冬季北太平洋风暴轴的年代际变化

对1948—2004 NCEP/NCAR 500 hPa高度场资料进行滤波后,采用累积距平、Morlet小波分析、合成分析等方法,研究了风暴轴中心的强度、经纬度以及面积指数的年代际变化。结果表明,56 a来北太平洋风暴轴的中心强度平均约为32 dagpm2,中心位置约在172°W、44.5°N。小波分析表明,冬季北太平洋风暴轴的中心强度和面积都存在着18 a的年代际变化周期。此外,风暴轴中心强度与面积指数有很好的正相关关系。总的来说,风暴轴中心强度增强(减弱)时期,一般对应着风暴轴面积增大(缩小)和位置向西(东)、向南(北)移动。

北太平洋风暴轴的变异特征及其与中纬度海气耦合关系分析

本文使用欧洲ECMWF(ERA40)再分析资料,通过经验正交函数(Empirical Orthogonal Function,EOF)分解探讨了冬季北太平洋风暴轴的变异特征,使用回归分析得到了与风暴轴空间异常型相关的冬季大气平均流异常、表层海温(Sea Surface Temperature,SST)异常的空间耦合型.研究结果表明,冬季北太平洋风暴轴主要有两种空间异常型,第一种是风暴轴中东部明显北抬(南压),使得整个风暴轴向东北(东南)倾斜,与此同时,在中纬度北太平洋海区,冬季暖(冷)异常的洋面上是异常高压(低压),海气系统在垂直向表现为一种暖脊(冷槽)配置,在对流层中高层是太平洋-北美(Pacific-North American,PNA)型负(正)位相.第二种是风暴轴整体性加强(减弱)并偏北(南),此时,黑潮区海温异常偏暖(冷),低层阿留申低压和高空的西风急流略偏北(南),对流层中高层表现为西太平洋(Western Pacific,WP)型负(正)位相.风暴轴EOF分解的时间系数与阿留申低压指数、PNA指数、WP指数,以及与尼诺3区(NINO3)指数、黑潮海温指数间显著的相关性再次证实了在北太平洋中纬度地区存在着SST异常、风暴轴异常和大气平均流异常三者间的空间耦合型.

冬季北太平洋风暴轴指数的评估及其改进

首先对风暴轴的定义及其强度和位置表征方法进行了归纳总结,然后利用1958～2001年44年冬季ERA40位势高度场资料重新评估了几种不同的风暴轴特征指数,分析得到:这些不同的定义方法在表征风暴轴强度变化方面具有一致性,但在描述风暴轴的位置变动方面有较大差异。根据冬季北太平洋风暴轴主体的强度和位置变化特征,提出了一组更为恰当的动态定量的表征方法,即取北太平洋及其周边区域(30°N～60°N,120°E～120°W)冬季500hPa位势高度天气尺度滤波方差大于20dagpm2的所有格点滤波方差的平均值,以及满足上述条件所有格点的经度平均和纬度平均分别作为冬季北太平洋风暴轴的强度指数(NII)、经度指数(NXI)和纬度指数(NYI)。通过比较分析,证明了新定义的指数更能反映风暴轴实际的变动特征。继而利用新指数分析了冬季北太平洋风暴轴的强度和位置的长期变化,得到以下结论:44年中,冬季北太平洋风暴轴的强度微弱增加,且在1970年代中期以前北太平洋风暴轴的强度和位置的年代际变化关系复杂;1970年代中期以后北太平洋风暴轴的强度和位置的年代际变化具有准协同一致性,表现为偏弱期位置偏西偏南,偏强期位置偏东偏北。而且,这种长期变化与太平洋海气系统成员的低频变化有相关性,其变化成因是复杂的。

冬季北太平洋风暴轴异常及其与东亚大气环流的关系

利用NCEP/NCAR逐日再分析资料,应用滤波方差、相关分析、合成分析等研究了1963年冬季至2011年冬季北太平洋风暴轴的时空演变特征,并探讨了风暴轴活动强弱与东亚—北太平洋大气环流的关系。结果表明:与1980s后期风暴轴活动显著增强相比,近10 a来风暴轴活动又进入较气候平均水平偏低的阶段,且风暴轴主体位置有着向东北、西南两侧的振荡现象。风暴轴活动强(弱)年,东亚地区近地面温度偏高(低)、对流层低层阿留申低压和西伯利亚高压偏弱(强)、中国东部及日本上空850 hPa北风减弱(加强);对流层中层东亚大槽减弱北缩(加深南进)、对流层高层西风急流减弱(加强)。风暴轴活动与冬季影响中国的冷空气活动次数相关关系显著。

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。

北太平洋风暴轴异常变化特征及其与纬向风场的关系研究

摘要本文通过对300 hPa5、00 hPa和850 hPa的北太平洋风暴轴(PST)的异常研究,分别提取出两个主异常模态进行比较。分析表明在三层的第一主模态都主要对应有PST异常的准10 a的周期变化;而对300 hPa和500 hPa的第二主模态,以及850 hPa的第三模态,对应有更长时间的趋势变化。进一步通过相关的分析,说明PST的异常从低层到高层的变化存在一定的一致性。通过PST与纬向风场在300 hPa的相关分析发现,两个模态与纬向风场的异常在空间上都呈同位相的分布,说明高层纬向风场异常与PST发展可能存在一种互相反馈的作用。进一步通过斜压增长率和水平两维的E-P通量矢的合成分析发现,这种反馈作用,无论从纬向风场异常所产生的环境斜压增长条件的改变,还是从平均动能与扰动动能的转化关系,都是存在的。

冬季太平洋SST异常对风暴轴和急流的影响

利用观测资料分析了冬季太平洋海表温度异常对风暴轴和急流的影响。结果表明：在冬季黑潮区域正ＳＳＴ异常时，风暴轴和急流均明显北移，并且风暴轴的强度在入口区显著增强，急流核的中心强度却变化不大；而在冬季赤道中、东太平洋地区正ＳＳＴ异常时，风暴轴和急流主要向东南方向明显扩展，强度也在太平洋中东部显著增强，但急流核的中心强度同样变化不大。进一步分析显示，急流的位置和强度变化主要受热带与副热带温度梯度大小变化的影响，而风暴轴的位置和强度变化不仅与急流有关，还主要与非绝热加热效应所直接引起的斜压性增强密切相关。

北太平洋风暴轴的气候特征及其变化的初步研究

本文使用ECMWF再分析网格点资料(ERA-40),分析了不同季节和不同高度层上北太平洋风暴轴(天气尺度瞬变扰动活动)的气候特征及其时间演变规律。分析表明,气候平均而言,北太平洋风暴轴冬季强且偏西南,夏季弱且偏东北。在近45 a里,冬季及夏季风暴轴在整个对流层、尤其是对流层中上层具有整体一致的年际和年代际变化特征。在各个高度层上冬季风暴轴于1985年前后一致性地发生了由弱至强的年代际跃变;夏季风暴轴发生年代际由弱至强跃变的时间在各个高度层上略有不同,对流层中高层的跃变时间与北太平洋大气海洋系统1970年代的跃变时间一致。在冬季风暴轴活动偏强年里,中纬度天气尺度瞬变扰动增强的同时,位置也有所北抬,反之亦然。夏季风暴轴活动偏强(弱)年则主要表现为瞬变扰动在气候平均位置上的增强(减弱)。

冬季黑潮区域海温异常对北太平洋风暴轴的影响

该文对 1 5个冬季北太平洋风暴轴区域 50 0 h Pa天气尺度滤波位势高度方差与北太平洋海表温度进行了奇异值分解 ( SVD)分析 .结果表明 ,SVD得到的第二对空间典型分布反映了冬季黑潮区域的海温异常与风暴轴的异常变化密切相关 .进一步的分析显示 ,黑潮区域海温异常可能通过加强风暴轴入口区的斜压性 ,激发或加强 50 0 h Pa高度场上的 WP遥相关型 ,主要影响冬季北太平洋风暴轴在入口区的强度变化和南北位移 .

冬季北大西洋风暴轴异常对我国寒潮活动的可能影响

基于1961～2011年国家气象信息中心整编的566站逐日平均温度资料以及NCEP/NCAR（美国环境预报中心和国家大气研究中心）的逐日再分析资料等，利用奇异值分解（SVD）等方法，首先分析了年际尺度上冬季北大西洋风暴轴与同期我国寒潮频次的联系。发现，北大西洋风暴轴位置异常与我国寒潮频次变化存在显著的相关关系，即当在40°W以西风暴轴较气候平均位置偏北（偏南）和在40°W以东风暴轴较气候平均位置偏东北（偏西南）时，同期我国大部分地区的寒潮频次异常偏少（偏多），而其强度异常与我国寒潮频次变化的年际关系并不显著。进一步的分析结果表明，风暴轴位置的改变会引起天气尺度瞬变涡动的传播出现异常，而这种传播异常既可以直接影响我国寒潮活动，也可以通过其反馈作用影响大气环流来间接影响我国的寒潮活动。具体的可能影响过程如下：当风暴轴偏东北（偏西南）时，其离亚洲西风急流的位置较远（较近），不利（有利）于将北大西洋上强的瞬变涡动通过亚洲西风急流波导直接传播到我国地区；此时，北大西洋西风急流偏北（偏南），相应地北大西洋涛动（NAO）出现正（负）位相异常，而传播到下游的瞬变涡动通过动力反馈作用，可使得高纬西风加速（减速），极涡加深收缩（减弱扩张），冷空气禁锢在极地不易（容易）南下，而中纬西风则减速（加速），经向环流加强（减弱），从而引起西伯利亚低层冷堆温度增高（降低）；最后，所有上述环流异常形势以及瞬变波的异常传播可最终导致我国的寒潮活动频次减少（增多）。

冬季热带西太平洋对流活动异常的年际变化及其对北太平洋风暴轴的影响

通过诊断分析指出，８０年代菲律宾周围的对流活动２～４年周期振荡比较明显；北太平洋风暴轴中心有线性增强、偏北、偏东的趋势，２～４年周期振荡也比较明显；在２～４年时间尺度上，菲律宾周围对流活动的变化与北太平洋风暴轴的变化有密切联系：当菲律宾周围对流活动强（弱）时，北太平洋风暴轴中心偏强（弱）、偏东（西）、偏北（南）。诊断分析和数值模拟表明，产生这种联系的物理机制是，当菲律宾周围对流活动强（弱）时，在东亚－北太平洋－北美地区产生一个距平波列（ＡＮＡ），位于美国西海岸的正（负）距平及其北侧的负（正）距平，使气压梯度增大（减小），北太平洋急流和风暴轴中心强度增强（减弱）、北抬（南退）、东伸（西退）。

冬季赤道中东太平洋区域海表温度异常对北太平洋风暴轴年际变化的影响

对１５个冬季北太平洋风暴轴区域 ５００ ｈＰａ天气尺度滤波位势高度方差与同期热带太平洋海表温度进行了奇异值分解（ＳＶＤ）分析，结果表明，ＳＶＤ得到的第一对空间典型分布反映了赤道中、东太平洋区域海温异常对风暴轴年际变化的影响。进一步的合成分析显示，赤道中、东太平洋区域海表温度异常可以通过激发或加强５００ ｈＰａ高度场上的 ＰＮＡ遥相关型，主要影响冬季北太平洋风暴轴的东西摆动及其中、东端的强度变化。

北太平洋风暴轴的三维空间结构

文中利用最新的0.5°×0.5°分辨率QuikSCAT(Quik Bird Satellite Microwave Scatterometer Sea Winds Data)海面风场资料、NCEP(National Center for Environmental Prediction)的10m高度风场资料和全球客观再分析资料,对1999—2005年冬季(1月)和夏季(7月)北太平洋风暴轴的三维空间结构进行了分析,发现冬季北太平洋风暴轴的强度较强,呈明显的纬向拉伸带状分布特征,位置偏南。夏季北太平洋风暴轴的强度较弱,位置偏北。根据不同高度上位势高度方差的水平分布特征,绘制了北太平洋风暴轴的三维结构示意图。利用高分辨率QuikSCAT资料对风暴轴特征的刻画更为细致,不但验证了Nakamu-ra在南大洋发现的双风暴轴现象,而且还发现在北太平洋和北大西洋下层分别存在"副热带风暴轴"和"副极地风暴轴"两个风暴轴。对1999—2005年冬季北太平洋气旋和反气旋的移动路径进行的统计分析,为北太平洋"双风暴轴"的存在提供了强有力的证据。

冬季北太平洋风暴轴的年际变化及其与500hPa高度以及热带和北太平洋海温的联系

文中研究了冬季北太平洋风暴轴的年际异常及其与500hPa高度以及热带和北太平洋海温的联系。结果发现，各年冬季北太平洋风暴轴的中心强度和位置具有显著的年际差异。对15个冬季北太平洋风暴轴区域500hPa天气尺度滤波位势高度方差与热带和北太平洋海温的SVD分析表明，第一对空间典型分布反映了赤道中、东太平洋区域海温异常对风暴轴年际变化的影响，而第二对空间典型分布反映了黑潮区域海温异常对风暴轴年际变化的影响。进一步的合成分析显示，赤道中、东太平洋区域海温异常主要影响冬季北太平洋风暴轴的东西摆动和中、东端的强度变化，而黑潮区域海温异常则主要影响冬季北太平洋风暴轴中、西端的强度变化和南北位移。并且这种影响分别与500hPa高度场上的PNA遥相关型和WP遥相关型有密切联系。

冬季北太平洋风暴轴的年代际变化特征及其可能影响机制

利用1958—2002年的ERA-40再分析资料,用谐波变换和EOF方法分析了冬季北太平洋风暴轴在年代际时间尺度上的变化特征,并通过回归分析的方法初步探讨了风暴轴年代际变化的可能影响机制。结果表明,在年代际时间尺度上,北太平洋风暴轴有两种主要模态,第1模态是风暴轴在其气候平均位置增强或减弱的主体一致变化型,其年代际变化受到上游涡旋强迫的影响,北大西洋强(弱)的涡旋活动,使得冬季北太平洋西风急流减弱(增强)、变宽(窄)、北抬(南压),同期北太平洋风暴轴活动偏强(弱),黑潮延续体区海表温度有偏暖(冷)的响应;第2模态是风暴轴中东部在气候平均位置南北两侧振荡的经向异常型,与太平洋年代际振荡(PDO)循环的暖(冷)位相相联系,下垫面海温非绝热加热的作用,激发加强(减弱)大气中类太平洋/北美遥相关型(PNA)的响应,引起大气斜压性异常偏南(北),使得风暴轴整体南压(北抬),且中东部向东南(北)方向移动。因此,冬季北太平洋风暴轴的年代际变化不仅是局地波-流相互作用的结果,还应考虑上游涡旋活动和海温热力强迫的作用。

北太平洋东部风暴轴的时空演变特征

本文利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)逐日再分析资料(ERA-40),以500hPa位势高度滤波方差为代表,对1957年12月～2001年11月期间44年528个月北太平洋区域(30°N～60°N,120°E～120°W)月平均风暴轴的多中心数目和最强中心位置进行了客观统计,在此基础上,对北太平洋区域进行了分区,通过对比各区域风暴轴的时间演变和结构变化,重点揭示了北太平洋东部地区风暴轴的时空演变特征。主要结论如下:(1)逐月来看,北太平洋风暴轴"多中心"现象普遍存在,概率高达94.7%,最典型的分布呈2～3个中心分布;从季节上来看,春季是"多中心"现象最容易出现的季节,秋季和冬季相对较少,而4个及以上的"多中心"现象则更容易出现在夏季。(2)若把最强中心出现在160°W以东地区的北太平洋风暴轴定义为东部型风暴轴,那么从月份上来看,7月相对最容易出现东部型风暴轴,1月和2月最难;从季节上来看,夏季相对最容易出现东部型风暴轴,冬季最难;总的来看,出现东部型风暴轴的频数大约占总频数的三分之一。(3)从垂直结构上看,在北太平洋160°W以东地区,风暴轴的强度可以最强,但与斜压性密切联系的涡动向极和向上热量通量的最大值却并不是最强。(4)经验正交函数分解(EOF)分析的结果表明,在不同季节、不同区域以及是否单独考虑东部型风暴轴的情况下,风暴轴的变化虽然表现出了一定的差异,但都反映出在北太平洋东部区域风暴轴的变化特征有其独特特点,如在该区域风暴轴的主要变化模态并不一定时时与其他区域的主要变化模态一一对应。北太平洋东部区域风暴轴变化的原因和机制值得进一步深入探讨。

北太平洋风暴轴“深冬抑制”现象的能量分析

采用欧洲中期天气预报中心逐日再分析资料(ERA-40),从局地能量变化方程出发,通过分析北太平洋风暴轴区域对流层不同层次局地能量的季节演变过程,对风暴轴区域各能量项在"深冬抑制"现象中的作用进行了深入探讨。结果表明,天气尺度扰动动能的季节变化可以很好地反映北太平洋风暴轴的"深冬抑制"现象,并且该现象在对流层上层最为显著,其发生概率约为80%,其中20世纪70年代中后期到80年代前期抑制最强。从同期各能量项的变化来看,扰动动能的变化主要受斜压能量转换项、涡动非地转位势通量的散度项和正压能量转换项的影响。在深冬季节,由于消耗扰动动能的正压能量转换项虽有些微弱减少从而使得扰动动能有所增加,但为风暴轴提供扰动动能的斜压能量转换项和涡动非地转位势通量的散度项减少的幅度却更大,因而总的效果是扰动动能大为减小,这可能是造成北太平洋风暴轴"深冬抑制"现象的直接原因。

涡动非地转位势通量对风暴轴维持的影响

通过对涡动动能方程和涡动有效位能方程的诊断分析，结果发现，斜压性是导致风暴轴入口区天气尺度涡动发展的最主要原因，而涡动发展后则主要通过非地转位势通量向下游频散能量而衰减，并进一步成为激发下游新的涡动活动发展的主要能量来源。因此，涡动非地转位势通量所引起的“下游发展效应”对风暴轴在东端弱斜压区的维持具有十分重要的作用。

冬季北太平洋风暴轴和北大西洋风暴轴的协同变化及其与同期海气系统的空间耦合关系

基于1960~2014年NCEP/NCAR(美国环境预报中心和国家大气研究中心)的逐日再分析资料以及NCPC(美国气候预报中心)的海温资料和大气环流及海洋指数,通过风暴轴指数、经验证交分解(EOF)等方法,研究了冬季北半球北太平洋风暴轴(PST)和北大西洋风暴轴(AST)之间不同时间尺度下的协同变化特征,并利用回归和相关分析对风暴轴的年际和年代际协同变化特征与同期海气系统的空间耦合关系进行了探讨。主要结论概括如下:(1)从所定义的冬季北半球两大洋风暴轴的纬度、经度和强度指数来看:三个指数均存在明显的年际变化和年代际变化,其中年际分量的方差贡献远大于年代际分量;对于单个风暴轴来讲,无论是滤波方差场原始序列还是其年际分量和年代际分量序列,每个风暴轴各自的纬度指数和经度指数均呈显著正相关,表明每个风暴轴各自的南北位移和东西位移具有很好的协同性;虽然从原始序列来看,两个风暴轴之间各指数之间的相关关系均并不显著,但是对于年际分量序列和年代际分量序列,两个风暴轴之间均具有显著的协同性变化,其中,在年际尺度上,两者仅强度变化之间具有显著的正相关,而在年代际尺度上,AST的经度(纬度)变化与PST的强度(纬度及强度)变化均具有显著的负相关。(2)EOF结果表明,两个风暴轴之间协同变化的空间结构在年际尺度上反映的主要是强度的变化,第一模态为两者强度在其气候平均位置附近同时减弱(增强)并伴随AST整体和PST东部均略有北抬(南压),第二模态为两者强度在其气候平均位置附近同时减弱(增强)并仅伴随AST整体略有南压(北抬);而在年代际尺度上,第一模态为AST整体偏北(南)中东部偏强(弱)与PST整体偏南(北)中东部偏弱(强)的反位相协同变化;第二模态为两个风暴轴的强度在其气候平均位置附近同时增强(减弱)的一致性协同变化。(3)进一步分析表明,两个风暴轴之间以不同模态协同变化时,与同期海温、遥相关型及环流异常等海气系统之间均呈现出很好的空间耦合关系,但具有不同的特点。

北太平洋东部风暴轴的变化特征及其与大气环流和SST异常的关系

利用欧洲中期天气预报中心ECMWF(European Center for Medium-range Weather Forecast)逐日再分析资料(ERA40),通过经验正交函数(empirical orthogonal function,EOF)分解发现,冬季北太平洋东部风暴轴有着显著的年际变化特征:第一变化模态为在气候平均位置南北相反的偶极子变化型,第二变化模态为在气候平均位置处一致增强或减弱的变化型,第三变化模态为三极子的变化型。进一步的回归分析发现:当东部风暴轴南压(北抬)时,同期冬季是一种厄尔尼诺(拉尼娜)年海温异常空间分布型,中纬度北太平洋海区以及赤道中、东海区,冬季冷(暖)异常的洋面上是异常低压(高压),对流层中层是太平洋—北美型(Pacific-North American Pattern,PNA)遥相关的正(负)位相;当东部风暴轴增强(减弱)时,同期冬季黑潮区海温偏暖(偏冷),对流层中层表现为西太平洋型(West Pacific Pattern,WP)遥相关的正(负)位相;当东部风暴轴呈现西北—东南+-+(-+-)相间三极子的分布时,同期冬季巴布亚新几内亚附近海温异常偏暖(冷),夏威夷附近海温异常偏冷(暖),冬季冷(暖)异常的洋面上是异常低(高)压,对流层中层表现出类似PNA正(负)位相。EOF分解各模态所对应时间系数与阿留申低压(Aleutian Low,AL)指数、PNA指数、Nino3指数、WP指数、黑潮海温(Kuroshio Current,KC)指数之间存在显著的相关,这些证明了东部风暴轴与同期大气环流及SST异常之间的联系。