起的平均水汽垂直平流项。另一方面,热带东南印度洋海温负异常,通过Mastuno-Gill响应引起对流层低层自热带东南印度洋至热带中印度洋有东南风异常,增强了70°E附近的越赤道气流,在北半球向东输送至西北太平洋,这引起了华南地区对流层低层气旋式环流异常。另外,热带东印度洋对流层低(高)层异常辐散(辐合),华南地区低(高)层异常辐合(辐散)增强了东亚地区的局地Hadley环流,有利于华南地区降水的产生。再者,IOD Modoki引起南亚季风区受异常下沉运动控制,并通过季风-荒漠机制引起副热带北大西洋东部、北非荒漠区及地中海西部周围正涡度异常,激发了沿急流向下游传播的准静止Rossby波,增强了日本海高压异常和华南及邻近地区对流层低层气旋式环流异常。上述原因均有利于华南地区降水的产生,反之亦然。上述结果在数值模式中亦得到了验证。     

长江中下游地区梅雨期降水与全球500hPa环流的关系

本文利用 ECMWF的全球500hPa高度月平均资料分析了长江中下游地区梅雨 期（6、7月）降水与全球同期和前期环流的关系。结果表明，长江中下游地区梅雨期降水不仅与北半球，尤其是欧亚地区的环流有关，而且与南半球同期和前期环流亦存在相当程度的联系，特别是发现了当2月份南印度洋中高纬度地区经向环流发展时，长江中下游地区梅雨期降水容易偏多。此外，南极极涡的强度变化也与长江中下游地区梅雨存在某种程度联系。     

春季热带南大西洋海表温度异常与夏季亚澳季风区降水异常的联系

利用1979—2019年Hadley中心的海表温度资料、GPCP的降水资料以及NCEP-DOE的再分析资料等,分析了北半球春季热带南大西洋海表温度异常与北半球夏季亚澳季风区降水异常的联系。研究表明,北半球春季热带南大西洋海表温度异常与随后夏季热带西太平洋到南海（澳大利亚东侧海域到热带东印度洋）地区的降水异常为显著负相关（正相关）关系。北半球春季热带南大西洋的海表温度正异常可以引起热带大西洋和热带太平洋间的异常垂直环流,其中异常上升支（下沉支）位于热带大西洋（热带中太平洋）。热带中太平洋的异常下沉气流和低层辐散气流引起热带中西太平洋低层的异常东风,后者有利于热带中东太平洋海表温度出现负异常。通过Bjerknes正反馈机制,热带中东太平洋海表温度异常从北半球春季到夏季得到发展。热带中东太平洋海表温度负异常激发的Rossby波使得北半球夏季热带西太平洋低层出现一对异常反气旋。此时,850 hPa上热带西太平洋到海洋性大陆地区为显著的异常东风,有利于热带西太平洋到南海（澳大利亚东侧海域到热带东印度洋）地区出现异常的水汽辐散（辐合）,导致该地区降水减少（增加）。     

热带季节内振荡时空特征的诊断研究

文中应用谱分析、小波分析等方法及较长时段的资料进一步总结了热带季节内振荡的一些基本气候特征。热带季节内振荡主要活跃在 3个地区 ,最强的是西太平洋地区 ,其次是印度洋地区 ,第三是东太平洋沿岸的赤道以北地区。热带季节内振荡有明显的季节变化 ,西太平洋地区和印度洋地区的季节内振荡 1a中有两次极大值 ,冬季主要活跃在南半球 (10°S附近 ) ,而夏季则活跃在北半球 (10°N附近 ) ,春、秋季热带季节内振荡则明显减弱。东赤道太平洋北侧的季节内振荡只在夏季活跃 ,而冬季则很弱 ,且不随季节而南北移动。对于大气的大尺度要素 ,例如u风场 ,热带季节内振荡的能量主要集中在 1波。而对于像降水这样尺度较小的要素 ,热带季节内振荡的能量则相对较分散 ,尽管它仍然在 1波有最大的能量 ,但 2～ 4波也具有较接近的能量。热带季节内振荡以东移的波动为主。热带季节内振荡存在着年际甚至更长时间的变化。 2 0世纪 70年代末期季节内振荡的幅度有一明显的突变。     

南半球环流异常与我国夏季旱涝分布关系及其影响机制

利用1951—2000年NCEP/NCAR风场和高度场再分析资料及全国160站降水量资料, 采用奇异值分解、相关和合成分析方法, 研究6—8月南半球500 hPa高度、高低层纬向风距平差异常 (Δu₈₅₀-Δu₂₀₀) 与我国夏季旱涝分布的关系及其影响机制。结果表明:当500 hPa澳大利亚高压脊偏强及西南太平洋热带地区高低层纬向风距平差为负值时, 来自南半球冷空气活动偏弱, 有利于西北太平洋副热带高压位置偏南, 热带季风偏弱, 我国夏季雨带偏南。反之, 当澳大利亚高压脊偏弱及西南太平洋热带地区高低层纬向风距平差为正值时, 我国北方降水偏多。同时, 定义了澳大利亚冬季风指数, 指出澳大利亚冬季风强年和弱年影响我国夏季旱涝分布异常的水汽输送型式不同。     

Climate change simulated by full and mixed-layer ocean versions of CSIRO Mk3.5 and Mk3.0: The Asia-Pacific region

The patterns of climate change in the Asia-Pacific region simulated by versions of the CSIRO Mk3.5 and Mk3.0 climate models are examined and compared with those from 23 CMIP3 models. Using fields standardized by global warming, it is seen that both CSIRO coupled models simulate larger surface warming in the tropical western Pacific Ocean, and smaller warming in the eastern Indian Ocean, than the CMIP3 average, and also model versions with a mixed-layer ocean. Corresponding differences in the changes in the pressure, winds, rainfall and other quantities were simulated. Introducing the coupled Mk3.5’s sea surface temperature field for the present climate, which has a warm bias, as the base climate for the MLO version had only a minor effect on the MLO version’s pattern of climate change. A Pacific-Indian Dipole index quantifying the amplitude of the warming pattern explains much of the variation in rainfall change simulated by the CMIP3 models over Australia and the Indonesian and Melanesian regions. It relates more strongly to Australian average rainfall than several other indices representing southern hemispheric circulation changes. The decline in Australian rainfall produced by the full ocean coupling is largest in summer, but occurs in each season, and extends across the continent. Further assessment of the importance of the dipole change pattern in new simulations is warranted. Analyses aimed at reducing the uncertainty in its potential amplitude could help narrow the range of projections for change in the Australasian region.     

冬季赤道西太平洋环流状况与后期亚洲季风

基于月平均NCEP再分析资料(1958～1997年)以及中国336个台站月降水总量(195l～1994年),通过合成、相关以及统计显著性检验方法,研究了赤道西太平洋区域冬季环流状况与后期春夏季亚洲(东亚和南亚)季风环流变化的关系.研究结果表明,冬季赤道西太平洋环流状况对后期南亚季风和东亚季风以及我国夏季降水均有显著的滞后影响.冬季赤道西太平洋海域海平面气压偏高(低),对应反气旋(气旋)性环流异常,致使后期东亚和南亚夏季风均偏弱(强)以及我国长江流域夏季降水偏多(少),揭示了实施这种滞后影响的一般特征.     

西风角动量输送的气候特征及其与急流关系研究

利用1958～1997年NCEP/NCAR一日四次的风场再分析资料,系统地分析了季节平均西风角动量（即u角动量）经向、垂直输送通量及其三个分量（平均经圈环流、定常波、瞬变涡输送通量）的气候特征,特别是讨论了12～2月、6～8月它们与东、西风带、副热带西风急流、极夜急流之间的联系。结果表明:（1）包含纬度因子的角动量通量与动量通量在高纬地区存在显著差别,高纬对流层上部的强动量输送中心在角动量通量中不明显。而u角动量强经向输送主要在中低纬对流层顶附近和冬半球高纬平流层顶附近,副热带西风急流和极夜西风急流均位于u角动量强向极输送中心及其高纬一侧的辐合区中。（2）发现三个输送分量对急流维持的作用随纬度、季节不同。北半球冬季（夏季）的副热带西风急流主要由平均经圈环流（强度相当的定常波和瞬变涡）强经向输送及辐合维持;南半球西风急流全年均由平均经圈环流和瞬变涡旋输送及辐合维持;冬半球中平流层极夜急流主要由定常波、瞬变涡旋输送及其辐合共同维持。（3）热带东风区是牵连角动量（即Ω角动量）的高值区,它主要由平均经圈环流向对流层上部输送;冬半球副热带及中纬西风区存在u角动量垂直输送的切变区,它主要由平均经圈环流和瞬变涡旋完成;热带对流层顶附近有u角动量的定常波弱向下输送。     

热带环流异常对1998年长江流域特大洪涝的影响

分析了造成1998年长江流域特大洪涝灾害的大尺度热带环流成因。指出1998年处在热带环流强度偏弱的气候阶段，西太平洋暖池地区对流活动偏弱，南海热带季风持续异常偏弱，副热带夏季风偏强度是造成长江持续强降水的主要原因；西太平洋热带对流层高低层环流系统的异常分布，为1998年长江特大洪涝提供了有利的环流背景，还探讨了热带环流异常影响换国夏季降水的可能途径，它们的关系在1998年夏季降水预测中得到应用。     

登陆热带气旋与夏季风相互作用对暴雨的影响

利用《热带气旋年鉴》资料、NCEP/NCAR再分析资料采用动态合成分析方法,研究了登陆热带气旋降水与夏季风急流之间的关系,同时对登陆热带气旋与夏季风急流发生相互作用的典型个例强热带风暴Bilis (0604) 利用数值模拟方法研究了二者之间的相互作用对暴雨的影响。结果表明:登陆后造成大范围强降水的热带气旋往往与低层急流长时间相连,其水汽通量和潜热能显著大于弱降水热带气旋。数值试验结果表明:夏季风低空急流向热带气旋输送水汽对热带气旋结构维持有利,当水汽输送被截断后,热带气旋气旋性结构被破坏,强降水减弱、范围明显缩小;季风急流风速增强时可增加水汽通量输送,使得强降水范围增加、强度增强;在夏季风影响背景下,热带气旋在陆上的移动改变水汽和不稳定能量的分布,而热带气旋本身独特的动力结构使得强降水强度增加。     

南半球冷空气入侵与热带气旋的形成

文中采用NCAR/PSU研制的非静力中尺度模式MM 5 ,研究了南半球冷空气入侵在热带气旋形成中的作用。初始场为纬向平均场 ,不含任何扰动 ,但为热带气旋的发生提供了基本条件 ;通过改变设在赤道的南边界条件 ,设计系列数值试验反映南半球不同强度冷空气的入侵。数值试验结果表明 :南半球冷空气侵袭后 ,在菲律宾以东洋面上形成热带气旋 ;没有冷空气入侵时 ,只有扰动产生 ,没有热带气旋形成。在对流不稳定的背景场中 ,即使没有冷空气入侵 ,低层小尺度辐合引起强上升运动 ,产生的非绝热加热 ,在热带洋面上也能形成扰动。但是非绝热加热使得稳定度增加 ,没有低层强辐合的支持 ,对流不能持续 ,扰动不能发展成为热带气旋。南半球冷空气的入侵 ,一方面气温降低 ,使得中低层层结稳定度降低 ;另一方面 ,冷空气形成向北的气压梯度 ,在低纬度产生南风 ,导致低层强辐合。稳定度因子和低层辐合的共同作用 ,驱动深厚的垂直环流 ,产生十分显著的非绝热加热 ,形成了暖心的热带气旋。上述研究结果一定程度上肯定了存有疑义的冷空气学说     

用初始方程二层模式模拟一月和七月全球海平面气压场

用低分辨率的初始方程二层模式在给定下垫面温度下模拟了一月及七月全球海平面气压场,其中加热项主要是感热垂直输送。计算采用守恒的Lilly空间差分格式及Matsuno的时间差分格式。海平面气压的初值给成常数值,高空的风速及气温的初值给成纬向平均的气侯值。在数值模拟中,下垫面温度用一月及七月的气候实际值。计算的冬半球海平面气压与观测值相当一致,而夏半球的结果稍差些。本模式所求得的全球海平面气压场能与实况相比,结果并不差于高分辨率的复杂模式。     

云南夏季旱涝与前期冬季环流变化的关系

夏季气候异常的前期信号特征分析一直是短期气候预测工作的重点。利用1948—2004年NCEP/NCAR月平均再分析资料、1961—2004年云南124个站的月平均降水和1948—2003年英国Hadley中心的月平均海温资料, 分析了云南夏季旱涝的时空特征, 探讨了云南夏季旱涝与前期大气环流和大气热力状态变化的关系, 发现云南夏季旱涝前冬12月—1月, 特别是1月东亚中高纬度地区的大气环流变化和赤道附近高低层大气的热力状态对云南夏季旱涝有重要的指示意义, 当前冬东亚大槽强 (弱), 冬季风强 (弱), 赤道附近高低层大气温度偏低 (高) 时, 后期云南夏季降水偏多 (少)。同时, 初步探讨了东亚冬夏季风环流变化的相互联系及热带海温变化的可能影响, 指出冬季到夏季印度洋和赤道西太平洋地区持续的海温异常有可能通过改变夏季海陆的热力对比, 进而影响夏季风活动和云南夏季降水的变化。