春夏季热带东印度洋海温的季节内振荡及大气响应

基于1982—2020年OISSTv2.1数据集、NOAA Interpolated OLR数据集和NCEP/DOE II再分析数据资料,通过功率谱分析、位相合成法等方法研究了春夏季(3—8月)热带东印度洋海温季节内振荡的特征及大气的响应。结果发现春夏季热带东印度洋海温季节内振荡的显著周期主要集中在20~50天,强海温振荡事件主要分布在4—7月,关键区内对流抑制超前暖海温异常1/8周期,滞后冷海温异常3/8周期,反之亦然。春夏季海温异常激发的对流异常呈经向偶极子分布,且有明显的北移演变特征,但北侧的对流中心较南侧弱,即对流在北移过程中迅速衰减。使用K-means聚类法提取了两种具有显著差异的环流响应类型:北移型和局地型。北移型主要分布在夏季,表现为更有组织性的对流偶极子对,南北中心的强度和影响范围相当且北移特征更为清晰。在对流偶极子北移的过程中显著影响阿拉伯海上西南季风的强弱,对印度半岛夏季风季节内变化的影响较大。局地型主要分布在春夏转换季节,对流异常呈单一中心结构,移动性较弱,主要在热带东印度洋上空发展和消亡。热带东印度洋海温季节内振荡耦合的大气环流异常主要影响赤道印度洋地区,对热带外的影响较弱。进一步探究发现,背景东风切变的差异是导致两种对流响应差异的原因。夏季,北印度洋东风切变强,垂直风切变机制导致对流明显北移,春夏转换季节,东风切变弱,垂直风切变机制不成立,较弱的正压涡度平流机制引起对流微弱的北移,但主要在局地生消。

基于改进版NUIST CFS1.1的热带大气季节内信号及其对中国气温降水影响的预测评估

基于南京信息工程大学次季节气候预测系统(NUIST CFS1.1),通过调整成员的大气初始化方案并优化了集合预测方案,构建了性能更优、计算成本更低的9成员NUIST CFS1.1 Pro系统。进一步基于实时多变量Madden-Julian Oscillation(MJO)指数和两类北半球夏季季节内振荡(Boreal Summer Intraseasonal Oscillation,BSISO)指数BSISO1和BSISO2,评估了该预测系统对热带不同季节的大气季节内振荡(ISO)的预测技巧。结果表明,NUIST CFS1.1 Pro能分别提前26、17、12 d有效预测(距平相关高于0.5)MJO、BSISO1、BSISO2,对强事件(振幅>1)的有效预测时长能分别延长到30、21、13 d。此预测性能对比国内其他最新次季节动力模式如BCC_CSM2和FGOALS-f2有一定优势,同时在与国际S2S计划的8个主要业务预测系统的技巧对比中,NUIST CFS1.1 Pro在冬季MJO和夏季BSISO1预测上处于较为领先的水平,BSISO2的预测则处于中等水平;对不同位相的计算技巧显示,冬季MJO和夏季BSISO1的2、3、6、7位相较其他位相技巧更高。进一步的分析表明,NUIST CFS1.1 Pro能提前5候准确把握冬季MJO的东传特征,并能在一定程度上预测出其对我国气温异常的影响,尤其是对位相2、3时候的冷异常预测;而在夏季,则能提前4候正确预测BSISO1的北传、西北传特征,尤其能较好地预测西北太平洋上的对流和低层环流异常,从而成功预测出BSISO1造成的我国东部地区降水异常的空间形态。然而预测的强度较观测偏弱,这需要进一步的工作来改进。

热带季节内振荡在印尼海区域东传路径的分布及其机制

本文利用降水数据,从拉格朗日观点追踪了热带季节内振荡(MJO)路径,对其在海洋性大陆(100°~120°E)区域的分布及机制进行了探讨。以24h内超过12mm的降水范围为MJO的对流区域,以该区域的“重心”为MJO的对流中心,追踪MJO的路径,并形成其路径集。由于向东传播的MJO主要发生在北半球冬季,因此我们聚焦于MJO在北半球冬季的路径分布特征。结果表明,以降水量来衡量,MJO事件主要从赤道附近(5°S~5°N)通过印尼海区域。这和前人以对外长波辐射(OLR)为指标得到的MJO在印尼海区域向南偏折有明显的区别。此外,与MJO伴随的降水主要从赤道附近通过的结论不依赖于厄尔尼诺–南方涛动(ENSO)及印度洋偶极子(IOD)等背景气候态。机制分析表明,与MJO伴随的降水通过印尼海区域的路径主要受强的海表热通量异常的调制,而与暖海表温度(SST)异常的区域并不一致,这也造成了从降水和OLR两个不同角度看到的MJO通过印尼海区域的路径不一致。

夏季热带印度洋季节内振荡的北向传播特征

利用高分辨率的卫星资料和再分析资料,详细地探究1985—2017年夏季(5—10月)热带印度洋季节内振荡(TISO)的北向传播过程和特征。结果表明,印度洋TISO的北向传播可以分为3类:稳定型,对流信号起源于赤道以南,印度洋西部,稳定地向北传播至印度半岛北部;衰减型,前期与稳定型相似,但向北传播至孟加拉湾附近后迅速衰减;增强型,前期在赤道附近信号较弱,大约10天后,对流信号从印度半岛南部开始显著增强,并发展至喜马拉雅山脉以南。TISO北向传播过程中伴随显著的东风切变异常、海表面温度异常和边界层水汽扰动,三者在不同类型的北向传播中起不同的作用。对流事件北侧的海温正异常会促进对流的北向传播,在稳定型和衰减型的赤道传播过程中都起到显著的作用,增强型传播过程中海温正异常在对流南侧更显著,会抑制对流的北向传播。东风垂直切变机制为稳定型和增强型的稳定北向传播提供持续的动力,在事件后期的影响更加显著。边界层水汽扰动的经向不对称性在稳定型事件前后、衰减型事件前期以及增强型事件发生时加剧大气的不稳定性,诱导对流系统向北移动。研究结果有助于提高东南亚夏季季节内降水预测的准确性。

热带大气季节内振荡对华南前汛期降水的影响

本文基于实时的热带大气季节内振荡(MJO)指数和中国台站降水资料,研究了MJO对中国华南前汛期(4～6月)降水的影响。结果表明,随着MJO的活跃中心从印度洋进入西太平洋,华南地区的降水由偏多转为偏少。最显著的降水正负异常分别位于第4位相和第7位相,其区域平均的最大正负异常值相对于气候平均值的变化约为17%和11%。与降水异常相对应,大尺度背景场,如西北太平洋副热带高压、水汽和垂直速度也发生了季节内变化。当MJO的活跃中心位于印度洋(第4位相),副高加强西伸,华南地区的水汽增加,上升运动亦加强,降水偏多。当MJO的活跃中心位于西太平洋(第7位相),副高减弱东撤,华南地区的水汽减少,上升运动亦减弱,降水偏少。

热带季节内振荡对广东6月降水的影响

利用1979—2008年共30年广东省86个测站的地面观测逐日降水资料和NCEP-DOE第二套分析资料的大气多要素日平均资料,分析热带大气沿赤道东传的季节内振荡(MJO)对广东6月降水的影响及其物理过程。结果表明:6月MJO活动对广东降水的调制作用与前汛期(4—6月)期间其它月份不同,对6月广东省降水正(负)异常有指示意义的是强MJO事件的第3(第6)位相。当赤道MJO处于第3位相时,西太平洋副热带高压明显加强西伸,来源于西太平洋地区的水汽随副高边缘向广东输送明显加强,广东水汽通量明显增加,从而导致广东降水加强。而第6位相的情况基本相反。强MJO第3位相造成西太平洋副热带高压偏强偏西的物理机制与大气对东印度洋非对称热源的响应有关。2010年6月广东两次持续性强降水过程与MJO强度较强且处于第3位相这种活动状态密切相关,进一步证明赤道MJO活动对广东6月强降水的重要指示作用。该结果有助于拓展广东强降水的预报思路,结合动力模式产品将有助于延长预报时效。

中国热带大气季节内振荡研究进展

热带大气季节内振荡(包括MJO)是大气环流的重要系统,它的活动及异常既对其他系统有一定的作用,也对长期天气和短期气候有明显影响。因此,热带大气季节内振荡一直是大气科学的前沿研究课题之一。文中对近5—10年中国学者的有关研究工作及其进展做了简要回顾和综合,主要包括:(1)热带大气季节内振荡特别是MJO的动力学机制;(2)热带大气季节内振荡以及MJO的数值模拟问题,特别是大气非绝热加热廓线对模式模拟MJO的重要作用;(3)热带大气季节内振荡和MJO,特别是在赤道西太平洋地区,与ENSO的相互作用关系;(4)热带大气季节内振荡(包括MJO)及其流场形势对西太平洋台风活动的重要影响,即MJO对西北太平洋台风生成数的调制作用,以及热带大气季节内低频气旋性(LFC)和反气旋性(LFAC)流场对西太平洋台风路径的影响;(5)热带大气季节内振荡(包括MJO)的活动及异常对东亚和南亚夏季风建立、活动异常的影响,以及它们与中国降水异常的密切关系。

热带大气季节内振荡和ENSO的相互关系

通过观测资料的分析和数值模拟，研究了热带大气季节内振荡与ＥＮＳＯ的相互关系．一方面，在Ｅ１Ｎｉｎｏ事件发生之前，热带大气季节内振荡（尤其是在赤道中西太平洋地区）异常偏强，通过海一气相互作用它可能是Ｅ１Ｎｉｎｏ的一种重要激发机制．同时，赤道中西太平洋地区大气季节内振荡的异常加强同东亚中高纬度地区３０—６０天振荡的加强和强东亚冬季风有关．另一方面，ＥＮＳＯ对热带大气季节内振荡也有重要影响，在Ｅ１Ｎｉｎｏ期间，热带大气季节内振荡明显减弱；其结构明显趋于正压性．

大气季节内振荡对夏季西北太平洋热带气旋群发性的影响

利用中国气象局上海台风研究所整编的热带气旋最佳路径资料、向外射出长波辐射（OLR）和NCEP/NCAR再分析风场资料,研究了1991年夏季西北太平洋热带气旋的群发性特征及其与大气季节内振荡的关系。结果表明,1991年6～9月西北太平洋地区的对流活动存在20～60天的准周期振荡,该区域的热带气旋活动也具有这种频率的季节内变化,即热带气旋的活动具有明显的群发性和周期性。进一步分析表明,热带气旋易集中出现在大气季节内振荡的湿位相,这是因为湿位相期间大气低层维持的较大尺度的低频气旋性环流为天气尺度的热带气旋的生成提供了有利的背景环流场。低频气旋中心东南侧的不稳定低空西风急流容易激发出一些小扰动,低空的低频正涡度异常又有利于这些初始小扰动的增长,同时,热带气旋发生势（genesis potential）表现为正距平,说明热带气旋发生发展的垂直风切变条件容易满足,因而导致热带气旋的相继群发。

热带辐合带的季节内振荡及其与热带气旋发生阶段性的关系

利用中国气象局提供的热带气旋资料和NCEP/NCAR再分析等资料,研究了热带辐合带(Intertropical Convergence Zone,简称ITCZ)上对流强度的季节内振荡特征及其与热带气旋生成频数阶段性变化的关系,并进一步研究了它与越赤道气流、赤道西风和ITCZ北侧偏东风季节内振荡的关系。研究发现:(1)ITCZ对流强度的变化有明显的30~60d振荡,西太平洋(5°N^20°N,120°E^150°E)范围内的热带气旋约有2/3发生在30~60d振荡的活跃位相。(2)ITCZ季节内振荡在热带地区表现为向东传播的特征,而在副热带地区(25°N^35°N)表现出清晰的西传特征。在ITCZ季节内振荡较强年,振荡在由赤道传播至15°N左右时,与北面向南传播的振荡在该纬度附近汇合,对流强度增强,使热带气旋在此期间频繁发生。而在弱年,振荡由赤道一直向北传播至30°N附近,15°N附近的ITCZ对流较弱,热带气旋生成偏少。(3)赤道西风、105°E^110°E越赤道气流和ITCZ北侧的偏东风气流本身也存在30~60d振荡。这三支气流的30~60d振荡与ITCZ的季节内强弱变化密切相关。然而,相比之下偏东风气流的30~60d振荡和ITCZ对流强弱的30~60d振荡对应关系略差。

热带季节内振荡对2008年初南方持续性冰冻雨雪天气的影响

利用滤波、EOF和合成分析等统计方法及NCEP和NOAA提供的资料,分析了与2008年初我国南方罕见持续性冰冻雨雪天气有关的水汽输送演变情况,发现持续性与热带大气季节内振荡(MJO)和中低纬地区高低层环流的30～60天低频振荡关系体现为:当MJO活动以印度洋中东部赤道地区对流加强、印度尼西亚对流受抑制为特征时,印度地区700hPa出现低频气旋有利于70～80°E的槽加深。与此同时,我国台湾以东洋面出现低频反气旋,有利于西太平洋副高加强。低压槽和副热带高压(副高)之间的偏南风导致孟加拉湾和南海的水汽同时向我国南方地区输送。与低层系统相配,200hPa低频反气旋位于南压大陆,在该低频反气旋东北侧则为低频气旋,二者之间的低频西北风与低层的低频南风构成了反Hadley型局地经向环流,并导致高层西风急流入口区反气旋侧的高层辐散区向南偏移,使低频经向环流的上升支控制我国南方地区,该上升气流将来自孟加拉湾和南海的水汽抬升至高层,十分有利2008年初我国罕见冻雨的降水异常。通过对比分析相同时段降水异常偏少的1993年中低纬高低层低频环流场,发现1993年的低频环流分布形势与2008年的相反,说明了季节内振荡确实是造成2008年初我国南方地区持续性降水的重要因素之一。

热带季节内振荡时空特征的诊断研究

文中应用谱分析、小波分析等方法及较长时段的资料进一步总结了热带季节内振荡的一些基本气候特征。热带季节内振荡主要活跃在 3个地区 ,最强的是西太平洋地区 ,其次是印度洋地区 ,第三是东太平洋沿岸的赤道以北地区。热带季节内振荡有明显的季节变化 ,西太平洋地区和印度洋地区的季节内振荡 1a中有两次极大值 ,冬季主要活跃在南半球 (10°S附近 ) ,而夏季则活跃在北半球 (10°N附近 ) ,春、秋季热带季节内振荡则明显减弱。东赤道太平洋北侧的季节内振荡只在夏季活跃 ,而冬季则很弱 ,且不随季节而南北移动。对于大气的大尺度要素 ,例如u风场 ,热带季节内振荡的能量主要集中在 1波。而对于像降水这样尺度较小的要素 ,热带季节内振荡的能量则相对较分散 ,尽管它仍然在 1波有最大的能量 ,但 2～ 4波也具有较接近的能量。热带季节内振荡以东移的波动为主。热带季节内振荡存在着年际甚至更长时间的变化。 2 0世纪 70年代末期季节内振荡的幅度有一明显的突变。

热带大气季节内振荡对西北太平洋台风的调制作用

利用澳大利亚气象局的RMM-MJO(Real-time Multivariate MJO)指数,分析研究了热带大气季节内振荡(简称MJO)对西北太平洋台风的调制作用及其机理,结果表明MJO活动对西北太平洋台风的生成有比较明显调制作用。在MJO活跃期,对流中心位于赤道东印度洋(即MJO第2、3位相)和对流中心越过海洋性大陆来到西太平洋地区(即MJO第5、6位相)时台风生成的个数比例为2∶1。本文对西太平洋地区的大气环流场进行了多种气象要素的合成分析,在MJO的不同位相,西太平洋地区的动力因子分布形势有很明显不同。在第2、3位相,各种因子均呈现出抑制西太平洋地区对流及台风发展的态势;而在第5、6位相则明显有促进对流发生发展,为台风生成和发展创造了有利条件的大尺度环流动力场。这说明MJO在不断东移的过程中,将改变大气环流形势,最终影响了台风的生成和发展。接着,我们从积云对流这个联系台风和MJO的重要因子出发,研究了不同MJO位相时凝结加热的水平和垂直分布,以及与台风环流、水汽通量的配置情况。结果表明在MJO不同位相,热源分布明显不同,而这种水平和垂直方向的不同分布特征必然反映潜热释放和有效位能向有效动能转换的差异,再与水汽的辐合辐散相配合,就从台风获得的能量角度揭示了大气MJO调节台风的生成和发展,造成不同位相时台风生成有根本差别的原因。

1997/1998年ENSO过程与热带大气季节内振荡

在与1982/1983年强ENSO过程比较的基础上，揭示了1997/1998年ENSO暖事件发展迅速、强度极大、结束突然等关键性特点，进一步分析了这次暖事件爆发过程中热带印度洋和西太平洋大气季节内振荡的变化特点。并对1997/1998年ENSO过程中海洋和大气演变特征进行深入的诊断分析，对于认识ENSO机制，提高ENSO预报水平具有十分重要的科学意义。

季节内振荡影响西太平洋副热带高压两次北跳的机制

夏季期间,西太平洋副热带高压(简称副高)存在两次明显的北跳,其中第一次北跳导致华南前汛期结束、江淮梅雨建立,而第二次北跳则意味着江淮梅雨结束、华北雨季开始。本文基于观测资料和再分析数据,利用快速傅里叶变换和合成分析方法,深入探讨不同时间尺度季节内振荡对气候态和异常年副高两次北跳的影响机制。结果表明:在季节内尺度上,平常年和异常年影响副高两次北跳的季节内振荡的主导周期不同。气候态上,以10~20天和准60天为主;第一次北跳异常年和第二次北跳偏早年,以30~60天为主;第二次北跳偏晚年,则呈现出10~20天和30~60天两个主导周期。不论气候态还是异常年,东亚—热带西北太平洋地区低频振荡在年循环背景下均呈现出明显的北传特征,这是导致副高发生两次北跳的重要原因之一。而印度季风区低频振荡在东北向传播过程中所引起的西风东伸是造成副高第一次北跳更为明显的原因。源自澳大利亚高压的冷空气入侵所激发的暖池对流的准双周振荡则是造成气候态和偏晚年副高第二次北跳更为显著的原因。由于前期春季西北印度洋海温出现异常,造成局地低频振荡发生位相迁移,进而导致副高第一次北跳发生异常。而副高第二次北跳异常则是因为ENSO改变了暖池地区季节内振荡的尺度和振幅所造成的。

大气季节内振荡对印度洋—西太平洋地区热带低压/气旋生成的影响

文中利用EOF分析大气季节内振荡 (MJO)的时空变化的方法 ,研究了 1996年 9月～ 1997年 6月间的MJO活动对生成在印度洋—西太平洋海域的热带低压 /气旋的影响。结果发现 ,除西北太平洋之外 ,发生在其他区域的热带低压 /气旋有半数以上生成在向东移动的MJO的湿位相中。伴随MJO的向东传播 ,热带低压 /气旋平均生成位置也随之向东移动 ,而生成在西北太平洋的热带低压

热带季节内振荡研究新进展

季节内振荡既是热带大气活动的强信号,也是热带海洋中较为普遍的现象。本文叙述了热带大气和热带海洋季节内振荡研究的进展,包括热带大气季节内振荡的观测研究、机制研究以及热带海洋季节内振荡方面的研究;讨论了海气相互作用、不同尺度间相互作用对季节内振荡的影响;在总结上述研究成果的基础上提出了热带季节内振荡研究进一步的发展方向。

热带大气季节内振荡对西北太平洋地区热带气旋路径的影响

利用NOAA的逐日OLR场资料、ECMWF逐日风场(850 hPa)资料、以及美国联合台风预报中心(JTWC)的热带气旋(TC)数据,参考Wheeler和Hendon提出的MJO指数,通过Combined-EOF方法定义热带20～90 d振荡(ISO)的指数,对西北太平洋(WNP)区域进行ISO不同相位的划分,深入研究西北太平洋地区ISO对于热带气旋(TC)路径变化的影响。研究结果表明,在ISO东风位相中,在ISO反气旋性环流东北侧气流影响下,西太副高南侧偏东气流较弱,生成在副高中的TC在140°E以东转折的比率较大;而在西风位相,副高南侧偏东气流受ISO气旋性环流影响加强,生成在该区域的TC在偏东气流引导下首先向西,当西北移动至近海区域后,在西南季风气流以及副高西侧偏东南气流的共同作用下,容易发生顺时针的北折,因而在140°E以西转折类的TC比率较高。还分析了台风个例中的ISO流场形势,发现当ISO气旋(反气旋)性环流中心与热带气旋中心重合时,热带气旋路径会发生突然的右折。

大气季节内振荡对热带气旋活动影响的研究进展

近30年来,大气季节内振荡对热带气旋活动影响的研究已逐渐成为人们关注的焦点,并取得了显著的进展。就大气季节内振荡对热带气旋生成、路径及登陆的影响进行概述,并揭示了这种影响的主要机制。同时回顾了与季节内振荡密切相关的季风槽活动对热带气旋的影响。在此基础上简单讨论了该领域中存在的问题及未来研究前景,并提出当前该研究领域中一些亟需研究的科学问题。

热带大气季节内振荡激发El Nino的机制

资料分析表明，热带大气季节内振荡同ＥｌＮｉｎｏ的发生有密切的关系。在ＥｌＮｉｎｏ事件发生之前，热带大气（尤其是赤道西太平洋地区）季节内振荡异常加强；伴随着ＥｌＮｉｎｏ的发生，热带大气季节内振荡动能明显减弱，而准定常系统动能明显增强。简单海－气耦合模式的分析表明，只有在年际时间尺度大气外强迫作用下，海－气系统才可以产生类似ＥＮＳＯ模的耦合波。资料和理论模式分析的结果相结合，说明热带大气季节内振荡激发ＥｌＮｉｎｏ的机制是：热带大气季节内振荡的年际异常通过海－气相互作用而对ＥｌＮｉｎｏ事件起重要的激发作用。