北半球环状模(NAM)、东北冷涡与前汛期华南旱涝

利用中国气象局国家气象信息中心提供的1951-2004年全国160站月平均降水资料和欧洲中心提供的ERA-40再分析资料,对近50年华南前汛期降水、东北冷涡、前期北半球环状模和海温的关系进行了统计分析,定义了一个前汛期东北冷涡强度指数(NECVI),结果表明:前汛期东北冷涡强度与华南降水存在显著的正相关,东北冷涡强年,华南降水偏多,前期2-3月份北半球环状模(NAM)偏弱;反之,东北冷涡偏弱年,华南降水偏少,前期2-3月份NAM偏强。此外,前汛期东北冷涡的强度和前期的中国近海海温存在显著的负相关,前期的NAM和中国近海海温的异常可以作为前汛期东北冷涡异常的一个前兆信号,进而为华南地区前汛期降水异常的预测提供参考依据。

北半球环状模和东北冷涡与我国东北夏季降水关系分析

利用国家气象信息中心提供的1951-2004年全国160个测站月平均降水资料和欧洲中心提供的ERA-40再分析资料，对近50多年东北地区夏季降水、东北冷涡与前期北半球环状模和海温的关系进行了统计分析，定义了一个夏季（6～8月）东北冷涡强度指数（NECVI）。结果表明：NECVI能够较好表征东北低涡的气候效应；夏季东北冷涡强度与降水存在显著的正相关，东北冷涡强年，降水偏多，前期2月北半球环状模（NAW）偏弱；东北冷涡偏弱年，降水偏少，前期2月NAM偏强。此外，夏季东北冷涡与前期的中国近海海温存在显著的负相关，前期NAM和中国近海海温的异常可以作为夏季东北冷涡异常的一个前兆信号，进而为东北地区夏季降水异常的预测提供参考依据。

前冬北半球环状模对春季中国东部北方地区极端低温的影响

对1959—2008年前冬(12—3月)北半球环状模与春季(3—5月)中国东部北方地区极端低温事件的关系进行诊断分析,发现前冬北半球环状模与春季中国东部北方地区极端低温事件存在显著负相关。当前冬北半球环状模偏强时,春季中国东部北方地区上空对流层高、低层分别出现位势高度的负、正异常,对应异常的下沉增温,东北冷涡偏弱,极端低温事件发生频次偏少,强度偏弱;反之,当前冬北半球环状模偏弱时,春季该地区极端低温事件发生的频次偏多,强度偏强。进一步研究表明,欧亚雪盖在前冬北半球环状模对春季中国东部北方地区极端低温的影响中起到潜在的桥梁作用,当前冬北半球环状模偏强(偏弱)时,同期欧亚大陆中高纬度地区偏暖(偏冷),欧亚雪盖面积较小(较大)。另外,欧亚雪盖面积异常具有较强的持续性,可以从前冬持续到春季。因此,当前冬欧亚雪盖面积较小时,春季欧亚雪盖面积也偏小,且对应春季东北冷涡强度偏弱,中国东部北方地区地表气温偏高,极端低温事件发生的频次偏少,强度偏弱;反之亦然。前冬北半球环状模与春季中国东部北方地区极端低温事件的负相关关系为预测中国东部北方地区春季极端低温事件的变化提供了一个潜在的前期信号。

南、北半球环状模月内活动的主要时间尺度

基于"大气环状活动带"的概念,利用逐日再分析资料对南、北半球环状模(简称SAM、NAM)的季节活动特征及月内活动的主要时间尺度(Submonthly timescales)进行了研究,结果表明,NAM具有冬季强、夏季弱的年循环特征,而SAM则表现出明显的准半年循环特征。并且,逐年的功率谱分析进一步显示:NAM的月内活动的主要时间尺度以准1周和准2周为主,且它们具有共生性,准3周为相对次要的周期;而SAM的月内活动周期与NAM相似,准2周和准1周较强,准3周次之。NAM和SAM的月内活动在不同特征时间尺度上的空间特征及其时间演变值得进一步研究。

北半球环状模周期变化和突变研究

利用NOAA提供的1871—2008年月平均海平面气压场、雪盖、海冰等再分析资料、NASA提供的地表温度场资料、太平洋年代际振荡(PDO)指数,采用小波分析、带通滤波和凝聚谱分析等方法,研究了北半球环状模(NAM)周期变化及其影响因子.研究结果表明NAM在20世纪60年代前后发生了显著的年代际尺度周期突变,NAM在1895—1955年存在显著的准35年周期振荡,而在1971—2008年则主要以准15年周期振荡为主.NAM年代际尺度周期突变与外强迫源振荡周期变化有关,但突变前后与NAM周期振荡密切相关的外强迫因子并不尽相同.在1960年代之前,PDO、ATM、北美雪盖以及南极海冰涛动等外源强迫因子与NAM在准35年尺度上关系密切;而在1960年之后,NAM准15年振荡则与ATM和欧洲雪盖、南极海冰涛动等因素有关.

月内尺度北半球环状模水平和垂直活动特征分析

采用李建平等定义的更好表征北半球环状模变化的指数,利用NCEP/NCAR逐日再分析资料,从对流层的角度分析了北半球环状模在月内时间尺度上的相关环流的垂直和水平传播特征。结果表明,在水平方向上,温度异常在对流层,尤其是近地层,表现为由极区和高纬度地区向中低纬度地区强的南传特征,而在平流层则为由中低纬度地区向高纬度地区弱的北传特征;纬向风场异常则表现为整层由高纬度地区向中低纬度地区的南传特征。垂直方向上,温度异常在中纬度地区具有较强的自下对流层向平流层上传现象,在高纬度和热带地区则为下传特征;纬向风异常在北半球大部分地区都表现为明显的上传特征。在水平方向上,与北半球环状模月内主要特征尺度(即准1周、准2周和准3周)上相关的环流传播特征比较相似;在垂直方向上,北半球环状模准1周和准2周时间尺度上的环流传播特征较为相似,而准3周尺度上的环流传播特征与它们差异稍大。在对流层中低层,上述环流异常较强的南传特征表明,在月内时间尺度上中高纬度环流异常对中低纬度环流异常可能具有重要的预测意义;而在北半球中纬度地区月内北半球环状模对应温度异常和纬向风场异常信号存在明显的上传特征表明,与北半球环状模异常活动相关的天气变化并非完全源于平流层,在较短时间尺度上,对流层的信号可以突破对流层顶,上传达到平流层。

与北极涛动或北半球环状模相关的纬向对称的正规模态

作为一个全球气候变率的重要模态,北极涛动或北半球环状模态(AO/NAM)一般由北半球海平面气压变率的EOF1来表示。但是通常认为EOF1仅有统计学意义而并不能够表明它是否是一种实际的物理模态。另一方面,现有的波-流相互作用理论也仅能给出纬向风的纬向平均状况,而不能够保证沿着某一纬圈的变化,所以它并不意味着一个具有半球尺度的纬向对称的相干结构能够组织起来。因此AO/NAM的形成机制仍然是一个具有争议的问题。文章提出纬向对称的或环状的正规模态与基本气候态附近的线性(进而非线性)动力学之间有着最直接的联系,因而可能在AO/NAM动力学的理解中扮演重要角色。为了深入探讨AO/NAM的动力学本质,使用p-坐标球面原始方程计算了冬季北半球及全球气候基本态附近的线性动力系统纬向对称的正规模态,发现在半球尺度上的纬向对称正规模态具有AO/NAM的经向偶极子及垂直方向近似正压的空间结构特征。而这些纬向对称正规模的时间变化尺度取决于与其他非纬向对称正规模间的相互作用。从而说明了AO/NAM可能是半球尺度上纬向对称正规模态的动力学行为的反映。

北半球环状模波流相互作用动力学研究进展

总结了国内外学者对于北半球环状模(NAM:Northern Hemisphere Annular Mode)及其活动中心形成原因的研究成果。主要从NAM的天气、气候影响,波流相互作用原理对NAM形成的解释,NAM在北太平洋、北大西洋和北极3个区域活动中心的天气尺度波和行星尺度波活动等方面论述。NAM在对流层的变化与天气尺度波有关,北太平洋和北大西洋两个活动中心是天气尺度波活跃的区域,其峰值区表现为风暴轴,其中北大西洋天气尺度波破碎过程会使得NAM指数急剧变化。NAM在平流层的变化和准定常行星波关系密切,冬季准定常行星波会上传并与高纬平流层纬向流发生相互作用,从而引起北极极涡发生改变。准定常行星波将NAM 3个活动中心有机联系起来:对流层准定常行星波的纬向传播会影响北太平洋风暴轴的位置,而风暴轴的变化会影响下游北大西洋波破碎过程,同时准定常行星波的上传可以影响极涡活动。

北半球环状模变化特征及其对中国冬季气温的影响

平流层异常对于对流层的影响研究，尤其是与中国天气气候的关系已成为近年来的研究热点。首先利用1951-2010年逐月NAM指数（NAMI）序列，采用小波方法分析了北半球环状模的时间变化特征。结果表明，近60年来，尤其是自1970年以来，北半球环状模NAM指数一直呈现持续增长趋势，并存在15a的年代际振荡周期，在1970s前8a的年际振荡明显。进一步挑出9个NAM指数强值年和8个NAM指数弱值年，结合中国160台站的气温资料和NCEP／NCAR再分析资料，探讨NAM指数变化对中国冬季气温的影响。结果发现，在NAM指数强值年，相对于NAM指数弱值年，中国北方、东部地区尤其在东北南部和华北地区气温偏高，西南的大部分地区气温偏低；NAM指数与中国东北冬季气温呈明显的正相关，同期相关性最好。

基于CCM算法的北半球环状模与东北亚冬季地面气温因果关系的年际变化特征研究

北半球环状模(Northern Hemisphere Annular Mode, NAM)是北半球冬季最主要的环流系统,其变化对北半球的冬季气候变率具有重要的影响。现有研究多采用相关、合成等统计方法对NAM及气候要素进行研究,鲜少从因果关系的角度来进行分析。本文基于收敛交叉映射(Convergent Cross Mapping, CCM)算法,利用1960~2018年美国气候预测中心(Climate Prediction Center, CPC)的NAM指数、NCEP/NCAR再分析资料,分析了NAM与东北亚地区冬季地面气温(Surface Air Temperature, SAT)的因果关系的年际变化及其可能的物理机制。结果表明:1)NAM对东北亚地区冬季SAT具有单向因果关系,且其关系的强弱存在年际变化,2006年、1982年分别为因果影响的最大值和最小值年。2)冬季NAM指数存在显著的8~9年尺度主周期,该周期为冬季NAM影响东北亚地区SAT的驱动因子,其变化在一定程度上影响了NAM对东北亚地区SAT因果关系的年际变化。3)对比NAM对SAT影响的因果关系的最大值(2006年)和最小值(1982年)年环流形势,可见,高值年(2006年)NAM的"跷跷板"结构明显,而低值年(1982年)NAM的南北振荡形势并不明显。本文对于分析因果关系的年际、年代际变化给出了一个新的思路。

南半球环状模气候影响的若干研究进展

南半球环状模是南半球热带外地区环流变率的主导模态。由于南半球环状模在空间上的大尺度特征,全球多个地区的气候均与南半球环状模的变化有关。探讨南半球环状模的气候影响,是近几十年来得到广泛关注并迅速发展的新方向。围绕这个方向,分别回顾了南半球环状模对南半球和北半球气候影响的研究进展,重点阐述了南半球环状模对中国气候影响的相关工作,并从长期变化尺度上,列举了南半球环状模与气候变化方面的研究成果。纵观近几十年的研究发现,针对南半球环状模对南半球的气候影响,目前已有比较系统的认识。总体而言,在年际尺度上,南半球环状模可以通过影响垂直环流和风暴轴的位置,改变表面风速对下垫面的热力和动力驱动作用,进而对南半球的海-气-冰耦合系统产生调控。这种调控多表现出纬向对称性,同时也存在纬向非对称的局地特征。在气候变化的尺度上,南半球环状模是过去半个世纪里南半球气候变化的主要驱动力之一。关于南半球环状模对北半球尤其是中国气候的影响问题,目前也取得了许多有意义的结果。例如,南半球环状模对东亚、西非、北美的夏季风和东亚冬季风均有作用,并且可以调控中国春季华南降水等。海-气耦合过程在南半球环状模对北半球气候的影响中扮演着重要角色,与南半球环状模信号的跨季节存储和由南半球向北半球的传播均有密切关系。但是,与南半球相比,南半球环状模对北半球气候影响的研究,还有许多问题值得深入讨论和研究:一是体现在对南半球环状模信号向北传播机制上的深入认识,二是将南半球环状模的信号作为因子在季节气候预测中的实践。

2009/2010年北半球冬季异常低温分析

分析了2009/2010年冬季(2009年12月1日至2010年2月28日,简称09/10年冬季)北半球地面气温异常特征及同期的水平与垂直环流场的异常结构。结果表明地面气温的异常呈现出带状的分布,表现为在低纬度为正异常、中纬度负异常及高纬度正异常的"正负正"的分布特征,最大的降温区在欧亚大陆和美国东部,其中局部的降温超过了-4℃。09/10年冬季北半球中纬度的地面气温相比过去15年冬季的平均值下降了近1℃,而在欧亚大陆的局部地区降温超过了-8℃。水平环流场的异常特征为:海平面气压和位势高度均表现为高纬度正异常而中纬度负异常的"北高南低"的分布特征,与此同时,中纬度出现气旋式的异常环流而高纬出现反气旋式的异常环流,这种分布形势在高低层表现得较为一致。经圈环流异常特征为:费雷尔环流减弱,中纬度出现异常的上升运动而高纬度出现异常的下沉运动,与此同时,中纬度对流层气温降低,而低纬度和高纬度的对流层气温升高,副热带急流增强,而极地急流减弱。09/10年冬季北半球环流的异常特征与北半球环状模(NAM)负位相时的极为相似。对多年冬季北半球地面气温和NAM指数进行合成和相关分析,结果表明当NAM处于正(负)位相时,北半球中纬度地面气温出现正(负)异常带,并且在欧亚大陆和美国东部最为显著,局部升温(降温)的幅度达到2℃。在热带外地区,经向温度平流是控制温度局地变化的关键因子。NAM影响北半球地面气温的物理机制分析表明,NAM主要是通过影响经向温度平流来影响北半球中纬度气温的。当NAM为正位相时,北半球费雷尔环流加强,中纬度带和高纬度带发生大气质量的交换,海平面气压场表现为中纬度异常高压而高纬度异常低压的"南高北低"的分布特征,中纬度地表出现异常的南风,进而经向暖平流加强,最终导致中纬度地面气温升高,NAM负位相年时与之相反。这个结果揭示了NAM作为自然变率对中纬度地面气温的调控作用。

平流层环状模的分类特征及其与对流层的关系

采用NCEP/NCAR逐日再分析资料,通过对北半球环状模指数的分析,将平流层异常分为两类:S型和D型,研究了两类平流层异常过程的差异及其与对流层的关系。结果表明,两种类型的异常特征在平流层类似,而主要的差别发生在对流层。在S型平流层异常期间,平流层纬向风异常有随时间向下传播的趋势,对流层表现为与平流层一致连续的纬向风异常;位势高度和温度距平场的分布中,最显著的特征是对流层与平流层呈相当正压结构,极区和中纬度异常表现为反位相的振荡,呈现典型的北极涛动特征。在D型平流层异常期间,平流层纬向风异常随时间向下传播的趋势不存在,另外平流层纬向风异常仅局限在平流层范围内,对流层表现为与平流层相反的纬向风异常;位势高度和温度距平场的分布中,平流层中低层与高层呈现反位相的距平分布,在对流层中低层,温度和位势高度的距平场呈现无规则的分布。

基于机器学习方法重建的过去1000年北半球环状模(NAM)指数

受限于观测资料的短缺,关于北半球主要大气环流模态(Northern Annular Mode,简称NAM)的演变规律和机理还很不明确。运用树轮、冰芯、沉积物等代用指标重建时间序列更长的NAM指数有助于加深对其演变规律和驱动机制的认识。本文通过评估多种机器学习模型在古气候重建中的适用性,基于PAGES 2k的气候代用指标重建了过去1000年高分辨率(1年)的NAM指数。研究结果表明相比普通线性回归模型和随机森林等模型,Cat Boost、极端随机树和主成分回归模型可以有效地避免过拟合,模型具有更高的稳定性和可靠性,其中Cat Boost模型的重建结果与器测时段内NAM指数的相关系数最高(R=0.93,p<0.01),能够更好地拟合NAM指数的量级和峰谷变化。分析过去1000年NAM指数的变化特征,发现NAM具有显著的百年际周期(167.5年)和多年代际周期(32.3年)波动,1950~2000年NAM由负位相转向正位相的速率在过去1000年中前所未有。进一步探究NAM与温度和海冰的关系发现,1850年之前,暖期对应NAM增强,冷期对应NAM减弱;而在1850年之后NAM的多年代际变化与巴伦支-喀拉海海冰范围的变化趋于一致,1950年之后NAM向正位相快速转变可能是温度和北极海冰异常共同影响的结果。

北极涛动主模态下北极冷空气的优势路径和影响地区的研究

本文以拉格朗日观点分析北极涛动(Arctic Oscillation,AO),也被称为北半球环状模(Northern Hemisphere Annular Mode,NAM)的指数异常事件中北极近地面冷气团的活动路径,直接地表现出了异常事件中冷气团运动的优势路径,从而反映出AO/NAM对地面气温的直接调控作用.在正AO/NAM指数异常事件中,极区近地面冷气团活动轨迹以纬向环流为主,表现为环绕北半球中高纬地区的冷气团活动轨迹特征明显.而在负AO/NAM指数异常事件中,极区冷气团以反气旋式轨迹流出极区后,流入中纬度海洋上的低气压区,这种由极区向中纬度地区流动的经向运动轨迹特点显著.并且在指数下降的中后期出现两种强烈影响欧亚大陆的运动轨迹.正负事件中冷气团运动轨迹很好地解释了传统公认的AO/NAM对北半球不同地区冬季气温的影响.特别是对中国冬季气温的影响上,正AO/NAM指数异常事件中的中低层冷气团活动有利于南支槽加深,进而为南方地区冰冻雨雪天气提供了有利条件;而负事件中的极地近地面冷气团可直接影响东北地区,形成寒潮降温天气.

平流层NAM异常对东北冷涡活动影响的研究

为了研究平流层环流异常对东北冷涡的影响,使用NCEP/NCAR(1958—2010年)再分析资料(日平均、月平均位势高度场及温度场),对平流层NAM(northern hemisphere annular mode,北半球环状模)异常期间东北冷涡的活动特征和三维空间结果进行了统计和合成分析。结果发现,与平流层NAM正异常相比,在平流层NAM负位相异常期间,东北冷涡发生的频次更多和持续天数更长,强度也更强。对平流层NAM不同位相异常期间的合成分析表明,在平流层NAM负位相异常期间,东北冷涡强度更强,与平流层环流异常联系更紧密。同时平流层NAM负位相异常期间,有强的行星波活动,行星波的活动促进和加强了东北冷涡的发展。研究结果对使用平流层NAM异常预测冬季东北冷涡有重要意义。

平流层NAM异常对乌拉尔山阻塞高压的影响

使用NCEP/NCAR再分析资料,对53年(1958—2010年)冬季的平流层北半球环状模(NAM)正、负异常下传期间乌拉尔山阻塞高压的活动特征分别进行合成分析。结果表明,在平流层NAM负异常下传期间,阻塞高压事件的发生频次更高,生命期更长,并且在空间上发展得更加深厚。阻塞高压崩溃之后,冷空气主体偏北,所造成的我国北方地区降温也更强。通过对E-P通量分析发现,在NAM负异常下传期间,乌拉尔山区域的波动更容易向上传播,更有助于对流层乌拉尔山阻塞高压的维持和发展。这些结果对利用平流层环流异常信号预测我国北方冬季短期气候变率,尤其是寒潮天气有重要意义。

平流层NAM异常事件与东北亚地面温度的关系

对再分析资料的合成分析表明,10 h Pa北半球环状模（NAM）指数和东北亚地区地面温度（SAT）存在显著的后滞相关关系。正/负位相平流层NAM异常事件往往伴随着东北亚地区正/负异常地面温度变化。负位相NAM指数超前东北亚地面温度异常20～40天,正位相NAM指数超前约20天。定义了有效平流层极端事件（ESE）,并研究了不同标准下平流层NAM异常能够传到对流层的比例。研究表明,NAM异常下传的比例随定义标准的提高而增加。研究结果显示,平流层大气环流异常在一定程度上能够作为先兆因子来延长中国北方冬季对流层天气预报。

近50年中国大陆冬季气温和区域环流的年代际变化研究

利用中国大陆468个站点1960～2013年逐日气温资料,本文首先对中国冬季气温的年代际变化特征进行分析。通过气候跃变检验分析发现,中国冬季气温在整体变暖的趋势上叠加有年代际波动,可划分为冷期、暖期和停滞期三个时期。本文对比三个时期的冬季大气环流发现,冷/停滞期(暖)期西风环流减弱(增强)而东亚大槽增强(浅薄),槽后的辐合下沉增强(削弱),西伯利亚高压增强(减弱),这加强(削弱)了东亚冬季风,冷空气更多(少)侵入中国大陆地区,冬季气温偏低(高)。北半球环状模/北极涛动(Northern Hemisphere Annular Mode,NAM/Arctic Oscillation,AO)正是通过东亚冬季风系统对中国冬季气温,尤其是冬季最低气温有很强的年代际影响。太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation,PDO)与中国冬季气温在年代际上也有很好的正相关关系。进一步将PDO的年代际变化分量作为背景,分析NAM/AO和厄尔尼诺—南方涛动(El Nino Southern Oscillation,ENSO)不同配置下的东亚冬季风环流场可以发现,两者的配置作用不仅影响着中国冬季气温一致变化型的年代际波动,而且也可以影响到冬季气温南北反相振荡型的变化,这从一个方面解释了1980年代和1990年代北方变暖较强及最近十年北方降温趋势较为明显的原因。

2008年雪灾同平流层环流异常的关系

为了探讨2008年我国南方罕见的低温、雨雪和冰冻灾害与平流层环流异常的关系,利用NCEP资料对2007年10月1日到2008年2月29日的平流层大气环流的逐日变化进行了分析.结果表明,这次低温、雨雪和冰冻灾害之前,平流层北极涡旋异常加强和变形,同时在中低纬地区平流层的环流也发生明显的变化.这些变化从平流层向下传,进而影响对流层.由此可见这次我国历史罕见的低温、雨雪和冰冻灾害不但与对流层大气环流的变化有关,也与平流层环流的变化有关.更有意义的是,平流层环流的变化超前了一个多月.因此利用平流层的信息作为天气预报的参考,对提高中长期天气预报(特别是重大灾害的预报)的准确率会起到积极的作用.