近50 a平流层强爆发性增温事件及其变化规律分析

按WMO提供的标准，提出了划分强爆发性增温(Sudden Stratospheric Warming，简称SSW)事件的指标，用NCEP／NCAR 30 hPa层逐日温度、高度资料，确定了1950-2002年1-3月期间的35次强SSW事件。在此基础上，给出了强SSW事件发生的气候及异常特征，并从北半球中高纬臭氧及日照年际变化及其年际异常出发，给出了这些特征的部分成因。     

平流层爆发性增温过程中臭氧的垂直分布特征

利用ECMWF资料分析了平流层爆发性增温 (SSW) 过程中臭氧体积混合比的垂直分布的变化, 结果表明: 平流层爆发性增温过程中臭氧体积混合比增大, 而其极大值大多数形成在增温盛期。同时臭氧体积混合比的高值区在爆发性增温过程中随高度发生一定的变化, 据此对其变化分为两类: (1) 下传型: 在增温初期臭氧体积混合的高值区随高度下传至一定高度, 在增温盛期形成极大值然后随高度抬升到大致增温前的高度。 (2) 增厚型: 在增温过程中臭氧体积混合比的高值区厚度增加, 同时附近区域的臭氧体积混合比也增大, 而且在增温前臭氧体积混合比高值区在高度上没有多大变化, 增温开始后有所抬升。平流层爆发性增温过程中臭氧高值区随高度变化的这两种类型, 是由于平流层爆发性增温期间剩余环流对臭氧输送的结果。臭氧变化的下传型是由于在爆发性增温前剩余环流存在着中纬度向极地的明显输送, 并且伴随着极地强烈的下沉运动, 这就使得中纬度输送来的臭氧向下输送, 因此出现了臭氧高值区的下传; 而臭氧变化的增厚型是由于在爆发性增温期间剩余环流不但有中纬度向极地的输送, 而且在极地附近5 hPa高度处出现了上下两支输送气流, 向上的输送气流使中纬度输送来的臭氧向上输送, 而向下的输送气流使中纬度输送来的臭氧向下输送, 进而使增温期间极地附近的臭氧的高值区增厚。同时分析还表明: 平流层爆发性增温过程中中纬度臭氧体积混合比减少。     

平流层赤道准两年振荡对爆发性增温的影响

该文对一个平流层和中间层的全球原始方程模式进行积分,考虑100百帕高度上的行星波强迫作用,平均纬向气流的特征分别取在赤道准两年振荡(QBO)的西风位相和东风位相。在100百帕60°N处取1波最大振幅从100米到400米的各种不同强迫作用下进行积分,对比QBO东西风位相的响应情况。在振幅为100米的弱波情形,QBO的位相对结果影响很小,无增暖产生,但在振幅为400米的强波情形,对结果影响虽也很小,但却可产生强的爆发性增温;在中等振幅(特别是约为250米)的强迫情形,模拟的西风和东风QBO两种情况都可产生大振幅波动和平流层增温。然而在东风位相时,增暖发生较早,并且波的变率大。这些结果与观测定性分析是一致的。     

平流层爆发性增温期间行星波的活动

利用逐日的NCEP再分析资料分析了1978～2004年期间发生的18次强爆发性增温时平流层中下层行星波1波和2波的异常以及极涡崩溃的形式.分析表明, 爆发性增温前期1波都异常增幅, 波振幅达到峰值之后的一段时间内发生爆发性增温, 然而在增温过程中行星波2波的变化却有明显不同, 可分为三种情况: (1) 在增温前期, 行星波2波很弱; 在增温期间, 行星波2波异常发展, 伴随着极涡崩溃的形式是由偏心型向偶极型过渡. (2) 在增温前期, 行星波2波较强; 在增温期间, 行星波2波明显减弱, 极涡的变化形式是远离极地, 在极地外围活动, 但不发生分裂.(3) 在增温前期, 行星波2波不太强; 在增温期间, 行星波2波有所发展, 但始终强不过1波, 极涡的变化是先偏离极地, 然后发生不对称的变形.作者还计算和分析了EP通量及其散度, 利用波流相互作用理论对这三种行星波的异常变化及其与爆发性增温的关系进行解释.     

1948—2015年北半球平流层爆发性增温的统计特征和月际环流差异

利用NCEP/NCAR第1套再分析资料,分析过去68 a(1948—2015年)平流层爆发性增温(Stratospheric Sudden Warming,SSW)频次、强度和环流特征的月际差异。统计结果表明:1948—2015年北半球共发生30次SSW,其集中发生在11—3月,而1—2月发生频次尤为集中,且SSW发生频次表现出显著的年代际变化特征。11—12月SSW比1—3月SSW的持续时间长。而3月SSW事件的强度最弱,持续时间最短。1月和3月SSW纬向平均信号下传得较深,而11月、12月和2月的环流信号仅能传到200 hPa。11—3月SSW爆发前1～2周500 hPa均观测到西太平洋遥相关型(Western Pacific,WP)的负位相;太平洋-北美遥相关型(Pacific-North America,PNA)的正位相仅仅出现在11月、12月和3月SSW爆发前。SSW爆发后1～2周,仅有11月、1月和3月的事件对应着负位相的北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation,NAO)。     

2003～2004年冬季平流层爆发性增温动力诊断分析

利用逐日的欧洲中尺度天气预报中心(ECMWF)60层模式资料, 对2003年12月～2004年2月期间发生的一次非典型的爆发性增温中平流层结构的变化过程进行动力学诊断分析。充分利用资料层次高(最高层为0.1 hPa)和垂直分辨率高(垂直方向共60层)的优势, 通过对不同高度等熵面位涡分布的分析, 研究了极涡在平流层爆发性增温(SSW)发生前后的变化发展; 通过对EP通量及其散度的分析, 研究了SSW过程中行星波的变化特点; 通过对剩余环流的分析, 研究了在SSW过程中经圈环流的变化及其对动力过程的影响。得出: (1) 2003/2004年SSW增温过程持续时间长、强度大; (2) 增温最早发生在平流层上层并向下传播, 在10 hPa形成较强东风带后, 上层西风环流迅速恢复, 极涡再度形成, 下层则增温持续; (3) SSW前后行星波活动频繁, 有长时间多次的上传, 且以1波作用为主, 2波对其进行了补充; (4) 在SSW过程前后, 平流层中的剩余环流发生反转, 影响了平流层中、 高纬地区和低纬地区的物质交换以及上下层物质的重新分配。这一系列的工作为今后进一步研究平流层、 对流层交换, 发展完善气候模式打下基础。     

一次典型的平流层爆发性增温中的局地多尺度洛伦兹循环

利用一种新的工具,多尺度子空间变换(MWT),以及基于MWT的局地多尺度能量与涡度分析(MS-EVA)与Lorenz循环诊断方法,对2009年1月中下旬平流层发生的一次强爆发性增温(SSW)事件的内在动力学过程进行了研究。首先用MWT将各个场重构于三个尺度子空间,即平均尺度、爆发性增温尺度(或SSW尺度)和天气尺度子空间上。结果表明,极地迅速增长的温度主要是由于SSW尺度子空间上极区内的斜压不稳定引起的正则传输(有效位能从平均尺度子空间传输到SSW尺度子空间)造成的,显著增加的有效位能(APE)转换到了SSW尺度子空间的动能(KE)中,加之快速增温前极区内正压不稳定引起的正则传输(动能从平均尺度子空间传输到SSW尺度子空间)的作用,共同导致了极夜急流的反转。     

2002/2003年与2003/2004年冬季爆发性增温期间的动力特征

利用ECMWF提供的60层气象场资料诊断分析了2002/2003和2003/2004年两个冬季的爆发性增温(stratospheric sudden warming,SSW)过程,比较了两次SSW期间高纬温度和纬向风的差异,计算了SSW期间的EP通量和剩余环流.结果表明:2003/2004年增温持续时间长、强度大,而2002/2003年则发生了波动;增温都是从平流层上层开始向下传播,但是2003/2004年高层极涡崩溃后迅速恢复,低层极涡恢复得慢,2002/2003年极涡在高层和低层都是缓慢恢复;SSW期间行星渡活动较多,2003/2004年极地EP通量的辐合引起东风长时间持续从而阻止了行星渡再次上传,而2002/2003年行星波则发生多次上传;2002/2003年SSW发生时高纬地区为下沉气流,没有形成环流圈,增温后形成逆时针的环流圈比2003/2004年偏低.     

平流层突发性增温及其前后期平均环流特征

从1995至56－1987至88年的33个冬季的14个空发性增温过程（简称SSW）中，选出5个最强的加以平均，分析了增温期及其前后期的平均环流行征。结果表明：（1）30hPa极点温度与30年平均温度距平值，增温期为17．1℃，前、后期分别为－4．7℃和－8．91℃。（2）在500hPa和50hPa高度场上，增温期比其前、后期波数都少，经向度较大。经向度发展和极涡分裂为二的现象首先出现在对流层。（3）5次SSW均属北太平洋增温，其盯应的年份都是平流层由冬转夏，即季变“迟”的年份。     

Analysis of the variations in the strength and position of stratospheric sudden warming in the past three decades

利用ERA-Interim再分析资料统计分析了1920–2016年期间北半球33次强平流层爆发性增温(SSW)事件和22次弱增温事件的强度和位置变化特征。发现SSW主要发生在二月,其纬向平均温度的最大经向梯度变化在1979–8319年和1998–2011年呈上升趋势,1984–1997年和2012–2016年呈下降趋势,但是整体呈现略微下降的线性趋势,并且强SSW事件的强度和持续时间的变化特征相似。一些SSW事件几乎同时在100 hPa到10 hPa上出现,一些SSW事件却首先出现在10 hPa上再向低层下传。另外,我们还发现这55个SSW事件的最大增温中心主要位于欧亚大陆30°E到120°E之间,这或许跟过去三十年中欧亚大陆的极涡转移有关。     

The possible influence of stratospheric sudden warming on East Asian weather

By analyzing the linkage of the Northern Annular Mode （NAM） anomaly to the East Asian jet and the East Asian trough during Stratospheric Sudden Warming （SSW）, the influence of SSW on East Asian weather is studied. The results show that the East Asian jet is strengthened and the East Asian trough is deepened during SSW. With the downward propagation of SSW, the strengthened East Asian jet and the East Asian trough would move southward, expand westward and gradually influence the area of north and northeastern China. This implies that the winter monsoon tends to be enhanced over East Asia during SSW.     

BCC_AGCM2.1模式对平流层环流变化特征的数值模拟及其模式评估

使用国家气候中心大气环流模式BCC_AGCM2.1的30年模拟试验资料,对平流层纬向环流场、高空急流、极涡及爆发性增温过程进行了数值模拟研究,并使用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）和美国国家环境预报中心（NCEP）的再分析资料对模式输出结果进行了对比、分析。结果表明：（1） 在观测海温、二氧化碳、气溶胶等外强迫地驱动下,BCC模式能够很好地再现出与再分析资料一致的平流层纬向平均风场、温度场的分布特征和季节变化过程;模拟得到的温度廓线和高空急流与再分析资料的主要差别出现在南、北半球冬季的中高纬度地区;模拟得到的平流层温度普遍偏低,主要的差异位于对流层顶区域和平流层高层。（2） 模拟的对流层上层的副热带急流位置偏南、强度也偏弱,而平流层中的绕极极夜急流则位置偏北、强度更大。这样的急流分布特征使模拟的行星波向赤道的波导更强,向极的波导偏弱;同时由于模式中本身可以形成的行星波就比再分析资料弱,因此导致模拟结果中北半球冬季的平流层极涡更加稳定、极区温度更低。（3） BCC模式对于平流层极涡的季节变化特征模拟得较好,但对强极涡扰动过程,即北半球冬季的平流层爆发性增温（SSW）事件则模拟效果不佳,不论是增温事件出现的频率,还是增温的时间、强度,模拟结果和再分析资料都还存在一定偏差,需要在今后的工作中逐步改善。     

北半球冬季平流层强、弱极涡事件演变过程的对比分析

利用1958～2017年逐日的NCEP/NCAR再分析资料对北半球冬季平流层强、弱极涡事件的演变过程进行了对比分析,同时比较了有平流层爆发性增温（SSW）和无SSW发生的两类弱极涡事件的环流演变和动力学特征。结果表明,强极涡的形成存在着缓慢发展和快速增强的过程,而弱极涡事件的建立非常迅速;和强极涡事件相比,弱极涡事件的峰值强度更强,异常中心的位置更高。此外,强、弱极涡事件的产生与波流相互作用的正反馈过程密切相关。对于强极涡事件,发展阶段的太平洋—北美（PNA）型异常削弱了行星波一波;当平流层西风达到一定强度,上传的行星波受到强烈抑制,使得极涡迅速增强达到峰值。而对于弱极涡事件,发展阶段一波型的异常增强了行星波上传,通过对纬向流的拖曳作用使得平流层很快处于弱西风状态,更多行星波进入平流层导致极涡急剧减弱甚至崩溃。针对有、无SSW发生的两类弱极涡事件的对比分析表明,有SSW发生的弱极涡事件发展阶段,平流层出现强的向上的一波Eliassen-Palm（EP）通量异常,通过正反馈过程使得一波和二波上传同时增强而导致极涡崩溃;无SSW发生的弱极涡事件发展阶段,平流层缺乏向上的一波通量,二波活动起到重要作用,其总的行星波上传远弱于有SSW发生的弱极涡事件。对于无SSW发生的弱极涡事件,其发展和成熟阶段对流层上部出现类似欧亚（EU）型的高度异常,伴随着强的向极的EP通量异常,导致对流层有极强的负北极涛动（AO）型异常。而有SSW发生的弱极涡事件发展阶段对流层上部主要表现为北太平洋上空来自低纬的波列异常,其后期的对流层效应更加滞后也不连续,对流层AO异常的强度明显弱于无SSW发生的弱极涡事件。     

中部型ENSO和平流层准两年振荡对冬季北半球平流层臭氧的联合调制作用

利用观测和再分析资料通过合成分析方法,研究了中部型ENSO和平流层准两年振荡（QBO）对冬季北半球平流层臭氧的独立影响和联合调制作用。研究表明,北半球平流层臭氧在中部型厄尔尼诺年增加,而在中部型拉尼娜年减少;准两年振荡东风位相年份,北半球平流层臭氧增加,准两年振荡西风位相结果则相反。相比之下,北半球中、高纬度平流层臭氧异常对准两年振荡活动的响应明显小于其对ENSO活动的响应。进一步研究发现,准两年振荡东风位相会加强中部型厄尔尼诺事件引起的北半球平流层臭氧的增加,而减弱中部型拉尼娜事件造成的平流层臭氧的减少。在准两年振荡西风位相下,中部型厄尔尼诺事件仅导致北半球平流层臭氧含量少量升高,而中部型拉尼娜事件期间臭氧会大幅度减少。因此,准两年振荡东风位相会加强中部型厄尔尼诺事件对北半球平流层臭氧的影响,而减弱中部型拉尼娜事件对北半球平流层臭氧的影响。准两年振荡西风位相会减弱中部型厄尔尼诺而加强中部型拉尼娜事件对北半球平流层臭氧的影响。      

全球变暖减缓背景下欧亚秋冬温度变化特征和原因

采用气候序列变化趋势诊断和一元线性回归等分析法,研究和讨论了2000-2012年和1976-1999年两种年代际背景下全球陆地不同区域的年平均地表温度的变化特征。发现欧亚大陆中高纬度地区是对全球变暖减缓贡献最大的区域。且该地区在2000年以来秋季年代际增温,而冬季年代际降温。从同期大气环流的配置来看,在对流层低层,秋季西伯利亚高气压年代际减弱,而冬季西伯利亚高气压年代际增强。在对流层中高层,秋季从西欧至东北亚为"高-低-高"的高度场异常分布,纬向环流加强,经向环流减弱,而冬季极地与贝加尔湖地区的高度场呈偶极型分布,东亚大槽加深,经向环流加强。进一步研究发现,超前一个季节的喀拉海附近的海冰与欧亚中高纬度秋冬两季温度的年代际变率有着密切的联系。一方面,夏季(秋季)海冰减少影响秋季(冬季)中高纬度大气环流;另一方面,夏季(秋季)海冰减少,使得秋季(冬季)从北极至中高纬度大陆的对流层低层水汽含量增加(减少),大气逆辐射增强(减弱)导致秋季(冬季)增温(降温)。     

1980-2008年黑龙江省气候变暖及其对大豆种植的影响

基于黑龙江省10个农业气象观测站1980-2008年地面观测田平行观测资料和逐日气象资料,运用气候倾向率、M-K检测和统计回归等方法,分析研究区表征气候变暖的主要气候要素的时空变化规律以及气候变暖对大豆的影响。结果表明：1980-2008年,研究区气候出现明显变暖趋势,年平均气温升高,热量增加,无霜期延长,且区域间存在差异,南部地区热量资源增加显著。大豆百粒重随9月平均气温的升高而增加,却随年平均气温的升高而下降,表明秋季增温对大豆产量有正效应,而年平均气温的升高对大豆产量存在负作用。气候变暖对大豆生产的影响是利弊兼存,在调整种植布局时应给予重点关注。     

未来甲烷排放增加对平流层水汽和全球臭氧的影响

利用一个耦合的大气化学-气候模式(WACCM3)研究了地表甲烷排放增加对平流层水汽和全球臭氧变化的影响.结果表明,如果地表甲烷的排放量在2000年的基础上增加50%(达到政府间气候变化专门委员会A1B排放情景中2050年的值),平流层水汽体积分数将平均增加约0.8×10^-6.南半球平流层甲烷转化为水汽的效率比北半球高.在北半球平流层中,1mol甲烷分子可以转化为约1.63mol的水汽分子,而在南半球1mol甲烷分子大概可以转化为约1.82mol的水汽分子.甲烷排放增加50%将使全球中低纬度地区以及北半球高纬度地区的臭氧柱总量增加1%-3%,使南半球高纬度地区臭氧柱总量增加近8%,而秋季(南半球春季)南极地区臭氧柱总量增加幅度可高达20%,南极臭氧的这种显着增加主要是由于甲烷增加造成的化学反馈所致.在北半球中高纬度地区,甲烷增加引起的臭氧变化主要与甲烷氧化导致的水汽增加有关.研究还表明,未来甲烷排放增加对臭氧的恢复作用其实与溴化物排放的减少一样重要.     

吉林省蒲公英物候特征及其对气候变暖的响应

利用数理统计方法,对在气候变暖背景下吉林省蒲公英物候期变化进行分析,探讨了蒲公英物候期变化与春季、秋季气温的关系。结果表明：自1980年以来,吉林省春、秋季增温显著,且秋季较春季明显;吉林省西部地区展叶期推迟,黄枯期提前,生长季缩短;中部地区基本无变化;东部地区展叶期提前,黄枯期推迟,生长季延长。温度和物候期的变化趋势均有明显的地域特征,展叶期变化趋势在地域分布上恰好与春季气温一致,在湿润的东部地区,黄枯变化趋势与秋季气温一致,在干旱的西部地区,枯黄期变化趋势与秋季气温变化相反。探讨了对东西部物候期变化截然相反趋势的原因,并通过线性回归分别建立了各站物候期的温度模型。