初夏东亚—太平洋遥相关波列年际变化的一种物理机制

根据1978—2002年北半球500hPa高度场、地表温度场以及中国夏季雨带类型资料,应用最小二乘法获得了能反映1978—2002年各年北半球大气环流演变大尺度特征的25组空间谱函数。采用改进的低截谱模式方法和多种统计假设检验方法获得了夏季东亚—太平洋遥相关波列年际变化的一个物理机制。结果表明,当大气环流的内部动力过程中大尺度波-波和波-流相互作用明显时,大气环流的演变表现出明显的非线性特征,导致初夏从低纬到高纬东亚—太平洋遥相关波列多为"-、+、-"分布,相应的EAP指数多为正值,西太平洋副热带高压北跳明显,相应中国夏季多雨区主要位于淮河流域及其以北地区;反之,当大气环流的内部动力过程中大尺度波-波和波-流相互作用较弱时,大气环流的演变表现出较为明显的线性特征,初夏从低纬到高纬东亚—太平洋遥相关波列为"+、-、+"分布,EAP指数多为负值,夏季西太平洋副热带高压北进不明显,相应中国夏季多雨区主要位于淮河、长江流域及以南地区。

北欧海大气低空辐合辐散的东西振荡模态及其相应的大气遥相关异常环流

北欧海作为连接北冰洋和北大西洋的重要海域,其由热效应产生的辐合场值得关注。本文利用NECP/NCAR的速度势函数(Velocity Potential,VP)数据表征北欧海辐合辐散场,发现在秋冬季北欧海上空大气低层存在一个独立的辐合区域。经验正交函数分解结果表明,北欧海上空的VP显示出除了表征北极涛动的全区一致型模态外,还表现出一个东西向辐合辐散反位相的东西振荡型模态。该模态与一支连接北大西洋涛动(NAO)和欧亚遥相关(EU)的复合型大气遥相关波列有关,北欧海表层潜热和感热异常加热通过影响低空大气的异常辐合辐散,与北大西洋偶极子型海温异常加热共同作用,加强了NAO异常环流;同时高空急流波导作用加强了从北欧海到东亚的EU波列,使得位于NAO和EU之间的北欧海成为连接NAO和EU大气遥相关波列的“中继站”,进而通过这种复合型大气遥相关波列将北大西洋与东亚大气环流联系起来,形成对东亚地区天气气候的远程影响。

大气对南极冰异常的遥响应及其季节内振荡

运用ＩＡＰＡＧＣＭ模式证实了大气对南极冰异常的强迫遥响应是激发产生全球大气季节内振荡的重要机制，进而着重考察了候平均偏差结果的时间序列，并且通过带通滤波处理，特别分析了响应场中３０～６０ｄ低频振荡的特征及其活动。通过分析发现：大气对南极冰减退的响应是一种具有３０～６０ｄ周期的低频遥响应，并呈现出清楚的二维Ｒｏｓｓｂｙ波列特征；强迫场中的３０～６０ｄ季节内振荡具有着同实际大气中的低频振荡相类似的垂直结构和传播特征。大气响应场中３０～６０ｄ振荡能量在垂直方向上随高度的增加而增加，在纬向上表现出明显的区域性特征，即季节内振荡的最大动能区（由于ＣＩＳＫ机制）分布在大洋内；ＥＵＰ，ＰＮＡ，ＡＳＡ和ＲＳＡ波列可能是全球大气低频扰动传播的主要路径，３０～６０ｄ低频扰动在波列路径上的传播具有很大的一致性和系统性，从而使中高纬和热带地区、以及南北半球的３０～６０ｄ大气振荡相互联系起来，而且可以认为，赤道中太平洋和赤道中大西洋地区是南北半球３０～６０ｄ低频振荡间相互作用和相互联系的重要通道。

大气对南极冰异常的低频遥响应

运用ＩＡＰＧＣＭ模式证实了大气对南极冰异常的强迫遥响应是激发全球大气季节内振荡的重要机制，进而着重考察了候平均偏差结果的时间序列，并且通过带通滤波处理，特别分析了响应场中３０－６０天低频振荡的重要特征，发现：大气对南极冰减退的响应是一种具有３０－６０天周期的低频遥响应。强迫场中的重要成分是３０－６０天季节内振荡，并且具有同实际大气中的低频振荡相类似的垂直结构以及传播和分布特征。

中纬度海温对北方冬季寒潮强度异常的协同影响

利用中国气象局国家信息中心提供的1980-2019年日最低温度资料、NCEP/NCAR逐月再分析资料和Hadley中心提供的逐月海表温度(SST)资料,分析了北方冬季寒潮强度异常时空特征及北半球中纬度海温异常(SSTA)对其影响机制。结果表明:(1)北方单站寒潮强度存在年际和年代际变化;1998年之前寒潮强度年代际变化更明显,1999年之后寒潮强度的年际变率更大。华北地区寒潮最强,内蒙古、甘肃和新疆交界处次之。(2)寒潮强度主要有全区一致型、东西反位相型及三极型异常分布,且全区一致型异常基本能反映强度总体时空变化特征。(3)北太平洋前春到冬季的类似太平洋年代际振荡负位相型(类“-PDO”型)SSTA、北大西洋前秋与冬季负SSTA有利于北方寒潮增强。秋季两大洋SSTA对寒潮强度的作用相当,冬季北大西洋SSTA影响更显著。(4)前春到前秋北太平洋类“-PDO”型SSTA及秋冬季北大西洋SSTA,激发出冬季负北极涛动(“-AO”)、正欧亚太平洋(“+EUP”)型、类太平洋-北美(“PNA”)型、负北大西洋涛动(“-NAO”)等遥相关型或波列异常;两大洋SSTA存在类似跨季节“接力”的关系,秋冬季两大洋协同作用,上游Rossby波能量向下游频散,持续加强“+EUP”等遥相关波列,使乌拉尔山高压脊和东亚大槽偏强,并有300 hPa北弱南强的急流配合,有利于高纬冷空气南下到我国北方地区辐合堆积,高低层环流异常配合,导致北方寒潮强度增强。

异常对流经度差异对El Niño影响区域气候的分析

利用1979~2019年NOAA(美国国家海洋和大气局)月平均OLR资料,1960~2019年NCEP/NCAR(美国气象环境预报中心和美国国家大气研究中心)和ECMWF(欧洲中期天气预报中心)ERA5月平均再分析资料,以及英国东安格利亚(East Anglia)大学CRU地表气温观测资料,采用合成分析方法,探讨了热带太平洋异常对流纬向位置不同的El Niño事件对区域气候的影响。结果表明:基于热带太平洋异常对流活动纬向位置,研究El Niño事件对大气环流和区域气候异常的影响,可避免SST异常反映大气对流活动异常存在局限性的缺陷。超强El Niño事件中,热带太平洋异常对流位置偏东,位于140°W附近。热带东西太平洋异常下沉区偏东,导致澳大利亚东北部和巴西东北部从9月到次年2月严重高温干旱,而秘鲁和厄瓜多尔沿岸降水偏多。9~11月PNA(太平洋—北美)遥相关波列位置偏东,北美大槽显著减弱,使冬季北美大陆气温明显偏高。格陵兰岛到欧洲西北部位势高度偏低,亚欧北部显著偏暖。一般东部型El Niño事件中,异常对流位于赤道160°W附近。热带东西太平洋异常下沉区较超强事件偏西,导致澳大利亚西北部和南美西北部从9月到次年5月持续干旱,澳大利亚东部降水正常偏多。PNA波列较超强事件偏西,北美大槽加深,秋冬季北美东部出现严寒。而El Niño Modoki事件中,异常对流位于180°附近,秘鲁和厄瓜多尔沿岸处于对流抑制区,降水偏少,受异常反气旋持续控制,澳大利亚大部分地区从9月到次年5月持续干旱。PNA波列更加偏西,冬季北美东南部偏冷。一般东部型事件和El Niño Modoki事件冬季,大西洋表现为NAO(北大西洋涛动)负位相,亚欧中纬度地区气温偏低。

冬季青藏高原大气热状况分析Ⅱ:年际变化

在分析了冬季高原上空气候平均热力特征的基础上,文中继续讨论冬季高原上空非绝热加热年际变化的特征及其与北半球大气环流场异常的联系。结果发现,冬季高原上空非绝热加热的年际异常主要表现为高原西侧至东南侧潜热加热的异常。且与夏季不同,冬季高原上空非绝热加热异常偏大(偏小)时,在高原上空从上至下,出现一致的气旋性(反气旋)性差异环流,表现出相当正压的异常结构;数值试验的结果进一步指出,高原冬季热力异常主要与高原上游的西风环流异常紧密相连,高原西南侧西风急流增强时,因高原阻挡在高原西北部易形成气旋性差异环流,且高原南侧绕流增加,围绕高原主体形成气旋性差异环流,最终导致高原西部及南侧的潜热加热增加,总的非绝热加热变大。高原冬季非绝热加热的异常是大尺度环流异常与高原动力作用的结果,是整个北半球异常模态的局地响应,与北半球一支从西北到东南的遥相关波列密切相关。

夏季中国华北与印度降水之间的关联及其成因分析

本文基于1951~2012年的再分析资料以及站点观测资料,针对中国华北夏季降水和印度夏季风降水的协同变化（正相关）关系,利用集合经验模态分解法（EEMD）对两个降水序列进行时间尺度分解,并在年际尺度上分别考察了对两者正相关关系形成的有利和不利环流形势。结果表明,印度夏季风降水和华北夏季降水序列的较好正相关关系主要来自周期为2~3年的年际尺度分量,两者在该时间尺度上的相关系数为0.34,达到99%的信度水平。在年际尺度上,与印度夏季风降水异常有关的对流层中高层环半球遥相关型（CGT）波列能够衔接伊朗高原和环渤海地区上空的同位相环流异常（反气旋式或气旋式）,从而有利于华北夏季降水和印度夏季风降水之间的协同变化。然而,这一协同变化关系并不总是成立。当伊朗高原上空异常中心的位置偏西时,CGT波列无法形成。这时,即使印度夏季风降水出现显著异常,华北地区却易受东亚—太平洋型或西太平洋型遥相关型的影响而其降水形势可能与印度夏季风降水形势相反。这些结论有助于进一步理解印度夏季风降水与华北夏季降水的正相关关系,从而对华北夏季降水的预测具有参考意义。

2010年华南前汛期持续性降水异常与准双周振荡

利用中国台站逐日降水资料以及NCEP-DOE逐日再分析资料,分析了2010年华南汛期降水异常的低频特征及大气环流的影响。结果表明,2010年华南汛期降水异常呈显著的低频振荡特征,其中前汛期以10~20天振荡(准双周振荡)为主,后汛期以20~50天振荡(季节内振荡)为主。重点讨论了准双周尺度上前汛期持续性降水异常与中高纬和热带地区大气低频振荡的关系。中高纬地区的低频环流可通过Rossby波能量沿着低频遥相关波列的频散影响华南低频环流的变化。波活动通量分析显示,西西伯利亚作为Rossby波源,其波能量沿着横跨欧亚大陆的低频遥相关波列向我国东部地区频散,引起该地扰动加强,从而引起华南低频环流及垂直运动的变化进而造成华南降水的异常。热带东印度洋的准双周振荡是影响华南前汛期降水的另一低频来源。当赤道东印度洋对流旺盛(抑制),其上空为强上升(下沉)气流,低层辐合(辐散)高层辐散(辐合),而华南上空盛行下沉(上升)运动,不利于(有利于)华南降水。来自中高纬和低纬的低频信号的叠加并配合低频水汽输送共同影响了华南环流异常的低频变化,从而引起华南的低频降水异常,有利于华南持续性降水异常的发生。

印度洋海温偶极子型振荡与热带太平洋之间的对流层遥相关模态及相应的机制解释

利用GISST和NECP/NCAR再分析数据, 研究了印度洋海温偶极子型振荡(Indian Ocean Dipole, IOD)和太平洋之间在对流层上的遥相关模态并对其进行了机制解释. 通过对IOD变化指数时间序列和整个南半球对流层重力位势异常场之间的相关分析, 首先给出了遥相关的空间模态, 结果显示: 在热带太平洋上空的对流层存在明显和IOD变化密切联系的遥相关作用中心; 该中心和热带印度洋之间由一列明显的大气遥相关波列结构连接起来, 该波列结构从热带印度洋出发, 向东南方向发展进入澳大利亚和太平洋的亚热带海域, 最终到达热带太平洋. 其次, 利用行星波能量传播理论对两者之间的遥相关进行了机制解释, 发现从热带印度洋出发的纬向波数为1～3的大气行星波的能量传播路径和遥相关波列路径定性相符. 另外, 对大气行星波在半球尺度上能量传播的时间尺度分析结果表明, 它和太平洋对流层异常对IOD的响应时间尺度是一致的. 因此我们得到这样的结论: 大气行星波的能量传播是热带印度洋海温偶极子型振荡和热带太平洋之间对流层遥相关的一种可能的联系方式.

夏季东亚和西北太平洋地区的气候变异及其机理

夏季东亚气候异常和西北太平洋地区有着密切的联系,表现为不同纬度间强烈的相互作用。由于这一地区的不同纬度间相互作用对东亚夏季气候异常具有重要的影响,最近20年,对这种相互作用的表现形式、三维空间分布、形成机理,及其与欧亚大陆遥相关波列和热带海温的关系等都做了大量的研究。对这些研究进行综述,侧重点放在近10年以来的研究工作,并对还需进一步研究的问题进行一些探讨。

中国北方冬季气温的年际变化对北太平洋东部海温异常的响应

利用地面气温观测资料及NCEP/NCAR逐月再分析资料,分析了中纬度北太平洋东部海温异常变化对中国北方地区冬季气温的可能影响。结果表明,前期夏、秋季中纬度北太平洋东部海温与北方地区冬季气温存在持续稳定的正相关关系,并且这种相关性在年代际尺度上较年际尺度更为显著。这种联系与中纬度北太平洋东部关键区海温在对流层中低层激发出的一种类似北美—大西洋—欧亚遥相关型波列有关。当前期关键区海温偏高(低)时,其激发的波列使得乌拉尔山阻塞高压偏弱(强),西伯利亚高压偏弱(强),导致贝加尔湖以南大部地区受正(负)高度距平控制,亚洲地区中高纬以纬(经)向环流为主,有利于北方大部地区气温偏高(低)。研究表明,中纬度北太平洋东部海温异常通过激发出一个从关键海区到我国北方地区的跨越东西半球的遥相关型波列,引发北半球中高纬度大气环流异常,进而影响北方冬季气温。

西北地区4月降水异常的环流特征及前兆海温信号

利用1981—2019年西北地区4月降水站点资料、美国国家环境预报中心第二套再分析资料(NCEP/DOEⅡ)、美国国家海洋和大气管理局(NOAA)海温场资料,研究了西北地区4月降水的异常特征以及对应的同期环流场特征,寻找可能的前兆海温信号并讨论其影响机制。结果表明:(1)西北地区4月降水以全区一致性分布为主,具有明显的年际与年代际变化。(2)当东北大西洋至东亚上空存在一个“负、正、负、正”的异常波列分布时,使得巴尔喀什湖低槽偏强,东亚大槽减弱,西北地区盛行显著的偏南气流,上升运动加强,加之来自东部海洋与孟加拉湾充足的水汽输送,在西北区形成强烈的水汽辐合区,有利于该区降水偏多;反之,情况则相反。(3)前期2月北大西洋三极子指数与西北地区4月降水呈显著的正相关关系,可作为4月降水预测的前兆信号。进一步分析表明,北大西洋海温异常产生的非绝热加热可以激发Rossby波能量的下游频散,致使欧洲西部、乌拉尔山、巴尔喀什湖、东北亚地区呈现“负、正、负、正”的遥相关波列,而这种异常Rossby波能量频散与4月降水异常对应的Rossby波能量频散非常相似,从而影响到西北地区4月降水异常。

2015年冬季云南两次极端降水事件及环流异常特征分析

利用中国2 474个台站观测逐日降水资料和美国NCEP/NCAR再分析资料,分析了2015年冬季云南两次强降水的极端特征及其环流异常演变特征,讨论了降水异常与大气低频振荡的关系。结果表明:两次过程强降水期间南支槽、水汽和偏南急流均具有异常特征,且第一次过程的异常强度明显强于第二次过程;中高纬源自北大西洋的Rossby波能量频散对云南极端降水有明显作用,南支槽前的西南急流和菲律宾副热带系统的西北传播和云南极端降水也关系密切;第一次过程的波作用能量的传播方向、辐合程度以及菲律宾-南海-中南半岛-云南的显著垂直环流圈均较第二次过程更加有利于云南低频降水的增强,进而导致了两次过程降水强度和范围的差异。

A dark October in Beijing 2016

近年来,北京的雾霾污染事件剧增,2016年10月的污染达到了一个历史同期最高点。根据前人研究,气象条件在雾霾污染事件中起着非常重要的作用,然而现有研究对于十月份与雾霾相关大气环流情况以及为什么2016年会出现最严重的污染事件的原因尚不清楚。本研究中作者利用观测和再分析的日资料共同研究发现,北大西洋和北太平洋关键区域海温可能是此次严重污染事件最主要的原因。2013年之后,这两个关键区域海温显著增加并在2016年达到一个顶峰,这样的海温异常可以通过影响欧亚遥相关波列和北太平洋涛动,从而产生有利于雾霾生成和发展的动力和热力条件,最终导致2016年10月北京出现历史同期最严重的雾霾污染事件。

南极极涡位置变化与热带西太平洋对流活动的关系

利用1979~2019年NOAA月平均向外长波辐射(Outgoing Long-Wave Radiation, OLR)资料,NCEP/NCAR月平均再分析资料,采用统计学和动力机制分析的方法,探讨了南极极涡位置变化与热带西太平洋对流活动异常的关系。研究发现:热带西太平洋关键区域120˚E~140˚E,10˚S~0˚ (3~5月)和120˚E~140˚E,5˚S~5˚N (6~8月)内对流活动增强,会激发从澳大利亚东部经南太平洋向大西洋西南部传播的类太平洋–南美(Pacific-South American, PSA)遥相关波列,进而导致南极极涡偏向西半球。年代际尺度上,1999~2019年,3~5月热带西太平洋地区和6~8月南太平洋辐合带(South Pacific Convergence Zone, SPCZ)附近对流活动增强,激发的类PSA遥相关波列,是导致南极极涡偏向西半球的重要原因。

基于自动识别的近三十年华北地区冬季冷锋活动异常及其可能成因

利用1989-2018年ERA5再分析资料,使用适用于欧亚大陆的冷锋两步客观识别算法,得到冬季冷锋活动数据集。在此基础上,分析了近30年来华北地区冬季冷锋的活动特征,并讨论了冷锋活动异常的可能成因。结果表明:(1)华北地区是东亚大陆上冬季冷锋频数最多、活动最强的区域,且华北地区冷锋活动强度有明显的年际变化;(2)华北地区冷锋活动强年,从北大西洋到欧亚大陆上空存在一个明显的欧亚遥相关(EU)波列正位相,华北地区上空500 hPa为负位势高度异常,表明东亚大槽增强,相应的西伯利亚高压偏强;(3)欧亚大陆北部边缘海区为异常暖平流时,华北地区冷空气活动增强,冷锋活动也增强;(4)大西洋北部的海面温度(SST)异常可能通过激发对流层中、上层的罗斯贝波,该罗斯贝波向东传播经欧洲—西西伯利亚传至中国华北地区,从而影响华北地区的冷锋活动强度。

青藏高原夏季极端降水的分型及其前兆信号

近年来,青藏高原夏季极端降水在全球变暖的背景下表现出显著的变化.本文使用第三极地区长时间序列高分辨率(1/30°)降水数据集(TPHiPr,1979~2020)与大气再分析资料,利用K-Means聚类方法将青藏高原夏季(6~8月)极端降水划分为三类空间型,研究了1979~2020年高原夏季各类分型极端降水对应的环流异常及前兆因子等特征.研究表明,依据极端降水阈值可将高原夏季极端降水划分为西北(NW)型、东南(SE)型和喜马拉雅山脉南麓(HS)型,当各分型区域性极端降水事件(REPE)发生时,高原对应区域对流层中层均存在异常气旋性环流和异常上升运动.NW型和SE型主要受其上游中高纬地区异常信号的影响,而HS型则受局地副热带异常环流的控制.进一步研究发现,NW型发生前的第8天,在大西洋西部(60°W,50°N)附近出现气旋性异常,并激发出自西向东准纬向传播Rossby波;NW型发生当天,对流层高层自里海、新疆西部到青藏高原东北侧呈现出沿40°N纬向分布的正-负-正位势高度异常,水汽从阿拉伯海沿着位于高原西南侧异常气旋的东南边缘进入并在高原西北部辐合.相比于NW型,SE型的前兆信号出现的纬度偏高且强度更大,SE型发生前的第8天,格陵兰岛(60°W,70°N)附近出现气旋性异常并激发出向东南方向传播的Rossby波;SE型发生当天,在对流层高层自乌拉尔山、伊朗高原到青藏高原北侧呈现出西北-东南走向的负-正-负横跨欧亚大陆的位势高度异常,水汽从孟加拉湾沿高原南部异常气旋的东南边缘进入高原东南部.HS型发生前的第6天,低纬度地区中低层的异常高压西伸,REPE发生当天高原南侧出现显著的反气旋异常环流,有利于将孟加拉湾的水汽输送到喜马拉雅山脉南麓,此外,200hPa位势高度上盘踞在高原东北部的气旋性异常增强了高原南部的西风,有助于高原南侧反气旋系统的维持,对HS型REPE的发生也具有贡献.