冬季北极涛动异常对北太平洋风暴轴的可能影响

基于美国国家海洋和大气局气候预测中心公报的北极涛动（Arctic Oscillation,AO）指数逐月数据以及美国国家环境预报中心和大气研究中心的1986—2017年逐日再分析资料等,运用回归和合成分析等方法,分析了北极涛动与北太平洋地区风暴轴的时间演变特征、两者之间的联系及AO异常影响风暴轴的可能机制。结果表明：1）风暴轴经度指数与纬度指数有显著正相关性,两者具有同步变化的特征,而这两者与风暴轴强度指数都呈负相关,但不显著。AO指数与北太平洋风暴轴强度呈显著正相关,且AO指数与风暴轴经度、纬度指数也呈正相关,但并不显著。2）在北极涛动强正（负）位相年份,风暴轴区域天气尺度滤波方差强（弱）、500 hPa高度场上东亚大槽减弱（加深）、急流偏北偏强（偏南偏弱）、扰动动能增强（减弱）、斜压性增强（减弱）。可能影响机制是,异常变化的AO影响东亚大槽,改变急流强度,使斜压性发生变化,进而对风暴轴产生影响。     

CAM3.0模式中北大西洋风暴轴对“三核型”海温异常的响应

为了探究冬季(12~2月)北大西洋地区风暴轴与海温异常的关系,利用伴随AO(Arctic Oscillation)出现的"三核型"海温异常对大气环流模式CAM3.0进行强迫,将模拟结果与NCEP/NCAR再分析资料做对比,发现CAM3.0在该SSTA强迫下可以再现伴随AO异常出现的风暴轴与急流异常,结论可概括为:海温正(负)异常时,北大西洋风暴轴增强(减弱),北美急流出口区向北(向南)摆动;"三核型"海温异常作为外强迫源,可能通过2种途径影响风暴轴的强度:首先通过热力作用改变中纬度低层大气斜压性来直接影响风暴轴,其次通过影响北美急流出口区的南北摆动来间接影响风暴轴;另外,海温正(负)异常可以增强(减弱)瞬变波与基本气流之间的正反馈效应。     

东北冷涡持续活动时期的北半球500 hPa环流特征分析

分别对5月和6～8月东亚东北冷涡活动典型的多寡年份北半球500 hPa高度距平场进行合成、频次累积和相关分析,结果表明:东亚东北冷涡持续性活动不仅与前期、同期和后期北半球的大气环流异常密切相关,而且也是异常区的重要组成部分;500hPa 5月和6～8月东北冷涡活动多寡年的同期500hPa高度距平合成场差异显著;6～8月东北冷涡典型多寡年的同期距平场均与前冬(12～2月)的主要异常区反位相,存在半年尺度的遥相关,与北太平洋涛动(NPO)类同的500 hPa高度距平场,如前冬呈正位相,预报6～8月东北冷涡持续活动弱,反之,冷涡持续活动强;合成场和相关场通过信度检验的关键区主要位于东亚中高纬度至阿留申群岛及其以南的副热带地区、青藏高原接近巴基斯坦一侧和北非乍得盆地与撒哈拉大沙漠等地区;由此可以认为东亚地区中高纬度5月和6～8月东北冷涡持续性活动是北半球大气环流异常持续或调整的重要表征.     

冬季北大西洋风暴轴的东西变化及其能量诊断

利用NCEP/NCAR再分析资料,定义一个风暴轴经度指数,基于这个指数做合成分析,对冬季北大西洋风暴轴63 a(1948-2010年)的东西变化特征及其能量平衡差异进行了诊断。主要结论如下:(1)北大西洋风暴轴存在明显地东扩和西退。当风暴轴向东扩展时,天气尺度瞬变波可以向下游发展至乌拉尔山以东的亚洲上空;风暴轴西退时,天气尺度瞬变波活动范围向西收缩到15°W以西的大洋上空。(2)能量诊断表明,当风暴轴向东扩展时,涡动动能在高纬度的大西洋东部及西欧上空明显增强。在0°以西的区域,涡动动能的增强主要归因于能量斜压转换过程的增强;而在0°以东区域,涡动动能的增强可能与涡动非地转位势通量引起的"下游发展效应"增强有关。风暴轴向西收缩时,变化相反。     

北极涛动与北大西洋涛动的差异

根据北极涛动和北大西洋涛动指数的时间序列,选取两者差异较大的13个年份进行合成分析。结果表明：除北太平洋地区外,北极涛动与北大西洋涛动差异最显著的区域是西欧-地中海区域和亚洲东北部地区。北极涛动高指数阶段,对流层中层为纬向二波的驻波型,分别对应于极地-欧亚遥相关型和太平洋-北美遥相关型。同时,纬向平均纬向风偶极型使西风急流向极地偏移,与增强的中纬度经圈环流相互作用,引导对流层上层异常信号向下传播,形成高低空耦合机制。进一步分析发现,这种中纬度经圈环流异常和高低空耦合形势的差异主要表现在欧亚大陆地区;在北大西洋区域差异并不显著。     

近45a冬季北大西洋涛动异常与我国气候的关系

利用1873－1995年的北半球海平面气压月平均资料，定义了北大西洋涛动指数。用近45a资料研究了北大西洋涛动与我国冬、夏季气候变化的关系。指出，北大西洋涛动异常变化与我国冬、夏季天气气候关系密切。强涛动年，冬季我国是偏暖、多雨的气候特征；夏季我国江淮之间地区气温明显偏低。还表明，强涛动年冬季，西太平洋副热带高压强度与西伯利亚高压及高空经向环流都明显偏弱，大气环流具有弱WA遥相关型、弱的东亚冬季风特征，对应的夏季环流特征与强东亚夏季风特征较接近。     

冬季北太平洋风暴轴异常及其与东亚大气环流的关系

利用NCEP/NCAR逐日再分析资料,应用滤波方差、相关分析、合成分析等研究了1963年冬季至2011年冬季北太平洋风暴轴的时空演变特征,并探讨了风暴轴活动强弱与东亚—北太平洋大气环流的关系。结果表明：与1980s后期风暴轴活动显著增强相比,近10 a来风暴轴活动又进入较气候平均水平偏低的阶段,且风暴轴主体位置有着向东北、西南两侧的振荡现象。风暴轴活动强（弱）年,东亚地区近地面温度偏高（低）、对流层低层阿留申低压和西伯利亚高压偏弱（强）、中国东部及日本上空850 hPa北风减弱（加强）;对流层中层东亚大槽减弱北缩（加深南进）、对流层高层西风急流减弱（加强）。风暴轴活动与冬季影响中国的冷空气活动次数相关关系显著。     

冬季北太平洋风暴轴的年际型态及其与大气环流的关系

利用NCEP/NCAR再分析资料,运用31点带通数字滤波、线性相关和合成分析方法,研究了1961/1962—2010/2011年冬季北太平洋风暴轴西部、东部区域强度指数的年际演变特征,划分了风暴轴的典型型态,并进一步探讨了与同期北半球500 hPa位势高度场和SLP的关系。结果表明:风暴轴气候态的极大值区域位于中纬度北太平洋中西部,最大值点的频数集中区域和均方差分布的异常中心都有两个。风暴轴西部和东部区域强度指数(WI和EI)的年际演变具有独立性,典型型态可分为单、双中心型两类。WI(EI)指数与北半球500 hPa位势高度场的相关分布类似于WP(PNA)遥相关型;单中心型风暴轴偏强时,极涡南扩,平均槽加深;呈双中心型时,极涡明显偏西。WI(EI)指数与SLP的相关分布类似于NPO(NAO)遥相关型;单中心型风暴轴偏强(弱)时,SLP距平场呈AO遥相关型的正(负)异常位相。     

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)。     

冬季北大西洋涛动对热带印度洋海表热通量的影响

利用1979—2017年TropFlux海气热通量资料、ERA5再分析资料及HadISST资料,分析了冬季北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation, NAO)与同期热带印度洋海气热通量的关系。结果表明,NAO指数与热带印度洋海气净热通量整体上呈负相关,意味着NAO为正位相时,海洋向大气输送热量,其显著区域主要位于热带西印度洋(50°～70°E,10°S～10°N)。净热通量的变化主要依赖于潜热通量和短波辐射的变化;潜热通量和短波辐射在NAO正(负)位相事件期间的贡献率分别为72.96%和61.48%(71.72%和57.06%)。NAO可通过Rossby波列影响印度洋地区局地大气环流,进而影响海气热通量;当NAO为正位相时,波列沿中低纬路径传播至印度洋地区,在阿拉伯海北部对流层高层触发异常反气旋环流。该异常反气旋性环流加强了阿拉伯高压,使得北印度洋偏北风及越赤道气流加强。伴随风速的加强,海面蒸发增强,同时加强的越赤道气流导致热带辐合带强度偏强,深对流加强引起对流层水汽和云量增多,进而引起海表下行短波辐射减少。     

北太平洋风暴轴的三维空间结构

文中利用最新的0.5°×0.5°分辨率QuikSCAT(QuikBird Satellite Microwave Scatterometer Sea Winds Data)海面风场资料、NCEP(National Center for Environmental Prediction)的10 m高度风场资料和全球客观再分析资料,对1999-2005年冬季(1月)和夏季(7月)北太平洋风暴轴的三维空间结构进行了分析,发现冬季北太平洋风暴轴的强度较强,呈明显的纬向拉伸带状分布特征,位置偏南.夏季北太平洋风暴轴的强度较弱,位置偏北.根据不同高度上位势高度方差的水平分布特征,绘制了北太平洋风暴轴的三维结构示意图.利用高分辨率QuikSCAT资料对风暴轴特征的刻画更为细致,不但验证了Nakamu-ra在南大洋发现的双风暴轴现象,而且还发现在北太平洋和北大西洋下层分别存在"副热带风暴轴"和"副极地风暴轴"两个风暴轴.对1999-2005年冬季北太平洋气旋和反气旋的移动路径进行的统计分析,为北太平洋"双风暴轴"的存在提供了强有力的证据.     

西伯利亚风暴轴的气候特征及其可能维持机制

基于1959—2014年NCEP/NCAR的逐日再分析资料,首先研究了西伯利亚风暴轴各季节的气候平均特征,然后以冬季为例,利用能量诊断方程,从能量学的角度对其的可能维持机制进行了探讨,并在上述分析过程中与北半球两大洋风暴轴的特征进行了对比。结果表明:(1)西伯利亚风暴轴一年四季都独立存在,虽强度要比两大洋风暴轴的强度弱很多且位置偏北,但可以定义为一个弱风暴轴。(2)比较来看,西伯利亚风暴轴强度的季节变化与北太平洋风暴轴的季节变化类似。与两大洋风暴轴位于急流东北侧不同,冬季西伯利亚风暴轴位于东亚温带急流的西侧。(3)进一步的能量分析结果表明,与两大洋风暴轴一样,斜压不稳定的能量转换(Ke4)也是西伯利亚风暴轴区域天气尺度扰动动能的主要来源;而扰动非地转位势通量散度项(Ke3)和时间平均气流对扰动动能的平流输送项(Ke1)也是风暴轴下游发展所需的扰动动能来源之一。     

冬季北太平洋风暴轴纬向变化特征及其与我国极端低温频次的可能联系

采用NCEP/NCAR和ERA40再分析资料,分析了垂直方向上冬季北太平洋风暴轴纬向结构的时空演变特征,揭示了北太平风暴轴纬向结构具有显著年际、年代际变化特征。冬季北太平洋风暴轴纬向结构主要呈现出全区一致、东西反相两种分布型("A"型和"B"型),细分为整体一致性强型("A+"型)、整体一致性弱型("A-"型)、东弱西强型("B+"型)和东强西弱型("B-"型)。研究表明:冬季北太平洋风暴轴的纬向结构与我国极端低温频次的关系密切,风暴轴呈"A+"("A-")型纬向结构时,我国整体区域极端低温频次偏少(多);风暴轴呈"B+"("B-")纬向结构时,我国全区极端低温频次偏多(少)。     

A Statistical Analysis of the North Atlantic Oscillation and its Impact on European Temperature

In this study the behaviour of the North Atlantic Oscillation (NAO) and its impact on the surface air temperature in Europe 1891-1990 is analysed using statistical time series analysis techniques. For this purpose, both the NAO index (NAOI) and the surface air temperature time series from 41 European stations are split up into typical variation components. Various measures of correlation indicate that the NAOI-temperature relationships are approximately linear and most pronounced in winter. The spatial correlation patterns show a correlation decrease from North West to South East (winter) exceeding correlation coefficients of 0.6 in the Scotland-South Norwegian area. In summer, these correlations are very weak, in spring and autumn stronger but smaller than in winter. These correlations change significantly in time indicating increasing correlations in Central and North Europe and decreasing correlations in the North West. Low-frequent episodic components represented by related polynomials of different order are very outstanding in both NAO and temperatures showing up in all seasons, except summer, relative maxima roughly 1900 and in recent times, relative minima in the beginning ( ca . 1870) and roughly 1960-1970. Periodogramm analysis reveals a dominant cycle of 7.5 years (NAOI and a majority of temperature time series) whereas in case of the polynomial component one may speculate about a 80-90 year cycle.     

Intraseasonal variability of winter precipitation over central asia and the western tibetan plateau from 1979 to 2013 and its relationship with the North Atlantic Oscillation

Winter precipitation over Central Asia and the western Tibetan Plateau (CAWTP) is mainly a result of the interaction between the westerly circulation and the high mountains around the plateau. Empirical Orthogonal Functions (EOFs), Singular Value Decomposition (SVD), linear regression and composite analysis were used to analyze winter daily precipitation and other meteorological elements in this region from 1979 to 2013, in order to understand how interactions between the regional circulation and topography affect the intraseasonal variability in precipitation. The SVD analysis shows that the winter daily precipitation variability distribution is characterized by a dipole pattern with opposite signs over the northern Pamir Plateau and over the Karakoram Himalaya, similar to the second mode of EOF analysis. This dipole pattern of precipitation anomaly is associated with local anomalies in both the 700 hPa moisture transport and the 500 hPa geopotential height and is probably caused by oscillations in the regional and large-scale circulations, which can influence the westerly disturbance tracks and water vapor transport. The linear regression shows that the anomalous mid-tropospheric circulation over CAWTP corresponds to an anti-phase variation of the 500 hPa geopotential height anomalies over the southern and northern North Atlantic 10 days earlier (at 95% significance level), that bears a similarity to the North Atlantic Oscillation (NAO). The composite analysis reveals that the NAO impacts the downstream regions including CAWTP by controlling south-north two branches of the middle latitude westerly circulation around the Eurasian border. During the positive phases of the NAO, the northern branch of the westerly circulation goes around the northwest Tibetan Plateau, whereas the southern branch encounters the southwest Tibetan Plateau, which leads to reduced precipitation over the northern Pamir Plateau and increased precipitation over the Karakoram Himalaya, and vice versa.