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(QuikBird Satellite Microwave Scatterometer Sea Winds Data)海面风场资料、NCEP(National Center for Environmental Prediction)的10 m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.     

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500 hPa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.     

北半球风暴轴的时间演变特征

对５００ｈＰａ位势高度场逐日资料进行带通滤波分析，从而确定了风暴轴各月平均的强度和位置，分析了风暴轴和同一层次急流的时间演变特征以及它们之间的关系。结果表明：太平洋和大西洋风暴轴的强度和摆动都存在着明显的月际变化，即夏季强度最弱，位置偏北；冬季强度最强，位置偏南。在大多数情况下，风暴轴位于急流极大值下游向极地一侧。还发现，急流核和风暴轴都存在断裂现象，在太平洋上，风暴轴还出现双中心现象。     

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500 hPa位势高度天气尺度滤波方差大于20 dagpm2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。     

北半球温带气旋活动和风暴路径的年代际变化

基于欧洲中心再分析数据ERA40的海平面气压场和高度场,本文分别采用拉格朗日和欧拉方法研究分析了1958～2001年北半球的不同季节温带气旋活动和风暴路径的年代际变化,以及可能的原因.以客观判定和追踪温带气旋为基础的拉格朗日方法得到了北半球的两个温带气旋主要活动中心,即北太平洋地区和北大西洋/北美地区,同时以500 hPa位势高度天气尺度滤波方差为基础的欧拉方法得到了同主要气旋活动中心相吻合的两条风暴轴.研究表明,44年中北大西洋/北美地区温带气旋活动北移加强,以春季最为显著.风暴轴也同样存在着向极移动并加强的特征,并且温带气旋和风暴路径两者移动趋势的相关性很高.作为一个典型地区,北大西洋/北美地区的气旋活动体现了风暴路径的北移,以及温带地区向极地的扩展.但有意思的是北太平洋的情况完全不同,即北太平洋地区的温带气旋活动和风暴轴向低纬度偏移并加强,以春季的南移趋势最为显著.对于此结论,两种方法也有很高的统计相关性.虽然大量研究表明北半球整体上呈现出风暴路径北移的变化特征,但对于具体地区情况有明显差异.另外,400 hPa最大Eady增长率和气旋活动频率的经验正交展开函数 (EOF) 第一模态的空间分布和时间序列非常相似,北太平洋地区和北大西洋地区风暴路径相反的变化趋势很可能同其大气斜压性的同位相的变化有着密切的关系.这也从另一个方面支持了本文对温带气旋和风暴路径年代际变化的分析.     

冬季北太平洋风暴轴的年代际变化

对1948-2004 NCEP／NCAR 500hPa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,56a来北太平洋风暴轴的中心强度平均约为32dagpm^2,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18a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。     

Two modes and their seasonal and interannual variation of the baroclinic waves/storm tracks over the wintertime North Pacific

In this study, a newly developed method, termed moving empirical orthogonal function analysis (MEOF), is applied to the study of midlatitude baroclinic waves over the wintertime North Pacific from 1979 to 2009. It is shown that when the daily, high-pass filtered (2-10 days) meridional wind at 250 hPa is chosen as the variable of the MEOF analysis, typical features of baroclinic waves/storm tracks over the wintertime North Pacific can be well described by this method. It is found that the first two leading modes of the MEOF analysis, MEOF1 and MEOF2, assume quite different patterns. MEOF1 takes the form of a single wave train running in the east-west direction along 40°N, while MEOF2 is a double wave train pattern running in the east-west direction along 50°N and 30°N, respectively. The shift composites of various anomalous fields based on MEOF1 and MEOF2 assume typical baroclinic wave features. MEOF1 represents a primary storm track pulsing with an intrinsic time scale of two days. It shows significant "midwinter suppression" and apparent interannual variability. It is stronger after the mid-1990s than before the mid-1990s. MEOF2 represents a double-branch storm track, also with an intrinsic time scale of approximately two days, running along 50°N and 30°N, respectively. It shows no apparent seasonal variation, but its interannual and decadal variation is quite clear. It oscillates with larger amplitude and longer periods after the mid-1990s than before the mid-1990s, and is heavily modulated by El Niño-Southern Oscillation (ENSO).     

北半球环状模波流相互作用动力学研究进展

总结了国内外学者对于北半球环状模（NAM：Northern Hemisphere Annular Mode）及其活动中心形成原因的研究成果。主要从NAM的天气、气候影响,波流相互作用原理对NAM形成的解释,NAM在北太平洋、北大西洋和北极3个区域活动中心的天气尺度波和行星尺度波活动等方面论述。NAM在对流层的变化与天气尺度波有关,北太平洋和北大西洋两个活动中心是天气尺度波活跃的区域,其峰值区表现为风暴轴,其中北大西洋天气尺度波破碎过程会使得NAM指数急剧变化。NAM在平流层的变化和准定常行星波关系密切,冬季准定常行星波会上传并与高纬平流层纬向流发生相互作用,从而引起北极极涡发生改变。准定常行星波将NAM 3个活动中心有机联系起来：对流层准定常行星波的纬向传播会影响北太平洋风暴轴的位置,而风暴轴的变化会影响下游北大西洋波破碎过程,同时准定常行星波的上传可以影响极涡活动。     

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.     

太平洋年代际振荡对冬季北半球两大洋风暴轴协同变化的可能影响

利用NCEP/NCAR提供的再分析资料和NOAA提供的海温资料分析太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation,PDO)不同位相的年代际背景下北半球海气耦合关系的异常与风暴轴协同变化的联系,主要结果如下:1)冬季太平洋年代际振荡与北半球两大洋风暴轴协同变化之间存在显著的相关关系,当PDO暖位相时,对应两大洋风暴轴南北位置反向的异常变化,其中北太平洋风暴轴偏南且中东部减弱,北大西洋风暴轴偏北且中东部增强,PDO冷位相时相反。2)PDO为暖位相时,对应El Niňo型海温异常,北大西洋海温呈三极型,平均槽脊加强,经向环流增强,极涡收缩,北太平洋风暴轴南压,大西洋风暴轴则北抬,此时欧亚大陆北部和北美大陆大部分地区温度异常升高,亚洲南部、非洲北部及巴伦支海以北的高纬温度异常降低,北美西南部和格陵兰岛附近温度也为异常降低,PDO冷位相时相反。     

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)。     

印度洋海温异常对西北太平洋台风的影响及机制研究

基于近40 a NCEP/NCAR再分析月平均高度场、风场、涡度场、垂直速度场以及NOAA重构的海面温度（sea surface temperature,SST）资料和美国联合台风预警中心（Joint Typhoon Warning Center, JTWC）热带气旋最佳路径资料,利用合成分析方法,研究了前期春季及同期夏季印度洋海面温度同夏季西北太平洋台风活动的关系。结果表明：1）前期春季印度洋海温异常（sea surface temperature anoma1y,SSTA）尤其是关键区位于赤道偏北印度洋和西南印度洋地区对西北太平洋台风活动具有显著的影响,春季印度洋海温异常偏暖年,后期夏季,110°～180°E的经向垂直环流表现为异常下沉气流,对应风场的低层低频风辐散、高层辐合的形势,这种环流形势使得低层水汽无法向上输送,对流层中层水汽异常偏少,纬向风垂直切变偏大,从而夏季西北太平洋台风频数偏少、强度偏弱,而异常偏冷年份则正好相反。2）春季印度洋异常暖年,西北太平洋副热带高压加强、西伸;而春季印度洋异常冷年,后期夏季西北太平洋副热带高压减弱、东退,这可能是引起夏季西北太平洋台风变化的另一原因。     

北半球冬季风暴轴与ENSO循环的关系及其能量平衡特征

利用欧洲中期天气预报中心的再分析资料,分析了北半球冬季对流层上层300 hPa面上风暴轴与ENSO循环的关系以及风暴轴的能量平衡特征.研究表明,由于El Nino年北太平洋的哈德莱环流增强,导致北太平洋西风急流向赤道和向东伸展,进而引起了北太平洋风暴轴的增强并向赤道和向东伸展;而La Nina年事件期间情形正好相反.在北大西洋,El Nino年其西风急流中心最大值有所减小,但整个西风急流区域有所扩大并向西和向赤道伸展,相应北大西洋风暴轴强度在El Nino年也有所减弱并向西和向赤道方向伸展;La Nina事件的情形正好相反.能量分析表明,斜压转换的正值中心位于风暴轴及其上游区域.在El Nino年,北太平洋斜压转换的正值中心向赤道和向下游伸展,而北大西洋斜压转换的正值中心向赤道和向西伸展,这与北太平洋风暴轴和北大西洋风暴的变化趋势是一致的.行星尺度扰动对斜压转换的贡献比天气尺度扰动的贡献要小,而行星尺度-天气尺度扰动的相互作用项对斜压转换的贡献更小.研究还表明,能量正压转换的正中心化于风暴轴的上游,负中心位于风暴轴区域.相对于La Nina年,El Nino年北太平洋东部的正压转换负值中心偏北,北美的正值中心位置偏南,而北大西洋的负值中心强度减弱范围变小.这些变化与从La Nina年剑El Nino年北太平洋和北大西洋风暴轴的变化是一致的.在能量的正压转换过程中,天气尺度扰动的贡献要大于行星尺度扰动,而行星尺度-天气尺度扰动的相互作用项的贡献更小.     

Mean Flow–Storm Track Relationship and Rossby Wave Breaking in Two Types of El-Nino简

The features of large-scale circulation, storm tracks and the dynamical relationship between them were examined by investigating Rossby wave breaking （RWB） processes associated with Eastern Pacific （EP） and Central Pacific （CP） E1-Nifio. During EP E1-Nino, the geopotential height anomaly at 500 hPa （Z500） exhibits a Pacific-North America （PNA） pattern. During CP EI-Nifio, the Z500 anomaly shows a north positive-south negative pattern over the North Pacific. The anomalous distributions of baroclinicity and storm track are consistent with those of upper-level zonal wind for both EP and CP EI-Nino, suggesting impacts of mean flow on storm track variability. Anticyclonic wave breaking （AWB） oczurs less frequently in EP EI-Nino years, while cyclonic wave breaking （CWB） occurs more frequently in CP EI-Nino years over the North Pacific sector. Outside the North Pacific, more CWB events occur over North America during EP Ei-NiNo. When AWB events occur less frequently over the North Pacific during EP EI-Nino, Z500 decreases locally and the zonal wind is strengthened （weakened） to the south （north）. This is because AWB events reflect a monopoie high anomaly at the centroid of breaking events. When CWB events occur more frequently over the North Pacific under CP EI-Nino conditions, and over North America under EP EI-Nino condition, Z500 increases （decreases） to the northeast （southwest）, since CWB events are related to a northeast-southwest dipole Z500 anomaly. The anomalous RWB events act to invigorate and reinforce the circulation anomalies over the North Pacific-North America region linked with the two types of EI-Nino.     

北太平洋阻塞的年际年代际变化及其与SST、遥相关及风暴路径的关系

利用NCEP／NCAR再分析资料，对1948／1949－1999／2000共52个冬季的北太平洋上空中纬度阻塞异常的气修特征进行了统计分析，小波分析和功率谱分析结果表明该区域阻塞发生的频数具有很明显的3－7年的年际振荡和年代际变化特征。同时2－7年带通平均的小波方差谱分析结果表明阻塞的这种年际变化的振幅存在着缓慢下降的趋势，且气候突变在20世纪70年代，这进一步证明了北太平洋上空的阻塞活动具有年代际变化特征。对强阻塞异常的冬季和弱阻塞异常的冬季分别进行合成分析，结果表明，对于阻塞异常强的冬季，北太平洋西向东北方向加强并分裂成两个中心，而SST异常在中纬度太平洋则对应着典型的PDO型，在赤道地区则为类La Nina型的海温分布。而对于阻塞异常弱的冬季则对应截然不同甚至相反的分布特征，即500hPa高度异常场表现为符号相反的PNA型，风暴路径中心在日界线附近呈纬向型分布。同时SST异常在赤道地区则为典型的El Nino型的海温分布。以上结果揭示出北太平洋阻塞活动的年际变化可能主要与热带海温的遥响应相联系，而年代际变化则主要与中纬度局地的PDO型海温及其通过斜压瞬变波的海－气相互作用有关。     

Response of Northern Hemisphere storm tracks to Indian-western Pacific Ocean warming in atmospheric general circulation models

With 40 years integration output of two atmospheric general circulation models (GAMIL/IAP and HadAM3/UKMO) forced with identical prescribed seasonally-varying sea surface temperature, this study examines the effect of the observed Indian-western Pacific Ocean (IWP) warming on the Northern Hemisphere storm tracks. Both models indicate that the observed IWP warming tends to cause both the North Pacific storm track (NPST) and the North Atlantic storm track (NAST) to move northward. Such a consistent effect on the two storm tracks is closely associated with the changes in the low-level atmospheric baroclinicity, high-level jet stream and upper-level geopotential height. The IWP warming can excite a wavelike circum-global teleconnection in the geopotential height that gives rise to an anticyclonic anomaly over the midlatitude North Pacific and a positive-phase NAO anomaly over the North Atlantic. These geopotential height anomalies tend to enhance upper-level zonal westerly winds north of the climatological jet axes and increase low-level baroclinicity and eddy growth rates, thus favoring transient eddy more active north of the climatological storm track axes, responsible for the northward shift of the both storm tracks. The IWP warming-induced northward shift of the NAST is quite similar to the observed, suggesting that the IWP warming can be one of the key factors to cause decadal northward shift of the NAST since the 1980s. However, the IWP warming-induced northward shift of the NPST is completely opposite to the observed, implying that the observed southward shift of the NPST since the 1980s would be primarily attributed to other reasons, although the IWP warming can have a cancelling effect against those reasons.     

冬季北太平洋风暴轴的年际型态及其与大气环流的关系

利用NCEP/NCAR再分析资料,运用31点带通数字滤波、线性相关和合成分析方法,研究了1961/1962—2010/2011年冬季北太平洋风暴轴西部、东部区域强度指数的年际演变特征,划分了风暴轴的典型型态,并进一步探讨了与同期北半球500 hPa位势高度场和SLP的关系。结果表明:风暴轴气候态的极大值区域位于中纬度北太平洋中西部,最大值点的频数集中区域和均方差分布的异常中心都有两个。风暴轴西部和东部区域强度指数(WI和EI)的年际演变具有独立性,典型型态可分为单、双中心型两类。WI(EI)指数与北半球500 hPa位势高度场的相关分布类似于WP(PNA)遥相关型;单中心型风暴轴偏强时,极涡南扩,平均槽加深;呈双中心型时,极涡明显偏西。WI(EI)指数与SLP的相关分布类似于NPO(NAO)遥相关型;单中心型风暴轴偏强(弱)时,SLP距平场呈AO遥相关型的正(负)异常位相。     

冬季菲律宾周围对流活动与北太平洋风暴轴联系的数值模拟

通过利用IAP 2-L AGCM进行的数值模拟,进一步揭示了冬季菲律宾周围对流活动异常对北太平洋风暴轴变化的影响及其二者联系的物理机制和物理过程。结果表明:当菲律宾周围对流活动增强时,在500 hPa等压面图上强迫产生一个自赤道西太平洋开始,经我国东部、堪察加半岛、白令海,到美国西海岸的异常波列;位于西太平洋的经向三圈环流增强,位置北移;在风暴轴的西半部和东端斜压性增强;从而导致了北太平洋风暴轴增强、北抬、东伸。     

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。     

基于中心轴线的北太平洋冬季风暴轴分类及其机理研究

利用NCEP/NCAR逐日再分析资料研究了63年（1948～2010年）冬季北太平洋风暴轴的时空演变,提取风暴轴的中心轴线作为研究主体,以风暴轴的经向分布差异为重点,用模糊C均值聚类分析的方法将风暴轴分为平均型、偏北型和偏南型三类,并探讨了各类风暴轴对应的海气异常型及其物理机制。结果表明:（1）三类风暴轴分别显示了风暴轴经向差异的具体物理图像,对应着不同的涡旋移动发展路径,具有明确的天气学意义。通过EOF分解证明本文的分类反映了风暴轴的主要变化特征,物理意义清晰,具有一定的合理性和实用性。（2）三类风暴轴不仅经向差异明显,其北抬南压的纬向位置也存在显著差异,进一步表明该分类方法充分考虑了风暴轴空间分布的经向纬向差异,还揭示了风暴轴多中心的特点。（3）三类风暴轴对应的不同SST异常通过热力过程影响大气的温度场、风场和位势高度场,导致阿留申低压强度位置异常和水平风场异常,进而影响大气斜压性,决定风暴轴的空间分布,是形成不同类型风暴轴的重要原因。