不同海域海表温度异常对西北太平洋副热带高压年代际变化影响的数值模拟研究

采用1950～2000年逐月观测的不同海域(全球、热带外、热带、热带印度洋-太平洋、热带印度洋及热带太平洋)海表温度分别驱动NCARCAM3全球大气环流模式,进行了多组长时间积分试验,对比观测资料,讨论了这些海域海表温度异常(SSTA)对西北太平洋副热带高压年代际变化的影响。结果表明:全球、热带、热带印度洋-太平洋和热带印度洋海表温度变化均对夏季西北太平洋副热带高压的年代际变化有重要作用,即在这些海域的海表温度变化影响下,西北太平洋副热带高压均在1970年代中后期发生了年代际变化,其后副高面积增大、强度增强、位置偏西、偏南,这与观测结果较一致;热带太平洋海表温度变化对夏季西北太平洋副热带高压的年代际变化也有重要作用,在其作用下,夏季西北太平洋副热带高压的强度、面积在1960年代后期发生年代际变化,南界在1970年代中后期发生年代际变化,这些时段以后副高强度增强、面积增大、偏南;热带印度洋海表温度驱动模拟的西北太平洋副热带高压变化比热带太平洋海表温度驱动模拟的副高更接近于观测结果,且年代际变化更显著,其差异的可能原因在于两区海表温度在1970年代中后期以后的年代际变化能在孟加拉湾-中国东南沿海区域强迫产生的异常环流不同,前者强迫产生出反气旋性环流异常,有利于副高的增强、面积增大和西伸,而后者强迫产生出气旋性环流异常,不利于副高的西伸;热带太平洋和热带印度洋海表温度在1970年代中后期的冷、暖年代际背景变化对夏季西北太平洋副热带高压年代际变化有重要作用;热带外海表温度变化对西北太平洋副热带高压年代际变化作用较小。

影响夏季西北太平洋副热带高压年际变率的关键海区及影响机制

西北太平洋副热带高压(西太副高)是影响东亚夏季气候的主要环流系统,其年际变率受热带多个海区的海-气相互作用过程的调控。为明确影响夏季西太副高的关键海区及其影响机制,在总结最近十余年来相关研究进展的基础上,归纳出影响夏季西太副高年际变率的5个关键海区,包括赤道中东太平洋、热带印度洋、副热带西北太平洋、海洋大陆附近海区以及热带大西洋。阐述了这5个关键海区的海温异常影响西太副高年际变率的机制,并探讨了5个关键海区海温异常的形成机制。围绕夏季西太副高的年际变率,回顾了当前气候模式的模拟和预测研究的现状。最后,提出了本领域亟待解决的关键科学问题,展望未来可能的研究热点。

自然变率下夏季西北太平洋副热带高压与南亚高压关系研究——基于NCAR CAM3模式分析

利用由气候的全球海表温度及海冰来驱动NCAR CAM3.0模式,得到的200年控制试验结果,通过引用西北太平洋副热带高压指数和南亚高压指数,研究了该系统的自然变率特征。结果表明:(1)模拟的西北太平洋副热带高压具有年际变化和周期变化特征,各指数关系密切;(2)模拟的南亚高压具有年际变化和周期变化特征,各指数关系密切;(3)自然变率下西北太平洋副热带高压与南亚高压关系密切。

西北太平洋副热带高压等在渤海冬季气温预报中的应用

本文首先对渤海冬季气温分为冷年和暖年，而后对西北太平洋副热带高压（简称副高，下同）强度指数，亚洲极涡面积指数，赤道东太平洋海温与冷、暖年的关系进行了分析，得出：当渤海冬季气温属暖年时，其前期西北太平洋副热带高压偏强、亚洲极涡面积指数偏低、赤道东太平洋海温偏高，属冷年时，情况相反。

千里岩的气温变化特征及其与西北太平洋副热带高压的关系

本文根据１９６０～１９９４年千里岩和青岛月平均气温资料，分析了千里岩与青岛３５年来气温的年、季变化特征及差别，发现３５年来，千里岩和青岛的年、季平均气温均呈变暖趋势，但千里岩增温幅度较青岛小。从分析中发现，与气温变暖趋势相对应，西北太平洋副热带高压（以下简称副高）面积、强度指数的年、季变化也呈明显的增强、增大趋势。且年平均气温与冬季副高面积指数相关最显著。最后依此关系建立回归方程，并预测了１９９６年千里岩年平均气温的变化趋势。

影响2021年西北太平洋副热带高压的春季环境因子的特征分析

对2021年春季影响西太副高的3种春季环境因子(热带印度洋与西北太平洋海域海表面温度异常(SSTA)的差值、赤道中太平洋5月与3月SSTA的差值、北大西洋涛动指数)的特征进行了分析。结果显示:2021年春季热带印度洋与西北太平洋海域SSTA的差值表现为负异常(-0.32℃)、赤道中太平洋5月与3月的SSTA差值表现为弱的正异常(0.02℃)、北大西洋涛动指数则出现负异常(-0.79)。利用3个春季环境因子构建的预报方程对2021年夏季西太副高指数的预报值为-0.44,这与2021年夏季西太副高指数的实测值(0.28)存在一些偏差。春季热带印度洋与西北太平洋的SSTA差值在3个环境因子中对2021年西太副高的预报结果有着最大的贡献,西北太平洋海域SSTA的暖异常可能是引起2021年夏季西太副高预报强度偏弱的重要原因。通过对比2021年夏季各月的西太副高指数观测值发现,8月与7月的西太副高指数存在较大差异,夏季各月之间差异的增大可能是导致预报结果不理想的原因。在西太副高的预报方面,需要进一步针对夏季各月之间差异较大的情况改进预报方法。

印度洋海盆模对南北半球太平洋副热带高压非对称的影响及机制

副热带高压对于我国天气气候具有重要影响,它的形成受到印度洋海温异常的影响,但其中的影响机制并不十分清楚。因此,本文利用1980-2020年NCEP/NCAR再分析资料,研究了印度洋海盆模(Indian Ocean Basin Model,IOBM)异常偏强对于太平洋副热带高压的影响;然后从能量角度分析IOBM引起南北半球太平洋海域副热带高压不对称性的物理机制;最后利用GFDL AM2.1模式进行模拟验证。为了说明印度洋海温异常对副热带高压的独立作用,对ENSO信号进行了滤除。结果表明:(1)夏季的印度洋暖海温暖异常会激发东传的Kelvin波,在西北太平洋地区低层出现反气旋异常,使西太副高较常年偏强,我国南海到菲律宾东部降水偏少;冬季IOBM正位相时,澳洲地区东风异常,热带西太平洋地区有大范围的降水负异常。印度洋海盆模对太平洋副热带高压非对称结构的影响在环流和降水场上均有体现。(2)根据能量诊断结果发现IOBM正位相时,夏季西北太平洋低层季风风场辐合区与扰动动能增长区相重合,有利于该地反气旋异常发展,从而使得副高偏强;冬季澳洲地区季风的风场辐合区与扰动动能增长区不能很好地配合,没有明显的反气旋异常。(3)利用数值模式模拟得到的结果能够验证沿赤道对称的印度洋海温异常在西太平洋地区引起的反气旋性环流和降水异常,无论位置还是强度都表现出极强的不对称性。因此,印度洋海盆模(IOBM)对于太平洋副热带高压南北半球非对称结构的形成具有重要作用,并进而对东亚及澳洲地区降水的异常分布产生影响,这为印度洋海盆模对西太副高的影响提供了理论基础。

夏季西北太平洋副热带高压的两种年际变率模态

本文利用再分析资料和耦合模式FGOALS_gl的20世纪气候模拟实验(20C3M)的结果,在检验模式对西北太平洋副热带高压(西太副高,西太反气旋)模拟性能的基础上,通过对再分析资料和模拟的850hPa风场做EOF分解,揭示出西太副高年际变率的两种模态;按照它们对应的赤道异常纬向风的不同,将这两种模态分别命名为"赤道东风共存模态"(EEM)和"赤道西风共存模态"(EWM).两种模态的西太异常反气旋形成机制类似,但维持和发展机制不同,主导振荡周期不同,与ENSO位相的关系不同.EEM的西太异常反气旋产生于前冬ElNio衰减期,通过西北太平洋局地海气正反馈维持到夏季,并可通过增强赤道次表层海水上翻促进ElNio向LaNia位相的转变.EWM的西太异常反气旋形成于当年春季,主要依靠同期赤道中东太平洋的异常暖海温强迫而维持和发展.FGOALS_gl模式能再现上述两种模态,但不能正确反映它们的相对重要性.在NCEP资料中,EEM表现为第一模态,解释了总方差的35.6%;而在模式中,EWM表现为第一模态,解释了总方差的68.2%.

城市化和西太平洋副热带高压增强对中国复合热浪的协同作用

基于黑球湿球温度识别了中国复合热浪,并定量分析了城市化和西太平洋副热带高压(简称西太副高)对中国复合热浪的协同作用。结果表明:1979—2019年中国复合热浪的发生天数、强度和影响范围都在逐步上升,尤其在2010年以后出现跃升,比20世纪80年代增大了4倍左右;城市化快速发展和西太副高增强协同加剧了中国复合热浪;较早发展的城市化对热浪天数、强度、范围增长的贡献分别是9.2%、12.5%、7.5%,而同期西太副高的增强对三类热浪指数有约30%的正贡献,甚至在考虑全球变暖对西太副高的加强作用时,西太副高的贡献增至70%左右。这表明,快速发展的城市化和全球变暖背景下增强的西太副高的协同作用可以解释80%以上21世纪初中国复合热浪的跃升。

西北太平洋副热带海区一个气旋涡的三维结构、运动学及其亚中尺度特征

利用厦门大学“嘉庚”号科考船于2019年3—4月在西北太平洋副热带逆流区收集的现场观测数据,结合卫星遥感资料与漂流浮标数据,分析该区域一个气旋涡(编号CE2)的三维结构、运动学及其亚中尺度特征.结果表明:1)CE2涡旋在表层约呈椭圆形,其影响范围随着深度的增大向北侧收缩,最大影响深度约400 m;2)热成风关系在CE2涡旋范围内存在显著的尺度依赖性;3)涡中心与边缘因亚中尺度过程活跃程度不同而呈现尺度依赖性动能和相反的动能波数谱特征;4)漂流浮标轨迹分析显示涡旋边缘存在明显的物质输运“泄漏”现象.上述结果对传统中尺度涡旋现象进行了基于实测资料的观测补充.

2021年夏季河南极端降雨水汽来源分析与西太平洋副热带高压的可能作用

为研究西太平洋海域在河南“7·20”极端降雨事件中的作用,利用海表面温度、海平面气压、位势高度和风场等再分析数据与降水观测数据,分析了2021年夏季河南极端降雨事件的水汽输送来源及其与西太平洋副热带高压多尺度变化特征的关系。数据显示, 2021年夏季河南极端降雨期间,西太平洋副热带高压偏强偏北,河南地区以东至西北太平洋中低空出现显著的东风异常和西向水汽输运。结果表明, 2021年夏季河南暴雨区中高空相对涡度、位势高度和垂直上升运动存在显著异常,从西北太平洋海域通过中低空异常东风输送的水汽是主要来源。经验模态分解结果显示,副热带高压强度指数的第二模态(intrinsic mode functions of west Pacific subtropical high, IMFWPSH)与河南地区降雨第二模态存在统计显著关系并在此次极端降雨事件中扮演重要角色。诊断分析发现,在IMFWPSH正位相期间,副热带西太平洋存在异常增强的上升运动并在中低空产生异常东风,河南地区上升气流异常增强,因此, IMFWPSH可为河南地区降雨提供重要条件。

西太平洋副热带高压的变化趋势及其气候效应

文章采用1948—2016年2.5°×2.5°夏季6月、7月、8月三个月500 hPa风场观测资料,以及同期NCEP/NCAR再分析资料,通过对西太平洋副热带高压年代际平均西脊点位置统计计算以及1979年前后气候要素变化,分析在全球变暖的大环境下,1979年前后西太平洋副热带高压年代际变化趋势,以及这种变化对西太平洋以及东亚大陆可能产生的影响。结果显示:西太平洋副热带高压在1979年前后年代际移动趋势是东退衰弱,使1979年前后陆地区域温度整体上升,盛夏雨带呈现东移态势。江淮地区与华北地区平均雨带的位置在1979年前后均呈现东移态势,两个地区平均雨带的位置在1979年前后均东退了约3个经度,比西太平洋副热带高压在1979年前后年代际东退幅度小一些。

一九八七年西北太平洋台风和副热带高压的特点

本文对1987年西北太平洋上生成的台风及西北太平洋副热带高压情况进行了分析,结果表明,1987年西北太平洋台风具有年台风个数少、强台风个数偏多等特点;而副热带高压具有强度强、两脊偏西和脊线位置偏南的特点。分析还发现,1987年和1967年西太平洋副热带高压分别为1951年以来最强年和最弱年,其相应为少台风年和多台风年。

1998年西北太平洋热带气旋和副热带高压特征

本文对１９９８年西北太平洋上（包括南海，下同）热带气旋（不含热带低压，下同）特征进行了分析，得出，该年西北太平洋上生成的热带气旋个数和登陆我国的个数之少，第一个热带气旋出现时间及登陆初台出现时间之晚均创半个世纪以来的历史记录。而热带气旋生成的地理位置偏西，１５０°Ｅ以东太平洋洋面无热带气旋生成及热带气旋强度弱、生命史短的特征在过去几十年中也是罕见的。文章对盛夏５００ｈＰａ环流场进行了分析，得出：西北太平洋副热带高压强大、脊线位置偏南、西伸脊点偏西、过赤道气流弱、赤道辐合带偏南且不活跃是造成１９９８年热带气旋频数少等特征的主要因素。

月尺度西太平洋副热带高压指数的重建与应用

针对目前国家气候中心业务监测中使用的月时间尺度西太平洋副热带高压指数存在的问题,利用NCEP/NCAR月平均再分析资料,对西太平洋副热带高压面积指数、强度指数、脊线指数和西伸脊点4种指数重新进行定义和计算,重建了1951—2010年逐月历史时间序列。面积指数、强度指数采用真实的面积和体积进行定义和计算,脊线指数则同时利用500 hPa高度场和纬向风切变线进行定义,且不仅仅局限于588 dagpm等值线,充分考虑了西太平洋副热带地区高压系统对我国夏季降水的影响作用。选取其中两个相对独立的指数——脊线指数与西伸脊点,通过对这两个指数的9种组合类型的构建,最大程度上涵盖了我国东部夏季降水各种雨型的分布特征。

夏季西太平洋副热带高压的不同类型与中国汛期大尺度旱涝的分布

利用历史数据,研究了西太平洋副热带高压指数的特征,证实脊线指数和西伸脊点指数可以较好地描述西太平洋副热带高压,同时也指出这两个指数的年际和年代际变化及其不同的配置,是造成中国夏季降水时空分布和旱涝异常的复杂性、多变性的主要原因之一。据此,将西太平洋副热带高压西伸脊点指数和脊线指数的距平投影到二维平面上,对西太平洋副热带高压进行了分类,并对其各种类型下中国夏季降水进行了合成分析,发现夏季西太平洋副热带高压西伸脊点和脊线不同配置下中国夏季降水的总体分布具有明显的规律性:在西太平洋副热带高压脊线偏北的情况下,夏季降水总体表现出南北两条雨带;在西太平洋副热带高压脊线正常的情况下,夏季降水总体表现为北多南少,长江以北降水偏多;在西太平洋副热带高压脊线偏南的情况下,夏季降水总体表现为南多北少,长江流域及其以南地区降水偏多;上述3种情况下西伸脊点越偏西,降水范围越大。此外,通过计算1951—2010年各年夏季降水实况与其西太平洋副热带高压所属年份夏季降水合成的距平相关系数,发现同一类型下各年夏季降水与其合成分布总体相似,说明了西太平洋副热带高压位置对中国降水具有明显的影响,同时也说明此种分类具有一定的合理性。最后,通过对9种西太平洋副热带高压类型下北半球夏季500hPa高度场和850hPa风场距平分别进行合成,对不同西太平洋副热带高压类型下中国夏季降水的大尺度环流背景和可能机理进行了分析。

过去5000年西太平洋副热带高压活动的泥炭纤维素碳同位素记录

文章以金川和红原两组泥炭纤维素Δδ1 3C时间序列值的反向变化来指示西太平洋副热带高压活动变化。结果表明 ,在过去 5 0 0 0年中 ,西太平洋副热带高压的活动可分为 4个阶段 ,即西太平洋副热带高压位置在 2 80 0～ 2 2 0 0B .C .期间持续偏北 ,2 2 0 0～ 60 0B .C .期间持续偏南 ,60 0B .C .～ 1 2 0 0A .D .期间在北进与南移之间频繁波动 ,以及 1 2 0 0～ 1 90 0A .D .期间再次持续偏北 ,它们导致降雨量在中国大陆上不同的分布。从约 1 90 0A .D .起西太平洋副热带高压的活动似乎又开始一个新的偏南阶段 。

近百年夏季西太平洋副热带高压的变化

利用国家气候中心给出的１９５１～１９９８年副高强度（Ｉｓ）、西界（Ｉｗ）。北界（ＩＮ）３个指数与国家气候中心同期的 ５００ ｈＰａ观测高度场分别作相关分析，并在高度场中分别找出几个有意义的点，用其高度计算副高３个指数Ｉ＇ｓ、Ｉ＇Ｎ和Ｉ＇ｗ，计算出Ｉ＇ｓ与Ｉｓ、Ｉ＇Ｎ与ＩＮ、Ｉ＇ｗ与Ｉｗ的相关系数均大于Ｉｓ、ＩＮ和Ｉｗ与单点高度的相关系数。对ＮＣＥＰ资料作同样分析，结果相同，说明可以利用 ５００ ｈＰａ高度场数值计算副高活动指数。于是利用重建的１８８０～１９５０年北半球高度场资料将副高３个指数向前恢复到１８８０年。对１８８０～１９９９年副高强度、西界、北界作功率谱及小波分析，发现副高强度。北界具有明显的４０年周期，西界具有明显的１６年周期，即副高指数的变化以低频振荡为主。

夏季北太平洋副热带高压系统的活动

文中根据 NCEP/NCAR再分析资料 ,分析了北太平洋副热带高压系统的变化。 5～ 9月由于亚洲夏季风的建立及活动 ,北半球副热带高压系统在 6 0～ 1 2 0°E出现断裂 ,夏季西太平洋副热带高压脊点平均伸展到 1 2 0°E,其年际变化反映了亚洲夏季风的强弱。强夏季风年 5 0 0h Pa西太平洋副热带高压脊线位于 3 0°N以北 ,并分裂成两个中心 ,印度低压强 ;弱夏季风年西太平洋副热带高压脊线位于 3 0°N以南 ,表现为北太平洋高压中心向西伸展的高压脊 ,印度低压弱。夏季西太平洋副热带高压的季内活动有两种模态 :第 1种表现为副热带高压系统以 2 0～ 3 0 d的周期从北太平洋中部的副热带高压中心一次次地向西扩张到 1 2 0°E以西 ,这类过程大多出现在亚洲夏季风强度偏弱年 ;第 2种模态表现为副热带高压系统以 2 0～ 3 0 d的周期一次次地由东向西扩充时 ,在 1 2 5～ 1 5 5°E停滞 ,这类过程大多出现在亚洲夏季风强度偏强年。江淮流域梅雨的中断和结束与北太平洋副热带高压系统 2 0～ 3 0 d季内振荡有关。西太平洋副热带高压 5～ 1 0 d的短期活动受 3 5～ 45°N西风带活动的影响 ,当西风槽在中国沿海和西太平洋地区向南伸展到 3 0°N以南后 。

印度洋海温异常对西太平洋副热带高压的影响——大气中的两级热力适应

利用热力适应理论讨论了印度洋海温异常影响中国天气和西太平洋副热带高压异常的物理机制。结果表明 :通过第一级热力适应 ,印度洋上的海温异常形成低层气旋式环流 ,并在其东侧的偏南气流中产生对流性降水 ;然后通过第二级热力适应 ,在 50 0 h Pa上导致西太平洋副热带高压加强西伸、2 0 0 h Pa上南亚高压异常增强。从而证明两级热力适应是导致印度洋海温异常影响中国天气气候异常的重要物理机制。