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行业专项成果综述-北半球冬季风暴轴变异及其对我国冷空气活动的影响

发布者:张岳   来源:   发布时间:2018/3/8 16:38:31   标签:   浏览次数:1211

项目编号GYHY201306028

研究周期2013年1月—2015年12月

国拨经费97万元

项目负责人】朱伟军

项目骨干成员】孙照渤、曾刚、谭桂容、彭丽霞、周兵、韩荣青、魏建苏、

孙艳、张韧、洪梅等

项目承担单位】南京信息工程大学

项目协作单位】国家气候中心、江苏省气象台、解放军理工大学气象海洋学院

主要研究成果

    1、定义了以下冷空气标准(已在国家气候中心业务应用),对1961-2011年我国566站各站点各类型冷空气在其活动季(9月至次年5月)的强度和频次及其时空变化规律进行了统计分析,并建立了我国冷空气活动频次和强度的历史个例资料库。(论文1、5)

强度               降温幅度           气温距平

         寒潮                ≧10℃             ≦-5℃

       强冷空气             8~9.9℃           -3~-4.9℃

      一般冷空气            5~7.9℃             >-3℃

注:降温幅度指冷空气影响过程中,日平均气温最高值与最低值之差;温度距平指冷空气影响过程中最低日平均气温与该日所在旬多年旬平均气温之差。

2、研究提出了一种北半球风暴轴的逐日监测技术与方法并应用于实际业务监测。主要创新点在于采用了动态阈值法定义了风暴轴的强度和位置指数,从而可以有效的对比不同层次、不同区域、不同时间的风暴轴变化情况。具体定义如下:根据北半球风暴轴气候态主体位置,对北太平洋风暴轴(3060°N,120°W~120 °E)和北大西洋风暴轴(30 70°N,100 ° )两大洋区域,分别取每个风暴轴区域中所有格点的滤波方差中间值为阈值,计算所有滤波方差大于此阈值的所有格点的平均滤波方差以及平均位置,作为各个风暴轴之强度指数以及经度指数和纬度指数;此外,在计算风暴轴强度的时候,对大于阈值的格点进行了区域面积权重处理,即将滤波方差乘以cosα,α代表格点所在纬度。(论文6、7)

3、研究揭示了北半球冬季风暴轴变异的特征、机制及其对我国冷空气活动的影响。(已发表论文17篇)

(1)研究揭示了冬季北大西洋风暴轴异常对我国寒潮活动的可能影响(论文1)。发现,北大西洋风暴轴位置异常与我国寒潮频次变化存在显著的相关关系,即当在40°W以西风暴轴较气候平均位置偏北(偏南)和在40°W以东风暴轴较气候平均位置偏东北(偏西南)时,同期我国大部分地区的寒潮频次异常偏少(偏多),而其强度异常与我国寒潮频次变化的年际关系并不显著(图1)。进一步的分析结果表明,风暴轴位置的改变会引起天气尺度瞬变涡动的传播出现异常,而这种传播异常既可以直接影响我国寒潮活动,也可以通过其反馈作用影响大气环流来间接影响我国的寒潮活动(图2)。具体的可能影响过程如下(图3):当风暴轴偏东北(偏西南)时,其离亚洲西风急流的位置较远(较近),不利(有利)于将北大西洋上强的瞬变涡动通过亚洲西风急流波导直接传播到我国地区;此时,北大西洋西风急流偏北(偏南),相应地北大西洋涛动(NAO)出现正(负)位相异常,而传播到下游的瞬变涡动通过动力反馈作用,可使得高纬西风加速(减速),极涡加深收缩(减弱扩张),冷空气禁锢在极地不易(容易)南下,而中纬西风则减速(加速),经向环流加强(减弱),从而引起西伯利亚低层冷堆温度增高(降低);最后,所有上述环流异常形势以及瞬变波的异常传播可最终导致我国的寒潮活动频次减少(增多)。

(2)研究揭示了冬季北太平洋风暴轴垂直结构和纬向结构的变化特征及其与我国极端低温事件的关系(论文3、4)。发现,冬季北太平洋风暴轴垂直结构主要呈现出全区一致、上下反相两种分布型,细分为全区一致增强型、全区一致减弱型、上层增强下层减弱型和上层减弱下层增强型;当风暴轴呈全区一致增强(全区一致减弱)型垂直结构时,我国整体区域极端低温频次偏少(多);当风暴轴呈上层增强下层减弱(上层减弱下层增强)型垂直结构时,我国东北地区极端低温频次偏多(少),其余地区偏少(多)(图4)②冬季北太平洋风暴轴纬向结构主要呈现出全区一致、东西反相两种分布型(“A”型和“B”型),细分为整体一致性强型(“A+”型)、整体一致性弱型(“A-” 型)、东弱西强型(“ B+” 型) 和东强西弱型(“ B-” 型);当风暴轴呈“A+”(“A-”)型纬向结构时,我国整体区域极端低温频次偏少(多);当风暴轴呈“B+”(“B-”)纬向结构时,我国全区极端低温频次偏多(少)(图5)。

(3)研究揭示了冬季北半球两大洋风暴轴的协同变化及其与同期海气系统的空间耦合关系(论文2)。①从所定义的冬季北半球两大洋风暴轴的纬度、经度和强度指数来看:三个指数均存在明显的年际变化和年代际变化,其中年际分量的方差贡献远大于年代际分量;对于单个风暴轴来讲,无论是滤波方差场原始序列还是其年际分量和年代际分量序列,每个风暴轴各自的纬度指数和经度指数均呈显著正相关,表明每个风暴轴各自的南北位移和东西位移具有很好的协同性;虽然从原始序列来看,两个风暴轴之间各指数之间的相关关系均并不显著,但是对于年际分量序列和年代际分量序列,两个风暴轴之间均具有显著的协同性变化,其中,在年际尺度上,两者仅强度变化之间具有显著的正相关,而在年代际尺度上,AST的经度(纬度)变化与PST的强度(纬度及强度)变化均具有显著的负相关(表1)。②EOF结果表明(图6):两个风暴轴之间协同变化的空间结构在年际尺度上反映的主要是强度的变化,第一模态为两者强度在其气候平均位置附近同时减弱(增强)并伴随AST整体和PST东部均略有北抬(南压),第二模态为两者强度在其气候平均位置附近同时减弱(增强)并仅伴随AST整体略有南压(北抬);而在年代际尺度上,第一模态为AST整体偏北(南)中东部偏强(弱)与PST整体偏南(北)中东部偏弱(强)的反位相协同变化;第二模态为两个风暴轴的强度在其气候平均位置附近同时增强(减弱)的一致性协同变化;③进一步分析表明(图7),两个风暴轴之间以不同模态协同变化时,与同期海温、遥相关型及环流异常等海气系统之间均呈现出很好的空间耦合关系,但具有不同的特点。

(4)研究揭示了冬季北半球风暴轴异常及其与大气环流和SST异常的关系(论文9—19)。如:①揭示了冬季北大西洋风暴轴的变化及其对西伯利亚高压的影响(论文9);②揭示了北太平洋东部风暴轴的变化特征及其与大气环流和SST异常的关系(论文10);③揭示了冬季北太平洋风暴轴异常及其与东亚大气环流的关系(论文11);④揭示了冬季海温异常影响北太平洋东部型风暴轴的数值试验(论文12);⑤揭示了冬季东北冷涡对北太平洋风暴轴的可能影响(论文13);⑥揭示了冬季北半球极涡强度对北太平洋风暴轴的可能影响(论文14);⑦揭示了冬季北大西洋风暴轴的东西变化及其能量诊断(论文15);⑧揭示了北太平洋风暴轴"深冬抑制"现象的可能原因(论文16);⑨揭示了天气尺度扰动对NAO等低频大气环流的可能反馈作用(论文17-18);⑩揭示了冬季赤道中东太平洋海温异常对北半球两大洋风暴轴协同变化的可能影响(论文19)。

4、初步研究和开发了基于风暴轴变异信号的我国冷空气活动频次和强度的统计预报模型、统计-动力集合预报关键技术和数值预报释用产品,并应用于实际业务预测。(论文1-4、6、20、38、39)

    5、研究揭示了其他相关东亚气候系统和环流的异常变化特征及其可能机制和影响(论文21—37)。

成果应用情况

1)项目关于冷空气的定义标准已在国家气候中心应用,在此基础上,主要完成人周兵正在负责完善和制定国家标准;建立的我国冷空气活动频次和强度的历史个例资料库已在国家气候中心和各省级气候中心的短期气候预测研究和业务中应用。

2)采用动态阈值法定义风暴轴的强度和位置指数这一技术与方法已在风暴轴的研究中得到广泛应用和应用;国家气候中心已利用该技术与方法实现了对风暴轴变异影响信号的定量表征和实时业务监测。

3)项目揭示的北半球冬季风暴轴变异的特征、机制及其影响我国冷空气活动的途径和物理过程,强调了半球风暴轴的变异对我国冷空气活动的重要作用和预报意义,有利于将风暴轴月--年尺度上的变化规律应用于我国冷空气活动的气候预测业务。

    (4)项目基于风暴轴变异信号的我国冷空气活动频次和强度的统计预报模型、统计-动力集合预报关键技术和数值预报释用产品的研究成果已提交于国家气候中心,为全国冷空气活动监测预测及其相关的气候异常成因分析提供了参考和业务应用。

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