平流层爆发性增温及其影响研究进展

平流层爆发性增温(stratospheric sudden warming,SSW)是冬季平流层大气环流结构的一种突变现象,在短时间内平流层中高纬度的温度、风和极涡都会发生剧烈变化。因此,SSW也就成为平流层大气环流及其变化研究的重要方面之一。在强SSW期间,高纬地区温度急剧升高,西风被东风取代,极涡几乎全部崩溃。SSW极大地影响着北半球对流层大气,甚至整个中高层大气,包括对平流层乃至中层大气微量气体分布的重要影响。随着临近空间飞行平台的研究应用,以及由此而提出的临近空间环境条件的保障问题,作为临近空间重要组成部分的平流层环流变化将更加引起人们的关注。本文就SSW的特征、发生机制、对上下层相互作用的重要影响,以及SSW与准两年振荡、ENSO等的密切关系和SSW的数值模拟等方面的研究工作,进行了回顾和总结。     

1948—2015年北半球平流层爆发性增温的统计特征和月际环流差异

利用NCEP/NCAR第1套再分析资料,分析过去68 a(1948—2015年)平流层爆发性增温(Stratospheric Sudden Warming,SSW)频次、强度和环流特征的月际差异。统计结果表明:1948—2015年北半球共发生30次SSW,其集中发生在11—3月,而1—2月发生频次尤为集中,且SSW发生频次表现出显著的年代际变化特征。11—12月SSW比1—3月SSW的持续时间长。而3月SSW事件的强度最弱,持续时间最短。1月和3月SSW纬向平均信号下传得较深,而11月、12月和2月的环流信号仅能传到200 hPa。11—3月SSW爆发前1～2周500 hPa均观测到西太平洋遥相关型(Western Pacific,WP)的负位相;太平洋-北美遥相关型(Pacific-North America,PNA)的正位相仅仅出现在11月、12月和3月SSW爆发前。SSW爆发后1～2周,仅有11月、1月和3月的事件对应着负位相的北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation,NAO)。     

平流层爆发性增温期间行星波的活动

利用逐日的NCEP再分析资料分析了1978～2004年期间发生的18次强爆发性增温时平流层中下层行星波1波和2波的异常以及极涡崩溃的形式.分析表明, 爆发性增温前期1波都异常增幅, 波振幅达到峰值之后的一段时间内发生爆发性增温, 然而在增温过程中行星波2波的变化却有明显不同, 可分为三种情况: (1) 在增温前期, 行星波2波很弱; 在增温期间, 行星波2波异常发展, 伴随着极涡崩溃的形式是由偏心型向偶极型过渡. (2) 在增温前期, 行星波2波较强; 在增温期间, 行星波2波明显减弱, 极涡的变化形式是远离极地, 在极地外围活动, 但不发生分裂.(3) 在增温前期, 行星波2波不太强; 在增温期间, 行星波2波有所发展, 但始终强不过1波, 极涡的变化是先偏离极地, 然后发生不对称的变形.作者还计算和分析了EP通量及其散度, 利用波流相互作用理论对这三种行星波的异常变化及其与爆发性增温的关系进行解释.     

平流层爆发性增温动力机制的初步研究

本文用一个β平面纬向通道非绝热准地转的三层模式,研究平流层爆发性增温的动力机制.根据平均场对扰动的影响、扰动对平均场的影响以及平流层和对流层相互作用的解析表达式,得出有利于爆发性增温有关的自由行波异常增幅的大气条件.主要包括对流层的强感热交换、强切变和平流层的小静力稳定度. 模式大气的纬向平均温度和纬向风场变化都只由扰动热输送引起.整个增温过程按其产生、发展和消失的不同机制可分成三个时期:增温前期、增温盛期和增温后期.这些机制可以大致说明一些爆发性增温期间平流层和对流层大气环流出现异常以及随后又恢复到正常     

平流层赤道准两年振荡对爆发性增温的影响

该文对一个平流层和中间层的全球原始方程模式进行积分,考虑100百帕高度上的行星波强迫作用,平均纬向气流的特征分别取在赤道准两年振荡(QBO)的西风位相和东风位相。在100百帕60°N处取1波最大振幅从100米到400米的各种不同强迫作用下进行积分,对比QBO东西风位相的响应情况。在振幅为100米的弱波情形,QBO的位相对结果影响很小,无增暖产生,但在振幅为400米的强波情形,对结果影响虽也很小,但却可产生强的爆发性增温;在中等振幅(特别是约为250米)的强迫情形,模拟的西风和东风QBO两种情况都可产生大振幅波动和平流层增温。然而在东风位相时,增暖发生较早,并且波的变率大。这些结果与观测定性分析是一致的。     

近50 a平流层强爆发性增温事件及其变化规律分析

按WMO提供的标准，提出了划分强爆发性增温(Sudden Stratospheric Warming，简称SSW)事件的指标，用NCEP／NCAR 30 hPa层逐日温度、高度资料，确定了1950-2002年1-3月期间的35次强SSW事件。在此基础上，给出了强SSW事件发生的气候及异常特征，并从北半球中高纬臭氧及日照年际变化及其年际异常出发，给出了这些特征的部分成因。     

平流层突发性增温及其前后期平均环流特征

从1995至56－1987至88年的33个冬季的14个空发性增温过程（简称SSW）中，选出5个最强的加以平均，分析了增温期及其前后期的平均环流行征。结果表明：（1）30hPa极点温度与30年平均温度距平值，增温期为17．1℃，前、后期分别为－4．7℃和－8．91℃。（2）在500hPa和50hPa高度场上，增温期比其前、后期波数都少，经向度较大。经向度发展和极涡分裂为二的现象首先出现在对流层。（3）5次SSW均属北太平洋增温，其盯应的年份都是平流层由冬转夏，即季变“迟”的年份。     

2003～2004年冬季平流层爆发性增温动力诊断分析

利用逐日的欧洲中尺度天气预报中心(ECMWF)60层模式资料, 对2003年12月～2004年2月期间发生的一次非典型的爆发性增温中平流层结构的变化过程进行动力学诊断分析。充分利用资料层次高(最高层为0.1 hPa)和垂直分辨率高(垂直方向共60层)的优势, 通过对不同高度等熵面位涡分布的分析, 研究了极涡在平流层爆发性增温(SSW)发生前后的变化发展; 通过对EP通量及其散度的分析, 研究了SSW过程中行星波的变化特点; 通过对剩余环流的分析, 研究了在SSW过程中经圈环流的变化及其对动力过程的影响。得出: (1) 2003/2004年SSW增温过程持续时间长、强度大; (2) 增温最早发生在平流层上层并向下传播, 在10 hPa形成较强东风带后, 上层西风环流迅速恢复, 极涡再度形成, 下层则增温持续; (3) SSW前后行星波活动频繁, 有长时间多次的上传, 且以1波作用为主, 2波对其进行了补充; (4) 在SSW过程前后, 平流层中的剩余环流发生反转, 影响了平流层中、 高纬地区和低纬地区的物质交换以及上下层物质的重新分配。这一系列的工作为今后进一步研究平流层、 对流层交换, 发展完善气候模式打下基础。     

平流层爆发性增温过程中臭氧的垂直分布特征

利用ECMWF资料分析了平流层爆发性增温 (SSW) 过程中臭氧体积混合比的垂直分布的变化, 结果表明: 平流层爆发性增温过程中臭氧体积混合比增大, 而其极大值大多数形成在增温盛期。同时臭氧体积混合比的高值区在爆发性增温过程中随高度发生一定的变化, 据此对其变化分为两类: (1) 下传型: 在增温初期臭氧体积混合的高值区随高度下传至一定高度, 在增温盛期形成极大值然后随高度抬升到大致增温前的高度。 (2) 增厚型: 在增温过程中臭氧体积混合比的高值区厚度增加, 同时附近区域的臭氧体积混合比也增大, 而且在增温前臭氧体积混合比高值区在高度上没有多大变化, 增温开始后有所抬升。平流层爆发性增温过程中臭氧高值区随高度变化的这两种类型, 是由于平流层爆发性增温期间剩余环流对臭氧输送的结果。臭氧变化的下传型是由于在爆发性增温前剩余环流存在着中纬度向极地的明显输送, 并且伴随着极地强烈的下沉运动, 这就使得中纬度输送来的臭氧向下输送, 因此出现了臭氧高值区的下传; 而臭氧变化的增厚型是由于在爆发性增温期间剩余环流不但有中纬度向极地的输送, 而且在极地附近5 hPa高度处出现了上下两支输送气流, 向上的输送气流使中纬度输送来的臭氧向上输送, 而向下的输送气流使中纬度输送来的臭氧向下输送, 进而使增温期间极地附近的臭氧的高值区增厚。同时分析还表明: 平流层爆发性增温过程中中纬度臭氧体积混合比减少。     

冬半年欧亚雪盖变化对东亚环流的影响

对1973～1994年期间欧亚雪盖和东亚500hPa高度距平资料进行旋转扩展主成分分析,研究了冬半年欧亚雪盖异常与后期夏半年东亚环流分布连续演变的关系及其可能机制。结果表明前期秋冬春季欧洲、中亚和东亚中高纬雪盖异常不同的动态变化激发出具有不同持续性的东亚低频流型,而夏半年东亚副热带环流纬向扩展型演变与前期冬半年欧亚雪盖异常无关。     

东亚对流层上部和平流层中下部大气环流的初步研究

根据1957—1961平东亚九十余个探空站的记录,对东亚对流层中上部和平流层中下部的大气环流特点作了初步的分析,得到如下几点结果: 1.在冬季,对流层中上部的气压场和风场特点和过去研究的结论基本一致。在夏季,高原部分的环流特征却和过去的结论不同,夏季在高原上对流层中部出现微弱的气旋性环流,但在300毫巴已在反气旋的控制之下,而且反气旋的势力愈往上去愈强,在100毫巴处高原上空的反气旋达到最大强度,这是与青藏高原的热力性质有关系的。此外,从1月到7月东亚对流层上部的气压场和风场变化甚大,在中高纬度气压场有相反的趋势,并且副热带高压脊线从冬季的北纬15°位置移到夏季的北纬28°。 2.在东亚沿海,中纬度的几个测站在平流层中部的温度年变程呈双峰型,最高温度出现在1月和6—7月。在低纬度温度的年变程也呈双峰,但位相与中纬度相反。低纬温度年变化特点与辐射有关;中纬度的温度年变化,经过计算表明,1月的高峰与温度平流有密切关系。 3.东亚对流层中上部和平流层中下部风场的季节变化,与对流层中下部一样显著。从夏到冬的环流季节变化过程,高低空有一致性,而从冬到夏的环流季节变化过程,高低空变化并不一致。     

冬季SSW低频特性及平流层低层和对流层中层环流异常

研究了１９８３－１９８４年冬季及１９８５－１９８６年冬季平流层爆发性增温（简记为ＳＳＷ，下同）的活动特征，发现ＳＳＷ的活动具有３０－６０天的季节内低频振荡特性，通过对１９８５－１９８６年冬季ＳＳＷ和反ＳＳＷ时段温压场特征的对比分析，发现ＳＳＷ事件不仅引起平流层低层环流的异常，而且在对流层中层的环流也有明显的异常，甚至表现更显著。伴随着ＳＳＷ和反ＳＳＷ的低频循环，极涡流型、中高纬和中低纬环流的经向度     

冬季太平洋三种海温异常型及其对欧亚大气环流的影响

通过对冬季太平洋海温场及滞后0—6月的欧亚500hPa高度场的联合REOF相关分析发现,与500hPa环流异常相联系的冬季海温异常分布可分为三种类型:EC型、KC型和WD型,其异常中心区域分别对应于赤道中东太平洋——加利福利亚海流区、黑潮区和北太平洋西风漂流区。各型海温异常对欧亚500hPa环流具有不同的滞后影响特征,滞后0—3月的影响区主要是低纬度地区,4个月以后可达中纬度地区,尤其是对我国东部上空环流的影响。无论是中纬度海洋还是低纬度海洋均可对滞后4个月以后的东亚中纬度环流产生明显影响。      

近50年广东冬半年降水的变化及连旱成因

利用EOF分析、小波分析、相关分析等方法,对广东近50年(1957—2006年)冬半年(当年10月—次年3月)降水的变化特征及其与太平洋海温场的关系进行了研究。结果表明,广东冬半年降水存在显著的准40年、准2年左右的变化周期,偏少阶段主要发生在1950年代末—1970年代初、1990年代末至今。冬半年发生连旱的频率远大于连涝的频率。广东冬半年降水与赤道中东太平洋的海温具有明显的正相关,与菲律宾以东的西北太平洋的海温具有明显的负相关。连续干旱年出现在Ni?o3.4区的海温为负、正异常年的频率分别为61.5%、38.5%。通过对冬半年异常连旱年Ni?o3.4区海温分别为正、负异常时的大气环流场进行合成分析,可知极涡偏弱,欧洲槽偏强,巴尔喀什湖附近的高压脊偏强,广东为一致的偏北风距平场控制,冷空气活跃,而亚洲大陆中低纬度西风带低压扰动不活跃,南支槽活动偏弱,是导致广东冬半年产生连续干旱的共同原因。     

PREVIOUS CONVECTION ANOMALY IN AUTUMN AND WINTER ASSOCIATED WITH THE GENERAL CIRCULATION OVER EAST ASIA IN WINTER AND SPRING AND APRIL PRECIPITATION IN SHANDONG

Using OLR and 850 hPa and 200 hPa wind fields data (1979 – 2006), this paper diagnoses the characteristics of convection over the tropical area in preceding autumns and winters in association with April precipitation anomalies in Shandong province. It is found that preceding convection anomalies over the Western Pacific Warm Pool in December have close relationships with the April precipitation in Shandong. Further analysis of the relationship with the general circulation over the East Asia shows that the convection anomaly over the Western Pacific Warm Pool has close relationships with the Main East Asian Trough, the Hadley cell over East Asia and the Walker cell. The characteristics of East Asian atmospheric circulation anomalies accompanied with stronger (weaker) convection are consistent with those of less (more) April precipitation anomalies in Shandong. Therefore, the convection anomaly over the tropics in December may be an important indicator for April precipitation in Shandong.     

与前期秋冬季热带对流活动异常相关联的东亚冬春季大气环流及山东4月降水

利用1979～2006年月平均OLR、850 hPa、200 hPa风场等资料,分析了山东4月降水异常年的前期秋、冬季热带地区对流活动特征,发现前冬12月的热带西太平洋地区对流活动异常与山东4月降水的关系最为密切,进一步分析其与东亚大气环流关系,结果表明西太平洋暖池上空的对流活动异常与冬春季东亚大槽、东亚局地的Hadley环流以及Walker环流的强弱紧密相连,且对流活动强(弱)年相伴随的东亚大气环流异常特征恰与山东4月降水异常少(多)年的特征相吻合,因此,12月热带西太平洋对流活动强弱可作为山东4月降水预测的一条重要依据.     

RESPONSE OF THE ATMOSPHERIC GENERAL CIRCULATION TO WINTER SNOW COVER ANOMALY

In this paper,the response of the atmospheric general circulation to winter anomalous snowcover was investigated through observations studies and model simulation.Results from the observations show that:(1)the anomalous winter snow cover in theextratropics of Eurasian Continent bears an intimate relation to the contemporary atmosphericgeneral circulation.The positive anomaly of winter snow cover is usually accompanied by positiveatmospheric EUP teleconnection pattern and stronger East Asian winter monsoon:or vice versa.(2)The linkage between them suggests that the abnormal winter snow cover has an importantimpact on winter atmospheric general circulation.The anomalous snow cover pattern can lead tothe anomaly of winter atmospheric EUP teleconnection pattern and thus influence East AsianWinter monsoon.With NCAR CCM2 including BATS land surface scheme,three groups of experiments wereperformed to examine the atmospheric response to the anomalous snow cover pattern and explorethe relevant mechanism.Simulated results agree well with the observations,which testify thesignificant response of the atmosphere to snow cover anomaly.It is found that the radiative coolinginduced by anomalous snow cover plays an important role in above processes,and the feedback oflong-wave radiation can not be neglected.     

NUMERICAL SIMULATION OF EURASIAN TELECONNECTION PATTERN IN ATMOSPHERIC CIRCULATION DURING THE NORTHERN HEMISPHERE WINTER

In this paper, the anomaly of disturbance height field over Northern Hemisphere due to SST anomaly in the tropical Atlantic Ocean is simulated by using the general circulation model of 1AP. A quasi-geostrophic, 34-level spherical coordinate model is also used to compute the distribution of atmospheric circulation anomaly when there is an anomaly of heat source over the tropical Atlantic. The computed results show that, owing to the heat source anomaly over the tropical Atlantic, the EU-pattern anomaly in the winter circulation may be caused. Namely, a ridge will be enhanced over the northwest Europe, a trough will be deepened over Siberia, but a positive anomaly of disturbance height field will be formed over the northeast China, Japan and other areas of East Asia. Moreover, the numerically simulated results show that the above-mentioned EU-pattern anomalies of circulation are due to the propagations of planetary wave train. About 15 days after an anomaly of the heat source over the tropical Atlantic is