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本文特约作者:mikeliang(风云梦远),气候研究者,已获授权

注:(1)本文仅为个人分析,仅供学习交流与参考,不具备法律效力。如需要咨询更详细的气候趋势,请联系国家气候中心或各地气象局。

(2)本文未说明条件下,季节均指北半球季节。

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1. 季节尺度气候因子-低频信号分析

1.1 海洋信号

1.1.1 热带太平洋/厄尔尼诺-南方涛动(ENSO):拉尼娜再度归来

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自2020夏末起,赤道中东太平洋地区出现了一次较明显冷却,并演变发展成一次极弱的厄尔尼诺事件,虽然本次事件的ONI峰值仅为+0.6,但其偏晚的产生时间,和在春季的急剧衰减还是非常有特征;在随后的夏季,赤道中东太平洋快速冷却,至当前各ENSO监测区都已经低于拉尼娜状态的海温距平阈值,可以说除了持续时间未达标(但已基本确定会达标)外,其他均已满足一次拉尼娜事件。因此后文将直接称当前已是“拉尼娜事件”状态。

最近的三次拉尼娜事件(2016-2017;2017-2018;2020-2021)海温异常空间型,和历年事件平均很有不同;例如大多数的拉尼娜事件发生时,热带印度洋大部的暖异常应当明显消退甚至转为偏冷,但这三次仍有较明显的偏暖;而在东太平洋地区,应当呈现南北美西海岸和赤道中东太平洋均明显偏冷的“冷水三角区”;但这三次事件仅在南美西海岸和赤道中东太平洋明显偏冷,但北美西海岸一直到夏威夷以南海区仍然显著偏暖。这些很可能与近些年来持续太平洋经向模(PMM)的强正位相叠加直接有关;进一步而言,和时间频谱上的ENSO低频变率分量的模态也符合得很好。通常而言,ENSO的显著周期在准2-7a的范畴中,其中2a左右是一个显著峰值,对应着一个时长各约一周年的厄尔尼诺/拉尼娜位相,之间转换速度极快;而2a以上也存在较显著的变率,这些便对应着演变速率明显偏慢且持续较久的事件,包括历史上的多峰型事件也很可能对应于此。可以认为,这次事件是由高频分量上较强的拉尼娜事件,和低频的中太平洋-北美西海岸暖异常共同叠加所致。

不过从图1与图2结合可以注意到,今年这次拉尼娜事件不再是去年的“复读”——北美西海岸和副热带东北太平洋也有了明显的偏冷,经典的冷水三角区重现江湖。可以认为热带外的海洋低频过程已经有显著变化,典型的PDO负位相和PMM负位相事件已经形成,因而在世事流转枯荣之后,今年的拉尼娜重新寻回十年前“标准型”;同时在空间型上,自日界线到南美西海岸都有明显偏冷,可以认为是结合了东部型与中部型拉尼娜的特点,但由于对流与潜热异常响应在日界线附近的中太平洋更显著,本次拉尼娜事件对大气的影响将更类似中部型。

图1 2021年7-9月全球海表温度距平(SSTA)

图2 2021年10月第二周与去年同期海表温度的差值

而在赤道太平洋次表层剖面上(图3),可以看到当前赤道太平洋次表层海温异常呈现拉尼娜事件下的显著偶极型特征,即中东太平洋和西太平洋分别对应存在显著冷中心与暖中心,这分别日界线东侧继续东传的冷性Kelvin波,和西太平洋温跃层暖性Kelvin波的发展,从图4的时间演变上更为清晰。此外,图4的纬向风异常表明,日界线附近海区在今年初上一轮拉尼娜衰减时仍然持续维持信风显著偏强,这和日界线附近维持异常下沉支有关,是当地下方温跃层重新发展出冷性Kelvin波并激发当前第二峰拉尼娜事件的关键。考虑到Kelvin波的东传速度,日界线东侧冷性Kelvin波将在1-2个月后到达东边界(南美沿岸),对应赤道东太平洋和南美沿岸的温跃层显著变浅并有利于次表层冷水上涌过程,这将导致当地海表温度将进一步下降,拉尼娜事件也将在冬季达到顶峰;随后暖性Kelvin波沿温跃层的东传将让拉尼娜事件有所减弱,后期如果出现一定规模的信风张弛将加速这一衰减。

图3 最近赤道太平洋垂直剖面海温距平(下)和一年前(上)的对比。资料来源:TAO

图4 近两年候平均表层纬向风、SST和20℃等温线异常演变。资料来源同图3

当前热带地区大气环流也有对拉尼娜事件的显著响应。以图5反映大范围垂直运动的200hPa速度势,和反映对流活动的向外长波辐射(OLR)距平看,全球热带地区主要的准定常波为2波型,其中除了大西洋-非洲区域环流圈的较弱分量外,最主要分量来自热带太平洋区域,在海洋性大陆地区显著的上升支与赤道东太平洋最显著的下沉中心——这直接与拉尼娜事件状态下,Walker环流的增强与西移有关,并在图6的赤道地区纬圈环流里有显著体现。在接近海表的低层,这表现为显著偏强的信风,并从Ekman上涌和平流作用两方面促进了赤道中东太平洋海表温度下降,并构成海洋-大气间的正反馈作用。不过在图4的时间演变中也可以发现,当前信风偏强的核心区出现在了日界线和西侧的中太平洋一带,这可能和当前Walker环流上升支仍然有所偏西(控制东印度洋-海洋性大陆区域)有关,也证实了当前拉尼娜事件对大气的影响但也有利于后续当地的冷异常会维持得更长。

图5 2021年9月OLR距平(填色,单位:W/m )和200hPa速度势距平(等值线,单位:10^6m /s)

图6 2021年9月全球5°S-5°N区域垂直速度距平(填色,负值代表异常上升运动)与纬圈环流异常(矢量)

除了热带区域的海气相互作用,热带外的外强迫因子和海洋-大气相互作用也对ENSO事件起到了关键的作用。除了前文已经提及的PMM负事件有利于拉尼娜事件的维持与形成标准的空间型外,在南太平洋方面,注意到南太平洋涛动(SPO)为显著负位相,表现为当前东南太平洋中纬度地区的异常反气旋,使得北侧低纬度信风有所增强,通过平流作用和WES机制将导致东南太平洋区域SSTA偏低且秘鲁寒流相对偏强;不过在当前的南极海冰空间分布上(见后文图17),当前南极海冰面积仍然是较气候态偏少,同时在模态上呈现出SIO正位相态势,即南极半岛-德雷克海峡一带海冰偏少,而ENSO与后者冰量关系最为密切——当前的状态将使得南极绕极流主轴偏南,也更少地向北侧南美西海岸分流,从而在动力和热力上不利于秘鲁寒流增强。这些内容都有利于短期内拉尼娜事件的维持,也将影响到具体的海温异常空间型分布。

综上各因子分析,可以得出:今年秋冬季热带太平洋区域会经历一次中等偏强拉尼娜事件,较去年第一峰事件强度相仿或略强,并在冬季前期(12月或前后)达到顶峰,同时伴有海表与大气环流显著响应。随后由于海洋暖性Kelvin波的东移和西太平洋对流活动激发的大气Kelvin波而缓慢减弱,但在冬末到早春仍能维持较强水平;而在空间型上,本次事件将结合中部型+东部型拉尼娜事件特点,同时北美、南美西海岸也有显著冷水,将在2011-12年拉尼娜事件后重现“典型拉尼娜”冷海温分布;不过由于对流响应在日界线附近更强,本次事件对大气的影响会更接近中部型拉尼娜。

这样的海温分布与热带环流异常,总体导致热带太平洋大部信风增强,同时海洋性大陆和菲律宾东侧近海对流活跃,并激发出低空气旋式环流异常。在此影响下,华南和江南南部会被其西北侧的东北风异常控制,从而增强冬季风,相对偏冷偏干;同时它会激发出类似PNA负位相波列,导致远东到阿留申群岛阻塞增强,东亚大槽也会明显偏西,容易导致影响我国的冷空气偏强且偏活跃——这也是拉尼娜事件容易造成我国大部分地区冬季平均偏冷的重要机制。

但同时也要注意到这次拉尼娜事件的特殊性及造成的影响。首先,当前热带印度洋(尤其东印度洋)将逐渐转为偏冷,这将导致Walker环流上升区更集中在海洋性大陆东部和菲律宾以东洋面,加强菲律宾一带的气旋环流;此外本次事件的大气响应更接近中部型,这样赤道西太平洋大部将出现更强的信风,并在热带西太平洋激发出反气旋异常和副热带西北太平洋气旋式异常,这与菲律宾的气旋环流叠加,导致其影响显著向北延伸,进一步导致我国南方偏冷偏干的异常。

图7 东部型厄尔尼诺(a)、中部型厄尔尼诺(d)、东部型拉尼娜(b)、中部型拉尼娜(e)事件在菲律宾周边造成的环流异常(填色为850hPa流函数距平,矢量箭头为850hPa风场距平)。

1.1.2 北太平洋模态:PDO&NPGO

将20°N以北的北太平洋区域海温进行经验正交函数(EOF)分解,可以得到几个重要的特征模态,其中太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation, PDO)是传统的第一模态,它的年代际变率更为人所熟知;而在20世纪90年代起,北太平洋环流振荡(North Pacific Gyre Oscillation, NPGO)这一EOF2模态逐渐显著,在近些年的解释方差率甚至和PDO可以抗衡,这一转变可能和与中纬度海区海气相互作用造成的内部变率有关,也可能和ENSO事件空间型转变下,所激发的热带外强迫影响的位相发生变化的影响。

图8 1901-2000年12-2月全球海温对PDO指数的回归

图9 同图8,但为对NPGO指数回归

根据近期的部分研究认为,1998前后开始的PDO负位相期于2014年中断并转为正值,这一插曲持续到了2018年夏季;这一时期表现出了内部变率主导的独立发展的特征(期间多次刷新同期最高),甚至可能通过副热带-热带间作用影响调制了随后多次ENSO事件的演变。而在2018年到今年初,虽然PDO指数重新转为负值,但和先前典型PDO负位相年代海温已有显著区别,表现为不再是北太平洋暖流区(北美西海岸)偏暖(冷),而是一致偏暖;只是由于北太平洋偏暖更严重,根据定义计算得来的PDO指数仍然属于负值。

然而自今年夏末起,随着北美西海岸到夏威夷一带的海温急剧冷却,过往典型的东北太平洋冷海温区再度归来,因而今年秋冬季可以认为是重回北太平洋暖流区偏暖+北美西海岸-副热带东北太平洋偏冷的典型的PDO负位相事件。如前文所提及,这样的海温形态与热带太平洋显著的拉尼娜事件发展相互配合,让整个北太平洋将呈现近些年少有的“标准拉尼娜”状态。

图10 1945年以来PDO指数的逐月演变

图11 2021年9月北太平洋地区海表温度距平(填色)和2021年10月以来850hPa风场异常(矢量箭头)

在这样的北太平洋中高纬度海洋-大气响应下,再考虑到前期东西伯利亚-鄂霍茨克海到白令海峡附近海冰密集度依然异常偏高,这将导致随后数月远东沿海一直到阿留申一带一个准驻波型的异常反气旋形成,而当地天气尺度阻高的活动频率和强度也将显著偏强,也将对应一个相对偏西的东亚大槽和北美中西部异常槽,这相对有利于东亚地区的寒潮活动,但由于极锋急流偏北偏强,东亚大槽南摆程度可能有所受限。与此同时,这样的海温模态,也会导致北太平洋锋区显著偏南,不稳定瞬变扰动会集中在副热带急流波导区。

1.1.3 热带印度洋

作为亚澳季风区内的重要热带洋区,虽然热带印度洋在冬季对东亚地区的影响远小于夏季,但仍可以通过对流活动相关的潜热加热异常,影响到热带外地区的环流;此外如果秋季发生了极强的热带印度洋海温异常事件(如2019年极强的印度洋偶极子事件),甚至可能自身作为强迫源对热带其它海区造成影响。

在去年至今双峰拉尼娜事件影响和前期对流活动削弱海表太阳短波辐射的效应下,热带印度洋已经有明显的降温。但此时热带印度洋东部仍然有显著偏暖,这导致Walker环流维持在海洋性大陆一带且热带东印度洋对流仍然活跃,并可能导致当前到冬季前期热带印度洋-海洋性大陆-西北太平洋间的降水和对流活动的低频振荡。不过,随着当前拉尼娜事件进一步发展和后续对流活动造成的冷却,热带印度洋将在冬季进一步冷却,后续Walker环流上升支也将进一步东移至海洋性大陆东部到菲律宾以东海域。

图12 2019年至今标准化IOBW指数序列。来源:国家气候中心(NCC)

同时,今年热带印度洋纬向偶极模态(TIOD)以海温异常西冷东暖的负位相状态为主,但提前于夏季发展,在通常达到峰值的秋季反而已明显衰减接近中性。注意到当前副热带南印度洋存在一个显著反气旋异常,它将导致东侧东南印度洋出现显著南风异常和冷平流,导致当地海温显著下降,同时在澳大利亚西海岸触发显著离岸涌升流。因而可以预见,未来数月当地海温将进一步下降,目前略呈现东南印度洋偏暖的负位相倾向。因而今年TIOD事件对未来秋冬季气候影响有限,主要是有利于东印度洋和海洋性大陆地区降水增强,可能促进今年的阶段性的热带地区低频振荡,并激发出一个西北太平洋反气旋异常(但相对较弱)。

图13 热带印度洋偶极(TIOD)正位相(左)、负位相(右)示意图,红(蓝)色分别代表暖(冷)海温异常。图片来源:JAMSTEC

图14 同图12,但为热带印度洋偶极(TIOD)月平均指数

图15 同图11,但为印度洋地区

1.1.4 大西洋:Nino型与NAT

类似赤道太平洋著名的厄尔尼诺现象,在赤道东大西洋冷舌区也存在信风松弛和海温异常上升的状态,这被称为“大西洋Nino型”。只不过由于大西洋洋盆较小,整体的Bjerknes反馈不如太平洋明显,因而大西洋Nino型的振幅也有限;此外大西洋Nino型通常表现为赤道大西洋全域的海温异常同步变化,而非太平洋厄尔尼诺/拉尼娜事件的纬向偶极子型。

在过去一段时间内至今,热带大西洋和东岸的西非地区出现显著的深对流活跃与异常上升运动,导致赤道大西洋西风异常发展且出现海温显著上升的局面,构成前文提及的较弱纬向Walker环流圈异常。而它通过这一横跨到中美洲地峡的环流圈异常,促进东太平洋方面下沉支加强,在短期内将有利于拉尼娜事件的维持。此外,热带大西洋与西非地区活跃的对流活动也会激发出相关波列,从而影响到欧亚地区环流。

北大西洋方面,北大西洋三极子(NAT)是北大西洋地区重要的季节-年际尺度的海温变率,是中高纬度海洋-大气相互作用机制下,与大气内北大西洋涛动(NAO)形成的海气联合模态。

图16北大西洋三极子(NAT)的标准海温异常模态

在进入秋冬季后,中高纬度海洋-大气间的反馈作用将再度显著。考虑到当前在中纬度北美东海岸附近存在显著气旋式环流,这将导致当地逐渐激发出显著冷海温异常,同时气旋环流北侧的偏东风将显著降低背景西风风速,并有利于当地海温偏高,这将在未来一段时间发展出显著的NAT负位相状态,并在冬季进一步演变成显著的NAO负位相状态;不过也需要注意当前热带大西洋东部西非地区的异常对流活动的潜热加热,也会激发出向北传播的Rossby波波列,可能会影响到具体的环流型。具体而言,冬季北大西洋长波波源将明显活跃,可能引发更剧烈的长波调整和经向活动;瞬变扰动将更加活跃;同时冬季向下游激发的低频遥相关波列上,在极锋急流一支更倾向于乌拉尔山异常脊-贝加尔湖槽-远东/鄂霍茨克异常脊的态势,这有利于影响我国的冷空气偏强偏活跃;而在副热带急流波导区更倾向于地中海东岸脊-阿拉伯海槽-偏强的印缅脊,加之菲律宾一带的显著气旋式环流异常,这不利于印度洋、南海水汽输送向我国南方等地。

图17 同图11, 但为大西洋地区结果

1.2冰雪圈

1.2.1 北极海冰&北极涛动态势

和先前数年不同,今年夏季后期北极涛动(AO)的持续正位相状态导致了极区大部的偏冷,阻碍了极地海冰的融化,使得北极海冰面积出现了少有的明显恢复。据NSIDC数据,今年北极海冰面积最低值于9月16日创下,为2014年以后历年低值的最高(面积为373.7万km )。

但特别值得注意的是,在进入秋分后的海冰面积恢复阶段,海冰增长速率转为大幅偏慢,导致当前北极海海冰面积再度接近同期新低。就长期气候趋势看,这一特征很可能是近些年极地增暖放大效应的深化——不仅体现在北极气温相比全球平均更严重的增暖与夏季海冰面积的锐减,在近些年更体现在海水热含量上升后秋季海冰更为缓慢地增长,这也是极地气候更严峻的挑战之一;且由于时间上离冬季更近,这一特征会对冬季北半球中高纬度地区气候造成更显著的影响。

而在空间型分布上,今年北极海冰显著偏少的地区包括格陵兰东海岸经斯瓦尔巴群岛向东,到泰梅尔半岛西侧的西西伯利亚(北亚);而自东西伯利亚到白令海峡北侧的太平洋扇区,和而北美一侧的波弗特海东部、加拿大北极群岛区域到格陵兰岛西北侧一带则偏少程度较轻以至于接近常年,其中东西伯利亚沿海到白令海峡北侧的太平洋扇区海冰更是一反近十年大幅融化的常态。由于东西伯利亚海冰融化偏少,今年北极的东北航路在2008年之后首次未能打通。这样的海冰面积态势与空间分布,与今年夏季后期北极地区环流形势有一定关联。在最近两个月极地出现了较显著的2波型特征,北亚(西伯利亚)一侧被异常暖高压控制,气温显著偏高,加剧当地海冰融化;而同时,极地涡旋中心偏向波弗特海-加拿大北极群岛一侧,这让当地气温相对偏低而海冰相对偏多。而在动力学方面,东西伯利亚沿海存在显著偏强的近地面气旋环流,在冰岛东侧有显著反气旋式环流。这导致东西伯利亚沿海存在明显向岸偏北风,有利于海冰在沿岸堆积而难以融化;同时,自东西伯利亚经北极核心区附近到格陵兰岛东岸的穿极漂流也相对偏弱,对于格陵兰东岸一带而言,当地接纳的冰漂流流出量明显偏弱,且在偏强的偏南风作用下,流入北冰洋的北大西洋暖流分支偏强,这也使得这一带海冰面明显积偏少。

图18 2021年9月北极地区海冰密集度距平。图片来源:NSIDC

北极海冰当前的异常空间分布,将对随后冬季高纬度地区热力场有明显的直接明显。首先主极涡将偏向东西伯利亚和波弗特海一侧,而北欧到西伯利亚中部沿岸的北冰洋陆缘海将多出现异常极地反气旋/阻塞活动,此时北亚一侧副极涡将更多南下到西伯利亚北部;此外,巴伦支海-喀拉海一侧的海冰偏少,同样将使得向上感热通量显著增大,导致这一带高纬阻塞和极地暖性反气旋偏强,且更倾向于定常扰动一般的稳定。

如果初步定量考虑到秋季海冰对冬季北半球环流的影响,根据1980-2018年9-10月海冰密集度与随后12-2月北半球500hPa高度场对应的SVD分析(前三个模态共解释80%以上方差)看,第一模态对应北极海冰一致显著融化与北极涛动的负位相状态——极地出现异常高压偏暖,而极地涡旋南下至环绕极地的中高纬度地区,造成当地冷空气活跃并偏冷;第二、三模态则涉及新地岛西侧和太平洋扇区的偶极子型,与欧亚地区环流异常。就今年海冰模态而言,更类似于第一模态负位相与第二模态负位相叠加,这样仅从海冰的强迫考虑,将倾向于北极涛动在冬季略偏向负值,同时乌拉尔山阻塞更加活跃。

图19 1980-2018年,北半球500hPa12-2月平均高度场与前期9-10月北极地区海冰密集度的SVD分析结果

而进一步讨论对全国气温的影响,在同上文环流异常进行的SVD分析上(前三模态总共解释90%以上方差),可以看到二者的第一模态分别对应青藏高原与全国其他大部分地区气温的负相关型,与海冰异常上新地岛到太平洋扇区一致减少模态,这一联合模态能部分解释过去一段时间的线性趋势;而第二模态则是全区气温一致模态和新地岛-太平洋扇区偶极型;第三模态则是气温上,东亚区域的西南-东北向偶极型,联合海冰模态上泰梅尔半岛附近集中偏少型。而结合当前海冰模态高度类似SVD第一模态负位相与第二模态正位相表现型的叠加,就此结果考虑,可以认为,仅考虑今年秋季极地海冰的影响这一点,将更容易使得全国大部冬季气温偏低,其中东北地区偏低程度较弱,而中西部到长江以南大部偏低程度更大的格局。当然需要注意,这只是其中一项气候因子的影响。

图20 同图19,但为东亚地区气温与北极地区海冰密集度的SVD分析

1.2.2 北半球积雪态势

在过去一段时间的环流态势影响下,过去一个月北半球总体出现了西伯利亚(北亚)与北美高纬度地区降雪总体偏多的状态,其中以北欧、东西伯利亚和北美西北部最为明显;而青藏高原积雪前期显著偏少,但在近期的降雪过程中又有明显增长。

图21 2021年9月北半球陆地冰雪距平。其中蓝色为偏多区域,棕黄色为偏少区域。图片来源:RUTGERS Global Snow Lab

总体而看,今冬积雪强迫和大气异常响应是接近同相,其中东西伯利亚积雪的偏多也将一定程度上有利于北极涛动的负位相和乌拉尔山阻塞的偏强,有利于影响亚洲大陆的冷空气显著活跃(图16);而青藏高原东部积雪在近期的偏多,会配合近期副热带急流活跃的波列活动,导致短期内活跃的印缅南支槽活动,使得近期南方多地有活跃但强度较弱的降水过程;二是增强副热带急流,这一波导区更容易导致北大西洋异常活动中心的长波频散传播,也将加强印缅槽强度。但这样的大气响应维持较久后,青藏高原因长期处在槽后,当地积雪将逐渐在后期减少。

图22 同图19,但为10-11月积雪覆盖率(右)与随后12-2月500hPa高度场的SVD分析

1.2.3 南极海冰

南极地区海冰面积有着显著变率。首先在21世纪初以来有持续增长,直至2015年创下了观测历史面积最大;但在2016年起,海冰面积突然出现断崖下降,一度接近观测史新低。这被认为和厄尔尼诺事件与热带印度洋的遥相关有关,并在随后数年年便长期处在低于气候平均的状态;直至近两年再度增长到平均态之上,这一阶段宣告结束。

图23 同图18,但为2021年9月南极海冰距平

对于南极海冰而言,除了总体一致模态外,南极海冰涛动(SIO)是另一个重要模态,它反映了罗斯海-威德尔海附近的海冰的偶极型态势。当前正处于罗斯海面积偏小-南极半岛附近稍偏大的负位相状态,结合前文的分析,这也将导致南极绕极流主轴偏北且分流较多,有利于秘鲁寒流偏强与东南太平洋异常冷水,将在一定程度上不利于拉尼娜事件的发展;同时这样的海冰模态有利于南极涛动正位相状态,即导致南半球冷空气较不活跃。

图24 10-12月南极500hPa高度场和超前4个月-滞后1个月的南极海冰空间模态,其中南太平洋外海和威德尔海偶极明显。摘自Wu(2011)

1.3.平流层

1.3.1 南极平流层态势

在过去的极夜期,南极平流层的Rossby波活动和涡动热交换较往年偏弱,导致一个极度寒冷的南极平流层和偏强的极地涡旋,并造成了一个近些年面积较大的臭氧层空洞。而考虑到平流层信号在低频尺度上的缓慢下传,这一低频尺度上位势高度与温度异常偏低的平流层信号下传,一定程度上有利于对流层南极涛动维持正相位态势,和前文海冰的强迫源基本一致。

图25 南极平流层-对流层纬圈平均温度的高度-时间剖面。资料来源:CPC

1.3.2 北极平流层态势

(1)平流层总体倾向

在近期,北极极区平流层出现了突然的增暖和高度正异常,这类似于冬季平流层爆发性增温事件,但强度明显偏弱。不过这样的位势高度正异常和对应的暖异常将对应一个平流层AO负位相信号的下传;而考虑到冰雪圈下垫面的影响,秋冬季AO负位相状态的概率已经是较高,这一动力因子将在一定程度上促进AO负位相的发展,并在后期北极海冰热力作用主导下持续负位相为主。

图26 同图25,但为北极地区形势

(2)北极平流层爆发性增温(SSW)

SSW是一种在极地冬季平流层短期内(一周左右)突然急剧增温20℃甚至更高的现象,并伴有平流层以至于对流层的环流调整。一般而言,北极地区极夜期内地SSW集中爆发于1-2月,强SSW事件很少早于12月产生,因此本文将无法展望具体SSW事件,但是可以从气候背景角度考虑北极SSW事件趋势。

极夜期SSW事件频数和强度和QBO相位有关,这和中纬度行星波的经向传递有关;以目前形势来看,QBO正处于东风位相发展期,赤道地区R波波导较弱,这导致中纬度行星波偏向极地方向传播而有利于高纬度地区SSW事件形成,可以预见今年北极SSW活动将较常年频率偏大且强度较强。再考虑到今年冬季AO偏向负值的概率高且瞬变扰动活跃,一旦出现SSW的配合,将容易引发显著的长波调整并成为阶段性重大环流转折的引发点。

作为一类天气尺度事件,要在当前确定今年主要的SSW爆发区域也是较难;不过考虑到R波上传通常和稳定长波联系,因此结合秋冬潜在的长波分布,SSW爆发地点在阿留申-阿拉斯加西部一带概率最高,其次是格陵兰以东到北欧一带。

1.3.3 平流层准两年周期振荡(QBO):迷失的钟摆

QBO通常是发生在赤道地区平流层中层(以30hPa高度作为常规监测层面)、周期约26个月的东西风交替现象,在过去的观测里这个周期相当稳定。不过2015-16年,这个稳定周期一度被打断,有文献认为这是由极强厄尔尼诺事件的信号上传到平流层所致;但在去年年初转为东风后仅半年,再度被西风扰动所打断,然而同期并未发生类似2015-16年的极强厄尔尼诺事件,这一特征值得研究。

在近期,去年异常的西风插曲已经结束,当前30hPa监测层面已经再度转为东风异常并在显著发展下传,因而可以认为今年冬季是处在东风位相发展期的影响下。

图27 1953年以来赤道地区纬向风的高度-时间剖面演变,阴影代表西风,白色区域代表东风。

QBO和ENSO有着一定程度正相关关系,有研究指出两者是通过全球平均角动量(AAM)联系,通常前者信号的垂直下传通过改变对流层高层的风场,而影响到ENSO的转变。如果仅从当前的QBO相位的状况看,这是会有利于拉尼娜事件的维持。

1.4 中高纬度各尺度西风变率概述

中高纬度西风波作用通量、涡动热通量等指标是反映西风带内扰动——包括超长波、定常扰动等低频分量,和长波等天气尺度分量,短波等瞬变扰动的重要指标。

由于对流层顶急流对短波的波阻作用,长波态势往往可以从平流层里很方便地得出。图22和23分别给出的是以150hPa层面为代表的平流层底层总涡动热通量和超长波(1-3波)热通量。注意到当前总体涡动热通量偏高,其中超长波扰动在波通量中分量也相对较大,表明未来一段时间内,总体扰动活动强,虽然定常扰动占有一定比例,但波长短、发展迅速的瞬变扰动稍占优势,可能存在频繁的长波更替和天气剧烈起伏过程;最后,考虑到中高纬低频振荡的准45-60d周期,欧亚大陆经向环流盛行期大体将在11月上旬末-下旬初展开,随后将在12月中旬出现,这些时段天气变化将较为剧烈。

图28 北半球150hPa层面(平流层中低层)上,45°N-75°N纬圈平均总涡动热通量

图29 同图28,但只考虑半球波数1-3的超长波分量

1.5其他重要因子简述

1.5.1 地球自转参数

自转也是地球相当重要的特征,而这一参量的变化也将对地球系统各成员产生显著影响。每日长度(LOD,LengthOf Day)是最常用的描述地球自转速度的指标,它的变化反映了固体地球-和表层流体圈层(大气圈,水圈)相互作用中的角动量交换,也存在着和这些圈层运动有关、周期不等的众多变率分量。

经过滤波去除周年变率与更长期年代际变率后,当前LOD已经较前几年显著下降,甚至在最近两个夏季达到了近20年最快,这表明当前固体地球自转角速度在近期明显加快;考虑到整个系统角动量守恒,这有利于众多低纬度地区信风偏强和海表西向流的增强,这样的大气圈与海洋的响应,在一定程度上支持了秋季以来的拉尼娜事件的显著发展,并可能导致其维持相对较长时间。

图30 LOD指数在2016年5月以来的演变

1.5.2太阳活动简述

最近的太阳表面已出现很多新的25周期黑子活动,这表明当前太阳活动已通过24周期-25周期交接的活动最低谷期,正式迎来第25周期。就目前各机构分析预测看,25周期和24周期类似,也是一个活动较弱的周期,但最近太阳表面活跃的活动表明,所谓几乎无活动的“蒙德尔极小期”并未出现,相关联的“小冰期”也没有有效、可信度较高的依据。

图31 对太阳活动24周期至当前25周期初的观测,和25周期预报

通常而言,太阳活动的辐射强迫对地面的影响滞后约2年为峰值,因此当前也可以用接近谷值期的状态作为一个潜在外强迫;以陆地表面气温与SST和太阳活动作为变量,可以看到太阳活动与ENSO/PDO出现了类似正相关的状况,因此单考虑太阳活动的准11a周期这一点,今年冬季将有类似PDO负位相状态的大气海表强迫信号出现。但需要注意,太阳活动准11a周期仅会造成太阳对地球大气总辐射量(太阳常数)约千分之一的变化,这对应全球平均温度约0.1-0.15℃的振幅,在季节尺度上,影响较前文分析的气候ENSO等变率弱很多。

图32 超前2年的太阳活动对地表气温/海温的回归,打点区域为通过0.1显著性检验区域

2 2021-2022秋冬季气候总体展望

2.1 深秋展望(2021年10-11月)

由于这一时段相对当前较近,可以结合动力学上低频尺度过程推导及季节尺度气候因子共同分析。

极地环流:近期内平流层低频信号和偏弱的高纬度涡动热通量有利于极地涡旋偏弱且偏南,这与下垫面热力条件上一致,但今年北极海冰偏少程度和环北极地区积雪偏多程度有限,因此短期内AO很难出线强负位相。综合考虑短期内动力过程的主导,这会使得近期内北极涛动(AO)略偏向负值,主极涡多呈现单极型状态倾向北美与格陵兰一侧,但仍有部分副中心影响西伯利亚等地。

中高纬度方面,由前文提到过北半球中纬度涡动热通量总体偏高且瞬变扰动占比较大,配合AO振荡中偏向负值的态势,可知短期内中高纬度区域经向活动强盛,除短期内的不稳定发展外,振幅较大的长波槽脊与更替也较为多见,此时考虑海表、陆表的下垫面影响,出现乌拉尔山西侧、阿留申群岛西部两大脊位和北美东岸-格陵兰与中西伯利亚-巴尔喀什湖长波槽分立的可能性更大。如果从中高纬度SSTA在大气的外强迫影响的准正压性结构,对应的长波态势应当为阿留申异常脊-阿拉斯加槽位-北美大陆脊位-北美东岸/格陵兰以南异常气旋(低涡偏强)-北欧/乌拉尔山西侧脊位-西西伯利亚/巴尔喀什湖槽位-中西伯利亚弱脊和远东-鄂霍茨克槽位。

不过注意,由于这一阶段瞬变扰动和长波扰动更替均较强,这代表着频繁的冷暖起伏,其中部分扰动出现显著发展时会导致寒潮等显著天气过程。此外,来自低纬度区域的海温强迫激发的波列对中纬度地区仍有明显影响,表现在中强拉尼娜事件与相应的热带印度洋-海洋性大陆区域-热带西太平洋活跃的对流,这将在下文提及。

副热带和热带区域:拉尼娜事件将在这一阶段里进一步发展,同时热带东印度洋的偏暖进一步衰减,TIOD负位相事件将彻底结束。此外,青藏高原积雪将在短期内稍有偏多。这将导致海洋性大陆地区和两侧东印度有-西太平洋总体对流活跃,激发出南海-西太平洋显著的气旋式环流异常。这会导致处在气旋式环流西北侧的华南到江南南部被异常东北风控制,气温有所偏低;但青藏高原积雪偏强和上游副热带急流瞬变扰动配合下,青藏高原东部-印缅地区有一个较浅的高度负异常,同时短波南支槽仍然活跃,这导致西南地区到江南还是有较

10月底-11月特征概括:

1. 气温态势:论整体状况,由于中亚-巴尔喀什湖附近长波槽与远东地区-中高纬度西北太平洋长波脊的发展,以及低纬度地区西北太平洋与南海显著气旋式环流发展和青藏高原东部积雪对南支槽的影响,这将出现西北地区西部(新疆、河西走廊等地)、青藏高原东部、华南沿海、和西南地区东部等地接近常年或有所偏冷;而东北地区则有较明显偏暖,其他地区则接近常年。

具体过程而言,由于此时亚洲中高纬度经向活动和槽脊活跃,总体冷空气活动频次较多且强度较强,大部分地区冷暖起伏显著;而华南地区气温则受菲律宾一带气旋式环流异常北侧的东北风明显,气温变率相对较弱,总体还是接近常年同期到略偏低。

2.降水态势:论总体状况,本阶段西北地区大部和东北地区受槽前抬升的影响降水偏多,而华南地区受东北风异常和阶段性副热带高压边缘控制而降水偏少,其余大部分地区总体接近常年。但要注意,由于存在活跃的南支短波槽影响,西南地区东部到江南一带还是有活跃的过程性降雨,但雨量不大。

2.2 冬季展望(2021年12月-2022年2月)

冬季趋势展望已进入季节尺度范畴,此时动力学上依靠初值和低频过程的推导已经很难进行有效分析,而需要基于行星尺度系统的演变和季节尺度内气候因子的影响推断。虽然只能得出平均状态且准确率有限,但仍是具有一定可预报性。

在极地方面,北极海冰异常偏少的热力场影响将在此时得到明显体现,考虑到今年极地核心区海冰密集度显著偏低,北极地区总体将出现明显的位势正异常且AO更容易偏负,同时极地涡旋容易演变成偶极型状态,主极涡偏向北美-格陵兰一侧,而北亚一侧因西伯利亚北部沿岸阻塞/极地高压倾向活跃,副极涡更容易南下至西伯利亚北部;同时,考虑到海冰的热力影响滞后,这一影响在冬季后期更为明显。

中高纬度方面,海冰状态与高纬度积雪决定了AO将主要偏向负位相状态,因此后冬北半球中高纬度西风带将转为较活跃的经向活动。而在具体区域方面,考虑到PDO显著负值和NPGO正位相下北太平洋全境有显著异常暖水,这对应鄂霍茨克海-阿留申群岛西部的异常强烈阻塞活动将会维持,并成为重要的频散源。此外,NAT/NAO的负位相将明显发展,同时巴伦支海-喀拉海海冰的偏少造成的热力影响将愈发突出。考虑上述状态,可以推测亚太地区将呈现乌拉尔山西侧异常脊-巴尔喀什湖/中西伯利亚异常槽-远东至阿留申地区的阻塞,这样的态势下对应我国将从西槽东脊状态逐渐转为西脊东槽,但较冬季前期稍有偏东,西北地区大部将逐渐转为脊位控制而转向偏暖,仍将受到频繁的冷空气影响,而东北则在异常脊控制下地有所偏暖,而华北和东北南部将受到更活跃的冷空气影响,气温将显著偏低。同时,NAT/NAO负位相状态将导致经向环流活跃的背景,存在显著长波调整过程,并进一步引发东亚地区较显著的寒潮过程和冷暖起伏;而此时如果配合SSW事件,形势将更为复杂。

副热带和热带区域:拉尼娜事件将在这一阶段里通过顶峰,加之热带印度洋进一步冷却,此时Walker环流上升支将东移,导致海洋性大陆东部和西北太平洋对流活跃与降水偏多并进一步增强当地的气旋式环流;加之PDO负位相发展下激发的副热带西北太平洋气旋环流异常的叠加,会在西太平洋近海形成一个跨越热带与副热带地区的“南北向拉长”的气旋换流异常,此时华南和江南南部更多处在西北太平洋气旋环流西北侧的东北风异常,降水偏少将更为显著;而相应地北传波列上,东北亚的反气旋异常将稍有利于长江以北到华北、东北一带降水,但偏多幅度有限。同时由于NAO负位相发展,槽位有所东移,会进一步不利于水汽向南方地区输送。

冬季形势概括:

1.气温方面:冬季全国总体将呈现较常年平均略偏冷的状态。在地域上,中东部从华北一直到华南沿海将出现较明显偏冷(东南沿海更明显),而东北北部、青藏高原中西部、云南高原将出现一定程度偏暖,西北地区中西部(河西和新疆等地)将接近常年,西南地区大部(云南除外)则略有偏冷。具体而言,这一阶段中高纬度西风带经向活动进一步增强,冷空气频数偏多的同时强度有所增强,让大部分地区总体有偏冷倾向的同时,冷暖起伏过程依然明显;而由于偏强的巴尔喀什湖-中西伯利亚槽,此时冷空气仍然以西北路和北路为主,西北地区大部仍然将有所偏冷,而东北地区则转为脊位控制并以偏暖为主。此外,由于西北太平洋气旋式环流增强,华南和江南南部地区有更强的东北风异常影响,气温将从冬季前期接近略偏冷转为进一步偏冷。

2.降水方面,随着拉尼娜事件发展到峰值且热带印度洋明显冷却,不利于热带地区水汽向我国南方大部分地区输送,因此南方大部分区域降水将偏少,以东南沿海最为显著;此外西北地区大部受到槽后偏北气流影响降水也较少。而华北、中原、东北等地降水将有所偏多,但幅度有限。在冬季后期,南方大部降水偏少幅度将更为显著。

值得注意的是,当前处在QBO东风位相下,这导致北极地区冬季平流层爆发型增温事件倾向偏多。如果发生SSW事件将显著改变一个阶段(一般时间为半个月到一个月)的环流与温度降水态势,这也是冬季展望的最显著不确定因子所在。

2.3 秋冬季重要天气过程分析与部分Q&A

Q1:全国总体会是什么样的冬季?冷空气活动如何?

A1:按先前分析,今冬特征可以概括为:全国总体气温为接近常年到偏冷。具体地区上,中东部从华北一直到华南沿海将出现较明显偏冷(其中东南沿海更明显),而东北北部、青藏高原大部、云南高原将出现一定程度偏暖,西北地区中西部(河西和新疆等地)将接近常年,西南地区大部(云南除外)则略有偏冷,其它地区则接近全国平均的略偏冷或接近常年; 具体阶段上,前期青藏高原东部、西北地区中西部偏冷明显,东北将明显偏暖,东南沿海前期接近常年同期或略偏冷,西南大部地区前期接近常年;而在后期,中东部大部(东北地区北部除外)有更明显的偏冷,西北地区西部(河西与新疆等地)、云南大部转为偏暖。这也在一定程度上不利于新型冠状病毒肺炎和各种冬季疫情的防控。

降水方面,西北地区、东北大部降水将有一定程度的降水偏多,但西北地区后期将逐渐转为偏少,而淮河以南大部降水会有明显偏少;其他地区则大体接近常年同期。而随着西北太平洋低空气旋式环流进一步发展,华南和江南南部地区降水在冬季后期偏少会更为显著。

而在冷空气方面,冷空气活动总体频数将在未来数月总体偏多,前期主要以西北路和北路为主,对西北、华北一直到江南南部一带影响较大;而后期强度将进一步增强,同时路径也将转向北路和东北路为主,对东北、华北和东部沿海地区影响增强,但对西北和青藏高原东部影响减弱。

另外需要强调一点:“冷冬”、“总体气温偏低”等用词,是从季节平均角度而言,这和冬季内短期寒潮活跃造成的极寒,或者冷空气平静期的短时偏暖并不矛盾。

Q2:这个冬季会出现大范围持续性低温雨雪过程么?

A2:出现天气过程的大范围低温雨雪的概率很大,但出现2008年1月的极端持续低温雨雪灾害的可能性很低。

从季节平均角度考虑,由于今年NAO负位相下的副热带急流波列不利于印缅槽偏强,同时菲律宾周边将在拉尼娜事件发展+PDO负位相下出现一个偏强偏宽的气旋式环流并将持续增强,南方大部将被该气旋环流西北侧的东北风异常直接控制,不利于水汽输送。因而今年总体而言,南方大部降水将偏少,也不存在长期持续性雨雪灾害的条件。

但如果从天气尺度过程看,由于今年存在显著活跃的经向活动与长波发展更替,即对应频繁的冷暖空气活动,这样在短期天气过程上,是有可能出现显著的冷暖交汇和大范围雨雪过程,强度也可能因为冷暖空气强度均有偏强而较强,但通常只会持续数日——要出现2008年1月那样的持续性雨雪灾害必然需要低频遥相关异常的支持,但今年的环流形势并不支持这一点。从月的时间范畴看,这个冬季全国大部可能的降水集中和偏多期主要在12月-1月前半月的冬季中前期;在冬季后期,拉尼娜事件减弱并导致Walker环流上升支稍有东移后,热带地区对流与降水集中在西北太平洋一侧,此时副热带高压也明显减弱东退,不利于水汽输送向我国。

所以总体而言,今年是极难出现大范围雨雪冰冻灾情,但短时天气过程的大范围降雪还是很可能发生,部分地区也会出现短时较强降雪或冻雨等,仍需要注意防范。

Q3:这个冬季雾霾是否依然严重?

A3: 作为气候分析,这里只能分析总体的污染物扩散条件。根据前面的冷空气活动分析,在深秋和冬季冷空气活动频数较多,其中深秋和冬季前期路径总体以西北路与北路为主,因而深秋冬季前期西北、华北北部与东北地区污染物扩散条件将总体略偏好,但由于存在明显的阶段过程,长江以北仍然会有扩散条件差+湿度较大所造成的严重污染过程;冬季(尤其后期)冷空气在频率仍然较活跃的同时强度增强,大部分地区扩散条件转好,但冷东北地区被暖脊控制后冷空气频率下降,这里的扩散条件也将转差。

当然,近些年我国的空气污染治理已经取得一定的成果,但这绝非一日之功,仍需要坚持。

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