气候变暖背景下西太平洋副热带高压体形态变异及热力原因

采用美国NCEP/NCAR再分析资料,利用相关、合成分析、大气热源的计算等方法,研究了气候变暖背景下西太平洋副热带高压(副高)空间形态的变异及热力原因。结果表明,气候变暖前、后各层副高形态特征有很大的差异,副高体的空间形态从850—700 hPa开始显著西伸南扩,到500 hPa最为明显。各层副高在冷、暖期的形态差异与其周围大气热源和涡度的变化相对应。随着气候变暖,副高西侧和南侧的大气热源在850—700 hPa上开始有明显的加强,500 hPa热源加强最明显,且副高体南侧热源中心有所南移;同时,其西侧和南侧从对流层低层至中高层有反气旋涡度的增大,西侧的反气旋涡度在850—700 hPa增大最明显,南侧的反气旋涡度在500 hPa增大最明显,且反气旋中心整体南移。表明气候变暖后,副高体西侧和南侧大气热源的加强,导致相应区域反气旋涡度增大,副高体向反气旋涡度增大的方向发展,从而使副高西脊点西伸,南边界南扩,整体南移。

盛夏西太平洋副热带高压北跳异常特征及气候影响分析

利用1979—2021年ERA5再分析资料,分析了盛夏西太平洋副热带高压(简称西太副高)北跳异常特征,研究了不同传播方向的热带大气低频信号对盛夏西太副高北跳异常的可能影响,探讨了西太副高北跳异常对我国东部地区夏季气候的影响。结果表明:盛夏期间,在西太副高北跳偏早年的北跳之前三候里,海洋性大陆地区和西太平洋低纬度地区的OLR场表现为异常的低频对流抑制逐渐北传和西北传,伴随着对流层低频非绝热加热负异常传播到副热带地区,从而在副热带到中纬度西北太平洋呈现出低频正位势高度异常,有利于盛夏期间西太副高北跳。在盛夏西太副高北跳偏晚年的北跳之前三候里,副热带西太平洋OLR为对流抑制异常的逐候增强并西北传,对应的对流层非绝热加热负异常也逐渐西北传,并激发出北太平洋上空的低频波列,该低频波列中的中纬度异常反气旋西移,有利于西太副高北跳。在盛夏西太副高北跳偏早年,我国长江以北地区更易出现极端高温,东北、黄淮和江南地区更易发生持续性强降水;在偏晚年,我国西南和江南地区更易出现极端高温,长江中下游地区更易出现强度更强的持续性强降水事件。

2022年夏季西太平洋副热带高压异常环流特征及其成因

利用NCEP/NCAR逐月再分析资料、NOAA逐月海温资料和国家气候中心气候系统监测指数资料,分析了2022年夏季西太平洋副热带高压异常环流特征,并找出其成因。结果表明,西太平洋副热带高压强度指数较好地反映了西太平洋副热带高压异常特征;6月欧亚中高纬度地区500 hPa位势高度距平场呈“西低东高”型分布,东亚大槽较常年同期略偏强,东北冷涡活动频繁,导致6月吉林省降水异常偏多;6—8月500 hPa欧亚中高纬度地区环流形势转为“两脊一槽”型,东亚大槽偏弱,西太平洋副热带高压较常年明显偏强、偏西;西太平洋副热带高压控制区域对流层低层偏南风正距平显著,助推高温天气的维持;菲律宾和南海上空反气旋环流引导水汽向长江以北输送,导致我国南方降水偏少;2022年夏季西太平洋副热带高压异常是全球变暖背景、拉尼娜事件持续、TIOD负位相引起对流层环流异常、黑潮区海温异常偏高、南亚高压加强偏北等多种因素共同作用的结果。

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。

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。

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 。

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。

西太平洋副热带高压东西位置异常与华北夏季酷暑

文中研究了副热带高压 (副高 )东西位置异常与中国东部地区夏季气温的关系。发现两者之间有很高的正相关 ,当西太平洋副高偏西时 ,大片的北方地区气温会降低 ;而当副高偏东时 ,该地区的气温将偏高。西太平洋副高东西位置的异常对应着亚洲太平洋地区的长波位置和强度的很大变化 ,从而影响到中国北方地区的气温。更重要的是 ,副高西端位移所产生的扰动还会以波列的形式向极地和北美方向传播 ,从而从更大的范围内影响西风带环流。对 2 0 0 2年夏季中国北方出现的持续高温天气进行了分析。该年夏季副高持续偏东。西风带大槽也处于偏东的位置。西部的大陆副高东移扩展 ,与槽后的高压脊打通 ,造成该地区的持续高温。副高的东西位置决定了季风气流 (也就是水汽的主要通道 )的北向转折的路径。当副高偏东时 ,向北折向的位置随之东移 ,东亚大陆的水汽供应变为负距平 ,特别是中国北方地区 ,变得十分干燥。引起中国北方高温的直接系统是大陆高压中的极强的下沉气流 。

2008年初我国南方雨雪低温天气的中期过程分析--Ⅱ：西太平洋副热带高压的特征

针对2008年初1月17～23日我国南方地区雨雪低温过程,分析了其中期演变特征及其可能机理。这次过程中：1）西太平洋副热带高压在其前期异常状态的基础上,在对流层低层演变为“内凹外凸”结构,并在我国长江中下游附近形成切变线,从而造成了这次雨雪过程;2）在对流层上层,源自北非的Rossby波能量在副热带和中纬度地区向下游频散,同从乌拉尔山地区向南频散出的Rossby波能量在帕米尔高原及中亚地区汇合,共同引起该地区气压槽的加深。它使对流层低层西太平洋副高在其西部向内凹陷。另一方面,在对流层中层,Rossby波能量沿副热带急流传播,最终引起西太平洋副高向西南方向伸展。西太平洋副热带高压的“内凹外凸”演变特征的主要原因是来自上游地区的Rossby波活动,并非热带西太平洋对流异常活动;3）亚洲北部冷高压沿高原东侧伸入我国东部地区是我国南方地区低温过程的主要原因。

西太平洋副热带高压和台风相互作用的数值试验研究

利用1958—1998年台风资料,对台风路径进行分类,挑选出3类常见路径作为研究对象,通过合成分析,证实不同的台风路径所对应的副热带高压(副高)形势不同。台风西行时,西太平洋副热带高压势力强大,呈东西向带状,台风沿着副高南部西行,副高在整个过程中西伸;转向路径时,副高开始呈东西向带状,随着台风的移动副高主体东退,在160°E附近中间断裂;北上路径的台风对应的副高主体偏东。在此基础上,利用气候模式R42L9在不同的初始场中加入相同的温度扰动,成功模拟出西行和北上路径的台风,验证了不同副高形态对台风路径的不同影响。对模拟结果的分析还发现,台风可以引起正压Rossby波向中高纬度的传播。由于背景流场不同,不同移动路径的台风其波动能量的传播路径也不同,从而对中高纬度环流和西太平洋副高产生不同的影响:与北上台风不同,西行台风在其西北方向激发出正变高,使西太平洋副高加强西伸。

西太平洋副热带高压的年代际变化及其气候影响

西北太平洋副热带高压是影响我国夏季气候的一个非常重要的环流系统，本文主要分析了其年代际尺度的变化。发现在１９７９／１９８０年前后，其强度和范围发生了一次明显的年代际尺度的变化。１９８０年代以来，副高明显偏强，范围向西向南显著扩展。副高的年代际变化也对我国东部地区的气候产生了显著的影响。主要表现在近２０多年来长江中下游地区夏季降水显著增加，华南地区夏季气温显著偏高，以及西太平洋２０°Ｎ以南台风活动相对偏弱而２０°Ｎ以北洋面台风活动相对增强。副高的年代际变化与冬、春季赤道太平洋海表温度及同期热带印度洋海温有密切联系。

西太平洋副热带高压非线性稳定性问题的研究

本文采用了包含热力强迫和涡动耗散的三维非线性动力学模式，从系统稳定性的角度出发，探讨了夏季东亚副热带地区的环流状况，东亚大陆季风雨带和南海季风槽雨带的凝结加热以及扰动流的相互作用等因素对西太平洋副热带高压进退的制约和影响。给出了反映系统稳定性状况的能量判据，井据此进行了动力学分析和模式大气的计算。研究结果为一些天气分析事实提供了动力学解释，得到了一些新的见解，并为判断和预测西太平洋副热带高压在东亚上空的活动提供了参考依据。

热带对流层上空东风带扰动影响西太平洋副热带高压的个例分析

利用NCEP/NCAR1000—10hPa2.5°×2.5°日平均和每日4次再分析资料,分析了2003年6月19—25日热带对流层上空东风带扰动对西太平洋副热带高压东西向进退的影响。结果表明:热带对流层上空东风带扰动从对流层中低层伸展到50hPa高度附近,在200hPa上表现最为明显,在热力场上表现出“上暖强,下冷弱”的垂直分布特征。当西太平洋副热带高压南/北侧的东/西风带上的扰动在相向运动中抵达同一经度上时,对应于西太平洋副热带高压的异常东退。垂直涡度方程的诊断分析表明:在东风带扰动附近,涡度倾向效应贯穿于对流层整层到50hPa高度上,在200hPa高度附近表现最显著,当高层东风带扰动东/西侧的负/正变涡增强时,当东/西风带扰动在相向移动过程中,它们涡度倾向正值区在130°E南北打通时,西太平洋副热带高压出现突然东撤。涡度方程分析还表明,对于涡度倾向变化的贡献中,水平涡度平流的贡献最大、β效应的贡献最小;当东风带扰动附近的水平涡度平流和β效应增强时、且由β效应所引起的东/西风带扰动中的南、北风分量在130°E附近南北同相迭加出现“正压发展”时,有显著的正涡度增长,对应于西太平洋副热带高压的东撤。

夏季西太平洋副热带高压异常时的东亚大气环流特征

利用NCAR/NCEP月平均再分析资料 ,探讨夏季西太平洋副热带高压异常时东亚热带季风、梅雨锋及中高纬环流的变化特征。研究表明 :夏季西太平洋副热带高压脊线异常偏南或脊点异常偏西时 ,东亚夏季风环流偏弱 ,85 0hPa矢量风距平场上东亚热带地区出现反气旋性环流 ,副热带地区呈气旋性环流 ,5 0 0hPa垂直速度距平场上东亚热带地区上升运动减弱 ,梅雨锋区上升运动加强 ,5 0 0hPa高度上东亚高纬鄂霍次克海区域出现阻塞高压 ,高纬冷空气直达中纬度 ,梅雨锋扰动加强 ,造成江淮流域汛期降水偏多。夏季西太平洋副热带高压脊线异常偏北或脊点异常偏东时 ,东亚夏季风环流偏强 ,东亚大气环流系统的活动出现了与上述情况相反的异常型 ,江淮流域汛期降水偏少。

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。

GAMIL CliPAS试验对夏季西太平洋副热带高压的预测

利用GAMIL CliPAS"两步法"季度预测试验,检验了后报的1980~1999年北半球夏季西太平洋副热带高压(简称副高)的年际变化,检查了Seoul National University(SNU)动力统计预测系统对SST预测准确度,并讨论了影响中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室格点大气模式(GAMIL)对副高预测效果的可能原因。500hPa位势高度可预报性指数表明西太平洋副高具有较高可预报性。集合平均基本能再现西太平洋副高的变率特征,但最大方差的位置和强度与观测稍有区别。观测证据显示,副高存在2~3年变率和3~5年变率,且2~3年变率比3~5年变率强。GAMIL能够准确预测观测副高的3~5年变率,尽管其强度要强于观测。这与试验所用的预测海温能够很好表现赤道中东太平洋(5.5°S^5.5°N,190.5°E^240.5°E)海温的年际变率有关。同时,GAMIL预测的副高2~3年变率较之观测显著偏弱,这可能与SNU预测的海洋大陆地区(5.5°S^0.5°N,110.5°E^130.5°E)SST的2~3年变率偏弱有关。分析表明,SNU预测海温的这种弱点,与SNU海温统计预测模式所用的历史海温(OISST)本身对海洋大陆地区2~3年变率的刻画能力较弱有关。

西太平洋副热带高压中期进退的环流机制

在西太平洋副热带高压(以下简称西太副高)进退过程中,存在着副热带西南季风上升气流和北支高空热带东风下沉气流构成的副热带季风环流圈,它是联系西太副高进退的一支主要气流;高纬地区Ferrel环流的存在,把西风带气流和副高联系起来,但这支西风带气流是通过加强副热带季风环流圈对副高起作用的。

西太平洋副热带高压强度和位置的气候特征

利用45年西太平洋副热带高压5个特征指数的月平均资料,对副高强度和位置变化的气候特征进行了诊断研究。结果表明,副高的强度在一年中出现两次峰值,第一次出现在6月,第二次在9月。在45年里,副高强度有明显加强,副高位置有南落西移的趋势。副高强度存在3～4年、10～13年的振荡周期,10～13年的周期振荡在1950、1960、1970年代占主要地位,3～4年的周期振荡在1980、1990年代占主要地位。副高在1978年附近发生气候突变,副高强度由负距平为主转为正距平为主,而脊线位置正好相反。

DERF2．0模式对月尺度西太平洋副热带高压预测能力评估

基于国家气候中心第二代月动力延伸预测模式业务系统(DERF2.0)1983—2015年回报数据,利用时间相关系数、标准化均方根误差、距平符号一致率和泰勒图分析等方法综合评估了DERF2.0模式对月尺度西太平洋副热带高压的预测性能。结果表明:模式能够预测出气候平均态上588 dagpm等值线的空间分布及强度和纬向风切变位置,但有偏大偏强的系统偏差。模式对高度场年际变率的预测性能好于纬向风场。模式较为准确地预测了副高气候态的年循环信息,但存在系统偏差,副高面积相对观测偏大,强度偏强,脊线偏北,西伸脊点偏西。模式对副高年际变率的预测性能较好,其中强度最佳,面积其次,脊线相对较差。副高预测性能依赖于超前起报时间,随着起报时间的临近,预测性能整体呈上升趋势,业务中及时更新预测。模式对副高面积超前0~20 d、强度超前0~2 d、西伸脊点超前0~5 d、脊线超前0~7 d起报对未来一个月的预测性能优于持续性预测,业务中可以重点参考。