Interdecadal changes in the storm track activity over the North Pacific and North Atlantic

Analysis of NCEP-NCAR I reanalysis data of 1948–2009 and ECMWF ERA-40 reanalysis data of 1958–2001 reveals several significant interdecadal changes in the storm track activity and mean flow-transient eddy interaction in the extratropics of Northern Hemisphere. First, the most remarkable transition in the North Pacific storm track (PST) and the North Atlantic storm track (AST) activities during the boreal cold season (from November to March) occurred around early-to-mid 1970s with the characteristics of global intensification that has been noticed in previous studies. Second, the PST activity in midwinter underwent decadal change from a weak regime in the early 1980s to a strong regime in the late 1980s. Third, during recent decade, the PST intensity has been enhanced in early spring whereas the AST intensity has been weakened in midwinter. Finally, interdecadal change has been also noted in the relationship between the PST and AST activities and between the storm track activity and climate indices. The variability of storm track activity is well correlated with the Pacific Decadal Oscillation and North Atlantic Oscillation prior to the early 1980s, but this relationship has disappeared afterward and a significant linkage between the PST and AST activity has also been decoupled. For a better understanding of the mid-1970s’ shift in storm track activity and mean flow-transient eddy interaction, further investigation is made by analyzing local barotropic and baroclinic energetics. The intensification of global storm track activity after the mid-1970s is mainly associated with the enhancement of mean meridional temperature gradient resulting in favorable condition for baroclinic eddy growth. Consistent with the change in storm track activity, the baroclinic energy conversion is significantly increased in the North Pacific and North Atlantic. The intensification of the PST and AST activity, in turn, helps to reinforce the changes in the middle-to-upper tropospheric circulation but acts to interfere with the changes in the low-tropospheric temperature field.     

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.     

冬季海温异常影响北太平洋东部型风暴轴的数值试验

最强中心出现在160°W以东地区的北太平洋风暴轴定义为东部型风暴轴,针对这种短期气候异常现象,利用大气环流模式CAM 3.0对其可能的外部强迫机制进行探究,主要关注赤道中东部和黑潮海区正、负海温异常的影响。结果表明:赤道海区负海温异常对风暴轴东部型的出现有重要意义,当该海区海温为负(正)异常且黑潮海区海温正(负)异常时,风暴轴表现为东(西)部型。风暴轴在中、东太平洋地区低层斜压性的增强,是太平洋风暴轴中、东端天气尺度涡动活动增强的主要原因。当出现东部型时,北太平洋东部区域急流强度增强,涡动斜压增长偏强,涡动的热量和动量输送加强,风暴轴和急流的反馈也加强;反之亦然。冬季赤道海区引起的大气响应范围较广,而黑潮海区的影响较为局地,尤其是黑潮海区的负异常主要影响风暴轴入口区域,表现为关于海温异常强迫的符号非对称性。     

CMIP6模式对北太平洋中纬度海洋锋强度与冬季风暴轴关系的模拟及预估

本文利用参与第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)的高分辨率气候模式CNRM-CM6-1-HR资料,对北太平洋中纬度海洋锋强度与冬季风暴轴的关系开展模拟和预估。研究发现,该模式能够较好地再现海洋锋强度与风暴轴的正相关关系,即当海洋锋加强(减弱)时,风暴轴在其主体及下游区域显著增强(削弱),但模拟的正相关关系在风暴轴北部强于观测,这是由于模拟的海洋锋强度与低层大气斜压性的正相关关系在其北部偏强。对比模式在历史试验和未来4种共享社会经济路径(SSPs)下的模拟结果发现,全球变暖背景下,海洋锋强度与风暴轴依然存在显著的正相关关系,但在风暴轴气候态大值区及其北部区域呈现减弱趋势,正相关关系减弱程度在高辐射强迫情景(SSP5-8.5)下最大,在中等至高辐射强迫情景(SSP3-7.0)下最小。进一步研究发现,未来海洋锋强度与低层大气斜压性的正相关关系呈现出类似的减弱趋势,说明未来海洋锋与风暴轴关系的变化主要取决于海洋锋与低层大气斜压性关系的变化。     

冬季黑潮延伸体区域海表温度锋对北太平洋风暴轴的影响

利用NOAA最优插值逐日海表温度资料和NCEP/NCAR的逐日大气再分析资料,分析了冬季黑潮延伸体区域海表温度锋的变化及其对北太平洋风暴轴的影响。结果表明,冬季黑潮延伸体区域海表温度锋强度和纬度位置既存在年际变化,也存在年代际变化,且强度和位置的变化是相互独立的。冬季黑潮延伸体区域海表温度锋强度的年际变化对北太平洋风暴轴没有显著的影响,而其年代际变化则对北太平洋风暴轴具有非常显著的影响,当冬季海表温度锋偏强时,大气斜压性在鄂霍次克海及阿拉斯加附近区域上空增强,而在海表温度锋下游至东太平洋区域上空显著减弱,平均有效位能向涡动有效位能的斜压能量转换在45°N以北的太平洋区域上空有所增多,而在30°-45°N的太平洋区域上空有所减少,涡动有效位能向涡动动能的斜压能量转换在35°N以北的西太平洋区域以及45°N以北的东太平洋区域都显著增加,而仅在其南部边缘存在东西带状的减弱区域,导致40°N以北海区北太平洋风暴轴增强,40°N以南海区北太平洋风暴轴减弱,冬季海表温度锋偏弱时则有与之相反的结果。冬季黑潮延伸体区域海表温度锋纬度位置的变化对北太平洋风暴轴也存在较显著的影响,当海表温度锋位置偏北时,在其下游45°N以南的太平洋区域上空大气斜压性减弱,45°N以南的中东太平洋区域上空区域平均有效位能向涡动有效位能、以及涡动有效位能向涡动动能的斜压能量转换都减少;而在45°N以北的太平洋区域上空大气斜压性增强,在阿拉斯加湾附近上空尤其显著,在黑潮延伸体区域附近以及45°N以北的中东太平洋上空平均有效位能向涡动有效位能、以及涡动有效位能向涡动动能的斜压能量转换都显著增加,导致北太平洋风暴轴在其气候平均态轴线两侧呈现北正南负的偶极子形态;海表温度锋位置偏南时则有与之相反的结果。冬季黑潮延伸体区域海表温度锋强度和位置的变化均对北太平洋风暴轴具有显著的影响,其具体的物理机制还需要进一步的研究。      

冬季北大西洋风暴轴的变化及其对西伯利亚高压的影响

采用1948—2010年NCEP/NCAR逐日再分析资料,计算大西洋风暴轴特征指数和西伯利亚高压特征指数,研究了冬季北大西洋风暴轴的变化及其对西伯利亚高压的影响。结果表明:风暴轴经度指数与西伯利亚高压纬度、强度、面积指数显著相关。风暴轴经度指数正异常月,大西洋天气尺度瞬变波活动向东扩展到欧洲乃至乌拉尔山以东,西伯利亚及东亚地区反气旋式波破碎加强,瞬变波对月平均气流的反馈作用使得欧亚大陆上空50°N以北西风加速、50°N以南西风减速;中纬度经向环流加强,气候态的西欧沿岸脊、欧洲东部槽、青藏高原北部脊均加强,东亚大槽减弱东移;在西伯利亚地区,暖空气向北输送加强,来自极区的冷空气南下减弱,致使西伯利亚及东亚地区温度偏高,西伯利亚高压面积减少、纬度偏南、强度减弱。风暴轴经度指数负异常月的情况则反之。     

北太平洋东部风暴轴的变化特征及其与大气环流和SST异常的关系

利用欧洲中期天气预报中心ECMWF(European Center for Medium-range Weather Forecast)逐日再分析资料(ERA40),通过经验正交函数(empirical orthogonal function,EOF)分解发现,冬季北太平洋东部风暴轴有着显著的年际变化特征:第一变化模态为在气候平均位置南北相反的偶极子变化型,第二变化模态为在气候平均位置处一致增强或减弱的变化型,第三变化模态为三极子的变化型。进一步的回归分析发现:当东部风暴轴南压(北抬)时,同期冬季是一种厄尔尼诺(拉尼娜)年海温异常空间分布型,中纬度北太平洋海区以及赤道中、东海区,冬季冷(暖)异常的洋面上是异常低压(高压),对流层中层是太平洋—北美型(Pacific-North American Pattern,PNA)遥相关的正(负)位相;当东部风暴轴增强(减弱)时,同期冬季黑潮区海温偏暖(偏冷),对流层中层表现为西太平洋型(West Pacific Pattern,WP)遥相关的正(负)位相;当东部风暴轴呈现西北—东南+-+(-+-)相间三极子的分布时,同期冬季巴布亚新几内亚附近海温异常偏暖(冷),夏威夷附近海温异常偏冷(暖),冬季冷(暖)异常的洋面上是异常低(高)压,对流层中层表现出类似PNA正(负)位相。EOF分解各模态所对应时间系数与阿留申低压(Aleutian Low,AL)指数、PNA指数、Nino3指数、WP指数、黑潮海温(Kuroshio Current,KC)指数之间存在显著的相关,这些证明了东部风暴轴与同期大气环流及SST异常之间的联系。     

北太平洋风暴轴“深冬抑制”现象的能量分析

采用欧洲中期天气预报中心逐日再分析资料（ERA-40）,从局地能量变化方程出发,通过分析北太平洋风暴轴区域对流层不同层次局地能量的季节演变过程,对风暴轴区域各能量项在“深冬抑制”现象中的作用进行了深入探讨。结果表明,天气尺度扰动动能的季节变化可以很好地反映北太平洋风暴轴的“深冬抑制”现象,并且该现象在对流层上层最为显著,其发生概率约为80％,其中20世纪70年代中后期到80年代前期抑制最强。从同期各能量项的变化来看,扰动动能的变化主要受斜压能量转换项、涡动非地转位势通量的散度项和正压能量转换项的影响。在深冬季节,由于消耗扰动动能的正压能量转换项虽有些微弱减少从而使得扰动动能有所增加,但为风暴轴提供扰动动能的斜压能量转换项和涡动非地转位势通量的散度项减少的幅度却更大,因而总的效果是扰动动能大为减小,这可能是造成北太平洋风暴轴“深冬抑制”现象的直接原因。     

西北太平洋热带气旋气候变化的若干研究进展

简要回顾了近年来国内外在西北太平洋热带气旋活动的季节、年际和年代际变化方面的研究,涉及到热带低频振荡、厄尔尼诺—南方涛动(EI Ni(n)o-Southern oscillation,ENSO)、印度洋海盆增暖、准两年振荡(quasi-biennial oscillation,QBO)等对西北太平洋热带气旋活动气候变化的影响,以及ENSO与热带气旋活动年际相关的年代际变化,展望了该领域的研究前景,并提出当前此研究领域中一些亟需研究的科学问题.     

Impact of Kuroshio Extension dipole mode variability on the North Pacific storm track

利用1993年1月至2015年12月的海表面高度异常资料引入黑潮延伸体偶极子模态指数(KED模指数),发现KED模存在正位相(南正北负偶极子模态)和负位相(南负北正偶极子模态)之间的年代际变化,并对海洋锋和北太平洋风暴轴产生影响。研究结果显示,黑潮延伸体北侧海洋锋和延伸体海洋锋都与KED模存在很好的相关关系。在黑潮延伸体北侧海洋锋区域,KED负模态下海洋锋的强度增强,延伸体区域海洋锋则相反。另外在KED负模态下,风暴轴会减弱北移,与风暴轴有关的西风也在风暴轴下游区域北移。进一步分析得到KED模态的转换可以改变海洋锋的强度从而改变上空经向热量通量,进而影响风暴轴。     

冬季东北冷涡对北太平洋风暴轴的可能影响

利用NCEP/NCAR逐日再分析资料及由吉林省气象局科研所提供的东北冷涡日历表,以1951/1952—2008/2009年58 a冬季为代表,分析了东北冷涡对北太平洋风暴轴产生的影响及其可能原因。结果表明:1)冬季东北冷涡发生天数变化与北太平洋风暴轴强弱变化呈显著的负相关关系,即当东北冷涡发生天数偏多(偏少)时,北太平洋风暴轴强度减弱(增强)。2)通过Morlet小波交叉谱分析发现,冬季东北冷涡发生天数的年际变化与北太平风暴轴强度变化存在准3 a尺度上的相关关系。3)在冬季,当东北冷涡发生天数偏多时,从东亚到西北太平洋沿岸低层温度降低,低层冷空气位于副热带急流和北太平洋风暴轴上游,且经向上处于两者之间,加之冷平流的作用,给副热带急流与北太平洋风暴轴活动区域带来了正好相反的局地斜压性的改变:副热带急流区域斜压性增加,变得强而窄,位置南压;而北太平洋风暴轴区域斜压性减小,同时由于西北太平洋区域低层温度降低,使得有利于涡动形成的波源效应减弱,风暴轴强度减弱。当东北冷涡发生天数偏少时,则反之。     

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。     

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。     

Two modes and their seasonal and interannual variation of the baroclinic waves/storm tracks over the wintertime North Pacific

In this study, a newly developed method, termed moving empirical orthogonal function analysis (MEOF), is applied to the study of midlatitude baroclinic waves over the wintertime North Pacific from 1979 to 2009. It is shown that when the daily, high-pass filtered (2-10 days) meridional wind at 250 hPa is chosen as the variable of the MEOF analysis, typical features of baroclinic waves/storm tracks over the wintertime North Pacific can be well described by this method. It is found that the first two leading modes of the MEOF analysis, MEOF1 and MEOF2, assume quite different patterns. MEOF1 takes the form of a single wave train running in the east-west direction along 40°N, while MEOF2 is a double wave train pattern running in the east-west direction along 50°N and 30°N, respectively. The shift composites of various anomalous fields based on MEOF1 and MEOF2 assume typical baroclinic wave features. MEOF1 represents a primary storm track pulsing with an intrinsic time scale of two days. It shows significant "midwinter suppression" and apparent interannual variability. It is stronger after the mid-1990s than before the mid-1990s. MEOF2 represents a double-branch storm track, also with an intrinsic time scale of approximately two days, running along 50°N and 30°N, respectively. It shows no apparent seasonal variation, but its interannual and decadal variation is quite clear. It oscillates with larger amplitude and longer periods after the mid-1990s than before the mid-1990s, and is heavily modulated by El Niño-Southern Oscillation (ENSO).     

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)。     

太平洋年代际振荡对冬季北半球两大洋风暴轴协同变化的可能影响

利用NCEP/NCAR提供的再分析资料和NOAA提供的海温资料分析太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation,PDO)不同位相的年代际背景下北半球海气耦合关系的异常与风暴轴协同变化的联系,主要结果如下:1)冬季太平洋年代际振荡与北半球两大洋风暴轴协同变化之间存在显著的相关关系,当PDO暖位相时,对应两大洋风暴轴南北位置反向的异常变化,其中北太平洋风暴轴偏南且中东部减弱,北大西洋风暴轴偏北且中东部增强,PDO冷位相时相反。2)PDO为暖位相时,对应El Niňo型海温异常,北大西洋海温呈三极型,平均槽脊加强,经向环流增强,极涡收缩,北太平洋风暴轴南压,大西洋风暴轴则北抬,此时欧亚大陆北部和北美大陆大部分地区温度异常升高,亚洲南部、非洲北部及巴伦支海以北的高纬温度异常降低,北美西南部和格陵兰岛附近温度也为异常降低,PDO冷位相时相反。     

基于偏最小二乘回归的冬季北太平洋风暴轴指数的特征诊断

针对现有风暴轴指数分析大多采用相关分析等较为简单方法,难以对风暴轴指数变化有效诊断分析的问题,引入偏最小二乘回归(Partial Least Square Regression,PLS)的线性方法和核偏最小二乘回归方法(Kernel Partial Least Square Regression,KPLS),对冬季北太平洋风暴轴指数变化进行了特征诊断研究,并与传统的线性无偏最小二乘回归结果进行了试验比对。结果表明:偏最小二乘回归方法的诊断结果能够更好地反映风暴轴内部变化规律,并有效降低诊断误差。对于PNYI(北太平洋风暴轴纬度指数),采用r0. 2的因子筛选方案(r为因子与风暴轴指数的相关系数)并应用KPLS算法时,预测效果最佳;对于PNXI(北太平洋风暴轴经度指数)和PNII(北太平洋风暴轴强度指数),采用全因子方案并应用KPLS算法时,预测效果最佳。