影响夏季西北太平洋副热带高压年际变率的关键海区及影响机制

西北太平洋副热带高压(西太副高)是影响东亚夏季气候的主要环流系统,其年际变率受热带多个海区的海-气相互作用过程的调控。为明确影响夏季西太副高的关键海区及其影响机制,在总结最近十余年来相关研究进展的基础上,归纳出影响夏季西太副高年际变率的5个关键海区,包括赤道中东太平洋、热带印度洋、副热带西北太平洋、海洋大陆附近海区以及热带大西洋。阐述了这5个关键海区的海温异常影响西太副高年际变率的机制,并探讨了5个关键海区海温异常的形成机制。围绕夏季西太副高的年际变率,回顾了当前气候模式的模拟和预测研究的现状。最后,提出了本领域亟待解决的关键科学问题,展望未来可能的研究热点。     

基于交叉小波分析方法的西太平洋副热带高压年际变率与热带海温及大气环流异常的相关性研究

西太平洋副热带高压的年际变率受热带多个关键海区的海-气相互作用过程调控, 但彼此间的因果关联和影响机制尚不清楚。为揭示西太平洋副热带高压的年际变率与热带海温及大气环流异常之间的内在关联特性, 定义了三个关键海区以及赤道纬向西风区的特征指数, 并分别与西太平洋副热带高压强度、脊线指数进行了交叉小波和相干小波分析。研究发现:西太平洋副热带高压指数存在显著的2~3年和准5年的周期振荡, 20世纪八九十年代后, 由于暖池区海温及赤道纬向西风区的Hadley环流强迫加强, 致使副热带高压特征指数的2~3年周期振荡加强; 从位相关系看, 先是西太平洋副热带高压减弱南撤导致纬向西风加强, 其后影响赤道东太平洋海温升高, 同时暖水向东传, 使赤道中太平洋以及暖池区海温逐渐升高, 在Hadley环流作用下使副高加强北抬。基于上述西太平洋副热带高压的年际变率与热带海温及大气环流异常变化相关性诊断研究, 进一步探讨了造成这种相关性的影响机理和因果关联, 为揭示西太平洋副热带高压年际变率与热带海温及大气环流异常的相关性做探索研究。      

夏季西太副高脊面年际变化与太平洋海温关系的研究

利用谱分析、带通滤波、奇异值分解及合成分析等方法,以及欧洲中期数值天气预报中心大气环流再分析资料和美国NOAA的海温资料,研究了夏季西太平洋副热带高压(下称西太副高)脊面年际变化及其对前期太平洋海温响应的物理过程.结果表明,西太副高脊面存在准7.5年的最显著振荡周期.太平洋前冬和前春海温对夏季西太副高脊面的影响是显著的.其中El Ni(n)o型的异常海温分布将使夏季两太副高脊面偏南,而La Ni(n)a型的则使夏季西太副高脊面偏北.在对比分析与太平洋海温异常相联系的异常环流的基础上,发现异常海温强迫出的异常经向环流是有利于夏季西太副高脊面异常的一个重要原因.     

西太平洋副热带高压耦合模态对台风生成的影响

西太平洋副热带高压(西太副高)是影响东亚夏季气候的主要环流系统。利用再分析资料和美国联合台风预警中心的热带气旋最佳路径资料,研究了西太副高耦合模态对西北太平洋7—9月的台风生成的影响。结果表明:西太副高耦合模态与西太平洋地区的台风生成有显著抑制作用,且主要发生在西北太平洋北部;当西太副高偏强(弱)时,西北太平洋地区的台风生成频数偏少(多)。进一步研究表明西太副高耦合模态可以通过调节影响台风生成的850hPa涡度、垂直速度、600hPa相对湿度、垂直风切变等关键大尺度环境参数进而影响台风活动。     

影响南海夏季风爆发年际变化的关键海区及机制初探

利用1958—2011年NCEP/ NCAR再分析资料和ERSST资料,采用Lanczos时间滤波器、相关分析、回归分析、合成分析和交叉检验等方法,研究了影响南海夏季风爆发年际变化的关键海区海温异常的来源与可能机制。结果表明,前冬(12—2月)热带西南印度洋和热带西北太平洋是影响南海夏季风爆发年际变化的关键海区。冬季热带西南印度洋(热带西北太平洋)的异常增暖是由前一年夏季El Ni?o早爆发(强印度季风异常驱动的行星尺度东-西向环流)触发、热带印度洋(西北太平洋)局地海气正反馈过程引起并维持到春季。冬季热带西北太平洋反气旋性环流(气旋性环流)及印度洋(热带西北太平洋)的暖海区局地海气相互作用使得印度洋(热带西北太平洋)海温异常维持到春末。春季,逐渐加强北移到10 °N附近的低层大气对北印度洋(热带西北太平洋)暖海温异常响应的东风急流(异常西风)及南海-热带西北太平洋维持的反气旋性环流(气旋性环流)异常,使得南海夏季风晚(早)爆发。      

西太平洋暖池热含量年际变化及其对东亚气候异常的影响

利用1980—2010年共31个冬季的GODAS海洋同化资料,以5～366 m次表层海温构造西太平洋暖池区域的热含量,分析了冬季西太平洋暖池次表层热含量的时空特征、持续性以及对其邻近区域的气候异常影响,结果表明:(1) 整体一致性分布是冬季西太暖池区次表层热含量年际变化的主导模态,其时间系数的年际振荡较好地代表了暖池区次表层热状况的年际异常。暖池区热含量的变化与ENSO事件联系密切,它能保持超前两季以上的显著自相关,持续性较赤道中东太平洋海温异常更为稳定。(2) 冬季暖池区热含量异常对后期春、夏季暖池热状况产生持续影响,相应的暖水体积变化导致暖水的经向输送及垂直交换,对后期春夏两季暖池及邻近区域尤其是菲律宾海的表层海温、海表热通量变化有较大影响。(3) 冬季暖池区热含量上升对应春季菲律宾海以东洋面OLR数值下降以及降水偏多,所引起的对流活动加热异常导致热带及副热带西北太平洋位势等压面抬升,进而对西太副高产生影响。之后,此区域相应的海表热通量交换加强,对流层低层形成强大的异常气旋,海气相互作用加强,加上对流加热异常,使得冬季暖池热含量异常与夏季副热带高压变化联系更加紧密。因此冬季暖池区热含量可作为春、夏季西太副高变化和西北太平洋夏季风强度的有效预测因子。      

海陆气协同作用对华北地区夏季高温热浪的影响

通过统计分析并利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式进行多组敏感性试验研究发现,华北地区前期土壤湿度异常与夏季高温热浪的关系受到西太平洋副热带高压（西太副高）强度的影响。当西太副高异常偏强时,其西侧南风携带来自热带海洋的大量水汽至华北地区南部并增加该区域降水,不利于前期土壤湿度干异常的维持,从而限制了前期土壤湿度异常对高温热浪的贡献。相反,当西太副高偏弱时,华北地区前期土壤湿度干异常持续能力较强,有利于局地高温热浪的发展。西太副高强度与热带中东太平洋地区海温有关。当夏季热带太平洋海温异常处于暖位相时,西太副高强度相对较弱且华北地区南部降水偏少,有利于前期较干土壤条件的维持。此类情况下前期土壤湿度异常可以作为高温热浪的预测信号。     

西北地区东部夏季降水年际变化特征及其与环流的关系

利用1961-2012年夏季西北地区东部降水站点资料和NCEP/NCAR同期逐月再分析资料,采用"均一化处理"和合成分析等方法分析了西北地区东部夏季降水的年际变化特征及其对应的环流异常。结果表明:(1)西北地区东部的夏季降水异常主要与南边界的水汽异常输送相联系;(2)西北地区东部夏季降水与西北太平洋副热带高压(简称西太副高)的位置及强度密切相联:当西太副高偏强偏西时,西太副高脊线西伸至我国华南地区,对应的西北地区东部上空表现为西南风异常,将大量的水汽从西北地区东部的南边界输入,有利于该地区夏季降水增多;当西太副高偏东偏弱时,西太副高脊线西伸带来的降水影响无法到达西北地区东部,对应着西北地区东部降水偏少。     

东亚夏季经向水汽输送的变异及其对极端降水的影响

东亚夏季降水的异常与水汽输送的变异密切相关。基于1958—2016年资料,研究了夏季东亚季风区经向水汽输送的主要变异特征及其对东亚夏季极端降水的影响。经向水汽输送的第一主变异模态表现出中国东部和西北太平洋上的水汽经向输送呈现反向异常,以年际变化为主。当中国东部向北输送的水汽增强(减弱)而西北太平洋向北输送减弱(增强),则中国东部大范围的极端降水量及频次增加(减少)。该模态与西太(西太平洋)副高西伸(东撤)有关,并主要受到热带中东印度洋海温的影响。第二变异模态以年代际变化为主兼有年际变化,表现在1980年后中国东部及邻近海域上空的经向水汽输送减弱,使得环渤海地区和华南沿海的极端降水量及频次减少而长江上、下游和贵州的极端降水量及频次增加。该模态与西太副高的减弱有关,并受到热带西太海温年代际增温的影响。第三变异模态以年际变化为主兼有年代际变化,反映中国长江以北地区和日本南部及附近区域的经向水汽输送的反相变化结构。长江以北水汽输送减弱(增强),可导致华北、东北的极端降水量及频次减少(增加)和长江下游及江南地区的极端降水量及频次的减少(增加)。该模态主要受欧亚大陆上空中高纬度纬向遥相关波列和热带印太（印度洋太平洋）海温异常的影响。      

不同海域海表温度异常对西北太平洋副热带高压年代际变化影响的数值模拟研究

采用1950～2000年逐月观测的不同海域(全球、热带外、热带、热带印度洋-太平洋、热带印度洋及热带太平洋) 海表温度分别驱动NCAR CAM3全球大气环流模式, 进行了多组长时间积分试验, 对比观测资料, 讨论了这些海域海表温度异常 (SSTA) 对西北太平洋副热带高压年代际变化的影响。结果表明: 全球、 热带、 热带印度洋－太平洋和热带印度洋海表温度变化均对夏季西北太平洋副热带高压的年代际变化有重要作用, 即在这些海域的海表温度变化影响下, 西北太平洋副热带高压均在1970年代中后期发生了年代际变化, 其后副高面积增大、 强度增强、 位置偏西、 偏南, 这与观测结果较一致; 热带太平洋海表温度变化对夏季西北太平洋副热带高压的年代际变化也有重要作用, 在其作用下, 夏季西北太平洋副热带高压的强度、 面积在1960年代后期发生年代际变化, 南界在1970年代中后期发生年代际变化, 这些时段以后副高强度增强、 面积增大、 偏南; 热带印度洋海表温度驱动模拟的西北太平洋副热带高压变化比热带太平洋海表温度驱动模拟的副高更接近于观测结果, 且年代际变化更显著, 其差异的可能原因在于两区海表温度在1970年代中后期以后的年代际变化能在孟加拉湾〖CD*2〗中国东南沿海区域强迫产生的异常环流不同, 前者强迫产生出反气旋性环流异常, 有利于副高的增强、 面积增大和西伸, 而后者强迫产生出气旋性环流异常, 不利于副高的西伸; 热带太平洋和热带印度洋海表温度在1970年代中后期的冷、 暖年代际背景变化对夏季西北太平洋副热带高压年代际变化有重要作用; 热带外海表温度变化对西北太平洋副热带高压年代际变化作用较小。     

印度洋海盆模对南北半球太平洋副热带高压非对称的影响及机制

副热带高压对于我国天气气候具有重要影响,它的形成受到印度洋海温异常的影响,但其中的影响机制并不十分清楚。因此,本文利用1980-2020年NCEP/NCAR再分析资料,研究了印度洋海盆模(Indian Ocean Basin Model, IOBM)异常偏强对于太平洋副热带高压的影响;然后从能量角度分析IOBM引起南北半球太平洋海域副热带高压不对称性的物理机制;最后利用GFDL AM2.1模式进行模拟验证。为了说明印度洋海温异常对副热带高压的独立作用,对ENSO信号进行了滤除。结果表明：(1)夏季的印度洋暖海温暖异常会激发东传的Kelvin波,在西北太平洋地区低层出现反气旋异常,使西太副高较常年偏强,我国南海到菲律宾东部降水偏少;冬季IOBM正位相时,澳洲地区东风异常,热带西太平洋地区有大范围的降水负异常。印度洋海盆模对太平洋副热带高压非对称结构的影响在环流和降水场上均有体现。(2)根据能量诊断结果发现IOBM正位相时,夏季西北太平洋低层季风风场辐合区与扰动动能增长区相重合,有利于该地反气旋异常发展,从而使得副高偏强;冬季澳洲地区季风的风场辐合区与扰动动能增长区不能很好地配合,没有明显...     

副热带东南太平洋海温对东北夏季降水的影响及可能机制

诊断分析表明,前期副热带东南太平洋海温尤其是前春海温与东北夏季降水存在持续稳定的负相关关系。无论是在年际时间尺度还是年代际尺度上,冬、春、夏季海温演变趋势与降水均呈反位相。尺度分离结果显示,关键区海温与降水的显著负相关主要依赖于其年代际分量,但年际分量也起到较重要贡献。相关分析和合成分析结果都发现,当副热带东南太平洋海温偏低时,其上空可激发出反气旋式距平风场,而在关键区海域西北部激发出气旋式距平环流。同时在所罗门群岛和菲律宾南部分别出现反气旋式和气旋式距平环流。西太平洋副热带高压(副高)位置较常年偏西,副高区为反气旋式距平环流。在东北地区西侧则为气旋式距平环流。在这样的环流背景下,副高西侧的南风加强了源自南海和西太平洋的暖湿气流和北方冷空气在东北地区的交汇,从而使东北夏季多雨。反之,当东南太平洋海温偏高时,其激发的气旋及反气旋距平中心和偏低年刚好相反,副高位置偏东,其西侧的南方水汽输送偏弱,同时东北冷涡也偏弱,冷暖空气汇合形成的低空辐合弱,东北降水因此偏少。这表明,副热带东南太平洋海温异常时确实能激发出一个从关键海区到东北地区的跨越南北半球的气旋-反气旋交替波列,引发北半球中高纬度大气环流异常,从而影响东北夏季降水。     

西北太平洋主要洋流区海温距平差与夏季副高的关系

本文对西北太平洋主要洋流区之间的海温距平差与副热带高压各特征量进行相关分析,讨论了由于南北海温距平差异而造成副高异常的可能机制。通过分析,给出副高异常年西北太平洋主要洋流区海温距平场的不同分布,指出影响夏季副高异常的关键海域及最佳时段,为预报夏季副高各特征量的变化趋势提供了一种途径。      

西北太平洋台风频数异常年的气候背景分析

利用中国气象局整编的热带气旋资料、NCEP再分析资料和Scripps海温资料,分析了台风季西北太平洋台风频数发生年代际和年际异常时的气候背景特征,并且比较分析了造成台风频数发生年代际和年际异常的影响因子的异同。结果表明:台风频数的年代际变化主要和副热带高压和赤道西太平洋的温跃层海温有非常显著的关系,而年际变化则与副高、季风槽、越赤道气流以及赤道中东太平洋的混合层海温都有着密切的联系。     

冬季和春季印度洋海温异常年际变率模态对中国东部夏季降水的可能影响过程

印度洋热力状况是影响全球气候变化和亚洲季风变异的一个重要的因素,但以往研究更多关注热带印度洋海温的变化,对南印度洋中高纬地区海温变化关注不够,由此限制了我们对印度洋的全面认识.本文研究了年际尺度上整个印度洋海温异常主导模态的特征及其对我国东部地区夏季降水的可能影响过程,以期望为气候变异研究及预测提供理论依据.研究结果表明:全印度洋海温异常年际变率的主导模态特征是在南印度洋副热带地区海温异常呈现西南—东北反向变化的偶极子模态,西极子位于马达加斯加以东南洋面,东极子位于澳大利亚以西洋面;同时,热带印度洋海温异常与东极子一致.当西极子为正的海温异常,东极子、热带印度洋为负异常时定义为正的印度洋海温异常年际变率模态;反之,则为负的印度洋海温异常年际变率模态.从冬至春,印度洋海温异常年际变率模态具有较好的季节持续性;与我国长江中游地区夏季降水显著负相关,而与我国华南地区夏季降水显著正相关.其可能的影响过程为:对于正的冬、春季印度洋海温异常年际变率模态事件,印度洋地区异常纬向风的经向大气遥相关使得热带印度洋盛行西风异常,导致春、夏季海洋性大陆对流减弱,使夏季西太平洋副热带高压强度偏弱、位置偏东偏北,造成华南地区夏季降水增多,长江中游地区降水减少;反之亦然.同时,印度洋海温异常年际变率模态可通过改变印度洋和孟加拉湾向长江中游地区的水汽输送而影响其夏季降水.     

ENSO事件的季节演变对西南夏季降水异常的影响分析

采用西南120站逐月夏季降水,美国CPC年逐月Nino3.4指数,NCEP/NCAR逐月环流等资料,分析了ENSO事件的季节演变对西南夏季降水的影响及其机制。结果表明,ENSO事件衰减对西南降水有重要影响,这种影响主要由赤道中东太平洋海温影响菲律宾对流活动进而持续调制西太平洋副热带高压(简称西太副高)实现,与ENSO事件的结束季节有重要关联。在El Nino(La Nina)衰减年,随着事件结束时间从冬季向春、夏季推迟,赤道中东太平洋海温释放能量增大(减弱),西太副高向大强西南(小弱东北)的方向发展,加强(抑制)南海的水汽输送,影响着孟加拉湾水汽输送,从而影响西南降水异常分布,其显著区域随着事件结束季节的推迟而扩大,在El Nino衰减次年更为突出。依据能量累积释放效应,从前一年9月开始的逐月Nino3.4区累积海温能更好指示夏季西太副高的强弱和大小,当4-5月的累积海温超过±0.5时,与夏季副高面积、强度指数的符号一致率为100%。因此,能够依据累积海温判断夏季西太副高强弱、大小,从而判断西南夏季降水的异常趋势。     

Projected changes in the western North Pacific subtropical high under six global warming targets

西北太平洋副热带高压(简称西太副高)是影响东亚夏季天气气候的关键环流系统。本文利用CMIP5的历史气候模拟试验和RCP8.5路径下的未来气候变化预估试验数据,采用扰动位势高度,流函数等多种变量描述西太副高,分析了西太副高在6个全球变暖阈值(1.5℃, 2.0℃, 2.5℃,3.0℃, 3.5℃和4.0℃)下相对于当代气候的变化情况。在对流层中层(500 h Pa),西太副高在1.5℃阈值下几乎没有变化,而在2.0℃阈值下迅速减弱并东退约2.5°。当升温大于2.5℃时,西太副高呈线性减弱趋势,在4.0℃阈值下将东退约6.0°。在对流层低层(850 h Pa),西太副高在1.5℃阈值下增强西伸,但在升温到2.0℃的过程中变化不大。当变暖达到4.0℃阈值时,西太副高将西伸约2.0°。     

滤除ENSO信号前后夏季热带印度洋海盆尺度海温距平对西太平洋副热带高压的不同影响

使用NCEP/NCAR再分析资料、哈得来海表温度和中国国家气候中心的西太平洋副热带高压（西太副高）特征指数,对比分析了ENSO背景下的夏季印度洋海盆尺度模（Indian Ocean basin mode,IOBM）与独立于ENSO的纯IOBM（pure Indian Ocean basin mode,IOBM_P）对西太副高的影响机理。结果表明,滤除前期ENSO信号后,西北太平洋上为海温负距平,并在其西北侧强迫出Gill型反气旋。另外,印度洋与海洋性大陆间存在西高东低的海温距平梯度,印度洋正、负海温距平激发出的赤道开尔文波影响至海洋性大陆西部地区,强迫出的异常大气环流关于赤道基本对称。加之此时中国南海至西北太平洋地区降水偏弱,潜热释放偏少,从而非绝热冷却,导致西太副高异常偏强、偏南。而在前期厄尔尼诺的影响下,次年夏季印度洋与海洋性大陆地区均有利于出现海温正距平,开尔文波的影响偏强、偏东,强迫出的异常环流偏向北半球,通过“埃克曼抽吸”和非绝热冷却在对流层低层制造出异常负涡度进而影响西太副高,使其明显偏强、偏西、偏南。由于IOBM_P在2和8年周期上对西太副高的影响最明显,而ENSO信号中主要是3—7 a的短周期振荡,因此,ENSO背景下的印度洋变暖对西太副高的遥强迫实际包含了来自热带中太平洋的3—7 a周期信号的滞后影响和印度洋地区局地变化特别是2和8年周期变化的作用。这些结果为人们深入理解西太副高变化规律和做出有效预报提供了线索。      

Optimal heat source for the interannual variability of the western North Pacific summer monsoon

西北太平洋夏季风是热带影响东亚气候的桥梁,具有很强的年际变率。西北太平洋夏季风异常能造成东亚夏季旱涝和高低温灾害,因此研究它的年际变率驱动因子具有重要意义。本文利用一个格林函数方法定量的评估了热带各个格点热源对西北太平洋夏季风的贡献。具体为将南北55纬度之间的区域划分成132个小格子,在每个格子加上一个椭圆形理想热源;接着利用一个线性理论大气环流模式计算每个热源对西北太平洋夏季风的贡献。研究表明导致西北太平洋夏季风增强的最理想加热场结构是位于热带印度洋和中纬度东亚地区上空的冷源和位于副热带西北太平洋地区的热源。     

东风带扰动热力特征及其对西太副高东退影响的个例分析

利用NCEP/NCAR再分析资料,分析了2003年6月22—25日西太平洋副热带高压(下称西太副高)西伸东退时热带东风带扰动附近大气热源的分布和演变特征,以及对西太副高西伸东退的影响和机制。结果表明,高层东风带扰动附近的非绝热效应分布和强度的突变影响西太副高西伸东退,当扰动中心西侧非绝热加热加强,扰动中心东侧西太副高区域冷却加强时,西太副高东退;潜热释放造成的非绝热效应在高层变化最为明显,非绝热变化的主要影响因子是垂直运动。总结了西太副高东退过程与东风带扰动系统热力联系的可能概念模型:东风带扰动处大气热力结构变化引发经向风场异常,使东风带扰动西侧高层有北风发展和强烈的上升运动,扰动东侧有整层的南风发展,有助于西太副高异常东退。因此,西太副高的西伸东退与热带东风带扰动系统的热力作用密切关联。