东亚冬季气候与北极下垫面温度变化的关联

The global climate is clearly warming in recent decades. And the polar and high-latitude surface temperature increased very significantly. The temperature variation of the Arctic underlying surface impacts on the general circulations and climate not only over its location,but also over other regions by teleconnection,thermal exchange,and dynamical transport and so on, which has obviously impacted on the East Asian climate. The NCEP/NCAR or other reanalysis data, GISS/NASA or HadCRUTS surface temperature data,the CMIP5 simulation results of history and the observations over China will be used in the study. The impacts of the underlying surface temperature variaton over the Arctic on the interannual and interdecadal variation and spatial distribution features, the winter Siberian high, Aleutian low and Eurasian blockings, the temperature gradient and teleconnection variations which are associated with the East Asian winter climate, the paths and mechanisms influencing on the East Asian winter climate will be studied using a variety of statistical methods, thermodynamic, dynamic, energy balance calculations, and theoretical analyses. Then, the early signals impacting on the East Asian winter climate will be picked up, the possibility to use the signals in short-term climate prediction will be explored and investigated.

近几十年全球气候明显变暖，极地和高纬度地区下垫面升温显著。北极下垫面温度变化不仅直接影响本地区的大气环流和气候状态，还会通过遥相关、热交换和动力输送等方式对其它地区的环流和气候产生影响，其中对东亚气候就有明显的影响。本项目将利用NCEP/NCAR等再分析、GISS/NASA或HadCRUTS表面温度、CMIP5历史模拟结果和中国站点观测等资料,借助多种统计方法，并结合热力、动力和能量收支等计算，进一步分析北极下垫面温度变化的年际和年代际变化特征；研究其与冬季西伯利亚高压、阿留申低压、和欧亚阻塞高压等大气活动中心的关联；探讨高、低纬温度变化幅度不一致引起的温度梯度、北半球主要遥相关型（与东亚气候有关的）的变化；揭示北极下垫面温度变化影响东亚冬季气候的途径和机理；提取影响东亚冬季气候变化的年际和年代际前兆信号，并探索短期气候预测应用这些信号的可能性。

在全球气候变暖的背景下，极地下垫面温度变化幅度大、变暖倾向比其它纬度更明显，即在北半球，北极具有更多的异常能量对其它地区的天气气候产生影响。对北极变化及其天气气候影响的探讨和研究，中国与国际上一些国家相比还有一定的差距。依据国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006～2020年）》，国家自然科学基金 “十二五”发展规划和气象部门“四项研究计划”要求建立了此项目。本项目主要在下面几个方面取得了进展：1）冬季巴伦支海、喀拉海（关键区）近地面温度异常与中国东部气温异常在年际尺度上呈现显著的负相关关系。其中 12 月和 2 月中国东部大部分地区气温分别与 11 月和 1 月气温指数存在显著的负相关关系，即 11 月和 1 月关键区近地面温度可以分别作为 12月和 2 月中国东部气温变化的一个重要的预报因子。2）2008年初，La Nina事件处于成熟位相，赤道西太平洋海温异常偏暖，菲律宾附近有异常气旋，有利于EAWM加强和向南爆发，即发生在2008年4th–9th侯中高纬度和低纬度的异常环流分别是由北极变暖和La Nina事件导致的。2016年初，赤道西太平洋海温变冷，伴随El Nino的成熟位相，菲律宾附近出现反气旋，中国南方出现偏南风，将暖空气向北输送，减弱了EAWM，即菲律宾反气旋阻止了北极变暖引起的冷空气进一步向南输送，导致2016年初的冷事件主要发生在淮河以北和东北地区。3）运用准地转模式，通过等值投影方法，将等值线转换为向量场结构，在波流相互作用下，平均纬向风速U与基波波幅A满足分岔条件时，会出现西风带断裂现象，有利于北极冷空气的跨纬度输送。另外，多尺度变换和摄动法将北极与中高纬温度的非绝热加热正压模式简化为带有扰动项的非线性Shrӧdinger方程，并采用孤立子直接微扰理论研究表明：北极变暖，有利于阻塞形势的发展，使之强度更强、经向结构更深，极地冷空气更容易向南输送，引发欧亚中纬度甚至更低纬度区域性低温冷事件。