盛夏亚洲大陆上空急流变化的两类模态及其与东亚大气环流异常的联系

基于NCEP/NCAR月平均再分析资料,利用EOF分解方法揭示出1960-2019年7-8月亚洲大陆上空西风急流变化的两类主要模态,并利用合成方法研究了两类模态与东亚大气环流异常的联系及其气候效应。研究结果表明,夏季亚洲大陆上空西风急流变化的第一模态为纬向风以急流轴为界南北的反位相变化,主要表现为急流整体的南北移动;第二模态为纬向风以青藏高原为界在东西方向上的反相变化,主要表现为急流轴的西南(西北)-东北(东南)向倾斜,该结论不同于以往大多数研究将第二模态定义为急流的强度变化。通过对大气环流异常的分析发现,急流的南北移动对应南亚高压同步的南北移动以及西太平洋副热带高压范围的变化,急流向南移动时,南亚高压脊线偏南,同时西太平洋副热带高压向南扩张,急流向北移动时则相反,该模态主要影响亚洲地区40°N以南的降水异常以及贝加尔湖一带、东亚和南亚的温度异常。第二模态即纬向风以青藏高原为界的反相变化主要伴随着南亚高压强度的东西振荡,急流轴呈西南(西北)-东北(东南)向倾斜时,南亚高压东侧(西侧)位势高度增强,该模态与西亚高纬度地区、中亚以及印度半岛的降水异常有关。此外,第二模态具有一定的特殊性,可影响整个欧亚大陆的气温,并呈现双偶极子型的异常分布。

广西1961~2022年寒潮气候变化特征及大气环流异常分析

研究全球变暖背景下低温寒潮的演变趋势是气候变化研究的基本问题之一,为人类的生产生活提供重要信息。本研究利用广西1961~2022年75个气象台站逐日平均气温和最低气温数据,根据广西寒潮标准,计算近61个寒潮年单站和区域的寒潮日数、频次和强度,并利用WS2001线性趋势变化评估方法、相关分析和合成分析等方法,研究了广西寒潮演变规律和大气环流的气候异常特征。结果表明:97.9%的寒潮发生在11月至次年3月,且12月至次年2月频次最高。寒潮日数和频次呈现东高西低、北高南低的空间格局,而寒潮强度则中部最高、东部次之、西部最低。近61年寒潮站日数和站次数呈减少趋势,且桂北和桂东减少速率高于桂南和桂西,而站平均寒潮强度呈弱的增加趋势,增幅高值在中部和东部区域,但广西区域性的寒潮从日数、强度和覆盖的站点数量均没有显著变化。广西寒潮主要发生季的气温增加显著,且在1998年发生气温突变,气候变暖后,尽管寒潮频次下降,但区域性寒潮日数降幅较小,站点和区域寒潮强度均表现为轻微的增加趋势。南海副高位置偏南、北半球中高纬度极涡面积和强度指数偏大、乌拉尔山高压脊偏强、东亚大槽偏弱、北极涛动和北大西洋涛动为负位相时,造成广西寒潮频次偏多。

陕西夏季旱涝与欧亚大气环流异常的关系

陕西处于青藏高原边坡地带,南北狭长,气候类型多样,地形复杂,生态条件脆弱,旱涝是夏季的主要气象灾害,因此分析其旱涝的成因对该地区防灾减灾具有重要意义。利用陕西78个气象站1961—2018年夏季(6—8月)降水资料、NCEP/NCAR高度场和风场再分析资料、西太平洋副高指数资料,通过相关、合成、多元回归分析方法,研究了陕西夏季旱涝与大气环流异常的关系。结果表明,500 hPa上乌拉尔山阻塞高压和西太平洋副高是影响陕西夏季旱涝的关键因素,当乌拉尔山阻高和西太副高偏强时,陕西夏季降水偏多,反之偏少。200 hPa西风急流位置与陕西夏季降水关系密切,急流偏南时陕西夏季降水偏多,反之偏少。西太平洋副高偏强、偏西时,陕西夏季降水偏多,反之偏少,副高脊线位置主要影响陕西夏季雨带的南北移动。

山西北部极端降水时空演变规律及与大气环流因子的响应

基于山西北部28个国家气象站点,1972—2020年逐日降水资料,选用8个极端降水指数,采用线性回归、Pearson相关分析、连续小波和交叉小波变换分析等方法,研究了山西北部极端降水的时空变化及其与大气环流因子的相关性和周期特征。结果表明:(1)在时间上,山西北部8个极端降水指数都是在20世纪70年代后期和21世纪00年代后期到10年代,年总降水量(PRCPTOT)、中雨以上日数(R10mm)、强降水量(R95P)、极强降水量(R99P)、1 d最大降水量(Rx1day)、5 d最大降水量(Rx5day)均增多,日降水强度(SDII)显著增强,持续湿期日数(CWD)也略有增多。整个20世纪80年代降水异常偏少。(2)在空间上,极端降水指数呈从东北向西南地区逐步增加的态势。从站点趋势变化来分析,大多数站点的极端降水指数呈上升趋势,其中,上升趋势最显著的站点均位于忻州市境内西南部。朔州市境内和忻州市东南部站点PRCPTOT和SDII都呈增加趋势,但CWD则呈减少趋势,由此说明朔州市境内和忻州市东南部地区发生极端降水事件的概率较大。(3)通过小波变换分析发现,1990—2020年山西北部极端降水指数表现出约4 a左右的周期特征。在选取的大气环流指数中,北大西洋涛动指数(NAO)对山西北部极端降水影响最明显,NAO越大,PRCPTOT、R10mm、R95p、R99p、Rx1day、Rx5day、SDII则越小,同时CWD也越少,山西北部产生少雨干旱的几率较大,反之,易发生多雨、洪涝现象。研究结果可为山西北部气象灾害的防御提供科学理论依据。

塔里木河流域夏季降水年际和年代变化的环流异常

基于1961-2020年夏季(6-8月)NCAR/NCEP再分析资料和塔里木河流域38个气象站降水资料,使用5 a滑动平均分离出该流域夏季降水年代际和年际变化,选出年际变化典型的干年和湿年与年代际变化的干期(1963-1986年)和湿期(1989-2018年),分析与这两种时间尺度变化相关联的大气环流异常。结果表明:影响年代际变化的大气环流异常主要是大西洋和欧亚大陆的对流层位势高度场从西北至东南交替出现反气旋和气旋距平环流。在湿期,分别在蒙古国和中亚的反气旋和气旋距平环流加强,塔里木河流域东部和西部分别出现明显的东风和西南风异常,来自西北太平洋和印度洋的水汽增多;在干期则相反。影响年际变化的大气环流异常主要是:在湿年,塔里木河流域之外的西北部和东北部的对流层都为显著的反气旋距平环流,塔里木河流域西部对流层为气旋距平环流,流域东部对流层为反气旋和气旋距平环流影响区;从南北方向向塔里木河流域输送的水汽增多,北风的水汽输送增加较多,南风的水汽输送增加较少,来自北冰洋和印度洋水汽增多;在干年则相反。

夏季东北冷涡持续性活动及其大气环流异常特征的分析

本文首先分析了夏季东北冷涡持续性活动特征及其对东北地区天气气候的影响 ,然后利用 NCEP/ NCAR1 958～ 1 997年月平均再分析资料 ,探讨了东北冷涡持续性活动与大气环流异常之间的联系。结果表明 ,东北冷涡持续性活动是导致东北地区夏季低温的一个十分关键的因子 ,同时对降水也有重要影响。冷涡活跃年夏季 ,50 0 h Pa高度场会出现以东北地区为中心的南北向和东西向分布的正—负—正距平波列 ,即与东亚阻高势力偏强而西太平洋副高位置偏南等大尺度环流背景相联系。在对流层中上层 ,高空西风急流有明显的分支现象 ,特别是亚洲中纬西风急流位置偏南。而在对流层中下层 ,东北地区和华北大部以及朝鲜半岛和日本北部等地由明显的气旋式距平环流所控制 ,并且源自东北及其以西地区的北风距平可一直推进至长江流域并转变为西北风距平 ,并与那里的西南风距平汇合而形成有利于该地区梅雨偏多时的环流形势 ,与此同时 ,长江中下游地区和四川盆地等容易出现垂直速度负距平、涡度正距平和散度负距平分布 ,而华北和华南大部上述物理量一般为相反的距平分布 ,从而对应少雨形势 ,并且中国北方地区 (长江以北 )对应负温度距平。当夏季东北冷涡活动偏弱时 ,一般会出现与上述相反的结果。

近50年广西大范围暴雨的大气环流异常分析

利用1961-2010年广西90个气象观测站的逐日降水资料和NCEP/NCAR再分析资料,运用Lorenz环流分解方法分析了近50年广西大范围暴雨的大气环流异常特征。结果表明,近年来广西发生大范围暴雨过程和平均暴雨日数均呈增多趋势。不同天气系统造成广西大范围暴雨的环流形势主要表现在副热带高压所处位置和强度的不同。从长时间统计来看,广西大范围暴雨与副热带高压的强度、北冰洋(130°E- 140°W,70°N-90°N)区域的纬偏成正相关关系,与格陵兰岛北部、赤道印度洋中西部和哈萨克斯坦东北部的纬偏值成反相关关系。北半球高纬度地区(75°N-85°N)和低纬度地区(20°N-30°N)定常波强度增强,中纬度地区(40°N-70°N)定常波强度减弱,低纬度10°N-30°N和中纬度35°N-55°N定常波不平稳度增强,可能是造成广西大范围暴雨日数增多的原因之一。在广西大范围暴雨过程中,北极附近区域为定常波最不平稳的地区。

2008年1月中国南部低温雨雪冰冻天气特征及其与东亚大气环流异常探讨

根据NCEP/NCAR提供的1968—1996年全球逐月、2008年1月全球逐日再分析资料以及中国气象局提供的降水资料,分析了2008年1月中国南部持续低温雨雪冰冻天气期间东亚地区中低空大气环流异常特征。结果表明,乌拉尔山阻塞高压和地面蒙古冷高压是这次灾害性天气重要的冷空气源地;700 hPa异常偏强的低空西南风急流以及低空急流大风速中心随时间沿急流轴的传播为此次低温雨雪冰冻天气提供了充足的动量、热量和水汽;850 hPa流场西太平洋上空异常东南风、印度洋上空异常西南风以及850 hPa垂直速度场中国南部大陆异常上升气流,在很大程度上影响着2008年1月中国南部的天气;赤道辐合带、西太平洋副热带高压以及南支槽的异常,致使东亚上空不仅存在异常的南支槽前西风带水汽输送和西太平洋副热带高压西南侧东风带水汽输送,还存在异常的由印度洋经孟加拉湾向中国南方大陆的水汽输送。

北极III区海冰面积低频变化对北半球冬季大气环流异常的作用

北极ＩＩ区海冰面积的低频变化所引起的热力强迫作用，可以激发出ＥＡ和类似于ＷＰ的大气遥相关型。冰气系统之间存在着３～４年的不规则振荡，在振荡过程中，它们是相互作用的。对比表明，北极ＩＩ区的重冰年和轻冰年。

1961—2014年云南冬季寒潮活动规律及其与大气环流异常的关系

利用云南122个气象站1961—2015年逐日最低气温和平均气温资料,分析了云南冬季寒潮的活动规律以及大气环流异常特征.结果表明:①1961—2014年(近50 a)云南冬季寒潮频次(强度)呈减少(减弱)趋势,1984年为寒潮频次(强度)由多(强)转少(弱)的一个转折点.云南冬季寒潮存在8 a左右的显著性变化周期;②云南冬季寒潮与气温、降水存在较好的协同变化.当冬季寒潮频次偏多(少)时,云南气温偏低(高),降水量偏多(少);③云南冬季寒潮频次年际变异与大气环流异常密切相关.在海平面气压场,冬季北极涛动为正(负)位相、西伯利亚高压偏强(弱)以及东亚冬季风偏强(弱)时,云南冬季寒潮频次偏多(少).在500 hPa高度场,当极涡偏强(弱)、贝加尔湖高压脊偏强(弱)、东亚大槽和南支槽偏强(弱)时,有利于云南冬季寒潮频次偏多(少);④副热带对流层上层的急流变化是影响云南寒潮频次变化的一个重要因子,其可能通过影响冷涌向南爆发的频次进而影响云南寒潮的发生频次.

2009/2010年我国西南秋冬春连旱特征及其大气环流异常分析

利用中国逐日站点降水资料、逐日季风监测指数及逐日副热带高压指数、74项环流指数及NCEP/NCAR再分析资料,分析了2009年秋季至2010年春季的秋冬春西南特大干旱过程中各指数及大气环流异常特征.结果表明:自2009年10月底东亚冬季风建立以来,至2010年春季,东亚冬季风强度持续偏强,加之西太平洋副热带高压较常年偏西偏南,西南地区长期受副高控制,气温持续偏高,加之冷空气虽然总体偏强,但主要控制我国北方地区,造成冷暖空气在西南地区少有交汇,致使降水偏少,干旱发生发展.印缅槽强度较常年偏弱,来自印度洋、孟加拉湾以及南海的水汽条件不足,向西南地区输送的来自南海和孟加拉湾两条水汽通道的水汽通量均较常年偏弱很多,加之西南地区、特别是云南地区自2009年秋季以来,长期处于下沉运动的正距平区,造成这段时间西南地区干旱少雨,旱情持续.2009年9月El Nin珘o事件全面爆发,南海-西太平洋地区形成异常反气旋流场,该反气旋流场较常年偏西偏南,造成副高位置偏西偏南,从而使得云贵高原及其周边的印度季风区的降雨量明显偏少;高原地区及南海、菲律宾附近及热带辐合带地区OLR异常对西太平洋副热带高压的变化有一定影响,进而影响西南地区降水,其内在机制还有待深入研究.

海河流域盛汛期旱涝急转事件及其与大气环流异常的关系

利用1958—2012年海河流域30个气象站月降水资料、NCEP/NCAR月平均再分析资料及1974—2012年月平均向外长波辐射资料,分析了海河流域盛汛期旱涝急转事件及其与大气环流异常的关系。结果表明,南亚高压和西太平洋副高在盛汛期的月际振荡是海河流域旱涝急转形成的一个重要原因。涝转旱年及旱转涝年涝期对应于"西低东高"的流型(海河流域上游为低槽区,下游为高压区),冷暖空气活跃且易于较长时间在流域交绥,低层水汽输送较强且有正涡度异常,高层辐散和上升运动偏强,流域多雨偏涝;旱期则对应于"西高东低"的流型,西风带环流较为平直,低层有负涡度异常且水汽输送偏弱,高层辐散和上升运动偏弱,海河流域因而少雨偏旱。海河流域旱急转涝(涝急转旱)事件易发生在南亚夏季风偏弱(强)的背景下。海河流域盛汛期旱涝急转与初汛期流域上空气压场强度以及北太平洋涛动(NPO)、南半球环状模(SAM)存在显著的正相关,上述因子可能是旱涝急转事件的前期信号。

全球大气／热带太平洋耦合距平模式中由ENSO增暖引起的全球大气环流异常

本文利用全球大气／热带太平洋耦合距平模式模拟了一次类似于实际的ＥＮＳＯ增暖过程，并对由ＥＮＳＯ增暖引起的海洋和全球大气环流异常的主要特征进行了分析，指出：耦合模式中的ＥＮＳＯ增暖在热带地区主要伴随着赤道中西太平洋Ｗａｌｋｅｒ环流的减弱、中东太平洋气压降低以及表层辐合上升运动的增强；夏季和冬季低纬环流异常具有明显的差异性，夏季主要表现为印度夏季风环流的显著减弱和东亚季风的增强，而冬季则主要表现为赤道所有纬向环流圈均减弱；温带大气环流异常冬夏季也具有明显不同特征，夏季温带大气异常主要限于东半球，且发源于亚洲季风区，和赤道中东太平洋海温异常似无直接联系，但冬季温带大气异常则主要是发源于海温异常区的波列响应，反映了海温异常直接热力强迫的结果。另外，本文对耦合模式中的温带大气环流异常产生的可能机制也进行了讨论。

天津地区雨季降水异常年大气环流特征分析

利用1958—2009年天津地区和中国160站月总降水资料以及NCEP/NCAR月平均再分析数据资料集,采用相关分析和合成分析,分别研究了天津地区雨季降水的变化特征以及异常年同期(7—8月)和前期(前一年1 2月至当年6月)大气环流的特征。结果表明:天津地区的降水大部分集中于雨季且雨季降水存在着年际变化和年代际变化。天津地区雨季降水偏多年同期,西太平洋副热带高压主体偏北,天津地区西北部有低值系统发展,对流层低层有正涡度发展,辐合上升运动较强,南亚高压和高空副热带西风急流偏北,西南暖湿气流输送较强;雨季降水偏少年同期情况正好相反。此外,天津地区雨季降水与前期夏季6月SAM(南半球环状模)存在显著的反相关关系,这为天津地区雨季降水的短期气候预测提供了有参考意义的前兆信号。

华北夏季降水年代际变化与东亚夏季风、大气环流异常

利用华北夏季降水资料和NCEP/NCAR再分析资料,对华北夏季降水、东亚夏季风年代际变化特征及大气环流异常进行研究,发现一些有意义的结果:华北夏季降水变化存在明显的8a、18a周期,东亚夏季风变化18a、28a周期性比较明显,二者年代际变化特征明显,但华北夏季降水变化和东亚夏季风变化的周期不完全一致.华北夏季降水量变化在60年代中期发生了突变,东亚夏季风变化在70年代中期发生了突变.华北夏季降水与东亚夏季风变化存在很好的相关关系,强夏季风年,华北夏季降水一般偏多,弱夏季风年,华北夏季降水一般偏少,但又不完全一致.东亚夏季风减弱是造成华北夏季降水减少的一个重要因素,但不是唯一因素,华北夏季降水减少还与环流异常密切相关.在地面上,青臧高原地区、华北地区气温下降造成华北低压系统活动减少,不利于降水.在850 hPa层上,东亚中纬度的西南季风和副热带高压南部的偏东风、西北部的西南风异常减弱,使得西南气流输送水汽很多难以到达30°N以北的地区,而副热带高压西部外围偏东南、偏南气流输送到华北地区的水汽也大量减少,水汽不足造成华北夏季降水偏少.在500 hPa高度场上,80年代欧亚遥相关型表现与50年代相反,变为欧洲(+)、乌拉尔山(-)、中亚(+)形势,这种环流使得乌拉尔山高压脊减弱,贝加尔湖至青藏高原高空槽变浅,纬向环流表现突出,不利于冷暖空气南北交换.同时在500 hPa气温场上,80年代,西伯利亚至青藏高原西北部的冷槽明显东移南压到蒙古至华北地区,锋区位于华北以东以南位置,使得华北地区冷暖空气交汇减少,降水也因此减少.华北夏季降水减少是由于东亚夏季风减弱和大气环流异常造成的.

新疆夏季变湿的大气环流异常特征

利用1961—2003年NCEP／NCAR再分析资料和中国气象局整编的新疆夏季（6～8月）月降水量资料，分析了新疆夏季1971—1986年干旱期和1987—2003年湿润期的大气环流变化异常特征。结果表明：在平均环流场上，中亚-巴尔喀什湖槽及上下游地区脊的增强是新疆地区夏季变湿的环流场特征之一，且中亚-巴尔喀什湖槽随高度增加强度明显增强，200 hPa达到最强；源于低纬阿拉伯海向北直至中亚对流层低层偏南的强气流是湿润期环流异常、降水增多的又一特征，也是水汽重要来源之一；中亚上空高空急流轴南压是新疆夏季湿润期与干旱期高空急流最重要的差异特征。

CAM3模式模拟厄尔尼诺事件对大气环流异常的影响

采用CAM3(Community Atmosphere Model Version3)模式中海气湍流通量参数化原方案和改进方案,利用观测海温驱动CAM3模式进行气候模拟,以分析模式对厄尔尼诺事件影响气候变化的模拟能力。结果表明,采用CAM3模式海气湍流通量参数化改进方案,模式能够更好地模拟出由厄尔尼诺事件引起的北太平洋和北美地区大气环流的变化,尤其是对厄尔尼诺年冬季阿留申低压强度和与PNA遥相关型有关的500hPa位势高度异常的模拟。

北太平洋夏季大气环流的持续性异常及其对中国天气的影响

对太平洋北部持续性异常的研究表明，正、负异常的形势从发生、发展到消亡的演变过程十分相似，它们都始于东亚及西太平洋区域距平形势的变化，并在北太平洋及东亚地区出现一规则排列的距平异常区域，东亚及整个北半球的大气环流也相应地发生变化。太平洋北部环流的持续性异常对东亚特别是中国夏季的天气异常有重要影响。诊断分析和数值试验表明，夏季太平洋北部大气环流发生持续性异常与太平洋中低纬的海温异常关系密切。

扰动位能与大气环流异常的耦合关系及机理研究

本文在前期局地扰动位能理论工作基础上,进一步着眼于扰动位能与大气环流异常的关系和机理问题,采用奇异值分解(SVD)方法分析了扰动位能与高、中、低层大气动能的耦合相关模态以及年际变率情况,同时考察它与作为大气质量分布的海平面气压之间的相关关系,并从物理上初步探讨了扰动位能与大气动能以及质量的相关机理问题.结果表明,扰动位能自身变率的第一模态同时也是与大气环流异常场耦合变化的主要模态,与之相对应的大气动能和质量场的主模态也是其自身变率的支配模态,说明它们之间存在相互制约的物理机制.而且,热带外地区大气环流主模态特征的形成,与扰动位能兼具全球尺度纬向对称结构和局地尺度纬向非对称性密不可分.另外,冬季南北半球环状模指数与扰动位能的前两阶矩存在非常好的相关关系,而在夏季这种关系明显削弱,仅存在于南半球.

2000年以来淮河流域夏季降水年代际特征及大气环流异常

利用1961—2016年中国642站降水资料和NCEP/NCAR再分析资料,分析了2000—2016年淮河流域夏季降水年代际变化特征及相应的大气环流异常,并探讨了2000年前后预测信号的转变。研究表明2000—2016年淮河流域夏季降水具有明显的年代际变化,2000—2008年为降水偏多期,2009—2016年为降水偏少期,且两个时期降水差异显著。降水偏多和偏少期对应的大气环流有明显差异,淮河流域多(少)雨期,贝加尔湖高压脊(低压槽)明显,乌拉尔山和鄂霍次克海为低压槽(高压脊),南亚高压偏弱(强)偏西(东),东亚副热带高空西风急流偏弱(偏强),热带东风急流偏强(减弱),同时与南半球的索马里越赤道急流、马斯克林高压和澳大利亚高压偏强(弱)有密切关系。前冬北太平洋涛动(NPO)可以作为淮河流域夏季降水的一个前兆信号,但2000年前后前冬NPO与淮河流域夏季降水的关系发生了年代际转折,2000年之前两者为明显的负相关,之后转为正相关。2000年之前冬季强(弱)NPO年与2000年之后冬季弱(强)NPO年对应夏季乌拉尔山和鄂霍次克海为明显的高压脊(低压槽),贝加尔湖为低压槽(高压脊),西太平洋副热带高压位于我国南海到菲律宾北部(台湾附近海域),有利于淮河流域夏季降水偏少(多)。