北半球冬季极涡异常变化的时空特征

利用NCEP/NCAR再分析月平均高度场资料,计算了1948/1949-2009/2010年北半球冬季500～10 hPa的极涡环流指数,包括面积指数S、强度指数P和中心位置指数(λc,φc).分析了北半球冬季极涡在垂直高度上(共12层)的季、月气候态和异常态变化规律.结果表明:极涡面积和强度在不同高度上的大小变化不同,最大值出现的时间也存在差异,二者相关性不好,为两个相对独立的指数.极涡面积和强度的年代际变化趋势在上下层上也不一样,异常变化规律复杂;极涡中心位置上下层变化规律相同,主要在东半球80°N以北范围变化,在极点附近经度变化大,纬度变化小,纬度指数年代际变化明显,近10 a极涡明显偏南.从整体上看,极涡中心位置从500 hPa到10hPa形态上为逆时针、半径越向上越大的旋转变化.     

北极涛动、极涡活动异常对北半球欧亚大陆冬季气温的影响

利用1951-2012年NCEP/NCAR全球月平均500 hPa高度场、气温场等再分析资料,北极涛动（AO）指数,北半球及其4个分区的极涡指数等资料,分析极涡和AO对北半球特别是欧亚大陆冬季气温异常分布的影响。北半球极涡面积指数与北半球气温相关场呈由北向南的“+、-”分布,显著正相关中心位于极区,显著负相关中心位于欧亚大陆中高纬度地区;AO指数与气温的相关场分布与此反位相。极涡各分区面积指数体现与各大洲气温显著相关的地域特征,尤其是亚洲极涡面积指数比AO的相关区域更偏向亚洲和中国东部及沿海地区,能表征亚洲大陆冬季风向中低纬度爆发的某些特征。2006年以来AO指数呈较明显的下降趋势,北半球、亚洲区极涡面积指数呈显著的上升趋势,这是有利于欧亚大陆近几年连续冬季气温异常偏低的年代际背景;2009-2011年北半球欧亚大陆冬季大范围低温事件,不仅与冬季AO负位相明显变强有关（2011年除外）,与北半球以及亚洲区极涡面积指数偏大联系更为密切,亦表明该区域冬季变冷的自然变率明显增强。     

东北夏季气温变化与北半球温度及极涡的关系

利用1961-2002年中国东北地区80个气象站夏季6-8月逐日气温、美国NCAR/NCEP再分析资料和国家气候中心环流因子资料,采用相关分析、SVD分解等方法,对中国东北夏季气温变化与中高纬主要环流系统的关系进行探讨.结果发现:中国东北位于东西伯利亚变温区南缘,其夏季气温年际变化规律和东西伯利亚一致;北极极涡边缘的形态变化影响东北夏季气温,不同的边缘形态对应东北不同的温度分布特征,主要是极涡边缘70 °N左右的150～180 °E和60～90 °W两个关键区,其高度场的变化决定着东北夏季气温的变化.     

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。     

近百年北半球冬季海平面气压场与冬季气温的多时间尺度相关

用１８８４～１９９４年资料研究了北半球冬季海平面气压距平场的时空结构及其与北半球冬季气温的相关关系。指出,近百年北半球冬季大尺度海平面气压场表现为４个基本模态。研究了这些模态的空间环流结构和时间演变特征（长期趋势、突变及阶段性）。指出,反映北半球阿留申低压强度的冬季海平面气压距平场的第二特征模态,在年际,年代际变化关系上与北半球的平均气温关系是非常密切的。     

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。     

夏季北半球极涡与南亚高压东西振荡的关系

利用合成分析、交叉谱和Morlet小波分析,讨论了夏季100 hPa极涡面积指数与南亚高压东西振荡间的关系。结果表明:极涡与南亚高压东伸指数之间存在显著的反相关关系,当极涡面积扩张时,南亚高压易偏西;当极涡面积收缩时,南亚高压则易东伸。交叉谱的结果也表明:二者在不同波数上,也具有显著关系,在7.5年及3年周期振动上,二者位相相差较小。同时,在南亚高压异常偏东及偏西年份,高度场、流场、温度场均有不同的配置形式,这在一定程度上反映了南亚高压偏东及偏西年不同的环流特征。     

北半球绕极涡的变异及其与我国气候异常的关系

本文利用近50 a大气再分析资料和中国站点观测资料,通过定义绕极涡的总体面积指数,分析了北半球绕极涡的变异特征及其与我国气候异常的关系,通过考虑绕极涡的局地变异和利用SVD分析方法揭示了绕极涡的局地变异与我国气候变异的关系。结果表明:北半球绕极涡的总体面积变异表现为一致性的扩张或收缩变化特征,近50 a来其总体面积具有收缩的趋势,这与全球增暖尤其是极区增暖有密切关系;叠加在这种趋势之上的既有年际变化又有年代际变化,主要周期大约是3~5 a和8~12 a。因此,研究绕极涡与我国气候的相关时分时间尺度来考虑更合理。北半球绕极涡的总体面积变异与我国气候异常的关系主要体现在年代际时间尺度上,当北半球绕极涡总体一致性收缩时,冬季我国大部分地区的气温都会随之变高,而降水偏多;夏季东北、华北、西南和华南地区气温偏高,降水偏少,而江淮流域气温偏低,降水偏多。反之亦然。北半球绕极涡的局地变异主要体现在西风带长波振幅的变异上,而其与我国气候异常的联系主要表现在年际时间尺度上,当东亚大槽减弱时,冬季我国中、东部大部分地区气温偏高,降水偏多;夏季江淮流域和四川盆地气温偏低,其它地区气温偏高,降水变化不明显。反之亦然。     

平流层极涡变化与我国冬季气温、降水的关系

利用国家气候中心提供的1951-2010年逐月环流指数资料,分析了北半球极涡强度指数、面积指数和中心强度指数的相关关系,并通过极涡强度指数的变化讨论了冬季北半球极涡强度的时间变化特征。结果表明,冬季极涡强度指数与面积指数和中心强度指数有较好的相关性,能够更好地反映冬季极涡强度的变化特征;冬季极涡存在准13年的年代际振荡周期,准5年的年际振荡周期在20世纪90年代后期较为明显。结合气温、降水观测资料和NCEP/NCAR月平均再分析资料,探讨了极涡强、弱不同年份我国冬季气温、降水和大气环流形势的变化。相对极涡弱值年而言,极涡强值年我国北方地区、东部地区特别是东北地区的气温偏高,西南大部分地区的气温偏低,长江流域和华南地区的气温变化不明显;我国南方地区降水偏多,长江中下游和华南地区的降水偏多最为明显,北方地区的降水略有减少;500hPa高度场上高纬度地区的位势高度降低,中高纬度的位势高度升高,冷空气向极地聚集,东亚大槽减弱,我国东北和东部地区的气温偏高;同时东亚冬季风减弱,湿空气向我国内陆输送,长江流域和我国南方地区的降水偏多。     

2019-2020冬季北半球超强极涡事件

2019-2020冬季北极平流层极涡异常并且持续的偏强,偏冷.利用NCEP再数据和OMI臭氧数据,本文分析了此次强极涡事件中平流层极涡的动力场演变及其对地面暖冬天气和臭氧低值的影响.此次强极涡的形成是由于上传行星波不活跃.持续的强极涡使得2020年春季的最后增温出现时间偏晚.平流层正NAM指数向下传播到地面,与地面AO...     

“拉尼娜”非典型影响下的新疆2021/2022年冬季气温

2021/2022年冬季新疆大部气温偏高,影响新疆冷空气活动频次少,并非拉尼娜事件对新疆冬季气温的典型影响特征。成因分析表明：2021/2022年冬季北极涛动（AO）为正位相,欧亚中高纬度500 h Pa位势高度西高东低,新疆上空700 hPa南风距平优势明显。2021/2022年冬季“拉尼娜”非典型影响新疆气温的原因主要来自于东部型弱拉尼娜事件对北大西洋涛动（NAO）和亚洲极涡面积的非典型影响,而对亚洲极涡面积的非典型影响是来自东部型拉尼娜事件对冬季AO的不确定性影响,冬季AO正位相有利于新疆气温正距平。2月300 hPa区域纬向风异常偏弱,削弱了NAO正位相对新疆气温的影响;70°E以东中纬度高度场负距平是冬季气温阶段性变化的原因之一。     

冬季极涡对欧亚大范围天气气候的影响及长期预报

本文应用统计学方法,首先分析了各种极涡指数对欧亚大范围天气气候的影响,结果表明:Ⅰ区极涡面积指数与我国及苏联乌拉尔山南部地区和西西伯利亚地区气温关系密切。而着重分析了Ⅰ区极涡面积与同期亚洲中纬地区西风环流、副热带环流及前期整个北半球大气环流的联系,得到如下主要结果:Ⅰ区极涡面积指数与亚洲中纬地区纬向环流指数及印度洋副高、西太平洋副高存在着十分密切的负相关关系。前期3月北大西洋西风环流与5月北美大槽强度对冬季Ⅰ区极涡强弱变化具有很好的指示性。用前期大气环流和北太平洋海温作为因子做冬季Ⅰ区极涡预报取得较好效果。     

北半球极涡指数对高原夏季降水的影响

利用奇异值分解方法(SVD)分析了夏季降水对极涡面积和极涡强度指数的响应,研究发现,冬季北半球极涡指数场与高原夏季降水场,在青海省大部分是明显的负相关区域,西藏大部分以正相关为主;春季北半球极涡指数场与西藏和青海夏季降水场为正相关。冬季12月极涡指数与高原夏季6月降水的相关,自高原东南部到西北部呈“+-+”分布;冬季1月极涡指数与高原夏季7月降水相关,南北呈“+-”分布,西藏为正相关,青海为负相关;冬季2月极涡指数与高原夏季8月降水,除柴达木盆地北侧、西藏西部为弱的负相关外,其余地区均为正相关。     

华北冬季气温变化及背景场分析

利用国家气候中心1951～2003年全国160站月平均气温资料和NCEP／NCAR全球再分析资料,采用经验正交函数（EOF）、线性趋势变化、M-K突变检验、相关分析、t检验等方法揭示50多年来华北地区冬季气温的时空分布特征,探讨华北冬季气温的年代际变化与大尺度环流特征。结果表明：①华北地区冬季气温常表现出一致的偏低或偏高,偏低年份主要集中在20世纪80年代中期以前,80年代后期华北冬季气温明显升高,由冷变暖的突变点为1987年;②华北地区冬季气温偏低、偏高年的北半球环流形势存在明显的差异,亚洲区极涡面积、乌拉尔山东部高压脊、东亚大槽及蒙古高压是重要的影响因子;③华北冬季气温与我国近海和日本海的SST存在较好的正相关关系。     

平流层强、弱极涡事件的演变过程及其对我国冬季天气的影响

本文利用1979～2010年的NCEP再分析资料,通过北半球环状模NAM指数挑选出的强、弱极涡个例,分析了北半球平流层异常变化过程中行星波的演变以及与之相联系的我国天气的变化特征。结果表明,在强极涡事件前,行星波1波会被反射回对流层,极地波导减弱,低纬波导增强,中高纬地区的E-P通量矢量有着从平流层传播到对流层的趋势;强极涡事件后,极地波导增强,低纬波导减弱。在弱极涡事件前,中、高纬度行星波1波沿着极地波导的传播明显增强;弱极涡事件后,极地波导明显减弱。与此对应的我国天气也有明显变化,在强极涡事件前,我国大部分地区温度偏低,南方地区偏湿而新疆西北部和云南西部地区偏干;在强极涡事件后,东亚冬季风进一步增强,冷空气加强南下,南方地区可降水量减少,新疆西北部仍然偏干,而云南大部分地区可将水量增加。在弱极涡事件前,东亚冬季风显著增强,使我国气温偏冷,降水减少,而弱极涡事件后,我国气温明显回升,中、东部地区和新疆西北部地区降水明显增加。     

冬季西伯利亚高压变化特征及其与中国气温的关系

客观地定义了表征西伯利亚高压位置和强度变化的4个指数,系统地分析了西伯利亚高压变化特征,并讨论了西伯利亚高压对我国冬季气温异常的影响。结果表明:西伯利亚高压具有明显的年际变化和年代际变化。在年代际尺度上,西伯利亚高压表现出随着时间变化先减弱、缩小,后增强、加大的趋势,位置变化趋势是先西撤、后东进,1999年后又西撤。其面积、强度和中心纬度异常与我国冬季气温关系密切,而经度异常变化对我国冬季气温异常变化影响不大。当冬季西伯利亚高压面积、强度异常大的时候,我国冬季气温异常主要表现为西南地区温度偏高,其它地区尤其是东北南部、新疆北部和华南部分地区温度偏低。     

涡动在南北半球平流层极涡崩溃过程中作用的比较

比较了南北半球春季平流层极涡的崩溃过程以及涡动在此崩溃过程中的作用。极涡的崩溃时间以平流层极夜急流核区最后一次西风转换为东风的时间来确定。结果表明南北半球平流层极涡的崩溃过程有着共同的特点,涡动和非绝热加热过程都对极涡的崩溃起着重要的作用,在极涡崩溃前平流层行星尺度波动活动明显,极涡崩溃以后,这种波动活动便迅速减弱。其中从对流层上传的行星波决定着极涡的具体崩溃时间。两个半球的差别主要表现在南半球极涡崩溃过程一般始于平流层高层,然后逐渐下传,而北半球这种下传不是很明显。其次,北半球平流层极涡崩溃偏晚年,极涡的减弱有两次过程,第一次为快速变化过程,第二次变化比较缓慢,而南半球平流层极涡崩溃无论早晚年只有一次减弱过程。长期的变化趋势分析表明南北半球平流层极涡的崩溃时间逐渐推迟,特别是20世纪90年代中后期以来,这种推迟更加明显。进一步的研究还发现,伴随着平流层极涡的崩溃过程平流层和对流层存在强烈的动力耦合,南北半球极涡迅速减弱前,各自半球的环状模指数也由负指数增加为正指数,表明低层环流对于平流层极涡的崩溃起到重要的作用;同时极涡不同强度所对应的低层环状模指数也不同,这可能与不同强度平流层极涡对于上传的行星波的反射有关。     

两个大气环流模式SAMIL和BCC_AGCM对北半球冬季极涡振荡的模拟对比

基于与NCEP再分析资料的比较, 本文利用大气环流模式SAMIL和北京气候中心大气环流模式BCC_AGCM的1950～1999年的AMIP试验模拟数据, 对北半球冬季环流及平流层极涡振荡的模拟性能进行了评估分析。结果表明两个模式都可以再现北半球环流基本型以及环流振荡的主导模态。对冬季气候平均态的模拟, 两个模式模拟的热带—热带外温度梯度均偏大, 极夜急流偏强, 极涡偏冷偏强;100～20 hPa平均位势高度场谐波分析表明两个模式模 拟的行星波偏弱;气候平均的10 hPa极夜急流均存在1个月的季节漂移, 200 hPa副热带西风急流较NCEP偏弱。两个模式模拟的环流变化的主导模态均代表极涡振荡, SAMIL极涡振荡的强度大于BCC_AGCM, BCC_AGCM极涡振荡的频率要高于SAMIL。连续功率谱分析表明, NCEP资料中极涡振荡存在4.6个月的显著周期, 相应地, SAMIL中为5.5个月的显著周期, BCC_AGCM中为4.8个月。NCEP资料中的极涡振荡主要发生在12～3月, SAMIL模拟的极涡振荡主要发生在2～3月, BCC_AGCM模拟的极涡振荡主要发生在2～4月。     

前期春季北太平洋海温异常与冬季北半球极涡的关系

利用NCEP/NCAR再分析资料和NOAA海温资料,用EOF、相关分析等方法,分析了1960—2010年500 hPa和100 hPa等压面上北半球后冬(2月)极涡面积和前春(4月)北太平洋(20~60 °N,120 °E~120 °W)海表温度(SST)的变化特征,揭示了二者的时空联系。结果表明:近50 a来,(1)冬季北半球500 hPa和100 hPa极涡面积整体经历了先扩张后收缩的变化。春季北太平洋SST经历了先降低后升高的变化。其突变时间与500 hPa极涡面积的突变时间相近,均出现在1987年,且与后冬500 hPa大西洋欧洲大陆区(Ⅳ区)极涡面积相关更好。(2)春季北太平洋SST的EOF第一模态空间型表现为PDO,第二模态表现为三极子型,突变分别出现在1980s初期和中期。(3)北太平洋SST与500 hPa Ⅳ区极涡面积相关的空间分布表现为:当前期春季北太平洋中部海温异常偏高(低),南部和北部海温异常偏低(高),使得下一个冬季500 hPa Ⅳ区极涡面积的扩大(缩小),这种空间遥相关型对应着海温的第二模态。北太平洋海温异常以第一模态空间型居多,但是对后冬北半球极涡面积影响大的却是第二模态。(4)当前春北太平洋SST呈第二模态时,对应次年冬季中高纬度对流层温度"上冷下暖",极地东风和绕极西风环流加强,极涡面积偏大。     

NCEP CFSv2对北半球平流层极涡边界年代际变化特征模拟的评估

利用欧洲中心ERA-I和NCEP CFSR再分析资料、NCEP CFSv2回报和预报资料,分析了20世纪80年代以来北半球平流层极涡边界的年代际变化特征,评估了CFSv2系统对北半球极涡边界的模拟能力。结果表明:1980-2017年,从整体趋势来讲,冬季北半球极涡在北美区域回缩北退,在欧亚区域扩张南进;秋季北半球极涡在北美地区呈扩张趋势,在欧洲地区呈回缩趋势,在亚洲地区从20世纪80年代到21世纪00年代是明显扩张的趋势,10年代又为明显回缩趋势。在冬季,北美区域极涡回缩主要在20世纪90年代,欧洲区域极涡的南扩主要在21世纪00年代,亚洲区域极涡的南扩主要在20世纪90年代。在秋季,北美地区极涡边界的南扩主要在20世纪90年代,欧亚区域极涡的回缩发生在21世纪10年代,西欧地区的回缩最明显。CFSv2模拟的冬季极涡边界和面积的20世纪80年代至21世纪10年代的总体变化趋势与ERA-I资料一致,CFSv2尤其对21世纪10年代北美和亚洲极涡都扩张的趋势模拟的很清楚,但模拟的北美区域极涡边界呈回缩趋势的范围偏东,在10年代明显偏南,模拟的欧洲区域极涡边界20世纪90年代偏北,21世纪1...