“丝绸之路”型与东亚—太平洋型遥相关的低频特征及其对江淮流域夏季降水的影响

江淮流域夏季洪涝灾害主要归因于大气环流异常的稳定维持。不同大气遥相关的低频振荡及其协同变化对江淮流域夏季降水的影响机理是大气科学领域热点问题之一。利用ERA5逐日再分析资料和中国气象局提供的逐日站点降水资料,揭示了“丝绸之路”(SR)型和东亚—太平洋(EAP)型遥相关的低频特征及其对江淮流域夏季降水的影响机理。结果表明:SR型和EAP型遥相关的10~30 d低频周期与江淮流域夏季降水关系密切,SR型和EAP型遥相关各低频系统都经历了正负位相转换并逐渐达到峰值(谷值)。其主要表现为:①10~30 d低频200 hPa等压面经向风沿西风急流呈偏北风与偏南风的交替分布,当SR型达到负位相峰值时,江淮流域为偏北风控制,中纬度低频气旋加强,加速西风急流;②10~30 d低频西太平洋副热带高压西伸东退、南亚高压东移西撤,二者相向而行,在峰值位相重叠于对江淮流域降水有利的位置;③由东亚沿岸向西北移动的向外长波辐射异常波列亦表现出显著的10~30 d低频振荡特征,处于峰值位相时,向外长波辐射在江淮流域为负异常,有利于江淮流域降水;④10~30 d低频低层正涡度、高层负涡度的配置有利于低层辐合、高层辐散,导致上升运动增强,进而触发江淮流域低频降水。

东亚-太平洋遥相关型形成过程与ENSO盛期海温关系的研究

利用1961～2000年NCEP/NCAR再分析资料、扩展重建的海表温度资料（ERSST）和中国730个站旬降水资料,采用SVD和扩展SVD（ESVD）分析、合成分析、相关分析等方法,在分析中国梅雨期降水与同期大气环流和前期冬季海温之间关系的基础上,研究了ENSO盛期海温异常导致与长江流域梅雨期降水密切相关的东亚/太平洋（EAP）遥相关型形成的过程,及与ENSO相关的海温和大气环流异常的持续性问题。结果表明,梅雨期EAP遥相关型的出现与ENSO遥强迫作用有密切关系。联系冬季ENSO和梅雨期EAP遥相关型的关键过程主要有三个：（1）西北太平洋低纬地区异常反气旋环流的形成和维持,它在冬季形成后一直可维持到夏季,使得夏季西北太平洋副热带高压偏南偏强;（2）东亚大槽持续偏弱,冷空气活动路径偏北偏东,使西北太平洋海温呈亲潮区偏冷、黑潮区偏暖的海温分布;（3）PNA遥相关型的持续发展,使北冰洋地区高度增高。后二者通过局地海气相互作用和大气内部调整过程对初夏鄂霍次克海阻塞形势的形成起重要作用。另外,持续性分析表明,ENSO年大气环流和海温距平型的持续性要比非ENSO年大得多。在ENSO年大气环流和海温之间存在很强的相互作用耦合关系,ENSO引起的大气环流异常可导致太平洋海温异常,而海温异常一旦形成反过来又可导致大气环流异常的稳定和维持,对后期初夏东亚季风和我国天气气候产生明显滞后效应。

东亚-太平洋遥相关型波列对夏季东北亚阻塞高压年际变化的影响

利用１９８０～１９８８年９年的观测资料，分析了夏季东北亚阻塞高压的年际变化及其与江淮地区夏季降水之间的关系，指出夏季东北亚阻塞高压具有十分明显的年际变化，同时它与江淮地区夏季降水之间存在着较密切的关系：当夏季东北亚阻塞高压频发时，江淮地区降水偏多；而当夏季东北亚阻塞高压维持日数少时，江淮地区降水偏少。为考察产生上述结果的原因，我们分析了全球海温异常，并利用合成的热带西太平洋海温异常模拟研究了热带西太平洋海温异常对东北亚阻塞高压形成和维持的影响。最后指出热带西太平洋海温异常引起的东亚－太平洋型遥相关波列是产生夏季东北亚阻塞高压的年际变化及其与江淮地区夏季降水之间关系的一个重要原因。

冬季西太平洋遥相关型的环流结构特征及其与我国冬季气温和降水的关系

用近55 a资料研究了冬季西太平洋遥相关型(WP)异常环流特征及其与我国冬季天气气候的关系。结果表明:冬季西太平洋遥相关型与我国冬季天气气候关系密切。高指数年500 hPa高度场亚洲大陆上空中高纬为负高度异常,中纬度西风偏强,环流呈纬向型,对应海平面气压场上西伯利亚高压偏弱,东亚冬季风偏弱;低指数年情况相反。冬季西太平洋遥相关指数与我国冬季气温和降水存在显著的大范围正相关,与气温的高相关区为我国东部、南部沿海及西南地区所形成的U型区域,而与降水的高相关区则主要分布在我国东部地区。

亚洲-太平洋季风区的遥相关研究

亚洲—太平洋季风区各季风子系统间的相互作用对季风区甚至全球的气候变化都有非常显著的影响。文中根据国内外相关研究,重点分析和评述了在亚洲—太平洋季风区中4种季节内时间尺度的遥相关关系,清楚地揭示了印度夏季风、东亚夏季风和西北太平洋夏季风之间的相互作用。研究发现:(1)在亚洲季风爆发初期,印度夏季风的爆发相对于中国长江流域梅雨的开始存在相差大约两周的超前关系,形成从印度西南部经孟加拉湾到达中国长江流域及日本南部的遥相关型,即"南支"遥相关型。(2)在季风盛行期间,长江流域降水明显受热带西北太平洋夏季风的影响,与西北太平洋夏季风降水呈反相关关系,即当季风减弱时,长江流域夏季降水偏多。(3)与长江流域降水相反,华北雨季(7月第4候—8月第3候)则与西北太平洋夏季风降水呈正相关关系,当西北太平洋夏季风强时,西太平洋副热带高压异常偏北偏东,副高西南侧的异常东南水汽输送在中国华北地区上空辐合,给该地区降水偏多提供了充足的水汽条件。(4)华北夏季降水同时还与印度夏季风呈正相关关系,在夏季风盛行期间,形成由印度西北部经青藏高原到中国华北地区的西南—东北走向的遥相关型,即"北支"遥相关型。上述4种遥相关关系,反映了亚洲夏季风季节北推过程中,印度夏季风、东亚夏季风和西北太平洋夏季风子系统之间的关联。

东亚太平洋与欧亚遥相关型的相互配置及其气候影响

利用近60 a中国160站夏季降水资料和NCEP/NCAR月平均位势高度场、风场等再分析资料,采用相关分析和合成分析等方法对东亚太平洋遥相关型(EAP)和欧亚遥相关型(EU)的不同配置特征及其对中国夏季降水的影响进行了研究。研究结果表明:EAP与EU两种遥相关型是相互独立的,相关系数为-0.03。两者存在以下四种配置:EAP和EU均活跃且位相相同(第I类配置)、EAP和EU均活跃且位相相反(第II类配置)、仅EU活跃(第III类配置)和仅EAP活跃(第IV类配置)。EAP与EU呈现不同配置类型时,中国夏季的降水分布相应的存在差异。当二者之间是第I类配置时,降水异常分布呈北方型;当二者配置为第II类时,降水异常分布呈现出中间型,雨带集中在长江流域;第Ⅲ类配置时,降水大值区主要集中在长江中上游黄河以南地区;而第Ⅳ类配置时,降水集中在长江中下游地区,雨带呈东北—西南走向。

北太平洋海温的遥相关型

本文研究了北太平洋海水表面温度的遥相关型,指出:北太平洋海温有3个遥相关区,分别在西风漂流区、亦道东太平洋区和阿拉斯加湾区。这3个相关区的结构十分类似于大气中的PNA结构。用赤道东太平洋和西风漂流区之间的海温差作为太平洋海温指数PTI,它能代表北太平洋65％海区的海温变化,可以作为太平洋海温场PNA结构的变化指数,用来监视剧Nino和反E1 Nino事件的发生和发展。

西太平洋遥相关型的大气环流异常特征分析

使用欧洲ECMWF（ERA40）再分析资料，通过合成分析方法探讨与冬季西太平洋遥相关型（WP）相对应的的东亚大气环流的异常特征。研究表明：位势高度场，温度场，纬向风场和经向风场在WP正负指数年表现出反位相的南北偶极子型的相当正压结构在正异常年，阿留申低压和东亚大槽偏弱北移，东亚冬季风偏弱，东亚南区偏暖，西风急流异常北移；负异常年则相反。

华南6月降水异常及其与东亚—太平洋遥相关的关系

利用1959～2010年共52年的大气环流和降水资料,我们分析了华南前汛期季风降水(6月降水)的变化特征,发现6月华南降水与同期EAP(East Asia-Pacific,东亚—太平洋)遥相关型有显著的相关关系,两者之间的相关系数为0.35。EAP指数为正时,长江中下游以南的地区降水偏多,而长江以北和黄河之间的地区降水偏少。将华南6月降水分为与EAP相关的降水序列和与EAP独立的降水序列,比较了二者所对应环流异常的异同点。结果表明,与EAP相关的降水异常对应着EAP相关型的环流异常分布特征,降水为正异常时,850hPa风场从低纬度到高纬度呈现"反气旋、气旋、反气旋"的异常分布,湿的偏南风和干的偏北风在华南上空交汇,降水增多;而整个淮河流域上空为偏北风异常,导致南风带来的水汽输送减少,降水偏少,因此降水异常呈现偶极子分布。相比之下,与EAP独立的降水正异常对应的环流异常表现为热带西北太平洋上空的反气旋性环流异常,华南地区上空为显著的西南风异常,输送到华南地区的水汽增多,导致降水偏多。

初夏东亚—太平洋遥相关波列年际变化的一种物理机制

根据1978—2002年北半球500hPa高度场、地表温度场以及中国夏季雨带类型资料,应用最小二乘法获得了能反映1978—2002年各年北半球大气环流演变大尺度特征的25组空间谱函数。采用改进的低截谱模式方法和多种统计假设检验方法获得了夏季东亚—太平洋遥相关波列年际变化的一个物理机制。结果表明,当大气环流的内部动力过程中大尺度波-波和波-流相互作用明显时,大气环流的演变表现出明显的非线性特征,导致初夏从低纬到高纬东亚—太平洋遥相关波列多为"-、+、-"分布,相应的EAP指数多为正值,西太平洋副热带高压北跳明显,相应中国夏季多雨区主要位于淮河流域及其以北地区;反之,当大气环流的内部动力过程中大尺度波-波和波-流相互作用较弱时,大气环流的演变表现出较为明显的线性特征,初夏从低纬到高纬东亚—太平洋遥相关波列为"+、-、+"分布,EAP指数多为负值,夏季西太平洋副热带高压北进不明显,相应中国夏季多雨区主要位于淮河、长江流域及以南地区。

热带东太平洋海温与北半球大气臭氧层的遥相关结构

统计分析了１月份、７月份热带东太平洋海温同北半球大气Ｏ３层之间的季节性相互联系以及海温导致的Ｏ３层遥相关的空间结构。结果发现：１月份海温与Ｏ３层的空间相关区域明显地不同于７月份，并且相关符号呈相反趋势，因而由不同季节海温导致的Ｏ３层的遥相关型也不相同。此外，海温对Ｏ３层的变化存在着持续的影响，导致不同季节海温对Ｏ３层的影响效果产生叠加，使Ｏ３层对海温的响应表现出十分明显的波列结构特征。表明了热带东太平洋海温对北半球Ｏ３层的分布及其季节演变都具有重要的作用。

北半球大气遥相关型与区域尺度大气扰动

北极涛动(AO)、北大西洋涛动(NAO)和太平洋—北美型(PNA)等北半球大气遥相关型,可以用大气位势高度的物理分解扰动分量解释.结果发现,AO反映的是北极地区行星尺度纬圈平均扰动分量的变化,PNA与持续性天气尺度扰动分量相联系,NAO是行星尺度纬圈平均扰动与天气尺度扰动共同作用的结果.对行星尺度纬圈平均扰动分量和天气尺度扰动分量用旋转经验正交函数(REOF)展开,不但可以证实人们已经命名的区域性大气涛动,还新发现了北极地区的两对偶极涛动、欧亚涛动(EAO)和"大西洋—欧亚型"(AEA)波列.这些涛动连接了相邻地区的异常天气和异常气候.

夏季东亚大气遥相关型变化特征及其与长江中下游旱涝的关系

用 ５００ ｈ Ｐａ 高度场资料及中国 １６０ 个站的月平均降水资料，采用 Ｅ Ｏ Ｆ、合成分析和奇异谱分析等方法，分析了长江中下游旱涝年夏季降水与同期东亚大气环流的关系，结果表明长江中下游旱涝与 ５００ ｈ Ｐａ 高度场东亚太平洋遥相关型（ Ｅ Ａ Ｐ）关系密切， Ｅ Ａ Ｐ指数能较好地反映夏季 ５００ ｈ Ｐａ 高度场的配置及长江中下游降水。文中重点讨论了 Ｅ Ａ Ｐ指数的振荡周期及高低指数年西太平洋副高的变化特征。 Ｅ Ａ Ｐ指数 ３～６ 年、准两年及年代际变化反映了长江中下游旱涝的年际变化及年代际变化趋势。 Ｅ Ａ Ｐ高指数年（对应涝年），西太平洋副热带高压为纬向型，随季节南北移动较缓慢，副高位置偏南偏西，并且强度偏强；而 Ｅ Ａ Ｐ低指数年（对应旱年），西太平洋副高呈经向型，随季节由西南向东北移动较迅速，副高偏东偏北，并且强度偏弱。

北太平洋冬季西部发展型天气尺度涡旋对平均流的影响

在中纬度北太平洋大气强斜压区,存在频繁的天气尺度涡旋活动,通过水分、动量和能量输送维持大气环流。为了进一步研究天气尺度涡旋发生发展与大尺度环流之间的联系,利用1981—2013年再分析资料,筛选出西部发展型天气尺度涡旋114个偏强日和87个偏弱日,给出了西部发展型天气尺度涡旋异常导致的动力和热力强迫的变化,同时从能量转换的角度分析了西部发展型天气尺度涡旋与平均流之间的相互作用,并探讨了其与西太平洋遥相关型的关系。结果表明:西部发展型天气尺度涡旋通过动力强迫和热力强迫影响平均流,其中动力强迫主要造成北太平洋中纬度上空的西风气流加速并向北移动;热力强迫的作用则是减弱中纬度大气斜压性。同时,强西部发展型天气尺度涡旋有利于西北太平洋上空对流层低层斜压有效位能向扰动动能的转化增大和扰动动能向平均流的转化增大,有利于中纬度地区对流层高层平均流向扰动动能的转化增大。此外,西部发展型天气尺度涡旋通过与平均流的作用,对维持西太平洋遥相关型的负位相有一定影响。

北半球夏季EAP遥相关型的时空及环流特征研究

为更好地分析近年来EAP遥相关的时空变化特征,利用1951-2016年NCEP再分析资料,并主要采用合成分析的方法着重对夏季EAP的空间结构以及环流特征等进行了讨论和分析。结果表明,夏季EAP遥相关型的空间模态在各个层次和高度中都有体现,尤其是在对流层中层,并且中心位置都非常接近,表现出了明显的相当正压结构。同时EAP遥相关型主要存在的是准3年周期,主要以年际变化为主。EAP遥相关高指数年分布都呈现"-+-"的分布,西太平洋副热带高压偏北偏东,华南和华北地区降水偏多,而江淮和长江中下游地区夏季降水偏少,且有可能发生干旱;低指数年则为"+-+"的分布形势,西太平洋副热带高压偏西偏南,中国江淮流域等地区夏季降水偏多,并可能发生严重的洪涝灾害。

夏末亚热带太平洋至楚科奇海微微型浮游植物群落

依托2019年8月至2019年9月中国第十次北极科学考察,基于流式细胞术,对亚热带太平洋至楚科奇海的表层微微型浮游植物丰度、细胞大小和色素含量的变化特征进行了分析,研究了各类群的环境适应性。结果表明,微微型浮游植物群落未检出原绿球藻,仅包含聚球藻和微微型真核藻,其丰度范围分别为(0.1~46.7)×10^(3)个/mL和(1.1~43.2)×10^(3)个/mL;聚球藻和微微型真核藻丰度高值均出现在白令海陆架区,其丰度升高与营养盐浓度升高有关;聚球藻最小丰度出现在楚科奇海,而微微型真核藻最小丰度出现在亚热带太平洋。聚球藻和微微型真核藻的侧向散射光(与细胞大小有关)和色素荧光强度均存在两倍以上的变化,与纬度或温度不存在显著的相关关系。在相同温度条件下,营养盐限制会降低微微型浮游植物的细胞大小。聚球藻的细胞大小与色素含量不相关,而在微微型真核藻中两者存在同向变化。在全球气候变暖和北极冰盖减少背景下,微微型浮游植物在北极生态系统中的作用会增加,对食物网和生态系统功能产生重要影响。

遥相关型对我国西南地区高温热浪天气的影响

为了进一步研究遥相关型对我国西南地区高温热浪天气的影响,本文利用中国西南地区148个气象站1979~2019年6~8月的逐日最高气温数据和NCEP/NCER的月平均位势高度场再分析资料,以6~8月500 hPa平均位势高度场作为夏季平均高度场,通过自然正交函数(EOF)分解得到西南地区高温热浪的时空分布特征,再分别对东亚–太平洋(EAP)遥相关型典型正负异常指数年的500 hPa位势高度场相对于1979~2019年夏季气候平均高度场作合成分析。结果表明:1) 总体看来,西南地区高温热浪次数分布东多西少,重庆为高温热浪次数大值区。2) 西南地区高温热浪次数具有整体增多的趋势,近几年都在增加但变化幅度不大,但是2006年是明显增多的异常年份。而且其空间分布具有明显的东西差异,在四川东部和重庆地区为大值区,其次是贵州和广西大部分地区,云南高温热浪次数较少。3) EAP遥相关型的年代际变化不明显,其主要是以年际变化为主的。EAP指数典型正负异常年的大尺度环流场具有比较明显的差异,典型正异常指数年,东亚夏季风比较强,而西太副高脊线偏北偏东,并且副高强度较弱;典型负异常指数年则刚好与之相反,夏季风较弱,西太副高脊线偏南偏西,且副高比较强。EAP遥相关型在500 hPa高度场中的异常分布特征对温度和大尺度环流形势有明显的影响,由此可进一步影响我国西南地区以及整个东亚的气候。

大气遥相关型对北京—乌鲁木齐航线民航客机不同巡航高度燃油流量的影响机制

近10年来全球变暖加剧,民用航空活动在影响气候变化的同时,也反过来受到气候变化的作用,其中对流层顶温度升高会在一定程度上影响民航飞机的燃油流量。本文以北京到乌鲁木齐航线和民航客机型号Boeing 757-200为例,研究了该航线上民航客机巡航阶段的燃油流量和气温的关系。相对于长期趋势变化和月距平变化,对流层顶温度的气候年循环变化对巡航阶段的燃油流量变化影响最大。同时发现Boeing 757-200在225hPa高度层附近进行巡航时的燃油流量最小。此外,通过使用尼诺3.4、北极涛动和东大西洋-西俄罗斯遥相关型指数对对流层顶位势高度和温度异常进行一元线性回归,发现这些遥相关型通过影响对流层顶的位势高度和温度变化,进而影响民航客机的燃油流量变化。

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。

中高纬度大气遥相关动力学及其对东亚冬季气候影响的研究进展

北半球热带外大气存在多种形态的大气遥相关。按其空间结构,可以分为两类:(1)异常中心为南北分布的偶极子型(例如北大西洋涛动、北太平洋涛动);(2)异常中心呈波列型(例如北太平洋/北美型遥相关、欧亚型遥相关)。这些遥相关活动及其变异,不仅对遥相关控制的地区,而且对与遥相关相距很远的地区的天气和气候也产生影响。研究大气遥相关的形成机理及其天气气候影响,是进行短期气候预测的基础。近十多年来北半球中高纬度的大气遥相关动力学研究取得很大进展,在此对一些主要进展进行总结,特别关注影响中国天气、气候的大气遥相关及其影响机理方面的研究进展。