ENSO对中国东部前后冬天气尺度气温变率的不同影响及其可能机制

基于中国国家气象信息中心提供的中国第一代全球大气和陆面再分析产品(CRA)的逐日气温资料、美国国家海洋和大气管理局(NOAA)重建的逐月海表温度资料以及美国国家环境预报中心/国家大气研究中心(NCEP/NCAR)提供的大气环流再分析资料,研究了厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)对中国东部前、后冬天气尺度气温变率的影响及其物理机制。结果表明,ENSO对中国东部天气尺度气温变率的影响在前、后冬存在显著差异。ENSO对前冬中国东部天气尺度气温变率影响较弱,后冬则显著增强。后冬时期,ENSO与长江中下游地区天气尺度气温变率呈现显著正相关,即厄尔尼诺年后冬天气尺度气温变率增强,气温波动幅度增大;拉尼娜年后冬天气尺度气温变率减弱,气温变化较为平缓。ENSO在后冬可通过影响与欧亚大陆上空南北温度梯度相关的大气斜压性调节下游东亚地区大气环流的天气尺度变率,进而影响天气尺度气温变率。厄尔尼诺年后冬,南北温度梯度大,大气斜压性较强,经向风活跃,冷空气活动较为频繁,天气尺度气温变率增大;拉尼娜年后冬,异常情况与之大致相反。在前冬ENSO对欧亚大陆上空南北梯度即大气斜压性影响较小,因而对中国东部天气尺度气温变率的影响也较弱。本研究的成果丰富了对ENSO影响中国气温变率的理解,有利于中国冬季气温季节预测水平的提升。

我国前冬和后冬气温年际变化的特征与联系

基于我国160个台站观测的月平均地面气温资料,通过考察冬季各月气温之间的联系将11月和12月划分为前冬,次年的1月至3月划分为后冬,并利用160站资料和NCEP/NCAR再分析资料,通过经验正交函数(EOF,empirical orthogonal function)分解和依赖于季节的EOF(SEOF,season-reliant EOF)分解对近62年来我国前冬和后冬气温各自的年际变化特征、它们之间的联系以及对应的大气环流进行了分析。结果表明,我国前冬和后冬气温年际变化的前两个EOF模态在空间上均表现为全国一致的变化和南北相反的变化;其时间系数的分布表明,当前冬出现全国性偏暖(冷)或北冷(暖)南暖(冷)的气温异常时,后冬出现类似气温异常和相反气温异常的概率均在50%左右。进一步,通过SEOF分解得到了年际变化时间尺度上我国冬季气温演变的两个主要模态。第一模态(SEOFl)为前冬到后冬同相演变型,即前冬全国一致偏暖(冷)时后冬亦全国一致偏暖(冷),该模态在20世纪80年代中期有明显的年代际增暖;第二模态(SEOF2)表现为前冬到后冬反相演变型,即前冬全国一致偏冷(暖)而后冬全国一致偏暖(冷),该模态以年际变化为主。对环流场的分析表明,中纬度大气过程特别是大气遥相关型的变化是同向和反向两种演变模态产生的主要原因。SEOF1的环流表现为对流层中层斯堪的纳维亚遥相关型在整个冬季的持续性同号异常,与此相伴的海陆气压差强度和东亚高空急流强度的变化使得前、后冬中的东亚冬季风环流呈一致加强或减弱,从而引起同相演变模态。SEOF2的环流在前冬表现为欧亚遥相关型的特征,整个对流层的变化都很显著,而后冬的环流信号主要在对流层中低层显著,此时表现为类似斯堪的纳维亚遥相关型的特征且符号发生了反转,从而引起反相演变模态。

我国前冬和后冬的划分及其气温的年际变异

基于我国762站均一化逐日平均和逐日最低气温数据集,对我国年最低气温的概率密度分布的分析表明,我国年最低气温的概率密度呈现清晰的双峰分布特征。进一步考察其原因发现东亚冬季风盛行期间我国年最低气温的分布具有显著的地域性差异,以冬季气候态气温的0℃为界大致可以分为两种气候区。综合不同气候区内年最低气温所在日期的概率密度分布的结果,将11月16日至次年1月15日划分为前冬,次年1月16日至3月15日划分为后冬。在此基础上,通过依赖于季节的经验正交函数分解方法分析了近56年我国前冬和后冬气温在年际变异上的特征,并进一步利用NCEP/NCAR全球日平均再分析资料通过合成分析的方法研究了其对应的大气定常波和瞬变波特征。结果表明:年际变化时间尺度上,我国前冬和后冬气温演变仍表现为前、后冬同相演变和反相演变这两个主要模态。同相演变模态环流异常的空间形态在前冬和后冬较为一致,并随着前冬向后冬的推移其环流异常的强度在不断加强;反相演变模态则对应了环流异常在前冬和后冬的相反变化,且其环流异常的空间形态在前冬和后冬有较大不同。对大气波动特征的分析表明,瞬变波的动力和热力的强迫作用以及定常波能量向下游的频散对北大西洋至欧亚大陆上定常波列的维持和发展具有重要作用。同相演变模态中,北大西洋上的波列将能量从北美向欧洲地区传播,加强了后冬欧洲地区的高压异常,该中心在后冬向下游的能量频散显著增强,形成了一个自欧洲经喀拉海以东至贝加尔湖附近的定常波列,大气瞬变波所引起的动力和热力强迫对该波列位于欧洲和贝加尔湖地区的大气活动中心的维持和发展具有正的贡献。反相演变模态中前冬的波动特征与同相演变模态后冬基本一致,而后冬则表现为从北大西洋中部向格陵兰岛传播,并进一步向东经乌拉尔山附近传向青藏高原北部的波列,风暴轴移动所引起的大气瞬变波的动力和热力强迫对该波列位于北大西洋地区南侧的中心有维持作用。

乌鲁木齐市后冬气候与亚洲极涡面积的相关分析

本文利用1976—2013年的亚洲极涡面积指数资料,对乌鲁木齐市天山区气象局、米东区气象局、达坂城区气象局、小渠子气象站、大西沟气象站的2月平均气温、降水量作自然正交分解(EOF)进行相关分析。分析结果表明,5个气象局(站)的平均气温、降水量第1特征向量占总方差的百分比为91.7%和87.6%,第一空间场的分布表明,气温、降水量全区趋势相同,后冬气温变化趋势正处于小幅下降期。突变检测发现,1992年以后,大部分时期后冬暖,没有突变。5个气象局(站)平均气温第1特征相量时间系数与亚洲区极涡面积指数距平相关系数为-0.624,表明气温偏高时,极涡面积减小,反之,气温偏低时,极涡面积增大。

中国西南地区后冬降水的统计降尺度模型

对西南后冬降水进行了分析,并建立了统计降尺度模型.采用偏相关的分析方法,选取了控制该区域降水的强迫因子.结果表明:影响西南地区后冬降水的强迫因子主要有两个:欧洲西部海表面气压(SNAO)和热带西太平洋海表面温度(WPT).SNAO反映了北大西洋涛动(NAO)南侧极点的变率,此因子通过激发南欧亚遥相关,影响南支槽强度来对西南地区后冬降水变率产生影响.WPT反映的是ENSO在西太平洋的信号,其通过太平洋-东亚遥相关,在中国南部激发反气旋(气旋)环流异常,使得西南地区盛行下沉(上升)气流而抑制(促进)后冬降水的产生.基于SNAO和WPT建立的统计降尺度模型较好的拟合了西南地区整体和逐站的后冬降水变率,在独立检验阶段统计模型也体现了可靠性.该统计降尺度模型未来可应用于季节预测数值模型的输出,以期望于提高对中国西南后冬降水的预测能力.

东北冬季气温变化异常特征及其与AO的联系

利用东北地区27个站逐月温度资料、NCEP/NCAR再分析资料及NOAA提供的AO资料,通过EOF和相关分析方法,研究东北地区近53 a冬季气温变化特征。结果表明:(1)东北地区前冬和后冬气温的前2个模态在空间上均表现为全区变化一致型和东北—西南反相变化的跷跷板型,且实际分布以跷跷板型居多;(2)前冬气温跷跷板型分布与同期位置偏北、强度较弱的类AO分布型呈正相关关系;(3)11月AO与前冬气温跷跷板分布呈显著正相关关系,当11月AO为正值时,前冬呈东北高、西南低的气温分布型,AO为负值时,则出现西南高、东北低的气温分布型。因此11月AO可作为东北冬季气温的一个预测因子。

北疆冬季气温季节内变化及其环流特征

基于新疆北部区域(简称北疆)37个代表气象站1961—2019年逐月平均气温资料和NCEP/NCAR再分析环流资料,通过经验正交函数(EOF)分解和相关分析方法,研究北疆近58 a冬季气温季节内变化的时空演变特征及其对应的大气环流特征。结果表明:(1)北疆前冬和后冬气温EOF分解的前两个模态在空间上均表现为全区一致变化型和偏西偏北地区与中东部反相变化型。前冬和后冬气温全区一致型的时间系数与同期500 hPa位势高度场呈显著负相关关系区域位于乌拉尔山附近,气温反相变化型的时间系数与同期500 hPa位势高度场呈显著正相关关系区域位于波罗的海附近。(2)北疆冬季气温季节内主要有前后距平一致和前后距平相反两种特征。在北疆冬季气温前后距平相反年份",前冷后暖"时的500 hPa乌拉尔山高压脊减弱消失,欧洲槽东移加深,东亚大槽强度减弱";前暖后冷"时,500 hPa欧洲槽减弱西退,乌拉尔山地区高度场抬升,东亚大槽加深。(3)前冬偏冷时,后冬偏暖的主要原因来自于500 hPa极涡增强,欧洲槽加深;前冬偏暖时,后冬偏冷的大部分原因是受500 hPa欧亚大陆大片的负变高区影响。