平流层NAM 异常事件与东北亚地面温度的关系

对再分析资料的合成分析表明,10 hPa北半球环状模(NAM)指数和东北亚地区地面温度(SAT)存在显著的后滞相关关系.正/负位相平流层NAM异常事件往往伴随着东北亚地区正/负异常地面温度变化.负位相NAM指数超前东北亚地面温度异常20～40天,正位相NAM指数超前约20天.定义了有效平流层极端事件(ESE),并研究了不同标准下平流层NAM异常能够传到对流层的比例.研究表明,NAM异常下传的比例随定义标准的提高而增加.研究结果显示,平流层大气环流异常在一定程度上能够作为先兆因子来延长中国北方冬季对流层天气预报.     

平流层NAM异常对东北冷涡活动影响的研究

为了研究平流层环流异常对东北冷涡的影响, 使用NCEP/NCAR(1958?2010年)再分析资料(日平均、月平均位势高度场及温度场), 对平流层NAM (northern hemisphere annular mode, 北半球环状模)异常期间东北冷涡的活动特征和三维空间结果进行了统计和合成分析。结果发现, 与平流层NAM正异常相比, 在平流层NAM负位相异常期间, 东北冷涡发生的频次更多和持续天数更长, 强度也更强。对平流层NAM不同位相异常期间的合成分析表明, 在平流层NAM负位相异常期间, 东北冷涡强度更强, 与平流层环流异常联系更紧密。同时平流层NAM负位相异常期间, 有强的行星波活动, 行星波的活动促进和加强了东北冷涡的发展。研究结果对使用平流层NAM异常预测冬季东北冷涡有重要意义。     

平流层NAM异常对东北冷涡活动影响的研究

为了研究平流层环流异常对东北冷涡的影响,使用NCEP/NCAR(1958—2010年)再分析资料(日平均、月平均位势高度场及温度场),对平流层NAM(northern hemisphere annular mode,北半球环状模)异常期间东北冷涡的活动特征和三维空间结果进行了统计和合成分析。结果发现,与平流层NAM正异常相比,在平流层NAM负位相异常期间,东北冷涡发生的频次更多和持续天数更长,强度也更强。对平流层NAM不同位相异常期间的合成分析表明,在平流层NAM负位相异常期间,东北冷涡强度更强,与平流层环流异常联系更紧密。同时平流层NAM负位相异常期间,有强的行星波活动,行星波的活动促进和加强了东北冷涡的发展。研究结果对使用平流层NAM异常预测冬季东北冷涡有重要意义。     

极涡、阻塞高压和西伯利亚高压在极端低温事件中的组合性异常特征

选择2008年低温雨雪冰冻灾害和2016年"霸王级"寒潮,利用NCEP/NCAR再分析资料和地面台站资料,采用西伯利亚高压指数、平流层极涡指数与二维阻塞高压指数,分析了两次极端低温过程期间西伯利亚高压、阻塞高压与平流层极涡的组合性异常特征.结果表明,与1970-2005年的气候平均态相比, 2008年西伯利亚高压偏强8.7 hPa,阻塞高压频率偏高50%,极涡偏强190 gpm;2016年西伯利亚高压偏强16.8 hPa,阻塞高压频率偏高约60%,极涡偏强约296 gpm,说明2016年寒潮过程中3种大尺度天气系统的异常比2008年更显著.分析两次极端低温过程中3种大尺度系统的组合性异常特征,发现与1970-2005年气候平均态相比, 2016年寒潮过程期间极涡偏强,北极高空有较强冷空气,北极地表爆发性增温与中高纬阻塞高压的发展,使大量极寒冷的空气在西伯利亚地区积聚,在高空气流的引导下向中国爆发,使中国大部分地区气温短时间内急剧下降; 2008年平流层极涡能量下传,使得阻塞高压长期维持,西伯利亚高压主体也长时间维持,小股冷空气不断东移南下,使中国南部地区维持长时间低温,并与来自南方的暖湿气流交汇,形成长时间的雨雪冰冻天气.     

1950-2008年影响中国天气的关键区阻塞高压统计特征

采用PV-θ阻塞高压指数检索了1950-2008年影响中国天气关键地区的阻塞高压,并分析了这些关键区阻塞高压的气候特征.结果发现:三个关键区中,乌拉尔山地区的年均阻塞频率最高,而鄂霍次克海地区最低.三个阻塞地区阻塞高压的季节变化也不相同,乌拉尔山地区的年均阻塞频率在5-9月较低,在全年的其他月份较高;贝加尔湖地区年均阻塞频率在秋冬高而春夏低;鄂霍次克海地区夏季年均阻塞频率最高.另外,1950-2008年乌拉尔山、贝加尔湖地区以及三个地区总的阻塞高压次数和天数都有明显的线性增加趋势,而鄂霍茨克海地区阻塞高压次数和天数虽然也有增加趋势,但趋势并不显著.Morlet小波分析结果显示近59年来,三个关键区总的和乌拉尔山阻塞高压活动(次数和天数)都存在2年和4年的显著性周期,贝加尔湖阻塞高压次数存在4～5年的显著性周期,鄂霍茨克海地区阻塞高压次数存在6～8年的显著性周期,这两个地区阻塞高压天数无明显的周期性特征.此外,发现中国的主要气象灾害中,旱灾和寒潮灾害多与乌拉尔山阻塞高压活动有关,雨涝灾害主要受乌拉尔山和鄂霍茨克海地区阻塞高压活动影响,而夏季低温和低温雨雪冰冻灾害则与乌拉尔山和贝加尔湖地区阻塞高压活动有密切关系.     

2010-2011年冬季La Ni(n)a事件对北半球极涡的影响分析

为了探讨强极涡与La Ni(n)a事件之间的关系,利用NCEP/NCAR(日平均、月平均位势高度及温度场)再分析资料对2010-2011年冬季进行个例研究.与气候态相比,2010-2011年冬季北半球平流层极涡偏强,同时,显著的强海温负异常(La Ni(n)a事件)也持续整个冬季.结果表明,受La Ni(n)a事件影响,对流层环流场和温度场得到较大的调整,出现PNA (Pacific North American)型异常环流形势和相对应的温度异常分布.2010年12月,阿留申地区出现负值的热量经向输送,使得该地区从对流层上升至平流层的行星波动与气候态相比明显减弱,从而导致平流层极涡较气候平均态偏强.这一La Ni(n)a事件对平流层极涡影响的动力过程也从1948-2010年期间选出的13个冬季强La Ni(n)a事件的合成分析结果中得到证实.     

乌拉尔山阻塞高压和西伯利亚高压协同作用与东亚冬季风之间的联系

利用1948-2016年美国气象环境预报中心(NCEP)和美国国家大气研究中心(NCAR)逐日再分析资料,选取乌拉尔山阻塞高压二维指数(UBI)、西伯利亚高压指数(SHI)和东亚冬季风综合指数(EAWMII),定量化的验证了乌拉尔山阻塞高压(UB)和西伯利亚高压(SH)发生的年代际变化特征,分析了该变化对东亚冬季风(EAWM)产生的影响.结果表明,冬季UBI、SHI和EAWMII两两之间呈显著相关.其中UBI与SHI之间30 a滑动相关除1988年以后UB和SH两者联系增强外,UBI、SHI和EAWMII的Mann-Kendall突变检验也表明,3者均出现了两次气候突变,第1次突变分别发生在1950-1960年、1960-1970年、1970-1980年;第2次突变发生在2000-2010年,但第2次突变可能不真.采用回归分析方法,研究了UB与EAWM年代际变化的影响,发现在UBI强的年份各要素场距平值对UBI的回归比UBI弱的年份更加明显;在UBI强的两个时段(1948-1985年,2001-2016年)各要素场距平回归值有所差异,后者呈现更加显著的变化,说明2000年以后UBI和EAWMII的相关性增加导致UB对EAWM的影响程度逐渐增强.利用合成分析验证了UB和SH协同作用与EAWM之间的联系.UBI高与SH强的年份,当东亚冬季表面温度呈现负异常时,在位势高度降低的同时,东亚大槽加深增强,中纬度300 hPa高空西风急流增强,有利于形成寒潮天气.在UBI低与SH弱的年份,各要素异常分布情况与上述基本相反.单一的UB和SH变化对东亚冬季各要素场虽然都有一定影响,两者的共同作用对东亚冬季表面温度、500 hP位势高度和300 hPa高空风场的影响更为显著.     

2010—2011年冬季La Ni?a事件对北半球极涡的影响分析

为了探讨强极涡与La Ni?a事件之间的关系,利用NCEP/NCAR(日平均、月平均位势高度及温度场)再分析资料对2010—2011年冬季进行个例研究。与气候态相比,2010—2011年冬季北半球平流层极涡偏强,同时,显著的强海温负异常(La Ni?a事件)也持续整个冬季。结果表明,受La Ni?a事件影响,对流层环流场和温度场得到较大的调整,出现PNA(Pacific North American)型异常环流形势和相对应的温度异常分布。2010年12月,阿留申地区出现负值的热量经向输送,使得该地区从对流层上升至平流层的行星波动与气候态相比明显减弱,从而导致平流层极涡较气候平均态偏强。这一La Ni?a事件对平流层极涡影响的动力过程也从1948—2010年期间选出的13个冬季强La Ni?a事件的合成分析结果中得到证实。     

冬季两类ENSO事件对欧亚地区阻塞高压的影响

利用1979-2015年美国环境预报中心和美国大气研究中心发布的再分析资料和由日本海洋科学技术中心提供的El Ni?o/La Ni?a Modoki距平指数(EMI)资料,对比研究了近36 a冬季两类El Ni?o-南方涛动(ENSO)事件对欧亚关键区阻塞高压(阻高)的影响及其环流成因.结果表明,当发生El Ni?o(EN)事件时,欧亚3个关键区瞬时阻塞都有不同程度的减小,尤其是乌拉尔山地区瞬时阻塞减少32%,阻塞事件的平均持续天数降低了14.7%;La Ni?a(LN)事件导致乌拉尔山地区瞬时阻塞偏多53%,阻塞事件的平均持续天数增多27.9%,但导致了鄂霍次克海地区阻塞事件的平均持续天数减少24%;新型海温异常模态ENSO Modoki对于欧亚阻高的影响与传统的ENSO事件不同.发生EN Modoki时,与正常年份相比,欧亚3个关键区瞬时阻塞都有不同程度的增加,其中鄂霍次克海地区的瞬时阻塞偏多最多,达到55%,阻塞事件的平均持续天数增多18.2%;发生LN Modoki事件时,乌拉尔山地区瞬时阻塞偏多15%,阻塞事件平均持续天数偏多25%,但鄂霍次克海地区瞬时阻塞偏少29%,阻塞事件的平均持续天数偏少10.6%,两类ENSO事件对于贝加尔湖地区的阻高影响均较小.两类ENSO事件对阻高影响不同的直接原因是其对大气环流影响的不同.从500 hPa位势高度场及风场的配置可见,当发生EN事件时,乌拉尔山及鄂霍次克海地区风场有气旋性环流异常,配合位势高度场负异常,导致阻高偏少;发生LN事件时,乌拉尔山及贝加尔湖西部偏北的地区有大范围反气旋性环流异常,500 hPa位势高度偏强,阻高偏多;而在EN Modoki事件发生时,欧亚3个关键区的500 hPa位势高度均有不同程度的正异常,有利于3个地区阻高的偏多;在LN Modoki事件下,乌拉尔山及贝加尔湖北侧地区位势高度偏高,有利于这两个地区阻高的偏多,而不利于鄂霍次克海地区阻高的生成.     

典型极端低温事件中高空急流和阻塞高压的特征及其协同作用

利用NCEP/NCAR再分析资料、三维急流指数和二维阻塞高压指数,研究了高空急流和阻塞高压在典型极端低温事件:2008年初低温雨雪冰冻灾害和2016年"霸王级"寒潮事件中的协同作用,揭示了两次极端低温事件不同天气表征的环流成因.结果表明,与气候平均值相比,两次事件中东亚急流的配置均为增强的副热带急流和偏弱的温带急流,阻塞高压发生频率偏多(33%),强度异常偏强(3.5以上).2008年初高空急流强度较2016年更强,乌拉尔山阻塞高压持续稳定且强大,源源不断的向中国输送冷空气,中纬度低槽活跃,西太平洋副热带高压偏北,加强了向中国南方地区的水汽输送,造成该地区持续性低温和降水;2016年东亚温带急流较常年以及2008年都偏弱,使得阻塞高压异常偏强,横跨约40个经度,乌拉尔山地区500 hPa高度场正距平中心达300 gpm,阻塞高压脊前冷平流加强了近地面西伯利亚高压强度,在南移延伸至华北地区的东亚横槽转竖后西北气流的引导下,冷空气迅速入侵中国,造成短时间剧烈降温.     

亚印太交汇区低纬上空不同层次大气臭氧的时空变化分析

 利用ECMWF 195709~200208共45a的多层臭氧质量混合比月平均资料,详细分析了亚印太交汇区(AIPO)低纬地带上空平流层、对流层各层次上臭氧浓度的分布特征.结果表明:①区域上空对流层、平流层及臭氧总量大尺度特征均显著,纬度带分布特征明显;②对流层和平流层臭氧各个季节变化趋势相反,平流层臭氧和臭氧总量各个季节变化趋势一致;同一层次夏季臭氧浓度变化趋势与其他3个季节变化趋势相反;③区域上空20~3hPa是臭氧浓度的高值区,50~30hPa臭氧平均变化幅度最大;④对流层臭氧距平变化在整个高度上较为一致,正、负距平随季节绕赤道做南、北半球摆动,且存在季节性突变;⑤赤道上空有明显从平流层上层随季节逐渐往较低层传播的臭氧正负距平现象.     

Extremely cold and persistent stratospheric Arctic vortex in the winter of 2010-2011

Record ozone loss was observed in the stratospheric Arctic in the spring of 2011. In the present work, we show observational evidence that the record loss of Arctic ozone is due to the extremely cold and persistent stratospheric polar vortex in the winter of 2010-2011. The polar vortex was as usual in early winter, but was intensified twice in middle January and middle February, respectively, and remained anomalously strong and stable until early April, 2011. Record low polar temperatures and record high subpolar zonal winds occurred in February and March. Stratospheric wave activity was anomalously weak because waves were refracted equatorward by the anomalously strong polar night jet. With such an extremely cold and isolated environment, Arctic stratospheric ozone was largely depleted in March and early April, 2011. Corresponding to Arctic ozone depletion, the stratospheric Northern-Hemisphere Annular Mode (NAM) displayed anomalously strong high-polarity, and the positive stratospheric NAM propagated downward and led to anomalously strong positive NAM in the troposphere and near the surface.     

The spring soil moisture and the summer rainfall in eastern China

The relation between the soil moisture in spring and the rainfall in summer in eastern China is investi- gated. Results show that the summer rainfall in eastern China is closely related to the spring soil moisture in the area from North China to the lower reaches of Yangtze River (NCYR). When spring soil moisture anomalies over NCYR are positive, the summer precipitation exhibits positive anomalies in Northeast China and the lower reaches of Yangtze River, and negative anomalies in southern China and North China. The higher soil moisture over NCYR cools land surface and reduces the land-sea tem- perature gradient, which weakens East Asian summer monsoon. The western Pacific Subtropical High (WPSH) is located to the south and shifts westward, resulting in more rainfall in the lower reaches of Yangtze River and less in southern China and North China.     

Response of the East Asian climate system to water and heat changes of global frozen soil using NCAR CAM model

Under the condition of land-atmosphere heat and water conservation, a set of sensitive numerical experiments are set up to investigate the response of the East Asian climate system to global frozen soil change. This is done by introducing the supercooled soil water process into the Community Land Model (CLM3.0), which has been coupled to the National Center of Atmospheric Research Community Atmosphere Model (CAM3.1). Results show that:(1) The ratio between soil ice and soil water in CLM3.0 is clearly changed by the supercooled soil water process. Ground surface temperature and soil temperature are also affected. (2) The Eurasian (including East Asian) climate system is sensitive to changes of heat and water in frozen soil regions. In January, the Aleutian low sea level pressure circulation is strengthened, Ural blocking high at 500 hPa weakened, and East Asian trough weakened. In July, sea level pressure over the Aleutian Islands region is significantly reduced; there are negative anomalies of 500 hPa geopotential height over the East Asian mainland, and positive anomalies over the East Asian ocean. (3) In January, the southerly component of the 850 hPa wind field over East Asia increases, indicating a weakened winter monsoon. In July, cyclonic anomalies appear on the East Asian mainland while there are anticyclonic anomalies over the ocean, reflective of a strengthened east coast summer monsoon. (4) Summer rainfall in East Asia changed significantly, including substantial precipitation increase on the southern Qinghai-Tibet Plateau, central Yangtze River Basin, and northeast China. Summer rainfall significantly decreased in south China and Hainan Island, but slightly decreased in central and north China. Further analysis showed considerable upper air motion along ~30°N latitude, with substantial descent of air at its north and south sides. Warm and humid air from the Northeast Pacific converged with cold air from northern land areas, representing the main cause of the precipitation anomalies.     

Interannual precipitation variations in the mid-latitude Asia and their association with large-scale atmospheric circulation

This study analyzed the spatial differences of the precipitation variations in the mid-latitude Asia and their possible physical mechanisms during 1960–2009. The annual precipitation showed an opposite variations between the westerlies-dominated arid Central Asia (ACA) and monsoon-dominated North China (NC) during the study period. Given the different contributions of seasonal precipitation to annual total precipitation in ACA and NC, the atmospheric circulation anomalies during the major precipitation seasons (winter in ACA/summer in NC) were analyzed. In winter, negative North Atlantic Oscillation may cause negative height anomalies over the north side and positive anomalies over the south side of the ACA. Together, the enhanced pressure gradient and anomalous westerly wind brings more water vapor to ACA, and leaves less precipitation in NC. In summer, the low-pressure anomalies in Northeast China, along with a weaker summer monsoon and negative height anomalies in Eastern Europe together contribute to reduced (excessive) summer precipitation in NC (ACA). The interactions between ENSO and NAO may result in the opposite precipitation variations between ACA and NC. A significant 2–3-year cycle is identified in ACA, which is linked to the variations of westerly circulation in the middle troposphere.     

亚欧阻塞高压的变化特征及其与重庆夏季降水的联系

使用国家气候中心(NCC)沿用的北半球阻塞高压监测公式,利用NCEP/NCAR逐日500hPa环流场再分析资料,计算出1961-2011年逐日阻高指数,分析了北半球阻塞高压出现的关键地区阻高指数的年际和年代际变化特征及其与重庆夏季降水的联系.结果表明,三个关键区阻高的季节分布以鄂霍次克海阻高在冬季和夏季出现的频率最高,而春季和秋季则是乌拉尔山阻高活动频繁的季节,贝加尔湖地区阻高活动不及前两个区域活跃.从变化趋势来看,乌拉尔山阻高和鄂霍次克海阻高有增强的趋势,贝加尔湖阻高有减弱的趋势.各关键区的阻高日数都存在2~5年的显著性周期特点.三个关键区对重庆夏季降水的影响各有其特点,贝加尔湖和鄂霍次克海的阻塞形势对重庆夏季降水的影响较大,鄂霍次克海阻高日数对重庆夏季降水的影响比其强度对重庆夏季降水的影响关系更加显著,夏季鄂霍次克海阻高日数偏多(少),重庆夏季降水偏多(少).     

夏季青藏高原东部热源异常与环流场和降水的关系

利用NCEP/NCAR再分析资料和中国160个站点的月平均降水资料,选取了2008年9月四川汶川地区特大暴雨实例,分析并验证了夏季青藏高原东部热源异常和中国局部降水异常的关系。结果表明:1夏季高原东部热源偏强会引起500h Pa风场能量偏大,其能量大值区与强降水区域分布相对应;2夏季高原东部热源偏强会引起南亚高压偏东偏强,从而引起西太副高西伸,使得水汽源源不断的向降水区域输送;3夏季高原东部热源异常时,通过加热场-高度场-降水场的同期及滞后效应,进一步影响到中国局部地区的降水异常。     

初夏南亚高压中心经向位置年际变化的一个关键预测信号

基于欧洲中期天气预报中心的ERA-interim再分析资料,应用统计和动力诊断方法,分析了初夏南亚高压（SAH）中心位置年际变化规律及其与青藏高原东南部热源异常的联系.结果显示：初夏SAH中心位置具有显著的准6 a变化特征,但仅有其经向位置与初春青藏高原东南部（SETP）大气潜热活动存在显著的负相关关系;与偏强的初春SETP潜热活动相联系,异常的西风出现在青藏高原的南侧20°N附近,偏西风异常北侧的正涡度异常及其南侧的负涡度异常,加强了青藏高原附近的异常气旋以及印度次大陆半岛及印度洋上空的异常反气旋,这一异常环流形势可以从初春一直维持到初夏,不利于SAH向北移动,最终导致初夏SAH中心位置偏南;反之,初春SETP异常偏弱的潜热活动将以大致相反的物理过程,最终使得初夏SAH中心位置偏北.冬末春初的SETP潜热活动是预报初夏SAH中心经向位置年际变化的一个关键信号.     

Arctic sea ice bordering on the North Atlantic and interannual climate variations

Variations of winter Arctic sea ice bordering on the North Atlantic are closely related to climate variations in the same region. When winter North Atlantic Oscillation (NAO) index is positive (negative) anomaly phase, Icelandic Low is obviously deepened and shifts northwards (southwards). Simultaneously, the Subtropical High over the North Atlantic is also intensified, and moves northwards (southwards). Those anomalies strengthen (weaken) westerly between Icelandic Low and the Subtropical High, and further result in positive (negative) sea surface temperature (SST) anomalies in the mid-latitude of the North Atlantic, and increase (decrease) the warm water transportation from the mid-latitude to the Barents Sea, which causes positive (negative) mixed-layer water temperature anomalies in the south part of the Barents Sea. Moreover, the distribution of anomaly air temperature clearly demonstrates warming (cooling) in northern Europe and the subarctic regions (including the Barents Sea) and cooling (warming) in Baffin Bay/Davis Strait. Both of distributions of SST and air temperature anomalies directly result in sea ice decrease (increase) in the Barents/Kara Seas, and sea ice increase (decrease) in Baffin Bay/Davis Strait. :