北半球春季大气臭氧变化特征及其对大气温度和环流场的影响

该文利用美国1978～1993年TOMS臭氧资料以及NCEP提供的全球再分析资料,研究北半球大气臭氧变化特征及其对大气温度和环流的影响.研究表明1987年前后北半球40°N以北的中高纬地区春季大气臭氧柱总量的趋势变化存在明显的突变,大部分地区突然减少,与其相对应的对流层(平流层)平均温度突然升高(降低),300 hPa(30 hPa)层位势高度也突然增高(下降).但是在北大西洋北部和哈德逊湾地区大气臭氧柱总量却突然增加,与其相对应的对流层(平流层)平均温度突然降低(升高),300 hPa(30 hPa)位势高度突然下降(增高),平均温度突然升高(降低 )1～2°C.研究还表明,大气温度和环流的趋势变化主要是由于大气臭氧的趋势变化所引起.另一方面,在同一地区1979～1992年春季大气臭氧柱总量强弱异常年的大气温度场和环流场的差异也存在相同的分布特征,这一事实进一步说明大气臭氧柱总量的多少是决定大气温度场和环流场差异的重要原因.     

根据Dobson和TOMS资料分析北京和昆明大气臭氧总量变化特征

用约２０年 Ｄｏｂｓｏｎ和ＴＯＭＳ资料来分析北京（３９.９３°Ｎ，１１６.４０°Ｅ）和昆明 （２５.０２°Ｎ，１０２．６８°）两地大气臭氧总量的变化特征，结果表明：（１）在１９７９－２０００年间北京大气臭氧长期变化趋势是－０．６４２ ＤＵ／年，而昆明在１９８０－２０００年间的趋势是－０.００９ ＤＵ／年；（２）北京和昆明两地大气臭氧都有很强的季节内变化（尤其冬季更强），与季节性变化强度相当；（３）在北京和昆明，由记录较短的大气臭氧资料分析得到的长期变化趋势，与较长记录得到的结果有显著差异；（４）在北京（中纬度）和昆明（低纬度）大气臭氧都有显著的准两年振荡信号；（５）两个站点大气臭氧的年际变化主要由长期趋势项和准两年振荡信号组成；（６）Ｄｏｂｓｏｎ仪测量得到的臭氧总量与ＴＯＭＳ资料非常一致。     

青藏高原臭氧的ENSO

通过对臭氧卫星观测资料及大气环流资料的分析，研究了青藏高原上空臭氧年际变化中的 ＥＮＳＯ信号，并与同纬度无山区及赤道地区进行比较。研究指出：在 Ｅ１ Ｎｉｎｏ年（ＳＯＩ指数为负）青藏高原臭氧总量增加，在 Ｌａ Ｎｉｎａ年（ＳＯＩ指数为正）青藏高原臭氧总量减小。本文同时讨论了与ＥＮＳＯ事件有关的大气环流物质输送。     

南印度洋大气垂直环流与江西6月降水的关系

使用江西省82站1959—2016年6月降水资料和NCEP/NCAR逐月再分析资料,研究了南印度洋大气垂直环流与江西6月降水的关系,并运用大尺度局地涡度倾向变化方程诊断了年际、年代际变化引起的局地涡度倾向异常对江西6月降水的贡献,解释了南印度洋大气垂直环流与江西6月降水年际关系发生年代际改变的原因。结果表明南印度洋大气垂直环流与江西6月降水有密切的关系,且两者的年际关系存在年代际变化:（1）二者关系在1960年代末和1990年代初发生了两次转变,1969年前为显著正相关,1969—1989年相关性不明显,1990年后又转变为显著正相关。（2）江西6月降水偏多年,500 hPa上东亚地区从中高纬到低纬为“+ - +”距平符号分布,江西区域异常正涡度,低层南北风距平在江西上空交汇;降水偏少年环流异常则相反。（3）南印度洋大气垂直环流可引起东亚环流异常,使江西区域涡度正异常;但其影响与背景场的变化有关。动力诊断表明,1969—1989年南印度洋大气垂直环流年际异常对江西局地涡度为正贡献,但年代际异常为负贡献,削弱了年际异常的作用;1990—2016年阶段年际异常为正贡献,同时年代际异常也为正贡献,加强了年际异常的作用,使得其与江西6月降水的正相关显著。      

东亚低纬地区局地Hadley环流特征及其与大气臭氧的关系

利用1975—2008年NCEP/NCAR的逐月平均风场资料及1975—2001年ECMWF的逐月多层臭氧质量混合比资料,用大气环流三维分解方法研究了东亚低纬度地区之局地Hadley环流的结构及年代际演变特征,分析了该区域局地Hadley环流异常时对应大气臭氧的空间距平分布。研究结果表明:(1)东亚低纬度地区局地Hadley环流既与纬圈平均Hadley环流具有明显的季节变化,但又具有明显区别于纬圈平均Hadley环流的自身结构特征:除冬季存在明显向南、向北输送的两闭合环流圈外,局地Hadley环流在其余季节均以向南输送为主;(2)该局地Hadley环流具有不同于纬圈平均Hadley环流的年代际演变特征,在整个研究时段上以振荡变化为主,并没有表现出象纬圈平均值那样明显的增强趋势;(3)区域赤道上空平流层20～50 hPa大气臭氧的正负距平异常中包含有局地Hadley环流的异常信息:当局地Hadley环流异常强时,区域赤道上空20～50 hPa大气臭氧有一显著负距平异常中心,反之亦然。     

大气环流模式的完全控制试验与模式大气的年际异常研究

对大气环流模式提出了完全控制试验（ＦＣ）的概念，对包括陆面下垫面在内的整个地球表面的热力强迫作了控制。在ＦＣ中，可以更好地分离出大气内动力过程对于模式大气短期气候异常的影响。利用ＩＡＰ２－ＬＡＧＣＭ（中国科学院大气物理所二层大气环流模式）实施了完全控制试验。结果表明，北半球夏半年ＦＣ的月平均海平面气压（ＳＬＰ）年际异常较Ｃ的小，而全球或南半球ＦＣ与Ｃ的ＳＬＰ无明显差别。东亚－西太平洋区域夏半年ＦＣ的月平均ＳＬＰ年际异常甚至高于Ｃ的，意味着该区域模式大气环流短期气候异常中大气内动力过程的作用不可忽视。     

极区大气臭氧总量变化特征及其对大气温度的影响

利用ＴＯＭＳ资料分析了南北极区大气臭氧总量的多年趋势变化,年际变化,季节变化及周期性变化特征。结果表明,近十余年来南北极区大气臭氧总量都是下降的,并且存在转折现象,但两者具有不同的多年变化特征和地理分布特征;南北极区的臭氧减少都是春季下降最快;南北极区存在不同的周期振荡现象,南极地区比北极地区表现出更强的周期振荡特征．     

北太平洋海温年代际变化与大气环流和气候的异常

对应北太平洋海表温度(SST)年代际变化的两个基本模态,即25～35年模和7～10年模,分析研究了北半球大气环流和气候异常的形势.其结果极为清楚地表明,对应北太平洋SST的年代际模的正、负位相,大气环流和气候异常的形势都近乎相反,充分说明SST年代际模的重要作用;由于北太平洋SST的两个年代际模有十分相近的水平结构特征,它们对大气环流和气候的影响也有十分相似的特征;北太平洋海温年代际模对大气环流的影响在中高纬度地区呈正压结构特征,而在热带地区的响应主要有斜压结构特征.     

ENSO 年冬季北半球平流层大气环流异常特征分析

利用1957-2002年欧洲中心的再分析资料和Hadley气候预测和研究中心的全球海表温度资料,对ENSO年冬季的平流层环流进行了合成分析,分别从暖事件和冷事件年的温度场、高度场和风场,分析研究了平流层大气环流的异常特征.分析结果表明,对应El Ni(n)o年冬季,在赤道东太平洋的温度场、高度场和纬向风场都有由大气低层的正距平转变为平流层负距平的特征;与之相反,在El Ni(n)a年冬季,赤道东太平洋大气低层的负距平到了高层变为正距平.同时,在纬向平均垂直剖面图中, El Ni(n)o年冬季北半球高纬地区从对流层顶到平流层温度场和高度场为正距平,而La Ni(n)na年出现相反的情况.在热带平流层,El Ni(n)o年冬季高空纬向风场在50 hPa到15 hPa左右为负距平,从15 hPa到1 hPa为正距平;而El Ni(n)a年则相反.在El Ni(n)o年冬季100 hPa以上的北半球高纬度地区存在一个类偶极子结构的异常高度场和风场,El Ni(n)o年在极区主要为正距平,El Ni(n)a年在极区主要为负距平.     

东亚地区春冬季与夏季大气环流异常相互关系的研究

利用1951~2000年共50年的北半球500 hPa月平均高度距平场资料和奇异值分解技术（SVD），重点对东亚地区季节间大气环流异常的相互关系进行了初步探讨。结果表明，东亚地区季节间大气环流异常存在着较为密切的关联，并且这种明显的非同步联系具有时空相关显著的特点，尤其是夏季大气环流异常与其前冬和前春大气环流异常的联系更为密切。当前冬和前春北半球东亚大槽和北美大槽及蒙古高压偏强（或偏弱），极涡偏弱（或偏强），中高纬度盛行经向环流（或纬向环流），以及低纬和热带地区高度正距平（或负距平）明显时，则对应于夏季东亚地区西太平洋副高和鄂霍次克海阻高强度偏强（或偏弱），位置偏南（或偏北），贝加尔湖阻高强度也偏强（或偏弱），但位置偏西（或偏东）的大尺度环流形势出现。当春季北半球大气环流具有上述特点以及夏季鄂霍次克海阻高和西太平洋副高强度偏强（或偏弱），位置偏南（或偏北），且极涡较弱（较强）时，则东亚地区秋季大气环流对应于蒙古高压加强（或较弱），西太平洋副高减弱（或加强），并向南和向东移动（或移动较慢），极涡向南扩散（或扩散减弱），大气环流向冬季过渡加快（或减慢）。另外，大气环流异常还具有一定的持续性特征。     

南极海冰涛动对北半球夏季大气环流的影响

南极海冰首要模态呈现偶极子型异常,正负异常中心分别位于别林斯高晋海/阿蒙森海和威德尔海。过去研究表明冬春季节南极海冰涛动异常对后期南极涛动（Antarctic Oscillation,AAO）型大气环流有显著影响,而AAO可以通过经向遥相关等机制影响北半球大气环流和东亚气候。本文中我们利用观测分析发现南极海冰涛动从5～7月（May–July,MJJ）到8～10月（August–October, ASO）有很好的持续性,并进一步分析其对北半球夏季大气环流的可能影响及其物理过程。结果表明,MJJ南极海冰涛动首先通过冰气相互作用在南半球激发持续性的AAO型大气环流异常,使得南半球中纬度和极地及热带之间的气压梯度加大,在MJJ至JAS,纬向平均纬向风呈现显著的正负相间的从南极到北极的经向遥相关型分布。对流层中层位势高度场上,在澳大利亚北部到海洋性大陆区域,出现显著的负异常,在东亚沿岸从低纬到高纬呈现南北走向的“? + ?”太平洋—日本（Pacific–Japan,PJ）遥相关波列,其对应赤道中部太平洋及赤道印度洋存在显著的降水和海温负异常,西北太平洋至我国东部沿海地区存在显著降水正异常和温度负异常;低纬度北美洲到大西洋一带存在的负位势高度异常和北大西洋附近存在的正位势高度异常中心,构成一个类似于西大西洋型遥相关（Western Atlantic,WA）的结构,对应赤道南大西洋降水增加和南撒哈拉地区降水减少。从物理过程来看,南极海冰涛动首先通过局地效应影响Ferrel环流,进而通过经圈环流调整使得海洋性大陆区域和热带大西洋上方的Hadley环流上升支得到增强,海洋性大陆区域特别是菲律宾附近的热带对流活动偏强,激发类似于负位相的PJ波列,影响东亚北太平洋地区的大气环流,而热带大西洋对流增强和北传特征,则通过激发WA遥相关影响大西洋和欧洲地区的大气环流。以上两种通道将持续性MJJ至ASO南极海冰涛动强迫的大气环流信号从南半球中高纬度经热带地区传递到北半球中高纬地区,从而对热带和北半球夏季大气环流产生显著影响。     

A synoptic and dynamical characterization of wave-train and blocking cold surge over East Asia

Through an agglomerative hierarchical clustering method, cold surges over East Asia are classified into two distinct types based on the spatial pattern of the geopotential height anomalies at 300 hPa. One is the wave-train type that is associated with developing large-scale waves across the Eurasian continent. The other is the blocking type whose occurrence accompanies subarctic blocking. During the wave-train cold surge, growing baroclinic waves induce a southeastward expansion of the Siberian High and strong northerly winds over East Asia. Blocking cold surge, on the other hand, is associated with a southward expansion of the Siberian High and northeasterly winds inherent to a height dipole consisting of the subarctic blocking and the East Asian coastal trough. The blocking cold surge tends to be more intense and last longer compared to the wave-train type. The wave-train cold surge is associated with the formation of a negative upper tropospheric height anomaly southeast of Greenland approximately 12 days before the surge occurrence. Further analysis of isentropic potential vorticity reveals that this height anomaly could originate from the lower stratosphere over the North Atlantic. Cold surge of the blocking type occurs with an amplifying positive geopotential and a negative potential vorticity anomaly over the Arctic and the northern Eurasia in stratosphere. These anomalies resemble the stratospheric signature of a negative phase of the Arctic Oscillation. This stratospheric feature is further demonstrated by the observation that the blocking type cold surge occurs more often when the Arctic Oscillation is in its negative phase.     

北方雨季中国东部降水异常模态的环流特征及成因分析

根据1958～2011年中国东部（105°E以东）316站逐日降水资料及NCEP/NCAR逐日再分析资料,利用统计分析、物理量诊断等方法,探讨北方雨季（7月11日至8月31日）中国东部降水异常模态及同期、前期的大气环流特征。分析发现,北方雨季中国东部降水异常表现为三个相互独立的降水模态:第一模态为偏西型,当其时间系数为正（负）时,河套地区降水偏多（少）,江淮流域上游降水偏少（多）,南方大部降水偏多（少）;第二模态为北方一致型,当其时间系数为正（负）时,北方降水一致偏多（少）,长江流域降水偏少（多）;第三模态为偏东型,当其时间系数为正（负）时,东北南部至长江中游降水偏多（少）,华东沿海降水偏少（多）。研究发现,造成北方雨季三个降水异常模态的环流特征各不相同:偏西型降水主要受西亚高空副热带西风急流位置南北偏移影响;北方一致型降水主要由东亚-太平洋遥相关波列导致;偏东型降水主要与海陆气压异常对比造成的东亚夏季风变化有关。此外,三个模态与前期环流异常有密切联系。第一模态的正（负）异常由7月上旬200 hPa来自北大西洋的异常波列造成乌拉尔山位势高度负（正）异常和巴尔喀什湖以南位势高度正（负）异常引起。第二模态的正（负）异常与前期7月上旬200 hPa北大西洋上位势高度负（正）异常产生的沿中纬度（高纬度）路径向下游传播的波列有关。第三模态的正（负）异常由春季3月份低层蒙古上空异常的气旋（反气旋）持续至同期造成。     

华西秋雨趋势变化的年代际转折及其成因分析

华西地区（25°N～35°N,100°E～110°E）是中国秋季降水主要地区之一。本文根据华西地区72站月平均降水资料、NCEP/NCAR再分析资料和哈德莱中心海温及海冰资料,利用相关和回归等分析方法研究了1961～2014年华西地区秋雨的年代际变率及其与大气环流和海温的关系。华西秋季降水年代际变率分解为呈现显著下降趋势的P1时段（1964～1998年）和呈现上升趋势的P2时段（1998～2014年）发现,对应P1时段降水下降趋势的华西区域大气位势高度异常场具有西正东负结构,大尺度环流场显示为从大西洋东传经北极巴伦支—喀拉海区至东亚的准纬向波列,该波列体现了上游负位相NAO（North Atlantic Oscillation）的调制作用。对于P2时段的降水上升趋势,其位势高度场配置与P1时段相反,而大尺度波列结构在欧亚大陆的部分呈西北—东南走向,且整体偏西,体现了上游正位相NAO的调制作用。这种环流结构导致华西区域西北侧形成负异常中心,有利于西南暖湿气流进入研究区域。影响华西秋雨趋势转折的海温关键区位于热带中东太平洋和热带印度洋。在P1时段,华西秋雨降水趋势与同期热带中东太平洋和印度洋海温呈显著正相关关系。而在P2时段,华西秋雨与前冬热带中东太平洋和印度洋海温存在显著负相关,前冬西北太平洋海温正异常也同时影响了华西秋雨的上升趋势。     

1990年代末东亚北部地区夏季水汽输送年代际变化特征及其影响机制

利用1983～2011年降水量、环流和海温的再分析资料,探讨了东亚北部地区夏季水汽输送的年代际变化特征,并分析了前冬北大西洋海温对东亚北部地区夏季水汽输送与大气环流的可能影响。研究结果表明,20世纪90年代末期东亚北部地区夏季整层水汽与降水年代际的变化特征相一致,整层水汽通量的年代际变化主要是由于纬向水汽输送异常作用的结果。东亚北部地区（35°～55°N,90°～145°E）西边界的水汽输送通量由多变少,东边界的水汽输送通量由少变多特征则直接导致了该地区降水由偏多转为偏少的年代际变化。就外强迫海温角度来说,前冬北大西洋海温跟东亚北部地区夏季500 hPa高度场、850 hPa风场和850 hPa比湿均显著相关。同时,在20世纪90年代中后期前冬北大西洋海温也表现出由偏低向偏高转变的年代际变化特征,且由于海温自身的记忆性前冬的海温异常一直延续到夏季。并在夏季激发出横跨北大西洋和欧亚大陆中高纬度地区的大西洋-欧亚（AEA）遥相关结构,并进一步影响东亚北部地区夏季水汽输送。     

Influence of the Asian-Pacific Oscillation on Spring Precipitation over Central Eastern China

The linkage between the Asian-Pacific oscillation(APO)and the precipitation over central eastern China in spring is preliminarily addressed by use of the observed data.Results show that they correlate very well,with the positive(negative)phase of APO tending to increase(decrease)the precipitation over central eastern China.Such a relationship can be explained by the atmospheric circulation changes over Asia and the North Pacific in association with the anomalous APO.A positive phase of APO,characterized by a positive anomaly over Asia and a negative anomaly over the North Pacific in the upper-tropospheric temperature,corresponds to decreased low-level geopotential height(H)and increased high-level H over Asia,and these effects are concurrent with increased low-level H and decreased high-level H over the North Pacific.Meanwhile,an anticyclonic circulation anomaly in the upper troposphere and a cyclonic circulation anomaly in the lower troposphere are introduced in East Asia,and the low-level southerly wind is strengthened over central eastern China.These changes provide advantageous conditions for enhanced precipitation over central eastern China.The situation is reversed in the negative phase of APO,leading to reduced precipitation in this region.     

北半球平流层极涡崩溃早晚的环流特征及其对5月南亚降水的影响

本文采用1979—2014年NCEP/NCAR月平均再分析资料、CMAP和GPCP月平均降水资料,分析了北半球平流层极涡崩溃早晚的环流特征及其与南亚降水的关系。结果表明,北半球平流层极涡崩溃时间存在明显的年际变化特征。极涡崩溃偏早(偏晚)年,自3月开始异常信号从平流层向下传播,之后的4月,从平流层到对流层高层极区温度异常偏高(偏低),极涡异常偏弱(偏强),极夜急流异常偏弱(偏强)。结果还表明,5月南亚降水异常与平流层极涡崩溃时间的早晚存在显著相关,5月南亚降水异常与平流层极涡崩溃早晚年平流层异常信号的下传有关。当平流层极涡崩溃偏晚年,4月平流层极区表现为位势高度异常偏低,而中纬度则位势高度场异常偏高,并伴随位势高度异常场的向下传播,5月该位势高度异常场下传至阿拉伯海北部大陆上空对流层顶,形成有利于降水的环流场,导致南亚降水偏多。反之,则相反。     

青藏高原冬春季雪盖对东亚夏季大气环流影响的数值试验

利用ＩＡＰ２－ＬＡＧＣＭ进行了青藏高原冬春季雪盖异常对东亚夏季大气环流、加热场和降水影响的数值试验。结果表明，该影响十分显著，持续性很强。当高原冬春季雪盖异常增厚、范围扩大时，夏季（ＪＪＡ）高原地区及我国北方５００ｈＰａ位势高度降低，南方变高，西太平洋副高减弱。大气对雪盖异常的响应呈明显的波列特征。我国北方大部地区土壤温度降低，南方土壤温度升高。夏季各月降水异常分布形势并不完全一致，但与同期５００ｈＰａ高度场异常分布形势有关。     

中国东北暖季气温变化特征及其与海温和大尺度环流的关系

利用1980~2014年CRU TS3.24月平均气温数据和NCEP/NCAR再分析资料,分析了中国东北暖季（5~9月）气温的时空变化特征及其相应的大气环流状况。结果表明:中国东北暖季气温主要表现为全区一致型和南北反位相型两个模态,二者总解释方差高达86%。全区一致型具有明显的年代际变化特征,并在1990年代中期发生了显著的年代际突变,而南北反位相型具有明显的年际和年代际变化特征。全区一致型增暖对应着中国东北地区上空500 hPa位势高度的正异常和850 hPa的反气旋环流异常。当500 hPa位势高度南北反相时,对应于中国东北暖季气温的南北反位相型。进一步分析表明中国东北暖季气温的全区一致型及其1990年代中期的年代际突变与日本海及黑潮延伸区的海温异常及太平洋年代际振荡和大西洋多年代际振荡指数紧密相关。菲律宾以东的西太平洋、北太平洋中部、我国东南沿海、靠近北美东北部的北大西洋等海域的海温异常对中国东北暖季气温全区一致型的出现具有一定的预测作用。而南北反位相变化型与黑潮延伸区的海温异常关系显著,与大尺度指数的相关普遍不明显。在1990年代中期突变前,南北反位相型受到ENSO事件的影响,之后影响不显著。     

夏季北大西洋三极型海温异常与中国西南地区气温年际变化的联系

利用1951—2016年Hadley中心海温资料、NCEP/NCAR再分析资料和全国160站气温资料，研究了夏季北大西洋三极型海温异常与中国气温年际变化的联系及可能机制。结果表明，夏季北大西洋三极型海温异常与同期中国西南地区气温年际变化存在显著的负相关关系。夏季北大西洋“-+-”三极型海温异常激发的北半球中高纬欧亚遥相关波列，引起贝加尔湖地区位势高度升高，产生反气旋性环流异常，并引起东亚地区位势高度降低，产生气旋性环流异常。西南地区在对流层中下层位于贝加尔湖异常反气旋性环流的东部和东亚异常气旋性环流的西部，在两者的共同作用下，受异常偏北气流影响，有利于冷空气南下和堆积。与此同时，对流层高层的东亚副热带西风急流位置偏南，西南地区位于急流南侧的异常上升气流中。此种环流形势配置导致中国西南地区气温降低，反之亦然。