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。

北太平洋东部风暴轴的时空演变特征

本文利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)逐日再分析资料(ERA-40),以500hPa位势高度滤波方差为代表,对1957年12月～2001年11月期间44年528个月北太平洋区域(30°N～60°N,120°E～120°W)月平均风暴轴的多中心数目和最强中心位置进行了客观统计,在此基础上,对北太平洋区域进行了分区,通过对比各区域风暴轴的时间演变和结构变化,重点揭示了北太平洋东部地区风暴轴的时空演变特征。主要结论如下:(1)逐月来看,北太平洋风暴轴"多中心"现象普遍存在,概率高达94.7%,最典型的分布呈2～3个中心分布;从季节上来看,春季是"多中心"现象最容易出现的季节,秋季和冬季相对较少,而4个及以上的"多中心"现象则更容易出现在夏季。(2)若把最强中心出现在160°W以东地区的北太平洋风暴轴定义为东部型风暴轴,那么从月份上来看,7月相对最容易出现东部型风暴轴,1月和2月最难;从季节上来看,夏季相对最容易出现东部型风暴轴,冬季最难;总的来看,出现东部型风暴轴的频数大约占总频数的三分之一。(3)从垂直结构上看,在北太平洋160°W以东地区,风暴轴的强度可以最强,但与斜压性密切联系的涡动向极和向上热量通量的最大值却并不是最强。(4)经验正交函数分解(EOF)分析的结果表明,在不同季节、不同区域以及是否单独考虑东部型风暴轴的情况下,风暴轴的变化虽然表现出了一定的差异,但都反映出在北太平洋东部区域风暴轴的变化特征有其独特特点,如在该区域风暴轴的主要变化模态并不一定时时与其他区域的主要变化模态一一对应。北太平洋东部区域风暴轴变化的原因和机制值得进一步深入探讨。

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。

北太平洋风暴轴的变异特征及其与中纬度海气耦合关系分析

本文使用欧洲ECMWF(ERA40)再分析资料,通过经验正交函数(Empirical Orthogonal Function,EOF)分解探讨了冬季北太平洋风暴轴的变异特征,使用回归分析得到了与风暴轴空间异常型相关的冬季大气平均流异常、表层海温(Sea Surface Temperature,SST)异常的空间耦合型.研究结果表明,冬季北太平洋风暴轴主要有两种空间异常型,第一种是风暴轴中东部明显北抬(南压),使得整个风暴轴向东北(东南)倾斜,与此同时,在中纬度北太平洋海区,冬季暖(冷)异常的洋面上是异常高压(低压),海气系统在垂直向表现为一种暖脊(冷槽)配置,在对流层中高层是太平洋-北美(Pacific-North American,PNA)型负(正)位相.第二种是风暴轴整体性加强(减弱)并偏北(南),此时,黑潮区海温异常偏暖(冷),低层阿留申低压和高空的西风急流略偏北(南),对流层中高层表现为西太平洋(Western Pacific,WP)型负(正)位相.风暴轴EOF分解的时间系数与阿留申低压指数、PNA指数、WP指数,以及与尼诺3区(NINO3)指数、黑潮海温指数间显著的相关性再次证实了在北太平洋中纬度地区存在着SST异常、风暴轴异常和大气平均流异常三者间的空间耦合型.

中国东部夏季降水型的年代际变化及其与北太平洋海温的关系

采用中国160站降水资料、NOAA ERSST海温资料以及ERA-40大气再分析资料,分析了中国东部夏季降水型的年代际变化特征及其与北太平洋海温的可能联系。结果表明:中国东部夏季降水型在近50年中经历了两次年代际变化,第1次发生在20世纪70年代中后期,北太平洋中纬度地区冬季海温由正距平向负距平转变,太平洋年代际振荡(PDO,Pacific decadal oscillation)由负位相向正位相转变,通过影响东亚夏季风环流,使东亚夏季风减弱,中国东部夏季降水从北到南呈现出"+-+"转变为"-+-"的三极分布形态,这次年代际变化体现了同一模态正负位相的转变;第2次发生在20世纪80年代末90年代初,北太平洋海温转变为日本以南西北太平洋的正距平分布,同时菲律宾群岛附近海温偏暖,西太平洋副热带高压偏南偏西,使得中国东部夏季降水由北至南转变成"-+"的偶极分布形态,这次年代际变化体现了一种模态向另一种模态的转变。

冬季热带西太平洋对流活动异常的年际变化及其对北太平洋风暴轴的影响

通过诊断分析指出，８０年代菲律宾周围的对流活动２～４年周期振荡比较明显；北太平洋风暴轴中心有线性增强、偏北、偏东的趋势，２～４年周期振荡也比较明显；在２～４年时间尺度上，菲律宾周围对流活动的变化与北太平洋风暴轴的变化有密切联系：当菲律宾周围对流活动强（弱）时，北太平洋风暴轴中心偏强（弱）、偏东（西）、偏北（南）。诊断分析和数值模拟表明，产生这种联系的物理机制是，当菲律宾周围对流活动强（弱）时，在东亚－北太平洋－北美地区产生一个距平波列（ＡＮＡ），位于美国西海岸的正（负）距平及其北侧的负（正）距平，使气压梯度增大（减小），北太平洋急流和风暴轴中心强度增强（减弱）、北抬（南退）、东伸（西退）。

北太平洋风暴轴的气候特征及其变化的初步研究

本文使用ECMWF再分析网格点资料(ERA-40),分析了不同季节和不同高度层上北太平洋风暴轴(天气尺度瞬变扰动活动)的气候特征及其时间演变规律。分析表明,气候平均而言,北太平洋风暴轴冬季强且偏西南,夏季弱且偏东北。在近45 a里,冬季及夏季风暴轴在整个对流层、尤其是对流层中上层具有整体一致的年际和年代际变化特征。在各个高度层上冬季风暴轴于1985年前后一致性地发生了由弱至强的年代际跃变;夏季风暴轴发生年代际由弱至强跃变的时间在各个高度层上略有不同,对流层中高层的跃变时间与北太平洋大气海洋系统1970年代的跃变时间一致。在冬季风暴轴活动偏强年里,中纬度天气尺度瞬变扰动增强的同时,位置也有所北抬,反之亦然。夏季风暴轴活动偏强(弱)年则主要表现为瞬变扰动在气候平均位置上的增强(减弱)。

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(Quik Bird Satellite Microwave Scatterometer Sea Winds Data)海面风场资料、NCEP(National Center for Environmental Prediction)的10m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。

冬季赤道中东太平洋区域海表温度异常对北太平洋风暴轴年际变化的影响

对１５个冬季北太平洋风暴轴区域 ５００ ｈＰａ天气尺度滤波位势高度方差与同期热带太平洋海表温度进行了奇异值分解（ＳＶＤ）分析，结果表明，ＳＶＤ得到的第一对空间典型分布反映了赤道中、东太平洋区域海温异常对风暴轴年际变化的影响。进一步的合成分析显示，赤道中、东太平洋区域海表温度异常可以通过激发或加强５００ ｈＰａ高度场上的 ＰＮＡ遥相关型，主要影响冬季北太平洋风暴轴的东西摆动及其中、东端的强度变化。

冬季北太平洋风暴轴的年际变化及其与500hPa高度以及热带和北太平洋海温的联系

文中研究了冬季北太平洋风暴轴的年际异常及其与500hPa高度以及热带和北太平洋海温的联系。结果发现，各年冬季北太平洋风暴轴的中心强度和位置具有显著的年际差异。对15个冬季北太平洋风暴轴区域500hPa天气尺度滤波位势高度方差与热带和北太平洋海温的SVD分析表明，第一对空间典型分布反映了赤道中、东太平洋区域海温异常对风暴轴年际变化的影响，而第二对空间典型分布反映了黑潮区域海温异常对风暴轴年际变化的影响。进一步的合成分析显示，赤道中、东太平洋区域海温异常主要影响冬季北太平洋风暴轴的东西摆动和中、东端的强度变化，而黑潮区域海温异常则主要影响冬季北太平洋风暴轴中、西端的强度变化和南北位移。并且这种影响分别与500hPa高度场上的PNA遥相关型和WP遥相关型有密切联系。

冬季菲律宾周围对流活动与北太平洋风暴轴联系的数值模拟

通过利用ＩＡＰ２－ＬＡＧＣＭ进行的数值模拟，进一步揭示了冬季菲律宾周围对流活动异常对北太平洋风暴轴变化的影响及其二者联系的物理机制和物理过程。结果表明：当菲律宾周围对流活动增强时，在５００ｈＰａ等压面图上强迫产生一个自赤道西太平洋开始，经我国东部、堪察加半岛、白令海，到美国西海岸的异常波列；位于西太平洋的经向三圈环流增强，位置北移；在风暴轴的西半部和东端斜压性增强；从而导致了北太平洋风暴轴增强、北抬、东伸。

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。

冬季北太平洋风暴轴垂直结构的变化特征及其与我国极端低温事件的关系

采用NCEP/NCAR和ERA-40再分析资料,对比分析了冬季垂直尺度上北太平洋风暴轴的时空演变特征,揭示了北太平风暴轴垂直结构具有显著年际变化特征。冬季北太平洋风暴轴垂直结构主要呈现出全区一致、上下反相两种分布型,细分为全区一致增强型、全区一致减弱型、上层增强下层减弱型和上层减弱下层增强型。研究表明:冬季北太平洋风暴轴的垂直结构与我国极端低温事件的关系密切,风暴轴呈全区一致增强(全区一致减弱)型垂直结构时,我国整体区域极端低温频次偏少(多);风暴轴呈上层增强下层减弱(上层减弱下层增强)型垂直结构时,我国东北地区极端低温频次偏多(少),其余地区偏少(多)。

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)。

极涡对北太平洋风暴轴影响及成因初探

利用美国NCEP/NCAR再分析资料,初步探讨了1969—2013年冬季北半球极涡对北太平洋风暴轴的影响及可能的物理机制.结果表明:风暴轴主要分布在120°E—120°W、30°—60°N之间,扰动最强中心位于45°N附近.奇异值分解表明,极涡与风暴轴之间主要存在两种耦合空间变化特征.当极涡在极区增强(减弱)时,风暴轴在其气候平均位置增强(减弱);当极涡增强并向北太平洋地区移动时,相对于平均状态,风暴轴在45°N以南地区偏强;而当极涡向北美大陆移动增强时,相对于平均状态,45°N轴线以北地区风暴轴偏强.回归分析进一步表明了北半球极涡影响北太平洋风暴轴变化的原因,极涡通过改变500h Pa位势高度场的遥相关形态特征,进而改变东亚西风急流及风暴轴上游地区斜压性的位置与强度,从而导致风暴轴的强度发生变化.

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。

黑潮延伸体区域海表温度锋的季节变化对北太平洋风暴轴的影响

利用NOAA最优插值逐日海表温度(SST)资料和NCEP/NCAR的逐日大气再分析资料,本文分析了黑潮延伸体区域海表温度锋的变化对北太平洋风暴轴的影响。结果表明,黑潮延伸体区域海表温度锋位置的季节变化很弱,而其强度的变化则非常显著,北太平洋风暴轴强度与海表温度锋强度具有一致的协同变化。冬季黑潮延伸体区域海表温度锋强度最强,增强了其上空大气的斜压性,从平均有效位能向涡动有效位能的斜压能量转换以及从涡动有效位能向涡动动能的斜压能量转换均在黑潮延伸体区域显著增加,斜压涡旋在此区域生成更加频繁,在随西风向下游运动过程中不断从背景平均流中获得能量,从而导致北太平洋风暴轴增强,且将其中心轴线固定在黑潮延伸体区域上空,而夏季黑潮延伸体区域海表温度锋强度非常弱,其上空大气斜压性减弱,从平均有效位能向涡动有效位能的斜压能量转换以及从涡动有效位能向涡动动能的斜压能量转换均显著减少,斜压涡旋在此区域生成减少,导致北太平洋风暴轴减弱,且中心移至太平洋中部,位置偏北。

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 h Pa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。

北太平洋风暴轴对黑潮延伸体系统变异的响应及其能量转换机制

西北太平洋纬向扰动海温经验正交函数(EOF)分解第一和第三模态、第二和第四模态分别代表同期黑潮延伸体和亲潮强弱的配置关系,将两者的典型位相合成,可以分别得到延伸体收缩和扩张状态时的典型模态海温,本文以此及气候态海温作为初始海温强迫场,利用CESM1.2.0模式,讨论了延伸体的系统变异对北太平洋风暴轴的影响及其在不同能量转换过程的主要影响机制,结果表明,延伸体收缩状态下,北太平洋风暴轴强度整体加强,而扩张模态下强度减弱。空间分布上,收缩模态下,风暴轴主要体现为经向方向的变化,中心及其以北强度加强,中心以南减弱;扩张状态下,则主要表现为纬向方向的差异,中心及以西强度减弱明显,中心以东有所增强。对能量转换的诊断分析表明,正压能量转换过程对涡动动能的变化贡献很小,且在风暴轴中心附近,其作用主要为消耗涡动动能,延伸体收缩状态下其消耗作用增强,而扩张状态下消耗作用减弱,这一差异主要是由于不同海温异常强迫下瞬变涡旋的形变不同造成;斜压有效位能释放比正压能量转换大一个量级以上,该过程几乎全部通过基流的经向温度梯度和经向涡动热量输送的相互作用完成,在这一过程中大气斜压性(经向温度梯度)起了关键性作用,大气斜压性异常、基流经向温度梯度异常、斜压有效位能释放异常与风暴轴异常的空间分布均具有较好的对应关系,该过程可能也是延伸体海温异常影响北太平洋风暴轴的主要物理过程;涡动有效位能需要进一步转换为涡动动能才能产生瞬变涡旋运动,涡动有效位能释放的量级与斜压有效位能的释放相当,但数值要小,这一过程通过冷暖空气的上升下沉运动完成,延伸体异常模态下,扰动垂直速度和扰动温度的负相关性的变化与涡动有效位能向涡动动能转换的变化也有较好的对应关系。

极涡面积指数与北太平洋海温季节变异相关分析

利用1951-2002年NCEP/NCAR的位势高度再分析资料,中国国家气候中心极涡面积指数和海温资料,研究极涡面积指数与北太平洋海温季节变异相关.结果表明,4个季节的太平洋极涡面积指数均与北太平洋的西风漂流区呈显著的负相关(显著性水平α≥0.05);冬季和春季太平洋极涡面积指数与同期太平洋海温呈相关显著的西北-东南向的"-、+"波列,为太平洋年代际振荡模态(PDO)分布;夏季和秋季北太平洋西风漂流区海温异常对滞后的冬季太平洋极涡面积指数变化影响显著;而春季的太平洋极涡面积指数变化对滞后的夏季和秋季西风漂流区海温变化影响显著;定义了风暴轴指数和西风漂流指数.春季太平洋极涡面积指数、北太平洋风暴轴和西风漂流区海温都在1969年发生突变,太平洋极涡面积明显增大,春季风暴轴亦相应偏南,西风漂流 ,区春季海温降低.