冬季东亚副热带急流与温带急流的比较分析：大尺度特征和瞬变扰动活动

使用ERA40再分析的月资料和逐日资料,从大尺度特征和瞬变扰动活动两个角度对冬季东亚副热带急流(EASJ)和东亚温带急流(EAPJ)进行了比较分析。结果表明,使用月资料分析的EASJ与EAPJ在高层风场上没有清晰的地理分界区,而使用逐日资料计算得到的冬季逐日急流发生数则以高原北部上空所处的纬度带为分界岭,存在两个急流中心集中区,分别对应于EASJ和EAPJ区域。通过分析东亚上空天气尺度瞬变扰动活动(STEA)表明,与强盛的冬季EASJ相伴随的是较弱的南支STEA,而与较弱的EAPJ相伴随的北支STEA却十分活跃,显示出EAPJ是与瞬变活动相伴而存的急流。进一步的诊断分析揭示了冬季东亚温带急流的两种主要异常模态,一种是EAPJ区域反气旋性/气旋性异常环流型,另一种是局地西风的减弱/增加。与第1种异常模态相关的北半球大尺度环流异常主要集中在欧亚中高纬地区,其形成受中高纬大气环流以及东亚上游大气环流异常的共同影响。当EAPJ局地西风减弱/增加时,EASJ东段至西太平洋上空的西风急流呈现出与之相反的变化型,北半球大气环流异常表现为大气遥相关的欧亚(EU)型。冬季EAPJ的两种异常模态还与东亚上空STEA异常密切联系,其中在北支STEA区域出现的瞬变异常以波列的形式沿STEA北支轴线传播到达东亚沿海上空,然后东传入洋面上空,而对于靠近STEA南支轴线的异常扰动活动则只能存在于东亚东部及其沿海上空的200 hPa层上。

长江中下游地区冬季极端降水事件与天气尺度瞬变波活动的可能联系

利用ERA40、NCEP/NCAR逐日再分析资料和长江中下游地区85站逐日降水资料,从大气内部天气尺度瞬变波的角度对长江中下游地区极端降水事件进行了成因分析。研究发现瞬变波活动与极端降水的发生关系密切;冬季在两支急流并存的欧亚大陆上空存在南北两支瞬变波活跃带。南支瞬变波在冬季极端降水频发、少发年存在较明显的差异。总体而言,极端降水频发年,瞬变波活动活跃,欧亚大陆上空的瞬变波持续时间长、传播连续、强度偏强;极端降水少发年,则反之。从逐日变化来看,南支瞬变波的强度和能量传播过程与极端降水的发生频次均具有一定的对应关系。北支瞬变波的传播及瞬变波对水汽的输送和极端降水的发生也有一定促进作用。这些结果均表明,冬季极端降水的发生与天气尺度瞬变波的活动联系紧密,天气尺度瞬变波的异常活动及传播可能是极端降水发生的重要条件,研究可为极端降水的成因研究提供新的思路。

天气尺度瞬变扰动的物理分解原理

大气变量可以在时空域内物理分解成四个部分.前两个是纬圈-时间平均的对称部分和时间平均的非对称部分,分别由太阳辐射和海陆分布热力调节的季节变化引起,并形成规则的逐日气候.第三部分是由年际和季节内的热带海洋或极地热力强迫引起的纬圈平均瞬变对称扰动,可形成大气变量的行星尺度指数循环.第四部分是一些复杂的天气尺度瞬变非对称扰动.大气变量中的逐日天气尺度瞬变扰动,可以用于指示区域持续性的干旱、暴雨、低温和热浪等极端天气事件.天气尺度瞬变扰动天气图能在极端天气事件的预报中发挥应有的作用.

天气尺度瞬变波滤波方案比较分析

利用观测资料,分别使用Batterworth带通滤波器和31点低通滤波器滤出天气尺度瞬变波,计算其方差分布后进行分析。结果表明,31点低通滤波器的滤波效果优于Batterworth带通滤波器,并且在厄尔尼诺年和反厄尔尼诺年效果更为显著。此外,在分别使用两种滤波器的情况下进一步分析、比较对时间序列直接滤波和剔除纬向平均的时间序列再滤波的结果,发现纬向对称部分的瞬变扰动对瞬变波的影响非常小,几乎可以忽略不计。

东亚—北太平洋大气环流和瞬变扰动的年代际变化

用NCEP/NCAR再分析资料,分析了东亚—北太平洋大气环流、大气斜压性和天气尺度瞬变扰动活动的年代际变化特征。东亚—北太平洋地区低层大气温度和比湿及高层的西风急流都存在明显的年代际变化。西风年代际异常与大气斜压性年代际异常之间有密切联系。夏季北太平洋北部到西伯利亚高原上空的天气尺度瞬变扰动活动年代际增强,但夏季低层瞬变热力和瞬变水汽强迫的年代际异常对北太平洋中纬度低层平均温度和比湿年代际异常的作用并不显著。冬季,西太平洋西风急流年代际增强与急流下方大气斜压性年代际增加相一致,使该地区瞬变扰动年代际增强,增强的瞬变扰动将更多能量传送给西风气流,巩固了西风急流的年代际异常。年代际尺度上冬季异常的瞬变热力强迫和瞬变水汽强迫对低层大气温度和比湿异常有显著的削弱作用。

北太平洋冬季海-气耦合的主模态及其与瞬变扰动异常的联系

利用45年的ECMWF再分析资料,使用SVD方法研究了冬季北太平洋地区表层海温(SST)异常与大气环流异常间的主要耦合模态,探讨了大尺度海-气耦合型与天气尺度瞬变扰动的相互关系。分析结果表明,中纬度北太平洋地区冬季存在两种主要的海-气耦合型,第1种耦合型反映了与ENSO紧密相关的中纬度北太平洋冬季海温异常分布型以及大气的PNA型,第2种耦合型SST异常集中在东亚沿海以及中纬度北太平洋海流区,相应的大气场则为暖(冷)SSTA上空东西向带状区域内位势高度偏高(低),明显独立于ENSO型。进一步的合成分析表明,在第1种耦合型SST正(负)异常年里,冬季阿留申低压主体位置偏西南(东北),从东北亚到北美西海岸的西北—东南向带状区域内是低层大气温度正(负)异常区和高层西风负(正)异常区,西风负(正)异常中心位于西风急流出口处的北太平洋中东部,而西风急流主体区的风速变化很小。在第2种耦合型东亚沿海至中纬度北太平洋海流区SST偏暖(冷)时,阿留申低压整体偏弱(强),SST暖(冷)异常上空的大气温度偏暖(冷),高层西风急流区西风偏弱(强)。两种耦合型均显示出在北太平洋中纬度地区大气和海洋的异常相关中心有很好的空间对应性。在两种耦合型下,中纬度北太平洋冬季的大气斜压性也发生截然不同的改变,引起中纬度天气尺度瞬变扰动活动异常。瞬变扰动异常的动力强迫作用对北太平洋西风异常的形成存在正反馈作用,而其热力作用则试图破坏与两种海-气耦合模态相关的大气温度异常型。

天气尺度瞬变波的结构特征

文中利用1980-2018年NCEP/NCAR的位势高度场再分析资料,以滤波后的位势高度均方差计算表征瞬变强度,选取多层位势高度,对北半球四季的天气尺度瞬变波结构进行了分析和比较,尤其对北太平洋风暴轴进行了重点研究。结果表明,天气尺度瞬变波在对流层300hPa上最强,夏季平流层也存在瞬变波的大值中心。风暴轴的强度在冬季较强,呈明显的纬向拉伸带状分布特征。北太平洋风暴轴冬季位置偏南,夏季偏北。

阿留申低压低频变化及其相关的瞬变动力学过程分析

利用NCEP/NCAR 1979—2013年的再分析资料,研究了冬季阿留申低压低频变化的环流特征,探讨了阿留申低压低频变化形成和维持的相关天气尺度瞬变强迫机制。冬季阿留申低压的低频变化在850 h Pa环流场上表现为北太平洋海盆区一个异常气旋/异常反气旋在局地强弱变化的过程,即阿留申低压在低频尺度上先异常增强/减弱随后逐渐恢复正常态的演变过程;850 h Pa上大气温度低频变化表现为低频冷中心在西北太平洋建立并逐渐东移的过程。对天气尺度瞬变扰动活动及其强迫的异常进行分析表明,北太平洋海盆区上空的瞬变动力强迫在阿留申低压异常增强的时期为负异常,有利于阿留申低压低频变化异常空间型的形成和维持。由瞬变热力强迫异常引起的温度倾向异常场表现为北太平洋中部以40°N为界南正—北负的空间分布,其南部正异常在一定程度上抑制和削弱了低频冷中心向南的扩张。

冬季华南降水年际变化的环流特征及对前期海面温度异常响应

利用我国160站降水观测资料、NCEP/NCAR再分析资料以及英国哈德莱中心的海表面温度资料,分析了华南冬季(12月至次年2月)降水年际变化的大气环流特征以及对前期海面温度(Sea Surface Temperature,SST)异常的响应。结果表明,东亚高空急流异常偏南(偏北),东亚大槽减弱(增强),天气瞬变扰动和南支槽加强(减弱),来自孟加拉湾和南海的西南风在华南形成异常辐合(辐散),从而有利于该地区降水异常偏多(偏少)。ENSO型SST异常不能完全解释华南降水异常年南支槽和低层环流特征,进一步研究表明,导致华南降水异常的南支槽和低层风场变化与热带印度洋和赤道西太平洋SST异常关系更为密切。由前期热带印度洋和赤道西太平洋构建的SST指数和华南冬季降水相关达到0.44,两者相关系数在SST指数超前1个月时达到最大,对华南冬季降水具有一定潜在预报意义。

中国冬季极端低温事件与天气尺度瞬变波的可能联系

利用NECP／NCAR再分析资料和中国743站逐日气温资料，从大气内部天气尺度瞬变波的角度对中国冬季极端低温进行了成因分析，发现瞬变波活动与极端低温的发生密切相关．首先，典型年的研究表明，1967年冬季较强的西风急流为瞬变波的传播提供了良好的通道，欧亚大陆上空有两列强而稳定的天气尺度瞬变波，我国地处这两列波的下游，受其影响较为明显，极端低温发生频繁，且上游瞬变波的整体强度及波列到达位置与极端低温的强度、发生区域一致；2006年西风急流较弱，相应的瞬变波路径短，强度较小，地处下游的我国极端低温发生较少．其次，就长期变化而言，西风急流与极端低温发生频次的年代际变化较为吻合，而瞬变波传播路径在20世纪80年代前后有年代际的改变，进一步研究发现1959～1979年和1986～2006年关键区瞬变波强度与极端低温频次的年际变化基本一致；且较频发、较少发的年份瞬变波各要素的合成场分别与1967和2006年相一致．这些结果均表明，极端低温的发生与天气尺度瞬变波活动关系密切，天气尺度瞬变波传播、发展可能是极端低温发生的重要条件，该研究为极端低温事件成因研究提供了新的视角．

大气对黑潮延伸区中尺度海洋涡旋的响应——冬季暖、冷涡个例分析

采用动态合成、带通滤波等方法,通过对冬季黑潮延伸区暖、冷两个中尺度海洋涡旋的分析,研究了大气对中尺度海洋涡旋的响应特征。结果表明,海表温度(SST)与近海面风速的正相关关系在涡旋的动态合成图上清晰可见,暖(冷)涡上空对应10 m风速的极大(小)值,即海洋对大气的强迫作用在日时间尺度上表现显著;SST高低值中心基本对应10 m风无辐散区,暖(冷)涡上空为异常正(负)涡度分布;暖(冷)涡上空潜热、感热通量增大(减小),降低(增大)大气稳定度,从而加强(减弱)边界层垂直混合作用,使得海洋大气边界层增厚(变薄)。暖(冷)涡旋上空对应摩擦速度极大(小)值,反映了湍流粘性力在高(低)海温中心增大(减小)的特征,表明动量垂直混合机制在中小尺度海气相互作用中起着主要作用。中尺度海洋涡旋能够影响大气瞬变扰动,大气瞬变扰动强度在暖(冷)涡下游上空出现极大(小)值,该影响不仅表现在海洋大气边界层,在自由大气中低层也有较为清晰的反映。此外,从能量转换的角度入手,发现斜压能量转换在中尺度海洋涡旋影响大气瞬变扰动强度中贡献明显。

东北冷涡持续活动的分析研究

本文首先分析了东北冷涡的持续性活动特征，然后讨论了东亚大气１０～２０天低频振荡及瞬变扰动对东北冷涡持续活动的影响。结果表明，准双周振荡在我国东北地区十分活跃，从时间连续的低频天气图上发现，该地区附近周期性循环出现的低频气旋同东北冷涡的形成和发展关系密切，并且其传播路径也较有规律。另外，本文还通过Ｅ矢量分析以及月平均准地转位涡的收支计算，研究了东亚大气瞬变扰动对形成时间平均冷涡的影响，得出，在时间平均东亚阻高／东北冷涡偶极子系统控制的区域附近有瞬变扰动动能向时间平均气流动能转换，同时这里也存在有明显的Ｅ矢量辐合，导致平均西风减弱，而有利于经向环流的发展。时间平均气流的位涡平流不利于阻高／冷涡偶极子系统的存在，且使偶极子系统高、低压中心的经向距离拉大，而瞬变扰动的位涡输送则有利于冷涡高位涡值和阻高低位涡值在原地维持。

北半球冬季大气环流低频异常变化特征的研究

本文使用观测的北半球冬季逐年月平均500hPa高度场资料序列,对5种低规变化模态对应的正指数和负指数环流异常的持续性和稳定性特征进行了统计分析和动力学诊断,发现对不同指数的低频变化模态其持续性和稳定性的特征不同,它们之间有内在的动力学关系。最后讨论了这些结果对长期天气预报的意义。

天气预报的三次跃进

回顾过去100多年,天气预报经历了两次跃进:第一次是地面和高空天气图的绘制和应用(空间上的跃进),第二次是数值预报的实施(时间上的跃进)。经过这两次跃进,天气预报已经走过了从经验和定性描述到今天定量计算的一门数理学科。洛伦兹发现大气混沌现象后,天气预报正在经历从单一确定论到多值概率论的第三次跃进(观念上的革命),并试图通过量化或简化不确定因素来提高天气的可预报性和降低预报的不确定性。重点介绍两种现行的量化或简化不确定因素的做法:一是直接面对问题(量化),即用集合预报的方法,定量描述预报的不确定性,使之成为预报的一部分,让用户在决策时科学地应用更全面的预报信息;二是绕开数学上的难题(简化),把大气变量分解为瞬变气候与瞬变扰动两个部分,用瞬变扰动建立与异常天气之间的联系。

人类活动影响20世纪厄尔尼诺-南方涛动变化

厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)是地球气候系统在年际时间尺度(2~8年)上最强的海-气耦合变异现象,对全球极端天气、渔业生态环境及人类经济社会产生广泛而深远的影响[1].全球变暖背景下ENSO究竟如何发展变化,决定着ENSO对天气、气候、生态和农业等生产生活要素的影响范围、程度及方式.

联合太阳和行星际物理参数预测行星际激波能否到达地球

选取第23太阳活动周（1997--2006年）期间542例由太阳爆发活动驱动的行星际激波事件，分析确定了太阳源头和行星际空间中影响行星际激波能否到达地球轨道的关键物理参数；在此基础上，建立了预测行星际激波能否到达地球的新预报模型（EdEaSPM）．回溯预报结果表明，EdEaSPM模型的预报成功率约为66％，略高于国际一流预报模型的预报成功率；EdEaSPM模型的虚报率未超过50％，改善了当前国际主流模型虚报率较大的情况；对于偏度指标，虽然当前所有模型的偏度值均大于1，但EdEaSPM模型的偏度值最接近于1且明显小于其他模型的偏度值；EdEaSPM模型的其他评价指标也都高于国际主流模型的相应指标．此外，选取2012年期间的激波事件对EdEaSPM模型进行了预报检验，预测结果与实际情况吻合．EdEaSPM模型不仅能够提前约1—3天进行预报，而且预报效果与国际一流模型具有可比性，尤其是在提高预报成功率及降低虚报率方面具有一定优势．

伴随冬季北太平洋副热带海洋锋强度变化的大气扰动异常及对中纬度大气平均场的影响

中纬度海洋热力状况异常影响大气主要通过两种途径：非绝热加热的直接强迫作用和大气瞬变涡旋反馈的间接强迫作用,而后者的作用并没有被很好地认识.为了进一步理解间接强迫作用的物理机制,本文利用观测资料分析和区域大气模式模拟,研究了伴随冬季北太平洋副热带海洋锋强度变化的中纬度大气场异常,特别是对流层中高层不同频率的涡旋扰动活动的异常.实际观测和数值试验结果均表明,当北太平洋副热带海表面温度锋偏强时,其上空的中纬度大气经向温度梯度增强;对应此时的大气斜压性增强,且中纬度大气西风急流整层加速;然而增强的大气斜压性并不对应一致性增强的大气涡旋扰动活动.中纬度大气的涡旋扰动根据其生命周期,进一步划分为高频（2~7天）和低频（10~90天）涡旋扰动.研究结果表明偏强的北太平洋副热带海洋锋对应着增强的中纬度大气高频涡旋扰动和减弱的低频涡旋扰动;其中,中纬度大气高频扰动活动的增强,将有利于削弱中纬度大气经向温度梯度,从而减弱中纬度大气斜压性;而高频扰动对纬向风倾向项的正贡献,有利于中纬度急流中心北侧及下游区域的西风加速,形成中纬度西风相当正压结构的增强;大气低频扰动的减弱,对中纬度大气纬向风倾向项产生负贡献,不利于急流的纬向均匀化,而其热力强迫异常则有利于维持中纬度对流层中层大气的经向温度梯度.