西北太平洋热带气旋活动影响区域大尺度环流的数值模拟研究

本文利用"模式手术"方法研究了西北太平洋热带气旋（TC）对东亚-西北太平洋区域大尺度环流的影响.结果表明,夏季频繁的西北太平洋TC活动导致东亚夏季风增强,季风槽加深;西太平洋副热带高压东退,位置偏北;东亚副热带高空急流强度增强,北太平洋（东亚大陆）上急流轴偏北（偏南）;热带地区（副热带地区）的对流层中低层出现异常上升气流（下沉气流）,并且从低纬向高纬呈现异常上升气流和异常下沉气流交替分布特征.在中国东南沿海,TC降水导致夏季降水量明显增加;而在长江中下游和华北地区,TC活动引起的异常下沉气流使夏季降水量显著减少.因此,夏季西北太平洋TC活动对东亚-西北太平洋区域气候有显著影响.     

亚洲-太平洋涛动与西北太平洋热带气旋频数的关系

通过对观测资料的分析, 初步探讨了夏季亚洲-太平洋涛动(Asian-Pacific Oscillation, APO)和西北太平洋热带气旋频数的关系, 发现APO强弱的年际变化与西北太平洋热带气旋频数多寡之间具有显著的正相关关系, 夏季APO偏强(弱)时, 西北太平洋热带气旋偏多(少). 研究进一步揭示, APO变化可导致西北太平洋区域主要大气环流系统出现异常, 而大气环流的这种异常变化正是APO与西北太平洋热带气旋频数相联系的原因. 当APO处于正位相时, 西太平洋副热带高压减弱, 位置偏东偏北; 西北太平洋地区高层大气异常辐散, 低层大气异常辐合; 纬向风垂直切变减弱. 这些变化均为西北太平洋热带气旋的形成提供了有利的大气环流条件, 因此, 西北太平洋热带气旋频数偏多. 反之亦然.     

北大西洋涛动与西北太平洋热带气旋频数关系的年代际变化

基于观测资料分析,研究了夏季北大西洋涛动与西北太平洋热带气旋频数之间的关系,发现两者的联系呈现由弱转强的年代际变化特征.1948~1977年,北大西洋涛动与西北太平洋热带气旋频数的联系较弱;但1980~2009年,两者转为显著的正相关,北大西洋涛动偏强(弱)对应西北太平洋热带气旋数偏多(少).本文进一步从大气环流变化角度,探讨了北大西洋涛动与西北太平洋热带气旋频数的关系在前后两个时段出现不同的可能原因.结果表明,在后一时段,当北大西洋涛动偏强时,西北太平洋低层为异常气旋型环流,季风槽加强,西太平洋副热带高压偏东,西北太平洋地区高层大气异常辐散,低层大气异常辐合,这些条件均有利于热带气旋的生成和发展,西北太平洋热带气旋因此偏多.然而,在前一时段,北大西洋涛动对上述环流系统的影响不明显,因而减弱了北大西洋涛动与西北太平洋热带气旋频数的联系.研究进一步揭示,与北大西洋涛动异常相关联的波活动通量的变化可以解释北大西洋涛动与西北太平热带气旋频数联系的这种年代际变化.     

夏季西北太平洋大气环流异常及其与热带印度洋—太平洋海温变化的关系

本文分析了夏季西北太平洋大气环流异常特征及其与海温变化的关系,发现夏季西北太平洋异常反气旋/气旋(WNPAC/WNPC)是西北太平洋地区对流层中低层存在的重要大气环流异常现象,与东亚—西北太平洋低纬度至高纬度的经向PJ波列及欧亚中高纬度东西纬向波列的变化有关,通过与中高纬度环流变化的联系,对东亚及欧亚中高纬度气候有重要影响.夏季WNPAC/WNPC与热带海温变化的关系存在明显的不对称性,显著的WNPAC一般出现在El Niño衰减年夏季,与前期El Niño成熟年冬季的赤道东太平洋暖海温异常和El Niño衰减年春夏季印度洋海盆尺度的暖海温异常有明显的正相关关系,进一步表明了WNPAC在El Niño事件影响夏季气候中的重要桥梁作用;而夏季显著的WNPC与前期和同期热带海温变化的关系存在明显的不确定性,主要与夏季热带印度洋和赤道中东太平洋之间东暖西冷的热力差异异常引起的孟加拉湾—赤道西太平洋西风异常有关.进一步分析WNPAC/WNPC与海温变化关系不对称的可能原因,发现El Niño和La Niña衰减年夏季热带印度洋和太平洋海温变化所引起的印—太之间海温(热力)差异的一致性特征可能是导致WNPAC/WNPC与海温变化关系不对称的主要原因.     

青藏高原冬季热状况对赤道太平洋纬向风异常的影响

用经过改进的CCM 1动力气候模式研究了冬季青藏高原上空大气热源汇异常对太平洋纬向风异常的影响, 发现: (1) 当青藏高原1~3月份大气冷源加强时, 在对流层低层出现围绕青藏高原的异常反气旋, 随后的月份在中国大陆沿海出现异常的北风, 西太平洋出现异常气旋. 随后, 西太平洋赤道出现异常西风并向东扩展到东太平洋; (2) 当青藏高原1~3月份大气冷源异常减弱时, 首先在低层出现一个围绕青藏高原的异常气旋, 随后在西太平洋出现异常反气旋, 并向西南移动, 引起赤道太平洋地区的异常东风, 并向东传播. 此外青藏高原冬季和初春冷源强弱还可以引起赤道印度洋的纬向风的异常变化, 因而冬季青藏高原大气冷热源异常可以作为亚洲冬季风和ENSO之间的桥梁.     

西北太平洋热带气旋活动对大尺度环境场影响的线性回归分析

本文使用西北太平洋累积气旋能量（ACE）月尺度异常序列,对850 hPa相对涡度、地表纬向风、柱水汽含量、OLR、降水和SST等大尺度环境场变量进行时滞回归分析,讨论了月尺度TC活动对大尺度环境场的影响及其与周尺度的区别和联系.结果表明：（1）月尺度ACE回归出的纬向风无论是强度还是范围都要明显大于周尺度ACE回归结果,TC的频繁发生,尤其是强度大且持续时间长的近赤道TC,对于激发或加强TC活动区域南侧的低纬地区西风异常有一定的积极作用,持续并且强度较大的西风异常可能导致西风的爆发,而西风爆发会在很大程度上影响ENSO事件的发生和演变.（2）在月尺度上,OLR、柱水汽含量、降水和SST等物理量均呈现出较为明显的El Niño型分布,而在周尺度上,仅SST呈现出明显的El Niño型分布,这在一定程度上反映了月尺度TC活动和太平洋ENSO信号之间存在更密切的关联.（3）在TC发生后1-2月,TC的主要生成区域柱水汽含量减少、OLR增大,这会在一定程度上降低该区域生成TC的潜能.虽然TC所引起SST降低的空间尺度很小,但其通过大气和海洋的传导会扩大到更大尺度上,由于这种反馈具有一定的滞后性,所以月尺度TC对大尺度环境场影响的信号更为显著.

     

陆地下垫面与环境气流对锋面气旋发展过程影响的理想试验

地面摩擦和大尺度流场是影响锋面气旋结构演变的重要因子,本文使用WRF模式并采用湿物理方案,通过理想化试验,综合考虑陆面摩擦、气旋式扰动相对于急流位置和大尺度流场对锋面气旋结构变化的影响.结果表明：当仅考虑单一因子时,气旋式扰动位于急流南侧和辐合流流场有利于气旋形成Shapiro-Keyser（S-K）模型结构.当同时考虑地面摩擦和大尺度辐合时,气旋式扰动位于急流北侧的气旋发展整体向经典的挪威气旋模型转变;扰动位于急流南侧的的气旋发展则整体呈现S-K模型结构,此时辐合流场有利于S-K模型结构出现.当同时考虑地面摩擦和大尺度辐散时,扰动处于急流北侧的气旋呈现挪威气旋模型结构;由于气旋式扰动穿越急流和辐散流场同时有利于暖锋后弯发展以及冷暖锋距离加大和锋消,扰动处于急流南侧的气旋呈现典型S-K气旋模型结构.这个结果解释了在东亚大陆地区辐散场形势下出现的S-K模型结构气旋个例.

     

南极涛动异常及其对冬春季北半球大气环流影响的数值模拟试验

利用IAP9L-AGCM模式考察了模式中与南极涛动异常相关的海温敏感区,发现南半球高纬海温异常能够强迫出南极涛动异常,而赤道东太平洋海温异常与太平洋南美型密切相关.研究了南极涛动异常对冬春季北半球大气环流及亚洲北部气温的影响,结果表明,南极涛动加强,能够引起北半球高纬环流异常和欧亚西风加强,以及亚洲北部地表气温和850 hPa气温显著增温.数值模拟支持了已有的诊断结果,也证实了冬春季节南极涛动异常下两半球高纬间的经向遥相关存在.     

边界层参数化对海南岛山地环流结构和湍流特征模拟的影响

本文基于WRF-ARW (V4.0)中尺度数值模式, 选用耦合同一近地层参数化方案(Eta)的五种边界层参数化方案(MYJ、MYNN2、MYNN3、BouLac、UW), 对2020年5月1—2日海南岛一次典型山地环流个例进行模拟, 对比分析了这五种方案所模拟的山地环流结构和湍流特征的差异, 旨在为模式应用于山地环流研究和模式改进提供一定的科学依据.研究结果表明, 这五种湍流动能边界层参数化方案均能模拟出山谷风特征, 对环流结构和湍流特征的影响表现为谷风时段大于山风时段.对于山地环流水平结构的模拟, 因平原风推进距离的不同, 五种方案模拟的近地面风速差异可达4 m·s^-1以上, 其中MYJ方案模拟的谷风最强盛, 而MYNN3方案最弱, 山区多为静风或小风.对于山地环流垂直结构的模拟, MYNN2、UW方案模拟的谷风环流较强, 表现为谷风厚度较厚, 推进距离较远, 同时由于模拟的谷风环流可越过山顶, 从而模拟的高海拔地区上升区的覆盖范围和强度均较大; MYJ、BouLac方案模拟的谷风环流均未能越过山顶, 且其中BouLac方案的平原风环流未能与上坡风环流耦合; 而MYNN3方案模拟的环流结构最不明显.湍流特征对比分析表明, 五种方案模拟的湍流动能强度和分布特征存在显著差异, 其中MYNN2方案湍流混合最强, MYJ方案最弱.由于MYNN2方案下垂直湍流混合较强, 大气不稳定度增加, 因此其对应的谷风厚度较大, 同时该方案模拟的边界层结构与实况最为接近, 更适用于海南岛山地环流的模拟.

     

全球变暖背景下春季Hadley环流与东亚夏季风环流年际对应关系的多模式预估

观测事实揭示,春季Hadley环流在年际时间尺度上与东亚夏季风环流和降水具有密切联系.在未来全球变暖背景下,春季Hadley环流与东亚夏季风环流和降水的这种年际关系是否会发生变化？针对该问题,本文在评估的基础上选取五个气候模式,分析了A1B排放情景下春季北半球Hadley环流年际变率的未来变化及其与东亚夏季风环流和降水的年际关系.多模式集合(MME)预估结果表明,在全球变暖背景下,与20世纪末期(1970—1999年)相比,到21世纪末期(2070—2099年),春季北半球Hadley环流的年际变率强度将减弱,减弱幅度达32%.随着春季Hadley环流年际变率的减弱,其与夏季西太平洋副热带高压和东亚夏季风强度的联系将变弱.MME模拟结果还显示,春季Hadley环流与夏季东亚西风急流和降水的关系也降低,但各单个模式间存在较大差异.     

Relationship between the Asian-Pacific oscillation and the tropical cyclone frequency in the western North Pacific

The relationship between the Asian-Pacific oscillation (APO) and the tropical cyclone frequency over the western North Pacific (WNP) in summer is preliminarily investigated through an analysis of ob- served data. The result has shown clearly that APO is significantly and positively correlated to the tropical cyclone frequency in the WNP. If APO is above (below) the normal in summer, more (less) tropical cyclones will tend to appear in the WNP. The present study also addresses the large-scale at- mospheric general circulation changes underlying the linkage between APO and the WNP tropical cy- clone frequency. It follows that a positive phase of summer APO is concurrent with weakened as well as northward and eastward located western Pacific subtropical high (WPSH), low-level convergence and high-level divergence, and reduced vertical zonal wind shear in the WNP, providing favorable envi- ronment for the tropical cyclone genesis, and thus more tropical cyclones will come into being, and vice versa.     

Interdecadal change of the linkage between the North Atlantic Oscillation and the tropical cyclone frequency over the western North Pacific

The relationship between the North Atlantic Oscillation(NAO) and the tropical cyclone frequency over the western North Pacific(WNPTCF) in summer is investigated by use of observation data. It is found that their linkage appears to have an interdecadal change from weak connection to strong connection. During the period of 1948–1977, the NAO was insignificantly correlated to the WNPTCF. However, during the period of 1980–2009, they were significantly correlated with stronger(weaker) NAO corresponding to more(fewer) tropical cyclones in the western North Pacific. The possible reason for such a different relationship between the NAO and the WNPTCF during the former and latter periods is further analyzed from the perspective of large-scale atmospheric circulations. When the NAO was stronger than normal in the latter period, an anomalous cyclonic circulation prevailed in the lower troposphere of the western North Pacific and the monsoon trough was intensified, concurrent with the eastward-shifting western Pacific subtropical high as well as anomalous low-level convergence and high-level divergence over the western North Pacific. These conditions favor the genesis and development of tropical cyclones, and thus more tropical cyclones appeared over the western North Pacific. In contrast, in the former period, the impact of the NAO on the aforementioned atmospheric circulations became insignificant, thereby weakening its linkage to the WNPTCF. Further study shows that the change of the wave activity flux associated with the NAO during the former and latter periods may account for such an interdecadal shift of the NAO–WNPTCF relationship.     

热带、副热带海陆分布与青藏高原在亚洲夏季风形成中的作用

通过一系列的理想数值试验,研究了亚、非地区热带次尺度的海陆分布和青藏高原大地形在亚洲夏季风形成中的作用.试验结果显示：海陆分布的存在以及海陆分布的几何形状对亚洲夏季风的形成有非常重要的影响.下垫面全是海洋,没有陆地时,无季风现象的存在.当仅有副热带大尺度陆地,而缺乏南亚次尺度陆地和非洲大陆热带陆地时,夏季无明显的越赤道气流,仅在欧亚副热带陆地的东南部有弱的季风,无印度、孟加拉湾和南海夏季风.中南半岛、印度半岛和非洲大陆热带陆地的存在,在夏季引导南半球的东南信风越赤道转向为西南气流,使得南海的北部、中南半岛、孟加拉湾和印度半岛、阿拉伯海上空的低层为强西南气流控制,印度、孟加拉湾和南海夏季风产生.副热带陆地向热带的深入对副热带陆上产生夏季强对流性降水起着至关重要的作用.青藏高原的存在加强了高原东侧的季风,使得季风区向北发展,青藏高原对东亚季风起放大器的作用;减弱了高原西侧的季风,使得季风区向南收缩.     

初夏西北太平洋副高东西变动对中国南部降水东西差异的影响

西北太平洋副热带高压（以下简称副高）是影响中国气候的大尺度环流系统,为了进一步了解副高对中国气候的影响,本文利用站点观测资料和大气环流再分析资料,通过资料诊断分析和数值模拟方法,探讨了6月副高东西变动对中国南部降水的影响,以及影响副高东西变动的前期海洋因子.结果表明副高东西变动对中国西南和华南地区降水的影响明显不同：副高偏东有利于降水西南偏多而华南偏少,偏西则降水变化刚好相反.其原因与副高东西变化引起的环流差异有关,华南降水与副高东（西）变动时西太平洋地区副高西北侧的东北（西南）风异常以及东亚中低纬度地区异常经向波列的变化直接有关,而西南降水异常不仅与副高东西变动在东南亚地区引起的纬向风异常有关,与青藏高原大地形动力作用对副高北侧异常纬向风的变化也有十分密切的联系.此外,副高东西变动时影响西南和华南地区的水汽来源不同,影响西南的水汽主要来源于赤道印度洋80°E附近越赤道气流,而影响华南的水汽主要来源于副高南侧偏东气流从西北太平洋地区输送的水汽.进一步分析发现前期冬春季热带西北太平洋和赤道西太平洋海温变化的偶极差异与后期初夏副高东西变动有密切联系,冬春季西北太平洋暖海温和赤道西太平洋冷海温变化有利于后期初夏副高偏西,相反则有利于副高偏东,数值模拟结果在一定程度证实了资料诊断分析结果.