乌兰察布市2010年一次大风、寒潮天气的分析

运用常规气象观测资料和欧洲数值预报图,对2010年1月19—22日从西北方向入侵的强冷空气引发大面积的大风降温天气过程进行分析。结果表明：此次寒潮主要是由贝加尔湖附近的横槽内聚积一股较强的冷空气（高空500hPa冷中心强度达-45℃、地面冷高压中心强度达1060．0hP）。西西伯利亚的阻塞高压与贝加尔湖高空冷槽共同作用,西北路冷空气不断向东南侵袭,乌兰察布市处于西风带控制,横槽沿西风带向东移动分裂为两股冷空气。阻塞高压前偏北冷空气不断东移南下,引发横槽转竖并向南加深。持续性降温导致强寒潮天气过程。     

北极海冰对2008年1月乌拉尔高压异常的影响

2008年1月我国南方发生了大范围的雨雪冰冻灾害天气,造成此次灾害的一个重要原因是乌拉尔高压异常的长期维持,而作为下垫面的海洋,2007/2008冬季环北欧海海冰异常偏少。观测资料合成分析表明,乌拉尔山地区出现高压异常与巴伦支海和喀拉海的海冰偏少存在密切对应关系。利用大气环流模式试验研究了(90°W~60°E)区域海冰异常对大气的影响,模拟结果显示海冰对乌拉尔高压异常有正的贡献,线性模式诊断表明天气尺度瞬变波是海冰影响乌拉尔高压异常的一种重要机制。     

2004/2005年冬季强寒潮事件与大气低频波动关系的研究

2004/2005年冬季中国出现了两次大范围寒潮过程,造成长时期的降温和严寒天气,从而改变了从1986年以来中国大部分地区连续出现18个暖冬的局面。利用2004年10月1日～2005年3月31日中国740站逐日平均温度和NCEP/NCAR的逐日高度场和风场资料,分析了2004/2005冬季的强寒潮事件,并对寒潮爆发的周期、低频波动特征及其影响寒潮爆发的可能原因进行研究。结果表明:2004/2005年冬季两次主要强寒潮事件（12月22日～1月1日和2月14～21日）是在强10～20天低频振荡背景下发生的。在一次季节内低频振荡过程中,寒潮经历了高空形势相似的3个阶段,它们分别是乌拉尔东侧阻塞脊建立、阻塞脊下游横槽发展、横槽转竖与南支槽耦合重建东亚大槽最后导致寒潮爆发。进一步分析表明,乌拉尔东侧阻塞脊和里海高度脊是导致这两次寒潮的主要系统。研究还表明在寒潮爆发过程中,10～20天低频波动在40°N南北独立传播,南北波列耦合寒潮全面爆发;寒潮爆发后期低频波动引起我国东南部低空辐散异常、高空辐合异常,从而导致我国南部地区偏北风增强,使寒潮向南爆发程度和高空东亚急流明显加强。     

2004/2005年冬季强寒潮事件的等熵位涡分析

利用2004年12月1日—2005年2月28日的NCAR/NCEP逐日再分析资料,对2004年12月22日—2005年1月1日的强寒潮事件进行等熵位涡分析。结果表明:这次强寒潮事件的强冷空气来自欧亚北部和北极地区的高纬平流层下部与对流层上部。在寒潮爆发前期,高位涡强冷空气传播到贝加尔湖南侧,并被来自低纬度的低位涡空气所切断,在欧亚地区形成北部低位涡(阻塞高压)南部高位涡(低涡)的偶极型环流。随着低位涡的减弱消亡,高位涡强冷空气沿高原北侧向东南方向移动,当高位涡中心移到中国东部地区,高位涡空气柱在垂直方向上强烈向下伸展,使得气柱的气旋性涡度加强,东亚大槽迅速加深,引起寒潮的爆发。进一步分析表明,高位涡中心向南、向下传播过程中,等熵面上高位涡中心附近气流在其西侧和北侧地区沿等熵面下沉,引起上述地区低层西伯利亚高压迅速发展,导致强寒潮爆发。     

大气热源对中国南方低温雨雪异常天气的影响

针对中国南方地区2008年1月份出现的低温阴雨雪(冻雨)和冰冻天气,本文首先探讨了该地区的经向垂直环流和纬向垂直环流的异常特征,发现与多年平均相比,2008年1月沃克环流偏弱,反哈得莱环流偏强。接着通过统计方法揭示了中国南方地区气温异常与大气热源异常的同期相关关系,发现在太平洋中高纬地区存在着一对与中国南方地区气温互为相反关系的区域。     

中国南方多雪年环流特征及对关键区海温的响应

根据NECP/NCAR月平均再分析资料,采用回归分析、合成分析等方法,探讨了La Nia（El Nio）气候背景下,大气外强迫因子北大西洋中纬度（45°N,30°W）、赤道印度洋、我国南海和东海海域海温异常对亚洲环流及我国南方降雪多寡的影响。分析发现,La Nia气候背景下,北大西洋中纬（45°N,30°W）海温为正异常,有利于500 hPa高度场亚洲中高纬叶尼塞地区（50°N, 90°E）位势高度偏高并出现阻塞型,也有利于东亚冬季风环流加强;赤道印度洋、我国南海和东海附近海温出现负异常,850 hPa高度东亚大陆沿海低纬地区风距平场出现偏北风距平,我国南方多雪,温度相对偏低。El Nio背景下,北大西洋中纬度（45°N,30°W）海温为负异常,亚洲中高纬叶尼塞地区位势高度偏低,东亚冬季风环流偏弱;赤道印度洋、我国南海和东海附近海温出现正异常,850 hPa高度东亚大陆沿海低纬风距平场出现偏南风距平,我国南方多雪,温度相对偏高。回归分析指出,冬季500 hPa亚洲中高纬叶尼塞地区（90°E附近）的位势高度正（负）异常与北大西洋中纬度（45°N,30°W）附近海温正（负）异常有关;冬季850 hPa东亚大陆沿海低纬地区偏南（北）风距平与赤道印度洋、我国南海和东海地区的海温正（负）异常有关。La Nia气候背景下的2008年1月我国南方低温、雨雪、冰冻极端灾害事件的发生可能与北大西洋中纬度（45°N,30°W）附近以及赤道印度洋、我国南海和东海海温都出现正异常有关。     

2008年1月中国南方低温雨雪期间异常阻塞高压事件的多尺度动力过程分析

2008年1月,中国南方发生了罕见的低温雨雪灾害,造成这次灾害的关键系统之一是乌拉尔山以东地区的异常阻塞高压(阻高)。基于NCEP再分析资料,利用新发展的多尺度子空间变换和重构分析了这一期间阻高的多尺度特征,发现其源头来自欧洲地区,强度减弱后东移,在乌拉尔山—贝加尔湖地区重新增强并得以维持相当长的时间。结果表明,两次阻高过程本质上是同一过程在不同阶段的表现。为探讨上述过程的动力学机制,利用基于多尺度子空间变换的局地多尺度能量分析方法以及正则传输理论对其进行了分析,发现此次异常阻高过程源自32 d以下尺度系统的动能强迫,具体地说,能量来自32 d以下尺度系统向32—128 d低频尺度系统的正压正则传输,而且这种正则传输在阻高环流的东、西两侧不对称,西侧在强度上远大于东侧。分析表明,上述非对称的强迫作用由动能空间输运来平衡,平流将西侧获得的32—128 d低频尺度动能向东侧输运,以此来维持阻高环流的整体稳定和均一。上述两种内部的物理过程是高压环流在东移的过程中得以重新增强并长时间维持的机制。     

辐散风和瞬变的涡度通量的异常对定常波年际异常的强迫作用

研究了１９８２／１９８３年１２—２月对流层上层由辐散风和瞬变的涡度通量所产生的涡度源异常对定常波异常的强迫作用。结果表明，瞬变的涡度通量辐合的异常有抵消或耗散辐散风产生的涡度源异常的趋势；定常波的异常是在这两种强迫力的共同作用下维持的。同时还表明，对１９８２／１９８３年的情况，热带和赤道中东太平洋上的涡度源异常以及中纬度北太平洋上的涡度源异常都对太平洋／北美地区的大气环流异常起了重要的作用。     

中国北方冬季气温的年际变化对北太平洋东部海温异常的响应

利用地面气温观测资料及NCEP/NCAR逐月再分析资料,分析了中纬度北太平洋东部海温异常变化对中国北方地区冬季气温的可能影响。结果表明,前期夏、秋季中纬度北太平洋东部海温与北方地区冬季气温存在持续稳定的正相关关系,并且这种相关性在年代际尺度上较年际尺度更为显著。这种联系与中纬度北太平洋东部关键区海温在对流层中低层激发出的一种类似北美—大西洋—欧亚遥相关型波列有关。当前期关键区海温偏高（低）时,其激发的波列使得乌拉尔山阻塞高压偏弱（强）,西伯利亚高压偏弱（强）,导致贝加尔湖以南大部地区受正（负）高度距平控制,亚洲地区中高纬以纬（经）向环流为主,有利于北方大部地区气温偏高（低）。研究表明,中纬度北太平洋东部海温异常通过激发出一个从关键海区到我国北方地区的跨越东西半球的遥相关型波列,引发北半球中高纬度大气环流异常,进而影响北方冬季气温。     

2015/2016和1997/1998超强El Nio衰减年我国夏季降水异常的比较

El Nio可通过海—气相互作用遥相关型影响东亚季风,进而影响中国气候,是中国短期气候最重要的预测指标之一。典型的El Nio事件通常在春、夏季开始,在秋、冬季成熟,在下一年的春、夏季消退,考虑到海—气作用的滞后效应,El Nio事件甚至可以在消退时期对东亚大气环流系统造成影响。因此,利用中国160站的逐月降水资料、NCEP/NCAR再分析资料以及美国NOAA提供的全球海温数据,对比分析了2015/2016年和1997/1998年典型El Nio衰减年我国夏季降水和东亚环流特征的差异,并讨论了造成差异的可能原因。结果表明:1)2016年和2008年夏季降水都大范围偏多,2016年夏季降水异常更为集中,但降水强度不及1998年。2)2016年降水的季节推进特征不明显。1998年6—8月的降水逐渐从南向北推进,与传统的季风降水演变进程较为一致。3)2016年和2008年我国夏季降水的差异与副热带高压的变化有直接的关系。1998年6—7月副热带高压较2016年同期偏西偏南,而2016年8月副热带高压更为偏西并明显比气候平均偏北。4)1997/1998年El Nio事件中的赤道西太平洋异常冷海温比较强盛,而2015/2016年基本表现为偏暖,可能是造成1998年6—7月副热带高压较2016年同期偏西偏南的原因。     

2015/2016年极强厄尔尼诺事件下我国动力和统计结合实时气候预测研究

本文研究建立2015/2016年极强厄尔尼诺事件下我国动力和统计结合的气候预测模型,并开展2015年夏季和2016年冬季气候我国160个站点和主要区域实时气候预测。夏季降水的实时预测起报于2月,冬季气温的预测起报于10月。研究结果表明,尽管NCEP-CFSv2耦合气候模式能较好预测2015/2016年极强厄尔尼诺事件中海温异常的演变,但对我国160个站点夏季降水和冬季气温预测仍有较大的偏差。因此,基于NCEP-CFSv2耦合模式预测结果,分别建立我国160个站点冬季气温和夏季降水异常的动力和统计结合气候预测模型。同时,利用年际增量预测方法开展我国长江中下游夏季降水和华北冬季气温的区域气候预测。研究结果表明以上预测模型在2015/2016年的实时预测中较NCEP-CFSv2有更好的预测效能。相对于NCEP-CFSv2耦合模式的预测结果,2015年夏季降水距平空间相关系数ACC从0.21提高到0.31（超过0.01信度的显著性水平）,距平同号率提高到60%,2016年冬季气温ACC从0.19提高到0.32（超过0.01信度的显著性水平）,距平同号率提高到75%。     

Ningaloo Niño/Niña与华南冬季降水异常的联系

利用1979—2017年逐月平均的NOAA ERSST V3b海表温度资料、CN05.1降水资料以及NCEP/NCAR大气再分析资料,分析了Ningaloo Niño/Niña的基本特征及其与华南冬季降水异常的联系。结果表明,Ningaloo Niño/Niña是副热带东印度洋海温异常EOF第一模态,具有明显的年际变化特征和季节锁相特性。在扣除El Niño/La Niña的影响后,Ningaloo Niño/Niña与华南冬季降水异常存在着密切的联系,即Ningaloo Niño(Niña)年时,华南地区冬季降水增多(减少)。这种影响的可能机制是:Ningaloo Niño/Niña通过影响南支槽的强度变化进而影响华南冬季降水异常。Ningaloo Niño年冬季,澳大利亚西侧海表温度升高,对流增强,使南半球80°~100°E附近的Hadley环流上升支增强,造成经向环流异常,北半球低纬度地区形成一个异常的反环流圈,导致南支槽的增强。南支槽的强度与华南冬季降水呈正相关关系,南支槽强度偏强时,活跃的扰动向下游传播,槽前盛行的西南气流使得充足的水汽自孟加拉湾由西南向东北方向输入,为华南冬季降水偏多提供了条件,Ningaloo Niña年份的情形则与之相反。     

2015/2016年超强El Nio局地海气特征及其特殊性

利用NOAA海表温度和NCEP/NCAR大气环流等全球再分析资料,讨论了2015/2016年超强El Nio事件局地海气过程的演变特征,并与1982/1983和1997/1998年两次强El Nio事件做了对比分析。结果表明,2015/2016年El Nio在峰值强度、持续时间、累计海温距平等指标上都略强于前两次El Nio,可视为有完整气象观测纪录以来的最强事件;与前两次事件相比,2015/2016年El Nio海温异常中心位置明显偏西,热带东太平洋海温相对较冷而中太平洋更暖,由于热带对流对海温的非线性响应,赤道东太平洋降水相对较弱,中太平洋则显著偏多,这在El Nio当年12月至次年4月尤为明显;此外,在前两次El Nio的成熟期至衰减期,中太平洋大气响应都存在明显的南移特征,西风异常和对流中心都从赤道南移到了5°S以南。而2015/2016年中太平洋大气响应一直位于赤道附近,南移特征相对较弱,ENSO和年循环相互作用的组合模态相比前两次较弱,西北太平洋反气旋的强度也弱于前两次。这主要是由于2015年冬季至2016年春季,热带太平洋暖海温异常位置偏西,中太平洋海温异常明显强于前两次,叠加气候平均态海温之后,赤道南北两侧海温都高于对流阈值,对流旺盛,这大大削弱了大气响应的经向移动和ENSO组合模态的强度。     

2015/2016年超强El Nio在成熟/衰减阶段对澳洲夏季风环流与降水异常的影响

2015/2016年发生了超强El Nio事件,Nio3区海温异常在2015/2016年冬季超过了2.5℃,其对全球气候异常的产生具有重大影响。此次El Nio事件可归类为东部型。本文利用NCEP/NCAR再分析资料、Hadley中心海温资料及CMAP降水资料等,通过诊断分析,揭示了2015/2016年强El Nio事件盛期和衰减期海温异常对澳洲夏季风环流异常和降水变化的影响及其途径。澳洲地区受此次El Nio事件影响,大部分地区降水显著减少,某些地区降水减少达60%~80%。影响途径主要有:1)海温异常通过Gill型响应造成水平环流异常并进而影响澳洲夏季风减弱。2015/2016年ENSO事件成熟期及衰减期,在西太平洋赤道地区出现海温负异常,导致此处热带地区产生了负异常的热源分布,并由此激发产生了位于赤道北侧和南侧的异常反气旋式环流。位于海洋性大陆南侧的异常反气旋性环流引起澳洲夏季风减弱,从而利于抑制上升运动,造成了澳大利亚降水量显著减少;2)通过赤道中东太平洋地区上升和澳洲地区下沉的垂直环流异常导致澳洲降水显著减少。在El Nio事件盛期,因海温异常偏暖导致赤道中东太平洋地区产生显著的异常上升运动,其补偿性的下沉运动因Walker环流而出现在海洋性大陆地区,以及因澳洲大陆夏季风减弱而出现在澳大利亚中东部地区,由此构成了中东太平洋—澳洲副热带的垂直环流圈,此东北—西南向的垂直环流圈对澳洲降水减少的维持起到了重要作用。另外,中国南方的上升运动与海洋性大陆及澳洲地区的下沉运动之间通过局地经圈环流产生了联系,表明东亚冬季风异常减弱对澳洲夏季风减弱可能存在间接影响。这些结果对深刻认识超强ENSO事件对亚澳季风的影响机理以及寻找澳洲降水预测线索具有重要意义。     

2015/2016年超强El Nio事件背景下我国月预测技巧差异分析

利用中国站点观测降水资料、国家气候中心第2代月动力延伸预报模式(BCC_DERF2.0)的回报和预报数据、NCEP/NACR再分析资料和国家气候中心实时发布的月尺度降水预测评分数据,通过评估和诊断分析发现,在2015/2016年超强El Nio事件背景下,这两年内业务发布的月降水预报能力有明显不同,BCC_DERF2.0对月环流的预测技巧也存在差异:在2015年(El Nio发展位相),降水预报和环流预测技巧较高且稳定,而在2016年(El Nio衰减位相)的预报技巧总体偏低。进一步的研究显示,亚洲—太平洋涛动(Asia-Pacific Oscillation,APO)可能是导致2015年和2016年夏季预测技巧高低的重要影响因素。2015(2016)年夏季为APO低(高)指数年,且2016年具有高指数年的典型环流特征。而APO高指数对应的环流特征与El Nio衰减位相对西北太平洋环流的影响不同,在El Nio和APO的物理影响途径不一致时,将直接影响东亚环流可预报性的高低及动力气候模式的预报技巧,即El Nio在发展和衰减位相与APO型不同组合的影响是2015和2016年月预测技巧有差异的重要原因。     

2015/2016超强El Nio对中国南方冬春季降水的影响分析

利用1981—2016年的中国160站降水资料、OISST海温资料和NCEP/NCAR大气环流资料,对比分析了中等强度El Nio和2015/2016超强El Nio对中国东南部、江淮流域和西南地区冬春季降水影响的异同。结果表明:在中等强度El Nio的冬季,偏暖的赤道中东太平洋海表面温度(Sea Surface Temperature,SST)所激发的西北太平洋和日本附近的异常反气旋环流,其异常的西南风会加强南海—西北太平洋的水汽向中国东部输送,造成中国东南部和江淮流域的降水一致偏多。2015/2016超强El Nio的冬季,赤道中东太平洋SST的强度异常偏强,中国东部异常偏冷的表面气温和对流层低层温度加强大陆冷高压,长江流域及其以北地区受异常强的北风控制,从而造成中国东南部降水增多、江淮流域降水减少。在2015/2016超强El Nio事件衰减位相的春季,中国东南部和西南部降水的增加主要归因于异常偏暖的西北印度洋和东南印度洋SST的作用。经CAM5模式试验证明,西北印度洋异常偏暖的SST引起了北印度洋的异常西南风,激发了孟加拉湾—西北太平洋的异常反气旋,加强了印度洋和南海—西北太平洋的水汽向中国西南和东南部输送。此外,东南印度洋异常偏暖的SST还会激发局地异常上升运动,通过经向垂直环流加强南海—西北太平洋异常下沉运动,诱使中国东南部的上升运动加强,导致降水增多。     

2015/2016冬季北极世纪之暖与超级厄尔尼诺对东亚气候异常的影响

利用1980—2016年美国国家海洋与大气管理局气候预测中心的ENSO指数和NCEP/NCAR再分析资料,研究了2015/2016年冬季北极增暖和超级厄尔尼诺对东亚气候的影响。2015/2016年冬季热带中东太平洋爆发了超级厄尔尼诺事件,尽管大气环流出现了对ENSO的响应特征(如西北太平洋反气旋异常,东亚南部南风异常),但东亚(尤其是我国东北、华北地区)1月的气温却明显偏低。分析表明,此次东亚气温偏低现象可能与2016年1月北极显著增暖有关。1980—2016年1月再分析资料的统计诊断分析结果显示,巴伦支海—喀拉海气温的升高会引起局地大气的上升运动异常,之后在下游(70~90°E附近)向南运动,并在西伯利亚地区(60~100°E,50~70°N)下沉,使得西伯利亚高压增强,其东侧的北风异常导致东亚气温偏低。基于Nio3.4指数、北极温度指数,采用多元线性拟合所得到的2016年1月东亚气温的回报结果与观测气温之间的空间系数为0.71,表明2016年1月北极增暖以及热带中东太平洋的厄尔尼诺事件能够从一定程度上解释东亚气温偏低的现象。     

2015/2016厄尔尼诺事件的衰减位相及其对应的西北太平洋环流异常

利用季节平均Had ISST海温、CMAP降水及NCEP风场数据,分析了2015/2016超级厄尔尼诺衰减期的特征及其对应的西北太平洋大气环流异常。结果表明:2015/2016厄尔尼诺事件除了成熟位相冬季强度大以外,还具有在随后春季衰减快,到夏季就消亡的特征。伴随着厄尔尼诺的迅速衰减,西北太平洋有较强的反气旋环流异常维持。厄尔尼诺衰减位相与西太反气旋异常存在相互作用。一方面,由于此次厄尔尼诺事件强度强,衰减期热带印度洋有显著的暖海温异常从冬季一直维持到夏季,有利于西太反气旋的增强和维持。另一方面,西太反气旋环流异常的维持及其南侧东风异常的发展使得中东太平洋正海温异常减弱,令厄尔尼诺事件快速衰退。此外,通过与1982/1983和1997/1998年比较发现,这三次超强厄尔尼诺事件虽强度相当,但衰减位相及与之相联系的西太反气旋异常都不尽相同。1982/1983事件衰减慢,维持时间长,对应的西太反气旋强度弱。而1997/1998事件衰减快,维持时间短,对应的西太反气旋强度在春季和夏季都强盛维持。2015/2016事件的衰减速度明显快于1982/1983事件,对应的西太反气旋也强于1982/1983事件,由于2015/2016事件增暖中心偏向于中东太平洋,而这里是厄尔尼诺衰减过程中负海温异常最先出现的区域,因此尽管2015/2016事件中西太反气旋异常的强度弱于1997/1998事件,但衰减速度及衰减位相维持时间与1997/1998相当。本文研究结果表明厄尔尼诺衰减与西太反气旋异常之间的关系较为复杂,需进一步研究。     

2015年西北太平洋台风季提早展开:2015/2016超级厄尔尼诺的影响

2015年1-5月西北太平洋上异常出现了7个热带风暴（Tropical Storms,TS）,其中有5个发展成台风（Typhoons,TY）,分别为气候平均态（1979-2015年）的2.5和3.6倍,亦即2015年的台风季提前展开。利用ERA-Interim再分析资料、JTWC热带气旋最佳化路径数据等资料,通过计算台风生成指数（Genesis Potential Index,GPI）和比较天气尺度和季节内振荡分量,探讨2015年台风季提前的原因。结果表明：1）2015年初异常活跃的台风活动与2015/2016年超级El Niño事件于西北太平洋上引发的海气状态异常有关。2）通过对大尺度环境场和台风潜在生成指数（GPI）的诊断分析发现,动力因子（低层涡度、垂直速度）和热力因子（与海表面温度、大气温度有关的潜在强度、中低层大气相对湿度）均对2015年1-5月台风的发生有正贡献。其中,涡度项的贡献最大,相对湿度的贡献次之。3）3~10 d天气尺度扰动和10~90 d季节内振荡在2015年1-5月也异常活跃,有利于TS和TY的生成与发展。