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.     

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.     

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。     

北半球冬季准定常行星波传播的年代际变化

通过利用NCEPNCAR再分析资料对1958—2004年共46个冬季北半球大气准定常行星波传播的年代际变化进行分析，发现气候态意义下的准定常行星波沿高纬度由对流层向平流层的传播和在对流层内向低纬度的传播之间存在显著的反相振荡关系. 进一步的研究还表明，准定常行星波传播的年代际变化与北极涛动有密切的联系；北极涛动的正位相对应于在对流层有异常强的从中高纬度向低纬度对流层顶附近的波动传播，同时通过极地波导向平流层的传播明显减弱.其结果不仅说明大气内部的准定常行星波与纬向平均流相互作用可以产生年代际尺度的变化；而且提供了平流层变化影响对流层大气环流长期变化的一种动力学机制.     

平流层异常和我国冬季降温过程的等熵位涡分析(英文)

应用欧洲中心等熵面再分析资料研究了冬季平流层极涡异常和我国东部地区降温过程的联系.对2009/2010年冬季个例的分析表明:大西洋-东亚型平流层爆发性增温后,来自平流层的高位涡气团携带着冷空气向下发展,并向南、向东移动,在移动过程中气团会在垂直方向上拉伸,对应的正涡度增强会使得低层大气中冷低涡系统发展壮大,导致我国东部地区降温事件的爆发.对位涡距平场的统计分析表明:第一模态的位涡分布和时间序列可以很好地反映影响我国东部地区冷空气活动的平流层极涡扰动特征;并且反映出发生在2000~2011年期间的全部4次大西洋-东亚型爆发性增温,在这4次平流层极涡的强扰动后,我国东部地区都出现了不同程度的降温过程,且降温至少持续1周.     

平流层NAM异常对乌拉尔山阻塞高压的影响

使用NCEP/NCAR再分析资料, 对53年(1958?2010年)冬季的平流层北半球环状模(NAM)正、负异常下传期间乌拉尔山阻塞高压的活动特征分别进行合成分析。结果表明, 在平流层NAM负异常下传期间, 阻塞高压事件的发生频次更高, 生命期更长, 并且在空间上发展得更加深厚。阻塞高压崩溃之后, 冷空气主体偏北, 所造成的我国北方地区降温也更强。通过对E-P 通量分析发现, 在NAM负异常下传期间, 乌拉尔山区域的波动更容易向上传播, 更有助于对流层乌拉尔山阻塞高压的维持和发展。这些结果对利用平流层环流异常信号预测我国北方冬季短期气候变率, 尤其是寒潮天气有重要意义。     

北半球平流层高层极涡变化特征的模拟研究

应用一个包含完整平流层的谱元大气模式(SEMANS),对平流层高层极涡进行模拟研究,并系统地讨论了位于平流层高层北半球极涡面积及位置的年际变化特征。结果表明:模式能再现平流层高层及中间层大气温度场及风场的特征,温度在平流层高层随高度的增加而增加,冬季温度变化幅度比夏季大;还可再现1月和7月平流层高层中纬向风随高度的分布特征。平流层高层的极区环流系统9月至次年4月为气旋,6月和7月为反气旋。位于北半球平流层高层的极涡面积在全年过程中呈现先扩大后收缩的趋势,极涡位置在秋冬季变动幅度最大,呈现明显的偏心结构偏向亚洲大陆区,只有夏季表现为绕极环流。位于平流层高层10 h Pa的极涡面积的变化要提前相对于它更高的层次,各层极涡变化相互影响,关系紧密。     

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.     

1979—2018年冬季京津冀区域大风日环流型的聚类分析

利用1979—2018年冬季(12月—次年2月)地面台站的逐日风速和ERA-Interim再分析资料,分析了冬季京津冀区域性大风的变化及其天气环流型. 结果显示,在1979—2018年期间,共计出现区域性大风事件285 d,近40 a大风天气出现的频次以?0.96 d·(10 a)?1(P<0.05)趋势减少. 层次聚类结果显示,导致区域性大风的主要天气环流型有2类:一类环流型事件为110 d,突出特征是欧亚大陆中高纬地区500 hPa位势高度场异常,沿西北–东南方向呈“负-正-负-正-负”分布,合成分析表明其异常信号从上游地区出现、东移、消失于西北太平洋地区,可持续近15 d;另一类环流型事件有175 d,对应的欧亚大陆地区环流异常自西向东呈“正-负-正-负-正”分布,异常信号可持续近18 d. 合成显示,京津冀地区2类天气环流型在对流层中低层均为低压异常,同时近地面有异常强的偏北风和低温. 1979年以来,这2类天气环流型的频次都在显著减少,前者的线性趋势是?0.72 d·(10 a)?1 (P<0.01),后者趋势是?0.23 d·(10 a)?1 (P<0.5),这说明第一类天气型频次的减少可能是近40 a京津冀地区大风事件下降的主要原因.      

两类El Ni?o事件对Hadley环流及中国气候的影响分析

利用1979-2014年的NCEP/NCAR再分析资料,分析了两类El Ni?o事件对Hadley环流及中国地区降水和气温的影响.结果表明,无论在冷季还是暖季,El Ni?o事件使得Hadley环流增强但并未改变Hadley环流中上升支及下沉支的位置;在暖季El Ni?o Modoki事件使得Hadley环流的上升支和下沉支均发生北移,在冷季则没有这种特征.El Ni?o对Hadley环流的影响较El Ni?o Modoki要大,是由两类El Ni?o事件下海温异常分布型的不同造成的.El Ni?o事件下中国南方易出现低温、洪涝,北方易发生高温、干旱,东北易出现冷夏,且易导致暖冬现象.当发生El Ni?o Modoki事件时,在冷季,中国地区气温分布表现为北部和东部地区偏低,西部及西南部地区较高;在暖季,中国东北地区表现为较强的增温现象,长江以南地区的降水较气候平均态偏少.选择两类El Ni?o事件对Hadley环流影响最大的个例,发现中国气温、降水的异常特征与两类El Ni?o事件影响中国气候变化的统计规律基本相符,表明两类El Ni?o事件对中国气候影响的不同,很大程度上是由于其对Hadley环流的影响不同造成的,其他环流系统的作用使得最终影响更为复杂.     

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.     

昭通市2次低温雨雪冰冻灾害天气过程对比分析

对2008年1月12日～2008年2月20日和2011年1月1日～2011年2月2日发生在昭通市的持续性低温雨雪冰冻灾害天气进行了对比分析,结果表明:2次过程均发生在拉尼娜事件年大气纬向环流异常期,500 hPa极涡偏离极地向亚洲和北美伸出2个槽,亚洲极涡面积偏大,南支槽活跃,地面蒙古冷高压偏强,滇黔静止锋偏强且维持时间长.不同的是:500 hPa上2008年1月乌拉尔山地区为倒Ω槽,而2011年1月乌拉尔山地区阻高脊线北伸到65°N附近,脊前新疆北部及蒙古西部为一冷槽;拉尼娜强度2011年比2008年强.     

2003—2004年冬季北半球爆发性增温期间极地平流层甲烷、水汽的演变特征

利用欧洲空间局（ESA）提供的ENVISAT/MIPAS （Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding）卫星观测数据以及ECMWF业务分析场,综合分析了2003—2004年冬季北半球爆发性增温（SSW）事件中极地平流层大气甲烷和水汽的演变特征.结果表明：（1）增温出现时,平流层高、中层极涡先后发生分裂,对应的甲烷、水汽极值中心也同时发生分裂;（2）增温下传过程中,平流层中上层甲烷、水汽同时具有“向上输送”的特征,这主要是由极地平流层的上升运动造成;增温过程中行星波活动引起的向极输送造成这种“向上输送”特征在高层具有一定的超前性;（3）增温后期,高层极涡迅速恢复,极涡内的下沉运动将中间层低层的空气（甲烷、水汽浓度极低）输送进入平流层,造成平流层高层极涡（52km附近）内出现甲烷、水汽浓度的异常低值.     

平流层爆发性增温的时空分布特征

利用1950～2003年逐日平均NCEP资料,对平流层爆发性增温（SSW）的特征进行了统计分析,得到如下结果：北半球SSW具有多发性,在这53年里共发现了69次增温事件,平均每年一次以上,有些年份甚至出现2～3次;SSW中心位置随高度变化,在较低层（16 km附近）中心位置大部分偏于西半球的北美北部到北极地区,高层（30 km附近）附近其中心多偏于东半球欧亚大陆的北边到北极地区;北半球SSW最先发生在30 km附近的欧亚大陆以北地区,然后由上向下延伸和传递,同时中心位置也逐渐转到西半球的北美大陆北端;在北半球发生SSW期间,平流层温度场和环流场的变化也会影响到对流层,引起对流层温度场和环流场的变化.对2002年9月发生在南半球平流层的一次强爆发性增温进行分析表明,南半球的这次SSW发生时表现出的特征与北半球稍有不同,在较低层（16 km附近）SSW中心出现在东半球的南端,在较高层（25～30 km）SSW中心位于西半球的南端.     

2008年雪灾同平流层环流异常的关系

为了探讨2008年我国南方罕见的低温、雨雪和冰冻灾害与平流层环流异常的关系,利用NCEP资料对2007年10月1日到2008年2月29日的平流层大气环流的逐日变化进行了分析.结果表明,这次低温、雨雪和冰冻灾害之前,平流层北极涡旋异常加强和变形,同时在中低纬地区平流层的环流也发生明显的变化.这些变化从平流层向下传,进而影响对流层.由此可见这次我国历史罕见的低温、雨雪和冰冻灾害不但与对流层大气环流的变化有关,也与平流层环流的变化有关.更有意义的是,平流层环流的变化超前了一个多月.因此利用平流层的信息作为天气预报的参考,对提高中长期天气预报(特别是重大灾害的预报)的准确率会起到积极的作用.     

南亚季风环流与臭氧时空分布变化关系的特征分析

利用2005年1月至2017年12月搭载在美国环境监测Aura卫星上的臭氧监测仪（Ozone Monitoring Instrument, OMI）数据和NCEP气象资料,在夏季风环流指数定义方法的基础上,重新定义了南亚区域冬季风环流指数,并分别计算了南亚夏季风和冬季风环流指数. 结合冬夏两季环流的强弱变化采用相关分析、合成分析和奇异值分解（Singular Value Decomposition, SVD）等方法,探讨了环流异常形势下臭氧的时空变化特征. 结果表明:①南亚夏季纬向环流与经向环流的强度变化存在一致性,冬季经向环流与纬向环流的强度变化差异较大. ②南亚臭氧柱总量的季节变化明显,且近13年来臭氧柱总量整体呈上升趋势. ③夏季（冬季）风环流指数与对流层中低（中高）层和平流层中低层臭氧的相关性显著,但夏季平流层和对流层的相关趋势相反. ④夏季风环流增强对应青藏高原?伊朗高原上空及南侧区域的上升运动增强,对臭氧的输送作用是造成对流层臭氧分布呈现差异的原因. ⑤冬季风环流强弱期的垂直上升和下沉运动中心的移动,以及南北向、东西向气流交汇区的差异是造成臭氧分布不同的原因.     

2003-2004年冬季北半球爆发性增温期间极地平流层甲烷、水汽的演变特征

利用欧洲空间局(ESA)提供的ENVISAT/MIPAS(Michelson Interferometer for PassiveAtmospheric Sounding)卫星观测数据以及ECMWF业务分析场,综合分析了2003-2004年冬季北半球爆发性增温(SSW)事件中极地平流层大气甲烷和水汽的演变特征.结果表明:(1)增温出现时,平流层高、中层极涡先后发生分裂,对应的甲烷、水汽极值中心也同时发生分裂;(2)增温下传过程中,平流层中上层甲烷、水汽同时具有"向上输送"的特征,这主要是由极地平流层的上升运动造成;增温过程中行星波活动引起的向极输送造成这种"向上输送"特征在高层具有一定的超前性;(3)增温后期,高层极涡迅速恢复,极涡内的下沉运动将中间层低层的空气(甲烷、水汽浓度极低)输送进入平流层,造成平流层高层极涡(52 km附近)内出现甲烷、水汽浓度的异常低值.     

影响新余的强冷空气及其变化特征

利用1960-2011年新余站逐日地面气温资料,对近52年来影响新余的强冷空气频次及其变化特征,采用线性趋势、5年移动平均和墨西哥帽(Mexican hat)子波方法进行分析,结果表明:20世纪80年代以后影响新余市的强冷空气的次数开始转入年代际偏少阶段,冬季平均最低气温和平均气温则从20世纪80年代末开始明显增暖。降温频次的减少导致冬季平均最低气温和平均气温的升高,在一定程度对暖冬的维持产生作用。北极极涡面积越大,新余冬季气温越低;北极极涡强度越强,新余冬季气温越高。新余的强冷空气发生在极涡面积较大强度较弱,且亚洲中高纬地区的大气环流以经向型为主。亚洲中高纬地区的大气环流以纬向型为主,极地的冷空气只在较高纬度活动,不会南下影响新余市,相应新余市气温偏高。     

2006年临沧市雨季偏早成因分析

通过分析发现，造成2006年临沧市雨季开始偏早的主要原因是中高层大气环流异常，极涡偏强，冷空气偏强，南亚高压和副热带高压偏强、偏西、偏北、南支槽活跃。另外，赤道中、东太平洋海温长时间为负距平以及热带对流偏强也是造成2006年临沧市雨季偏早的重要因素。