冬季北半球对流层极涡天气型的长期变化特征及其成因

本文首先基于1979~2019年ERA5逐日再分析数据集,采用自组织映射(SOM)神经网络方法对冬季北半球对流层极涡进行客观分型,分析了极涡天气型的时间变化特征,揭示了冬季北半球极涡天气型长期变化的成因。结果表明:(1)根据极涡中心位置,极涡可分为绕极型、偶极型、偏欧亚型和偏北美型,其中绕极型和偶极型为主导环流型。绕极型和偶极型的出现频次分别呈现显著减少和增多的趋势,并具有明显的年际和年代际变化。(2)绕极型的长期减少和偶极型的长期增加主要是由于北极地区快速升温导致北半球中高纬度区域间的经向温度梯度不断减小,大气斜压性减弱,进而引起绕极西风环流减弱,使得北半球极涡的强度减弱,极涡极易分裂。随后基于第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)中一个海气耦合模式(CESM2)的工业革命前参照试验(piControl)和CO_(2)浓度每年增加1%的强迫试验(1pctCO_(2))数据集,采用上述同样的方法进一步探讨了极涡绕极型和偶极型的长期变化与全球增暖的关系,发现无论在piControl还是在1pctCO_(2)试验中绕极型和偶极型极涡仍为主导环流型,但在piControl试验中绕极型和偶极型的出现频次无显著变化趋势,而在1pctCO_(2)试验中绕极型和偶极型则分别表现为显著减少和增多的趋势,进一步验证了观测中这两类极涡天气型的长期变化与全球增暖密切有关。同时本文也使用了CMIP6中其他11种模式做了对比分析,发现结果可靠。

中国冷暖冬季节内交替的时空特征及其与北极极涡振荡的关系

近年来,中国冬季气温除了全国性增暖或降温的年际与年代际变化,其季节内的差异也逐渐明显。本文利用1980~2020年台站及再分析资料,运用时时矩阵的多变量正交经验函数(Multivariable Empirical Orthogonal Function, MV-EOF)分解并结合功率谱分析法,分析了主要反映我国冬季气温在前冬和后冬呈反相变化的主模态特征。结果表明,由白令海–阿拉斯加、北欧和北美区域构成的冬季北极三叶型极涡振荡与我国冬季前后冬的冷暖交替存在密切联系。当冬季北极涛动处于正位相且北极“三叶型”极涡振荡为正位相时,北欧高压脊在前冬加强且异常偏北而后冬位置偏南,引起北极极涡在前冬向极收缩而后冬向赤道扩张,进而影响北极冷空气南下入侵我国,造成我国冬季呈前冬暖后冬冷的特征;而当冬季北极涛动为负位相且“三叶型”极涡振荡为负位相时,北极极涡主要受到白令海–阿拉斯加脊在后冬异常增强的影响,北极极涡横轴由前冬的向南扩张转为后冬向北收缩,对应于我国前冬冷后冬暖的特征。

对流层北极极涡强度和形态的年代际变化及其季节性特征

基于1960~2020年的NCEP/NCAR再分析资料中500 hPa月平均位势高度场数据,结合500 hPa描述北极极涡边界的特征等值线,本文定义并计算了对流层描述北极极涡物理特征的范围指数、强度指数和综合指数,并在此基础上分析了1960~2020年对流层北极极涡的季节变化以及年际年代际变化特征,初步探究了全球变暖背景下北极极涡的强度和形态变化新特征及其与北极放大的关系。结果表明:1) 北极极涡的范围和强度具有一致的季节变化特征,夏季7月份极涡范围最小,强度最弱,极涡边界特征等值线(5560 gpm)呈四波结构;冬季1月份极涡范围最大,强度最强,极涡特征等值线呈现三波结构。2) 北极极涡的综合指数与强度指数具有高度一致的年际年代际变化特征,除夏季外,其他季节二者之间的相关达0.99以上。北极极涡的变化主要体现在极涡强度的年代际减弱,年代际转折时间发生在1995年前后,秋季的年代际减弱最显著。3) 北极极涡的空间形态也发生了显著的年代际变化,特别是在春季绕极非对称的北极极涡中心在后一年代时段分裂成东西半球的欧亚和北美两个中心。

南极海冰和极涡指数的时空特征及相互关系

本文采用聚类分析方法将南极海冰距平划分成５个变化相似的区域。并计算了对应各区的南半球５００ｈＰａ极涡面积和强度指数。分析了海冰与极涡指数的时空特征及相互关系。结果表明，不同区域的海冰和极涡的气候特征和年际变化的差异十分显著。１区和４区的海冰变化最大。海冰范围和极涡指数在多数区都在２—２．５ａ和５—７ａ的振荡周期。仅发现１区海冰范围是扩张趋势，其他４个区都呈收缩趋势。南极平均海冰范围以１．６个纬度／１０２ａ的趋势减小。南半球各区极涡面积都是呈显著的减小趋势。３个区的极涡强度呈增强趋势。各区海冰与极涡的相互关系十分明显，但比较复杂。海冰与大气相互作用的最敏感区是在５区和１区，即东南太平洋至南大西洋地区。

极涡对北半球冬季气温的影响

利用1951-2013年的NCEP/NCAR月平均气温、4次/d的日平均气温、位势高度再分析资料和国家气候中心74项环流指数中的10项极涡指数,统计了近60 a 100、300、500、1 000 h Pa等压面上北半球冬季气温的演变特征以及10项极涡指数与冬季气温的相关关系,讨论了极涡面积和强度指数的变化对北半球冬季气温的影响.结果表明,以20世纪70年代为界,北半球冬季气温呈先降低后升高的变化趋势,所关注的4个等压面上,气温年代际变化均较为明显.300、500、1 000 h Pa等压面上于70年代前中期气温开始升高,而对于100 h Pa等压面上的气温,80年代初期气温突然升高,随后下降.亚洲区极涡面积指数和北美区极涡强度指数与300、500、1 000 h Pa等压面上的冬季气温呈显著相关,且相关系数均为负值.冬季气温与极涡面积和强度指数的相关系数显著的个例在1 000h Pa等压面上分布最多,随着高度的升高,显著的个例逐渐减少.极涡对2012年冬季发生在欧亚大陆和2013年冬季发生在北美洲的极端低温事件有显著影响.

2008年中国南方雪灾与平流层极涡异常的等熵位涡分析

2008年1月中国南方遭遇罕见的大范围冰冻雨雪灾害,本文利用NCEP/NCAR逐日再分析资料和等熵位涡分析方法,分析了这次冰雪灾害期间平流层极涡的变化及其对对流层的影响。结果表明:平流层极涡在2007年12月已经开始增强,到1月中旬亚洲北部极地平流层极涡变得异常强大。高位涡冷空气向南扩展时,沿着倾斜的等熵面运动,从极地平流层上层一直延伸到中低纬度对流层。低层高位涡冷空气主体比较靠北,华北一带为低位涡区;南方为高位涡区,呈东北—西南向伸展,引导北方高位涡主体冷空气和西南暖湿气流在此汇合,引起大范围降温和降雪。

副高、极涡因子对我国夏季降水的影响

利用奇异值分解方法 (SVD)分别分析了北半球副高指数和北半球极涡指数对我国夏季降水 ( 6～ 8月 )的影响 ,并详细讨论了对我国夏季降水影响重大的具体关系 ,以及它们影响的区域情况。研究发现 ,我国夏季降水主要受前期冬季极涡强弱的影响。冬季副高因子的影响是半球范围的 ,而春季副高因子的影响主要取决于我国南部的副高系统。综合研究极涡、副高两者对我国夏季降水的影响要比分别研究它们各自的影响所得模态的代表性好 ,预报价值也更高。

平流层极涡变化与我国冬季气温、降水的关系

利用国家气候中心提供的1951-2010年逐月环流指数资料,分析了北半球极涡强度指数、面积指数和中心强度指数的相关关系,并通过极涡强度指数的变化讨论了冬季北半球极涡强度的时间变化特征。结果表明,冬季极涡强度指数与面积指数和中心强度指数有较好的相关性,能够更好地反映冬季极涡强度的变化特征;冬季极涡存在准13年的年代际振荡周期,准5年的年际振荡周期在20世纪90年代后期较为明显。结合气温、降水观测资料和NCEP/NCAR月平均再分析资料,探讨了极涡强、弱不同年份我国冬季气温、降水和大气环流形势的变化。相对极涡弱值年而言,极涡强值年我国北方地区、东部地区特别是东北地区的气温偏高,西南大部分地区的气温偏低,长江流域和华南地区的气温变化不明显;我国南方地区降水偏多,长江中下游和华南地区的降水偏多最为明显,北方地区的降水略有减少;500hPa高度场上高纬度地区的位势高度降低,中高纬度的位势高度升高,冷空气向极地聚集,东亚大槽减弱,我国东北和东部地区的气温偏高;同时东亚冬季风减弱,湿空气向我国内陆输送,长江流域和我国南方地区的降水偏多。

亚洲东部冬季地面温度变化与平流层弱极涡的关系

利用NCEP资料计算NAM指数和标准化温度距平,对17次平流层弱极涡事件时亚洲东部温度变化进行了研究。结果表明:平流层环流异常比对流层温度变化超前约15天,地面温度变化的最大距平出现在平流层弱极涡后期,大约以40°N为界,北部比正常年份偏冷而南部偏暖。文中通过位势涡度的分布和变化以及500hPa东亚大槽的变化讨论了其影响过程和机理,在弱极涡初期和中期,自平流层向下,高位涡冷空气主要局限于60°N以北。从弱极涡的后期开始,在45°N以北地区,高位涡冷空气向南扩张,在对流层中上层,极地附近的高位涡冷空气扩张到45°N附近。同时,500hPa东亚大槽虽有加强,但低压区向东延伸,而贝加尔湖附近的高压脊显著减弱,致使槽后的偏北气流减弱,槽后冷空气主要影响中国华北、东北及其以北地区,造成这些地区偏冷。而40°N以南地区,从弱极涡的后期开始有南方低位涡偏暖空气向北运动,同时冷空气活动减少,地面显著偏暖。

中国气候过渡带干旱化发展趋势与东亚夏季风、极涡活动相关研究

利用国家气候中心1961～2000年中国160个测站降水量和NCEP/NCAR全球再分析资料,采取线性趋势变化、相关和水汽输送等分析方法,揭示中国大陆40 a的年和季降水变化趋势显著区域的时空分布特征,探讨与东亚夏季风和极涡活动的某些相关.结果表明:(1)经内蒙古中东部、山西省、河南省、陕西省和甘肃省东部至湖北省西部、四川省西北部和重庆市年降水量线性下降趋势较显著(其中相当部分为中国的气候过渡带),并明显向东与华北大部、东北地区中南部、环渤海地区、山东省和江苏省北部线性下降较显著区连成一片,构成占中国国土面积约1/5的气候变化干旱化区域,其中20世纪90年代年平均降水量负距平为50～100mm的面积约达90万km2,其季节变化主要为夏、秋两季降水锐减,长江中下游、东南部沿海和广东省大部年降水量线性上升趋势显著,其中江西省20世纪90年代年降水量正距平在200mm以上;(2)20世纪90年代夏季1000～300 hPa水汽输送积分负距平区与中国40 a气候变化干旱化区域总体相吻合;(3)中国西部地区东部与华北、东北地区中南部、环渤海地区降水干旱化区域连成一片,原因是多方面的,文中初步揭示了与影响中国的东亚夏季风在30°N以北地区活动和太平洋区极涡强度指数自20世纪70年代前后减弱相关显著.

极涡研究进展

极涡是北极地区的一个深厚系统,它以极地为活动中心,最能体现高纬大气活动特征,属大气环流最主要的系统之一,通常与副热带高压、阻塞高压、季风等环流系统相互配合,在全球天气气候变化中起着至关重要的作用。本文就极涡的气候特征、对天气气候的影响、变化机理及数值模拟等几方面的研究进展进行综述。在行星波破碎、平流层爆发性增温、平流层对流层的动力耦合等过程中,极涡也扮演着重要角色;极涡对HNO3、臭氧等大气化学成分渗吸和输送过程的影响显著,而这些化学成分的再分布对极涡有较强的反馈作用;极涡还受到海温、冰雪、植被甚至太阳活动等的影响。前人已经关于极涡做了不少研究,但在气候动力学方面,还存在一些问题,有待进一步加强研究。

平流层极涡偏移对我国冬季降水的影响

利用1970—2010年NCEP/NCAR再分析资料、我国160站月平均降水资料分析了平流层极涡向欧亚大陆偏移与我国冬季降水的关系。结果表明:1月极涡偏欧亚大陆强度指数与同期1月降水的显著正相关区域主要分布在我国中部大面积地区及新疆西南部的少数地区,显著负相关区域主要分布在新疆中部;相对1月而言,与后期2月显著正相关区域仍然主要分布在我国的中部地区但向西北方向延伸,使得华中北部、华北南部相对减少,而华北西部、西北东部等地区增大。对流层环流形势显示出在欧亚型强极涡年的1月,东亚冬季风和东亚大槽异常减弱,我国内陆中东部东南风距平显著,而贝加尔湖北部北风距平显著,南下的冷空气与暖湿气流交汇地区较常年偏北,同时我国中部地区低层水汽向上传播也明显增强,存在显著的水汽强辐合中心。

夏季亚洲极涡的长期变化对东亚环流和水汽收支的影响

主要分析了1951～2004年夏季亚洲极涡强度和面积的长期变化趋势及其对东亚夏季环流,水汽输送和降水量的影响,发现1951～2004年,夏季亚洲极涡表现出了明显的强度减弱,面积缩小的变化趋势,并以面积缩小更为显著,这正对应于北极涛动（AO）指数在该时段的显著升高.在这种北半球中高纬大尺度环流变化的影响下,东亚夏季高空西风急流在近54年显著南移,冷空气活动的南侵程度明显增强,从而造成低空偏北风显著增强而偏南风减弱.与此相应,近54年整个中国区域内低空纬向风速呈明显的减小趋势.总的来看,东亚夏季风环流发生了明显减弱.同时,流经中国的中纬度西风水汽输送在近54年也表现出一致减弱的趋势,而南风水汽输送大致以110°E为界,以东的夏季风区呈显著的减弱趋势而以西则有明显的增加趋势.这种水汽输送的变化影响了中国不同区域内水汽输送通量散度的改变,进而使得夏季降水量发生变化.分析表明,夏季亚洲极涡的面积和强度与东北、华北和西北东部的水汽输送通量散度和夏季降水呈正相关,而与长江中下游、华南、西南、青藏高原和西北西部呈显著负相关,夏季亚洲极涡在近几十年的面积缩小和强度减弱是中国夏季降水长期变化的一个可能原因.

北半球极涡新特征及其对中国冬季气温的影响

利用NCEP/NCAR再分析资料,统计了近50年500,300,200和100 hPa等压面上北半球及4个分区冬季极涡面积和强度指数,并讨论了各层等压面上不同区域极涡面积比例变化特点和500 hPa极涡中心位置变化特征,揭示了冬季各层极涡之间同期和滞后关系,分析了冬季极涡面积与中国平均温度和极端气温的关系。结果表明:(1)北半球极涡面积、强度均经历了先扩张后收缩的变化,20世纪80年代中后期气候变暖以后4层等压面上发生了极涡面积缩小,90年代中期发生强度减弱的年代际突变,只是较面积变化而言,强度年代际变化较弱,极涡面积和强度在年代际上相关显著。(2)位于平流层低层(100 hPa)的极涡年平均面积、强度最大,并且随季节变化幅度也是最大,尤以Ⅰ区(亚洲大陆区)、Ⅳ区(大西洋欧洲大陆区)更为显著。就年内变化而言,100 hPa极涡面积极大值的出现落后于其他层,极小值的出现又早于其他层,并且冬季前期100 hPa极涡面积对其后期500,300和200 hPa的变化有一定影响。(3)4层极涡面积都偏离Ⅳ区,500 hPa极涡基本偏向Ⅱ区(太平洋区)、Ⅲ区(北美大陆区),300,200和100 hPa偏向Ⅰ、Ⅱ区,500 hPa极涡中心多位于Ⅱ区或Ⅲ区。(4)在全球变暖背景下,近50年中国冬季平均气温、暖日(夜)呈现明显的增加趋势,冷日(夜)呈明显的减少趋势,并且突变都发生在20世纪80年代中期。(5)中国冬季平均气温、极端气温指数与极涡面积相关关系以500hPa最为显著。分区来看与500 hPaⅠ区相关最为明显,300 hPaⅠ区、200 hPaⅠ区和100 hPaⅣ区次之。极涡从平流层低层(100 hPa)到对流层中层(500 hPa)是从IV区到I区逐渐影响中国冬季气温。(6)500 hPaⅠ区极涡面积的扩大有利于除东北以外中国大部分地区冷日/夜(暖日/夜)次数的增加(减少),而100 hPaⅢ、Ⅳ区、500 hPaⅣ区面积的扩大有利于中国北方大部分地区冷日/夜(暖日/夜)次数增加(减少),且极涡面积与冷(暖)夜的相关系数要高于与冷(暖)日的,与冷日(夜)的相关系数要好于与暖日(夜)的。

冬季北半球极涡强度对北太平洋风暴轴的影响

利用美国NCEP/NCAR再分析资料和中国国家气候中心北半球极涡强度指数资料,采用相关和合成分析等方法,初步分析了北半球极涡强度对北太平洋风暴轴的影响及其可能机制。研究发现,北半球极涡与北太平洋风暴轴之间有同步的强弱变化特征,在北半球极涡强度的高(低)值年,一般对应着风暴轴强度的增强(减弱),风暴轴区域扰动动能的加大(减弱),天气尺度涡动向极和向上的热量以及西风动量输送的显著增强(减弱)。进一步分析表明,极涡的异常变化可以通过改变欧亚大陆及其下游北太平洋上空的高度场,进而改变东亚西风急流的强度以及风暴轴上游的斜压性,从而对风暴轴产生影响。

涡动在南北半球平流层极涡崩溃过程中作用的比较

比较了南北半球春季平流层极涡的崩溃过程以及涡动在此崩溃过程中的作用。极涡的崩溃时间以平流层极夜急流核区最后一次西风转换为东风的时间来确定。结果表明南北半球平流层极涡的崩溃过程有着共同的特点,涡动和非绝热加热过程都对极涡的崩溃起着重要的作用,在极涡崩溃前平流层行星尺度波动活动明显,极涡崩溃以后,这种波动活动便迅速减弱。其中从对流层上传的行星波决定着极涡的具体崩溃时间。两个半球的差别主要表现在南半球极涡崩溃过程一般始于平流层高层,然后逐渐下传,而北半球这种下传不是很明显。其次,北半球平流层极涡崩溃偏晚年,极涡的减弱有两次过程,第一次为快速变化过程,第二次变化比较缓慢,而南半球平流层极涡崩溃无论早晚年只有一次减弱过程。长期的变化趋势分析表明南北半球平流层极涡的崩溃时间逐渐推迟,特别是20世纪90年代中后期以来,这种推迟更加明显。进一步的研究还发现,伴随着平流层极涡的崩溃过程平流层和对流层存在强烈的动力耦合,南北半球极涡迅速减弱前,各自半球的环状模指数也由负指数增加为正指数,表明低层环流对于平流层极涡的崩溃起到重要的作用;同时极涡不同强度所对应的低层环状模指数也不同,这可能与不同强度平流层极涡对于上传的行星波的反射有关。

东北夏季气温变化与北半球温度及极涡的关系

利用1961-2002年中国东北地区80个气象站夏季6—8月逐日气温、美国NCAR／NCEP再分析资料和国家气候中心环流因子资料，采用相关分析、SVD分解等方法，对中国东北夏季气温变化与中高纬主要环流系统的关系进行探讨。结果发现：中国东北位于东西伯利亚变温区南缘，其夏季气温年际变化规律和东西伯利亚一致；北极极涡边缘的形态变化影响东北夏季气温，不同的边缘形态对应东北不同的温度分布特征，主要是极涡边缘70°N左右的150～180°E和60～90°W两个关键区，其高度场的变化决定着东北夏季气温的变化。

北半球中高纬地区冬季大气臭氧与极涡强度关系

为全面了解冬季北半球中高纬度地区臭氧与同期北极极涡强度变化的相关关系,利用1979年1月至2011年12月欧洲中心再分析资料,选取了4个关键区(北极、东亚、北美和西欧),采用相关分析和E-P通量计算方法,分析了两者之间的相关关系并进行了机制研究。结果表明:(1)冬季北极平流层臭氧总量与极涡强度的负相关关系较好;(2)当极涡强(弱)年,极圈内和外围的北美部分地区臭氧总量显著减少(增加);(3)极涡强度弱时,上传到平流层的涡动热通量强,北半球中高纬地区E-P通量散度辐合增强,剩余环流加强,将导致该地区得到低纬高浓度臭氧的补充而使得臭氧含量增多;(4)1979-2011年上传到中高纬平流层的波动通量增加,造成极区温度增加,进而抑制非均相反应发生而使得极区臭氧含量增加。

北半球绕极涡的变异及其与我国气候异常的关系

本文利用近50a大气再分析资料和中国站点观测资料，通过定义绕极涡的总体面积指数，分析了北半球绕极涡的变异特征及其与我国气候异常的关系，通过考虑绕极涡的局地变异和利用SVD分析方法揭示了绕极涡的局地变异与我国气候变异的关系。结果表明：北半球绕极涡的总体面积变异表现为一致性的扩张或收缩变化特征，近50a来其总体面积具有收缩的趋势，这与全球增暖尤其是极区增暖有密切关系；叠加在这种趋势之上的既有年际变化又有年代际变化，主要周期大约是3～5a和8～12a。因此，研究绕极涡与我国气候的相关时分时间尺度来考虑更合理。北半球绕极涡的总体面积变异与我国气候异常的关系主要体现在年代际时间尺度上，当北半球绕极涡总体一致性收缩时，冬季我国大部分地区的气温都会随之变高，而降水偏多；夏季东北、华北、西南和华南地区气温偏高，降水偏少，而江淮流域气温偏低，降水偏多。反之亦然。北半球绕极涡的局地变异主要体现在西风带长波振幅的变异上，而其与我国气候异常的联系主要表现在年际时间尺度上，当东亚大槽减弱时，冬季我国中、东部大部分地区气温偏高，降水偏多；夏季江淮流域和四川盆地气温偏低，其它地区气温偏高，降水变化不明显。反之亦然。

2007/2008和2008/2009冬季平流层强、弱极涡事件对应的行星波活动的对比分析

在对逐日气象资料进行纬向谐波分析的基础上,对比和讨论了2007/2008年冬季强极涡期间和2008/2009冬季弱极涡期间平流层和对流层不同波数的行星波的变化特征,特别关注强极涡或弱极涡发生之后,500 h Pa沿60°N和30°N行星波1波和2波振幅和位相的差异,以及相应的500 h Pa位势场的差异,进而讨论为什么不同的平流层极涡异常会对东亚有不同的影响,特别讨论为什么同一种极涡异常,对我国南北方近地面气温的影响会不同。结果表明:平流层极涡发生异常时,平流层行星波活动有明显的异常。随着极涡异常的下传,对流层行星波的振幅和位相也有明显的变化,而且,对于不同的纬度带,其变化又有不同,表现为:2008年1月强极涡发生之后,500 h Pa行星波1波和2波的扰动都向南伸,而2009年1月的弱极涡(SSW)期间和之后,1波和2波的扰动都偏北;在对流层,强极涡和弱极涡发生之后不但行星波1波和2波的振幅有所差异,其位相也有明显的不同。特别是,其位相的差异还随纬度而变化。就同一年(或者说对于同是强极涡或者同是弱极涡)而言,无论是1波还是2波,在60°N和30°N附近的扰动相比,几乎反位相。这样就使得它们的500 h Pa位势场也有明显不同:在东半球,主要表现为乌拉尔高压和东亚大槽的强度和位置不同。2008年1月强极涡发生之后,乌拉尔高压和东亚大槽东移,不利于冷空气向欧亚大陆北部(包括我国北方)的输送,使这些地区的温度偏高;而2009年1月弱极涡之后,东亚大槽西退,利于冷空气向欧亚大陆北部输送,导致这些地区较冷。对于同一种极涡异常(如2008强极涡或者2009弱极涡)由于南方和北方行星波扰动的位相不同,对南方和北方冷暖空气的输送也就不一样。所以同一种极涡异常对(我国)南北地区的温度影响是不同的。