ENSO和北极涛动对东亚冬季气候异常的综合影响

基于1901-2000年多种海-气资料,分析了厄尔尼诺成熟年冬季-初夏西北太平洋异常反气旋（WNPAC）的年际变化特征及其对东亚气候的影响。结果表明,无论是厄尔尼诺事件成熟期的冬季还是次年的春季和初夏,WNPAC的年际变化主要存在两个空间变化型,即反映其强度变化的经验正交函数分解第1模态和反映其位置变化的第2模态。厄尔尼诺成熟年冬季WNPAC强度不仅与赤道中东太平洋海温异常有关,而且与太平洋西部（WP）型遥相关的强度有关,而其位置的变化则主要与西北太平洋局地海温异常以及北极涛动（AO）有关;次年春季,WNPAC的强度除了与赤道中东太平洋海温异常和太平洋西部型遥相关存在显著相关外,还与赤道大西洋海温异常有关,而其位置的变化则主要与西北太平洋局地海温异常和太平洋西部型遥相关有关;次年初夏,WNPAC强度主要与西北印度洋和西南印度洋的海温异常以及东亚-太平洋（EAP）型遥相关的强度有关。进一步分析表明,成熟年冬季-初夏WNPAC的强度和位置的变化均可对东亚地区降水异常分布产生影响,这对预测厄尔尼诺事件发生后冬季及后期春、夏季节东亚地区降水异常分布具有一定的指示意义。此外,次年初夏,WNPAC强度变化与西北太平洋台风发生频数存在显著负相关,即WNPAC越强,台风发生的频数越少,反之亦然。     

北极涛动对华南地区寒潮的影响

利用1960—2010年(NCEP/NCAR)再分析资料和我国同期549个气象观测站的日最低气温与日平均气温资料,分析华南地区寒潮爆发次数、爆发路径与北极涛动(AO)的相关关系,并结合冬季大气环流异常研究了AO对华南寒潮过程的影响。结果表明:AO指数与华南寒潮爆发次数呈负相关;AO指数为正时,AO偏弱,寒潮爆发次数较少,中层东亚大槽偏弱,出现异常东南风,不利于冷空气向南扩散,对寒潮爆发起阻碍作用;当AO指数为负时,AO偏强,影响华南的寒潮偏多,中层东亚大槽偏强,出现异常西北风,有利于冷空气向南扩散,对寒潮爆发起加强作用。由于AO与寒潮的爆发次数有着较强的相关关系,在寒潮过程中冷空气的输送路径的确定可以为预报提供一定依据。AO与寒潮爆发路径分析结果表明,AO异常强年,低层冷气团输送异常,从蒙古出发折向日本,在日本南部转向华南地区输送,另一路冷气团由西伯利亚出发,到青海一带折向广西输送,并在广西区域折向华南地区输送,AO异常弱年并没有明显异常冷气团输送。     

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。     

冬季北极涛动的影响分析

采用美国NCEP/NCAR月平均再分析资料、中国气象局160站地面月资料以及美国国家海洋和大气局月平均北极涛动（AO）指数,研究了1979～2008年12～2月AO与该时期北半球大气环流和我国气候的关系。发现当AO异常时,西风带和副热带的环流有很大的差别。当AO异常强时,北太平洋是一对偶极性异常环流：中高纬度为反气旋异常环流,副热带为气旋异常环流。这种形势越到高层越明显,范围也越大。对流层中高层中高纬度的反气旋异常环流西扩到贝加尔湖以东,副热带的气旋异常环流西扩到中印半岛。由于这种异常分布,西太平洋副热带高压偏弱,东亚高空西风急流偏弱,东亚大槽偏弱。乌拉尔山附近是负距平,不利于乌拉尔山高压脊发展。在海平面气压场上,北太平洋为正距平,而在西伯利亚为负距平,阿留申低压和西伯利亚高压偏弱,因此东亚冬季风偏弱。由于冬季风偏弱,导致我国东部、东北、新疆和内蒙古温度偏高。AO异常弱时,环流形势正好相反,冬季风偏强,我国温度偏低。AO的异常也影响我国降水,AO异常强时,除内蒙古、新疆降水偏少外,大部分地区降水偏多,异常降水中心在华南沿海;而当它异常弱时,江南、华南、内蒙古和新疆降水偏多,其他地区降水偏少,异常降水中心位于江南。2008年1月AO活跃,与AO强时平均情况一致,两者在中纬度的东亚有非常好的相似性,都为正距平,表示东亚大槽偏弱;北太平洋的偶极性异常环流对在对流层中、上层也是明显的。最主要的差异在乌拉尔山和西太平洋地区,由于造成2008年1月我国南方持续雨雪冰冻天气重要因素的西太平洋副热带高压、乌拉尔山阻塞高压和冬季风与AO偏强的平均情况相反,因此AO不是造成持续雨雪冰冻天气的原因。     

南北涛动与南极涛动及北极涛动的相互作用

利用NCEP/NCAR再分析资料,分析了南北涛动（Interhemispheric Oscillation,IHO）与北极涛动（Arctic Oscillation,AO）和南极涛动（Antarctic Oscillation,AAO）的联系。分析表明：1）北极涛动（AO）、南极涛动（AAO）与全年各自半球中高纬度地表气压变化密切联系。其中,AO冬季强度最强,且在春季、冬季的影响范围大。而AAO对南半球中高纬的地表气压变动影响更为明显,其在夏季影响范围最大。2）南极涛动（AAO）与南北涛动（IHO）有很好的同期相关性,南极涛动可部分解释南北涛动的形成。IHO与AO存在不显著的负相关,南北半球中高纬大气运动具有相对独立性。3）南北涛动（IHO）与全球较大范围内的地面气压变化有关,而去除AAO信号后,夏季在南极地区原显著相关区显著减少,夏季AAO与IHO存在密切联系。4）南北涛动（IHO）主要与春季、秋季和冬季亚洲、欧洲北部地面气温关系密切。秋季最强,春季次之,冬季最弱。夏季IHO与全球地面气温没有较好的联系。亚欧大陆北部的热力作用可能部分地解释了南北涛动的形成。     

北极涛动对河南省降水的可能影响

采用连续小波变换和交叉小波变换方法,分析了北极涛动指数和河南省月降水距平序列的时频变化特征,并讨论了近50多年来北极涛动对河南省降水的可能影响.结果表明,北极涛动指数和河南省降水距平序列中都存在着不同时间尺度的周期振荡,且时域中的分布特征和振荡强度也不尽相同;两者之间在6～8 a、12～16 a和25 a以上尺度的周期振荡呈正相关,而在9～11 a和16～24 a尺度上表现为负相关关系.     

CMIP5模式对春季北极涛动影响后期冬季ENSO不对称性的模拟能力分析

根据观测资料的研究指出春季北极涛动(Arctic Oscillation, AO)对随后冬季厄尔尼诺-南方涛动(El Nino–Southern Oscillation, ENSO)的影响具有明显不对称性。春季AO处于正位相时,它对随后冬季厄尔尼诺(El Nino)事件的影响显著,然而春季AO负位相对随后冬季拉尼娜(La Nina)的影响不明显。本研究分析了30个来自CMIP5的耦合模式对春季AO与随后冬季ENSO不对称性关系的模拟能力。30个CMIP5耦合模式中,只有CNRM-CM5和GISS-E2-H-CC模式能较好地抓住春季AO与冬季ENSO的联系。进一步分析这两个模式中春季AO与冬季ENSO的不对称性关系,发现CNRM-CM5模式能较好地再现春季AO与冬季ENSO的非对称关系,即春季AO正(负)位相会导致赤道中东太平洋出现El Nino(La Nina)型海表温度增暖(冷却)。然而,GISS-E2-H-CC模式的模拟结果显示,春季AO对随后冬季ENSO的影响是对称的。本文随后解释了CNRM-CM5(GISS-E2-H-CC)模式能(不能)模拟出春季AO与冬季ENSO不对称关系的原因。对于CNRMCM5模式,在春季AO正位相年,副热带西北太平洋上空存在明显的异常气旋和正降水异常,正降水异常通过Gill型大气响应对赤道西太平洋异常西风的形成和维持起着重要作用,异常西风通过激发向东传播的暖赤道Kelvin波对随后冬季El Nino事件的发生产生显著的影响;然而,在春季AO负位相年,副热带北太平洋的异常反气旋和负降水异常较弱,导致赤道西太平洋的异常东风不明显,因此,春季AO负异常对随后冬季La Nina的影响不显著。所以,CNRM-CM5模式能够较好地抓住春季AO对随后冬季ENSO事件的非对称性影响。相比之下,对于GISS-E2-H-CC模式,春季AO正(负)位相年副热带西北太平洋上存在显著的正(负)降水异常,通过Gill型大气响应在赤道西太平洋激发出明显的异常西(东)风从而影响随后冬季的El Nino(La Nina)事件。因此,在GISS-E2-H-CC模式中,春季AO对随后冬季ENSO具有对称性影响。另外,模式捕捉春季AO对随后冬季ENSO非对称性影响的能力与模式对春季AO空间结构的模拟能力有一定的联系。     

北极涛动对河南省降水的可能影响

采用连续小波变换和交叉小波变换方法,分析了北极涛动指数和河南省月降水距平序列的时频变化特征,并讨论了近50多年来北极涛动对河南省降水的可能影响。结果表明,北极涛动指数和河南省降水距平序列中都存在着不同时间尺度的周期振荡,且时域中的分布特征和振荡强度也不尽相同;两者之间在6~8 a、12~16 a和25 a以上尺度的周期振荡呈正相关,而在9~11 a和16~24 a尺度上表现为负相关关系。     

冬季平流层北极涛动对江南气温的影响

利用ERA—interim及NCEP—DOE两种再分析资料,分析了冬季北极涛动（Arctic Oscillation,AO）与我国江南地区地表气温相关的时空结构。结果表明：1）2月30hPa的Ao指数与江南地区地表气温的同期相关系数最高,这与AO指数和江南地区地表气温的标准差均在2月极大有关。2）30hPa的正AO事件加强时,贝加尔湖地区对流层易出现显著的正位势高度异常,有利于东亚地区出现向南、向下的异常风场,与之对应,西伯利亚高压向南扩展,有利于北方冷空气南侵至我国江南地区,造成局地气温负距平;反之亦然。     

北极涛动对河南省冷暖变化的可能影响

利用Morlet小波对时间序列进行连续小波变换,采用交叉小波变换方法,分析河南省近55年温度与北极涛动指数之间的关系.结果表明,河南温度距平以及北极涛动指数序列中都存在着不同时间尺度的周期分量,并且各周期分量的强度不同,同时研究了河南温度距平与北极涛动指数之间2～4、8、16以及20～40年周期尺度的相关振荡及各尺度上的时频特征.     

北极涛动与北大西洋涛动的低频变化特征

本文主要利用小波分析方法研究北极涛动(AO)和北大西洋涛动(NAO)的低频变化和周期特征。结果表明:AO在1965年以前有准两年周期振荡,1975年后转为准8 a周期和准16 a周期;NAO也存在相似的周期转变,但其准8 a周期出现在60年代末到1976年前后,并且没有明显的准16 a周期;AO和NAO准8 a周期的交叉小波能谱在1975年前后达到极大值,这与北半球气候突变时间基本吻合。另外,AO和NAO模态的北大西洋中心在1975年后表现出不同程度的东移,AO中心移到地中海地区,且太平洋中心明显增强,使其纬向对称的环形模态较突变前更显著。     

北极涛动和南极涛动的年变化特征

北极涛动(Arctic Oscillation,简称AO)和南极涛动(Antarctic Oscillation,简称AAO)分别用于描述北半球和南半球热带外气候变率的主要模态,它们分别是北半球和南半球中纬度和高纬度之间气压变化的跷跷板结构.作者利用1958年1月～1999年12月的NCEP/NCAR全球再分析月平均资料、北极涛动指数IAO和南极涛动指数IAAO来研究AO和AAO的年变化特征以及AO和AAO与纬向平均的月平均各要素场的相关系数随纬度和月份的变化规律.     

冬季北极涛动对东亚表面温度的持续异常影响

利用1950—2013年NCEP/NCAR再分析资料和哈德莱中心的海表面温度资料,统计分析了冬季北极涛动 (AO) 对东亚表面温度的影响。研究发现:冬季AO正位相时,东亚大槽减弱,西伯利亚高压减弱,低层风场异常偏南,东亚冬季风减弱,东亚冬季风区温度升高,而负位相时情况相反。冬季高纬度大气变率大,冬季逐月AO与东亚冬季温度的关系表明1月、2月AO分别与东亚表面温度的相关关系皆可持续2个月以上;AO正位相时,西太平洋海温和东亚表面温度均有所升高,由于海洋运动和变化具有缓慢性和持续性,西太平洋海温可以承载长达4个月的AO信号,西太平洋海温可持续影响东亚地区温度,导致AO持续影响东亚表面温度。     

春季北极涛动对盛夏长江流域地表气温的影响

本文基于1958至2002年的ERA-40 月平均再分析资料,利用年际增量方法分析了春季北极涛动(Arctic Oscillation,简称AO)与我国夏季长江流域地表气温的关系。结果表明,在扣除前期冬季ENSO影响后,5月AO指数与8月长江流域地表气温存在显著正相关。通过回归分析发现,5月AO可通过影响中低纬度的海气相互作用进而影响8月长江流域地表气温。当5月AO处于正位相时,在(10°~15°N)及赤道附近产生异常下沉气流,对应着西太平洋局地Hadley环流减弱,对流层底层出现了异常的反气旋性辐散气流。与之对应,赤道西太平洋地区出现了显著的东风异常。由于该东风异常位于5月气候平均的局地海表面温度(SST)极大值中心位置上,该东风异常可通过平流作用使得高海温不断地向西堆积,最终造成赤道西太平洋SST出现显著正异常。当该SST正异常持续至8月时,它通过Gill响应(Gill,1980)在其西北侧激发出气旋性异常环流,它有利于西太平洋副热带高压在我国长江流域的维持,进而造成长江流域地表气温正异常。反之,则相反。     

北极涛动年代际变化对华北地区干旱化的影响

华北地区夏季降水在20世纪70年代中期以后进入年代际偏少阶段,表现出明显的干旱化趋势。华北干旱加剧具有特殊的大气环流背景,主要表现为在20世纪70年代中期以后亚洲大陆东部的热低压减弱,同时对流层低层到高层东亚夏季风环流减弱。这种异常的大气环流背景主要是由海陆热力差异和北极涛动的年代际变化造成的。近二十几年来,北极涛动维持在高指数位相是导致东亚地区大气环流异常的重要原因,并由此造成了华北干旱的加剧。     

下边界条件对北极涛动影响的数值模拟研究

利用NCAR大气模式CAM3.0探讨了包括山脉和海陆分布等下边界条件对北极涛动(AO)或北半球环状模(NAM)形成的影响.主要进行了控制试验和两个地形敏感性数值试验,对比了控制试验结果与资料分析结果.控制试验和NCEP/NCAR资料分析结果对比指出,CAM3.0模式能够较好地模拟出AO的水平环状结构和垂直相当正压结构.在去除山脉的敏感性试验中发现,AO中纬度北太平洋和北大西洋两个活动中心的强度、范围和位置发生变化.在水球敏感性试验中发现,AO两个大洋上的活动中心被环绕极地主活动中心的环状结构代替.两个敏感性试验共同表明,AO是大气内部某种过程作用的结果,它的存在本身不取决于下边界条件的改变.山脉和海陆分布主要影响的是AO的具体形态.通过控制试验和两个敏感性试验对比,又分析了准定常波和瞬变波对AO的影响.去除山脉和海陆分布热力差异共同强迫的准定常波,AO纬向平均纬向风高纬地区平流层异常最大值活动中心消失,这表明在平流层准定常波和纬向平均流的相互作用与AO活动关系密切.在只有对流层瞬变波作用时,AO仍然存在,表明准定常波不是AO存在的必要条件.平流层准定常波与平均流的相互作用和对流层瞬变波与平均流的相互作用与AO形成之间的具体关系有待通过E-P通量诊断进一步确定.     

北极涛动对青海省冬季降雪异常的可能影响

利用中国753站1950-2010年逐日站点资料,从中选取1981-2010年间青海23个代表站冬季(12月、1月、12月)的总降水量作者青海冬季降水序列,分析了三十年间青海省冬季降水异常的成因。发现青海省冬季降水异常的年份中北极涛动指数有一定的波动。对北极涛动指数和降水总量做了相关,经显著性检验呈显著正相关。分析了降水异常年份的高度距平场来分析北极涛动对青海省降水的可能影响。     

夏季北极涛动的时空特征

运用NCEP/NCAR SLP再分析月资料,分析研究了北极涛动的季节性差异,着重讨论了夏季北极涛动的时空特征。结果表明,除了强弱的季节差异,夏季北极涛动与冬季北极涛动在空间模态上也存在较大差异,主要表现在夏季北极涛动的中纬度强活动中心从北大西洋地区转移到亚洲大陆上,其亚洲中心只在对流层低层比较明显,强度随高度增加而减小,因而在对流层中呈现出比冬季北极涛动更强的斜压性。这种模态在年际和月际时间尺度上均有所体现。夏季北极涛动在近50年来一直存在稳定的准22年周期,其次为6~7年周期。另外,从1970年左右开始出现准2年周期振荡,而1970年代以前准2年周期不明显。     

南极海冰涛动与ENSO的关系

对近30年南极海冰密集度资料的EOF和SVD分析,发现南极地区在罗斯海外围和别林斯高晋海的海冰密集度场存在着“翘翘板”的变化特征,并与ENSO有密切联系。由此定义两个海冰关键区的差值为南极海冰涛动指数（ASOI）,ASOI超前SOI和Nino3指数2个月时,其正、负相关系数达到最大,并通过α=0.001的信度检验。ASOI高、低指数阶段对应的南半球海平面气温、气压场和风场的合成分析表明,海冰关键区的异常变化可能引起温度、气压、风场的响应而影响南太平洋的洋流,进而对ENSO的发生、发展产生影响。     

一个观察北极涛动与北大西洋涛动关系的典型个例

北极涛动与大西洋涛动是否属同一气候变率模态一直是北极涛动动力学研究方面的一个颇具争议的话题。文中通过对"0801南方雪灾"期间及其前后北极涛动与北大西洋涛动异常及产生原因进行个例分析,对两者之间的关系进行了讨论。首先使用交叉子波变换与子波相关方法分析了两者的相位关系。发现在30—60天时间尺度上北极涛动与北大西洋涛动相位相差90°或-90°。而在10 20天这一尺度上北极涛动与北大西洋涛动具有大致相同的相位。对北极涛动及北大西洋涛动形成的动力过程及其在拉尼娜背景下各自特点的分析表明,这种不同尺度上位相关系的差异来自于波-流相互作用动力学的局域性。众所周知,北极涛动的3个活动中心的形成与分别位于北大西洋、北太平洋和北极平流层的3个波流相互作用中心有关。而北大西洋涛动则主要与位于北大西洋的波-流相互作用中心有关。拉尼娜事件的出现通过影响太平洋急流及行星尺度的准定常波从而进一步强化了30-60天时间尺度上北极涛动与北大西洋涛动的这种差异。这主要是因为太平洋急流或准定常行星波在对流层中直接影响了位于该区域的北极涛动的活动中心。同时准定常行星波冬季向上传播至平流层并与平流层极涡相互作用从而也影响了北极涛动在北极的活动中心。而在10—20天时间尺度上的北极涛动与北大西洋涛动同步关系则说明它们都是北极涛动的另一活动中心即大西洋上同一波-流相互作用现象——天气波破碎的反映。基于上述分析.文中倾向于认同将北极涛动和北大西洋涛动区别考虑的观点。