东亚大槽和西伯利亚高压的季节内变率对冬季东亚气温的影响

基于气候态定义了西伯利亚高压指数(SH index)、东亚大槽指数(ET index)和高低压系统间的东亚经向风指数(V index),使用回归分析探究西伯利亚高压和东亚大槽在季节内尺度上对东亚地区冬季温度的影响机理,构建线性模型对冬季华南地区季节内尺度温度进行延伸期预报。结果表明:西伯利亚高压和东亚大槽系统变化中最显著的是季节内尺度信号;季节内尺度SH index和ET index对V index的贡献分别为82.6%和42.2%;3个指数的回归模态在对流层中层对应西北-东南向低频罗斯贝波列缓慢东南传播,低层水汽、近地面层环流、降水及2 m温度场配置良好,当西伯利亚高压深厚或东亚大槽发展时,经向风关键区北风强盛,有利于冬季高纬度地区干冷空气向东亚输送;V index对华南地区冬季季节内尺度2 m气温的有效预报时效达25 d。

西伯利亚高压对亚洲大陆的气候影响分析

西伯利亚高压是冬季影响亚洲大陆地区的重要环流因子 ,本文用冬季 (1～ 3月 ) 70°～ 12 0°E ,40°～ 6 0°N区域平均海平面气压值代表其强度 ,分析其变化特征。结果表明 ,从 192 2年到 1970年代中期 ,西伯利亚高压略有增强趋势 ,但并不显著。但近 2 0多年来的显著减弱非常突出。用NCAR资料计算的线性趋势是 - 1.78hPa/ 10a(1976— 2 0 0 0年 ) ,用CRU气压资料计算的趋势是 - 2 .15hPa/ 10a(1976— 1995年 )。西伯利亚高压对中高纬亚洲大陆平均 (30°～ 140°E ,30°～ 70°N)温度和降水都有显著影响 ,与两个要素的相关系数分别达到 - 0 .5 8和 - 0 .44。如果同时考虑其他的影响因子 (如北极涛动、欧亚遥相关型等 ) ,72 %的温度变化及 2 6 %的降水变化能得到解释。其中北极涛动对亚洲大陆的温度贡献最高达到 30 % ,西伯利亚高压的贡献为 2 4%。而区域平均降水变化的 9.

极涡、阻塞高压和西伯利亚高压在极端低温事件中的组合性异常特征

选择2008年低温雨雪冰冻灾害和2016年"霸王级"寒潮,利用NCEP/NCAR再分析资料和地面台站资料,采用西伯利亚高压指数、平流层极涡指数与二维阻塞高压指数,分析了两次极端低温过程期间西伯利亚高压、阻塞高压与平流层极涡的组合性异常特征.结果表明,与1970-2005年的气候平均态相比, 2008年西伯利亚高压偏强8.7 hPa,阻塞高压频率偏高50%,极涡偏强190 gpm;2016年西伯利亚高压偏强16.8 hPa,阻塞高压频率偏高约60%,极涡偏强约296 gpm,说明2016年寒潮过程中3种大尺度天气系统的异常比2008年更显著.分析两次极端低温过程中3种大尺度系统的组合性异常特征,发现与1970-2005年气候平均态相比, 2016年寒潮过程期间极涡偏强,北极高空有较强冷空气,北极地表爆发性增温与中高纬阻塞高压的发展,使大量极寒冷的空气在西伯利亚地区积聚,在高空气流的引导下向中国爆发,使中国大部分地区气温短时间内急剧下降; 2008年平流层极涡能量下传,使得阻塞高压长期维持,西伯利亚高压主体也长时间维持,小股冷空气不断东移南下,使中国南部地区维持长时间低温,并与来自南方的暖湿气流交汇,形成长时间的雨雪冰冻天气.

西伯利亚高压与冬季欧亚大陆热力变化的关系

主要应用EOF方法和相关、合成、小波等分析方法,初步分析了冬季欧亚大陆北部区域地面热力变化特征和西伯利亚高压(SH)的相互联系,结果表明:冬季欧亚大陆北部与南部不同区域间存在反向的热力差异,其中北部区域变化最为强烈,其地面气温存在2～4 a为周期的年际振荡和准10 a为周期的年代际变化特征。SH与欧亚大陆北部区域热力变化有着紧密联系,当SH位置偏南(北),则该区域地面温度偏高(低),即SH平均纬度位置南北移动1.0°时,该区域的平均气温就变化0.65℃。进一步分析表明欧亚大陆北部区域热力异常和SH中心纬度位置的南北摆动与中高纬度环流经向度异常所激发的冷、暖平流的活动有密切联系。

西伯利亚高压强度与北大西洋海温异常的关系

利用NCEP/NCAR再分析资料和NOAA海温等资料,采用EOF、相关分析等方法,研究了西伯利亚高压(Siberian High,SH)强度和北大西洋海表温度(SST)的变化特征,揭示了二者的联系及其时空变化。结果表明:1)冬季SH在1960s中后期开始偏弱,2003年后略增强。2)各季北大西洋SST指数(全区平均SST的标准化距平)均在1960s中期后偏低,1990s末后偏高。北大西洋海温三极子位相由正转负的时间在春冬季(1970s初)晚于夏秋季(1960s初),而后均在1990s中期后进入正位相。3)各季偏高(低)的北大西洋SST指数和海温三极子正(负)位相均有利于冬季SH偏强(弱),但前者与SH的关系更显著,且冬季最强。北大西洋北部和西南部是影响SH强度的关键区,但SH对北部SST异常的响应范围在冬季最大,而对西南部的响应范围在夏季最大。4)当冬季大西洋SST指数异常偏高时,下游激发出的罗斯贝波列使乌拉尔山高压脊加强,使SH上空负相对涡度平流增大,高层辐合和低层辐散增强,整个对流层下沉气流深厚,促使SH增强,反之亦然。

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。

冬季西伯利亚高压的主要年际变化模态及其对东亚气温的影响

选取40°N-60°N,80°E-120°E的区域作为西伯利亚高压的主要活动区域,利用NCEP/NCAR月均海平面气压再分析资料,对该区域西伯利亚高压(Siberian High,SH)从1979-2017年共38个冬季(12月至次年2月)进行经验正交函数分解(Empirical Orthogonal Function,EOF)。结果表明,第1模态为全区一致的变化,第2模态为南北气压的反相变化关系,第3模态为东西部气压的反相变化关系,并且3个模态的时间序列都存在显著的年际变化。进一步对相关的大气环流和东亚气温异常的分析表明,第1模态相联系的大气环流在地面表现为海陆气压差的改变,500 h Pa高度上东亚大槽强度的变化,200 h Pa纬向风场上温带急流、副热带急流强度的变化,SH负位相时,东亚偏暖,SH正位相时,东亚偏冷;第2模态与北极涛动(Arctic Oscillation,AO)和北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation,NAO)的变化有密切关系,在高度场上表现为一个准正压的南北环状模态,SH北强南弱时,环流场类似AO正位相,温带急流减弱,东亚东北部偏暖,SH北弱南强时,东亚东北部偏冷;而与第3模态相联系的大气环流主要出现在欧亚大陆局部区域,与北大西洋涛动(NAO)也存在一定的关联,SH东强西弱时,东亚北部偏暖,西南部偏冷,SH东弱西强时,东亚北部偏冷,西南部偏暖。

西伯利亚高压的年际和年代际异常特征及其对中国冬季气温的影响

利用NCEP/NCAR再分析资料和中国160个气象站的气温资料,采用谐波分析、相关分析和奇异值分解等方法,研究了冬季西伯利亚高压(Siberian High,SH)的年际和年代际异常特征及其对中国冬季气温的影响。结果表明:(1)年代际尺度上SH在20世纪60年代末后减弱、收缩、东界西撤、南界北退,21世纪以来SH面积扩张。年际尺度上SH面积的年际方差最大。(2)SH强度、面积和东界经度的年际变率在21世纪以来都增大,SH特征量的年代际变率均在1975年前后由大转小。(3)中国冬季偏冷年的SH较为强大且东扩南伸,同期500 hPa高度类似遥相关欧亚型(EU)正位相的异常分布和增强的欧亚脊对SH发展起主要作用,反之亦然。年际尺度上当SH加强扩张并东扩南伸时,强度的影响最大,中国大部为冷冬,尤其是南方。年代际尺度上面积的影响最强,SH加强扩张(减弱收缩)并东伸(西撤)时,黄河以北气温偏低(高)。(4)年际尺度上当SH强度和面积的变率偏大(小),东界和南界的变率偏小(大)时,中国大部冬季气温的年际波动剧烈(平缓)。年代际尺度上当SH特征量的变率均偏大(小)时,华北和东北冬季气温的年代际波动加大(减小),而南方冬季气温的年代际波动减弱(增大)。

西伯利亚高压特征指数及其变率分析

使用1948—2005年的NCEP/NCAR再分析月平均资料,根据海平面气压场的演变特征定义了西伯利亚高压面积、中心强度、中心经度和中心纬度4个特征指数,通过分析西伯利亚高压的特征指数,揭示了西伯利亚高压的变化特征。结果表明：1948—2005年,西伯利亚高压具有明显的年际变化和年代际变化。在年代际尺度上,西伯利亚高压表现出随时间变化先减弱、缩小,后又振荡增强、加大的趋势。西伯利亚高压的位置变化趋势是先西撤、后东进,1999年后又西撤。另外,西伯利亚高压是随时间向南推进的。西伯利亚高压各指数异常变率存在不同的变化周期。西伯利亚高压面积和中心强度距平指数存在周期为24 a和14 a左右的年代际振荡和周期分别为8 a左右和4～6 a的年际振荡;中心经度和纬度距平指数都存在周期为准30 a及12～14 a左右的年代际振荡,同时还存在周期为8 a和3～6 a的显著年际变化。

为什么NCEP-CFSv2模式对11月西伯利亚高压强度的预测性能较好

作为东亚冬季风的关键系统,西伯利亚高压的变化对欧亚大陆冬季天气及气候异常产生重要影响。本文系统地评估了美国国家环境预测中心第二代气候预测系统(NCEP-CFSv2,National Center for Environment Prediction-Climate Forecast System,version 2)对冬半年(11~2月)及逐月西伯利亚高压强度的预测效能。结果表明,NCEP-CFSv2模式仅对11月西伯利亚高压强度的预测效能较好,研究其成因发现11月西伯利亚高压强度主要受该地区热力、动力过程以及西伯利亚地区积雪状况的影响。在热力过程方面,NCEP-CFSv2模式可以较好地再现11月西伯利亚高压强度及其相联的该地区表层土壤温度、对外长波辐射等热力因素;在动力过程方面,模式能较好地再现11月西伯利亚高压强度及其相联的该地区对流层低层辐散环流、中高层下沉运动;同时,模式也能较好地再现11月西伯利亚高压强度与该地区积雪覆盖率之间的相互作用。因此,与11月西伯利亚高压相联的热力、动力过程和该地区积雪状况可能是11月西伯利亚高压强度的可预测来源,且NCEP-CFSv2模式能较好地再现这些可预测来源。

冬季西伯利亚高压变化特征及其与中国气温的关系

客观地定义了表征西伯利亚高压位置和强度变化的4个指数,系统地分析了西伯利亚高压变化特征,并讨论了西伯利亚高压对我国冬季气温异常的影响。结果表明:西伯利亚高压具有明显的年际变化和年代际变化。在年代际尺度上,西伯利亚高压表现出随着时间变化先减弱、缩小,后增强、加大的趋势,位置变化趋势是先西撤、后东进,1999年后又西撤。其面积、强度和中心纬度异常与我国冬季气温关系密切,而经度异常变化对我国冬季气温异常变化影响不大。当冬季西伯利亚高压面积、强度异常大的时候,我国冬季气温异常主要表现为西南地区温度偏高,其它地区尤其是东北南部、新疆北部和华南部分地区温度偏低。

乌拉尔山阻塞高压和西伯利亚高压协同作用与东亚冬季风之间的联系

利用1948-2016年美国气象环境预报中心(NCEP)和美国国家大气研究中心(NCAR)逐日再分析资料,选取乌拉尔山阻塞高压二维指数(UBI)、西伯利亚高压指数(SHI)和东亚冬季风综合指数(EAWMII),定量化的验证了乌拉尔山阻塞高压(UB)和西伯利亚高压(SH)发生的年代际变化特征,分析了该变化对东亚冬季风(EAWM)产生的影响.结果表明,冬季UBI、SHI和EAWMII两两之间呈显著相关.其中UBI与SHI之间30 a滑动相关除1988年以后UB和SH两者联系增强外,UBI、SHI和EAWMII的Mann-Kendall突变检验也表明,3者均出现了两次气候突变,第1次突变分别发生在1950-1960年、1960-1970年、1970-1980年;第2次突变发生在2000-2010年,但第2次突变可能不真.采用回归分析方法,研究了UB与EAWM年代际变化的影响,发现在UBI强的年份各要素场距平值对UBI的回归比UBI弱的年份更加明显;在UBI强的两个时段(1948-1985年,2001-2016年)各要素场距平回归值有所差异,后者呈现更加显著的变化,说明2000年以后UBI和EAWMII的相关性增加导致UB对EAWM的影响程度逐渐增强.利用合成分析验证了UB和SH协同作用与EAWM之间的联系.UBI高与SH强的年份,当东亚冬季表面温度呈现负异常时,在位势高度降低的同时,东亚大槽加深增强,中纬度300 hPa高空西风急流增强,有利于形成寒潮天气.在UBI低与SH弱的年份,各要素异常分布情况与上述基本相反.单一的UB和SH变化对东亚冬季各要素场虽然都有一定影响,两者的共同作用对东亚冬季表面温度、500 hP位势高度和300 hPa高空风场的影响更为显著.

西伯利亚高压对两湖盆地冬季PM_(2.5)异常变化的驱动作用

利用华中地区两湖(湖南-湖北)盆地2015~2022年1月PM_(2.5)浓度观测数据,结合2000~2021年中国1km分辨率近地表PM_(2.5)浓度再分析数据集(CHAP)、ERA5气象再分析资料,借助统计相关性分析、大气环流异常诊断和数值模拟等方法,探究了东亚冬季风(EAWM)系统中西伯利亚高压强度(SHI)与两湖盆地冬季PM_(2.5)异常变化的关联与物理机制.结果表明,在剔除人为排放长期变化对PM_(2.5)影响的基础上,两湖盆地2015~2022年1月观测PM_(2.5)年际变化与同期SHI相关性达到-0.82(P<0.05,n=7,剔除疫情年影响),并且2000~2019年1月PM_(2.5)再分析与SHI年际变化也呈显著负相关-0.77(P<0.05,n=20),揭示了以SHI表征的东亚冬季风强度变化主导了两湖盆地冬季PM_(2.5)年际变化的气候特征.EAWM背景下西伯利亚高压是调制两湖盆地冬季大气扩散能力和PM_(2.5)年际异常的一个关键影响系统.SHI强(弱)年,对流层中高层大气纬向型环流偏弱(强),高空西风分量减弱(增强),东亚大槽加深(减弱),中低层为异常偏北(南)风,有利(不利)冷空气入侵南下,增强(减弱)两湖盆地通风系数,从而调制了区域PM_(2.5)异常变化.通过FLEXPART-WRF模拟也验证了西伯利亚高压通过调控两湖盆地大气扩散能力和本地源贡献,进而影响局地PM_(2.5)浓度变化.

西伯利亚高压异常与海温异常的关系

利用1948～2004年的NCEP/NCAR再分析月平均资料和NOAA卫星中心月平均海温资料,分析探讨了西伯利亚高压异常与海表温度异常的关系,找出海温异常对西伯利亚高压变化影响较大的海区。结果表明,西伯利亚高压面积指数和强度指数与海温有很好的同期相关性。西伯利亚高压中心强度指数和海温的同期相关场的相关型,与面积指数的相关场结构相似,但正相关区域扩大,负相关区的强度明显减弱。西伯利亚高压面积指数和中心强度指数,与同年春季、秋季、夏季大西洋北部海温距平的相关都很显著,与副热带南印度洋、热带南太平洋的显著负相关区及与西南大西洋的显著负相关区都存在明显的季节差异,面积距平的相关系数要大于强度距平的相关系数。对西伯利亚高压异常变率影响较大的主要是副热带南印度洋、中高纬北太平洋、大西洋北部、热带南太平洋和西南大西洋几个海区的海温异常。

1979~2017年冬季西伯利亚高压变化特征及其对西南地区气温的影响

利用美国国家环境预测中心–国家大气研究中心(NCEP-NCAR)和欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的再分析资料,基于经验正交函数(EOF)、奇异值分解(SVD)、回归分析及合成分析等方法,文章对西伯利亚高压的年际及年代际变化特征进行分析,并揭示其与我国西南地区气温的关系。结果表明:冬季西伯利亚高压指数存在明显的年代际变化。通过强度指数、移动指数和面积指数的年际变化特征可以看出,西伯利亚高压中心强度增加(减弱)时,面积扩大(缩小),且向南、向东扩张(收缩)。分析西伯利亚高压强度和西南地区的气温,发现西南地区气温反位相的变化与西伯利亚高压的强度指数关系密切。进一步分析其影响机制可知,由于西伯利亚高压的强度变化导致西南地区上空环流场异常,从而使得西南地区气温异常。

秋-冬季节北极海冰对冬季西伯利亚高压的影响

冬季西伯利亚高压强度与前期秋到冬季北冰洋东部、欧亚大陆北部边缘海区海冰密集度呈现显著的负相关关系.研究结果显示,秋冬季北冰洋海冰密集度与同期海表温度异常可导致冬季西伯利亚高压与欧亚大陆中高纬度及东亚的地表气温异常.数值试验结果进一步证实该结论,并且所有的数值试验结果一致表明,较低的海冰密集度能导致欧亚大陆中高纬度地表温度负异常.本文提出了一种机制来解释秋冬季北极海冰密集度和冬季西伯利亚高压的联系.9月份海冰密集度为预测冬季西伯利亚高压提供了一个潜在的前期信号,而若由单纯的热带海温异常则不能预测冬季西伯利亚高压强度.在近20年来（1990~2009年）冬季西伯利亚高压呈现增强的趋势,并伴随着亚洲大陆中高纬度地表温度的降温趋势,从而导致近年来东亚严冬频发.最后,讨论了冬季西伯利亚高压和地表气温短期趋势的成因.

2007年冬季西伯利亚高压季节内变化对云南气温的影响

应用NCEP/NCAR再分析资料中风场、温度场、气压场和位势高度场资料,以及云南96个站点的气温资料,分析2007年冬季西伯利亚高压的季节内变化特征,及对云南2007年冬季气温的影响.结果表明：2007年冬季云南平均气温和西伯利亚高压均具有显著的10-20 d和30-60 d振荡特征.冬季的4次强降温过程主要受云南平均气温10-20 d振荡的控制,而其30-60 d振荡则是提供大的背景场.2007年冬季,云南平均气温与西伯利亚高压存在超过95%显著性检验的滞后负相关关系,其中滞后18 d左右时负相关值最大.分析4次强降温过程前期的大气环流背景可知,当西伯利亚高压30-60 d振荡处于负位相时,大气10-20 d振荡环流表现出西伯利亚高压发展、盛期、南压和减弱4个时期,后期云南的降温受高压盛期和南压的影响大;而当西伯利亚高压处于30-60 d振荡的正位相时,大气10-20 d振荡环流特征表现为阻塞高压持续维持、冷空气持续向南传播的特征,导致后期云南降温持续时间久,降温幅度大.可见,影响云南地区冷空气的强弱不仅与西伯利亚高压30-60 d振荡有关,与10-20 d振荡也有直接的关系.

京津冀冬季冷空气过程的低频特征及西伯利亚高压低频变化的影响

本文使用1981-2015年京津冀地区逐日气温和NCEP/NCAR再分析资料,分析了京津冀地区冬季冷空气过程的低频环流特征,以及西伯利亚高压(SH)的低频变化特征及其对京津冀冷空气过程的影响。分析表明,冬季京津冀气温和SH都存在10~30 d显著低频周期,且二者的低频分量之间存在显著的超前滞后相关。京津冀冷空气过程主要发生在低频气温从零位相到谷值的下降阶段,以及低频SH从峰值到零位相的下降阶段。随着京津冀气温和SH的10~30 d低频变化,亚洲近地面层和中层大气环流均表现出一个从西北向东南传播的低频变化周期。影响京津冀地区的低温异常最早出现在喀拉海附近并在亚洲高纬地区维持和积累,产生持续冷却作用;同时中层相应区域维持的强气旋性环流异常表明有持续的大气辐合,中层辐合下沉与近地面持续冷却作用配合形成近地面异常高压。异常高压伴随异常低温南下过程中与中层加强的东亚大槽配合,使京津冀地区处于整层北风异常中,易形成冷空气过程。

冬季亚洲两种大气环流型对云南低温事件的影响

利用1961—2022年云南125个国家气象站冬季逐日平均气温观测资料、NCAR/NCEP大气环流再分析资料,分析了冬季亚洲环流变化的主要类型及其对云南低温事件的影响,发现冬季亚洲500hPa大气环流存在纬向型和经向型两种环流类型,并对云南低温事件产生明显不同的影响。纬向型环流时,冷空气从贝加尔湖直接南下,主要影响东亚东部,云南低温事件也主要发生在东部地区,此时的低温过程与乌拉尔山高压和西伯利亚高压加强、欧亚中高纬度波列的活动密切联系;而经向型时,冷空气伴随贝加尔湖地区的异常反气旋东侧偏北气流沿着东亚大陆东部沿岸南下,并在中低纬度地区以回流的形式向东南推进,活动位置偏南偏西,使得云南全省、青藏高原和东南亚低纬度地区气温偏低,此时的低温过程主要与副热带波列的活动和青藏高原海平面气压(Surface level Pressure,SLP)的正距平加强有关,与乌拉尔山和西伯利亚地区的高压加强关系不密切。

近40年中国冬季寒潮的气候特征及大气环流异常

利用1980—2023年高分辨率中国气象站观测数据,根据寒潮标准及强度指数,对中国寒潮事件的强度及影响区域进行客观分类,探讨全国性、区域性寒潮事件的时空变化特征和环流演变。结果表明:近40年我国冬季寒潮频次呈显著减少趋势,其影响范围扩大,而强寒潮的强度呈显著增加趋势,且年际变化幅度明显增大。中国寒潮冷空气主要来源于新地岛东南地区,路径因寒潮类型而异。分析全国型、东北华北型和西北华北型寒潮前期和同期大气环流异常特征发现:格陵兰岛的异常深厚暖高压是全国型寒潮的重要前兆,欧亚大陆对流层中高层纬向波列是其爆发的显著特征;东北华北型寒潮与冷涡在中低纬度异常高压系统阻挡下的东移有关;西北华北型寒潮与东欧平原上空暖性高压脊的发展及欧亚大陆两脊一槽的形势密切相关。所有类型寒潮爆发前均有乌拉尔阻塞高压的维持和西伯利亚地区冷空气的堆积。