2019-2020秋冬氣候展望
1. 季節尺度氣候因子-低頻信號分析
1. 季節尺度氣候因子-低頻振蕩信號分析
1.1海洋信號
1.2冰雪圈
1.3平流層簡述
1.4中高緯度各尺度西風變率概述
1.5 其他重要氣候因子與低頻振蕩信號概述
2. 2019-20秋冬季氣候展望總論
2.1 深秋-前冬氣候展望
2.2 後冬氣候展望
2.3 冬季重要氣象過程分析與部分Q&A
1.1 海洋信號
1.1.1 熱帶太平洋：厄爾尼諾-南方濤動（ENSO）
自2018年秋季起，赤道中東太平洋地區出現了顯著增暖，並演變出了一次增暖中心持續穩定在中太平洋區域的厄爾尼諾事件。雖然本次事件的ONI峰值僅為+0.9，屬於一次弱厄爾尼諾事件，但與絕大多數厄爾尼諾事件在冬季達到頂峰不同，本次事件在春季仍然延續，直到初夏起南美沿岸與東太平洋冷舌區顯著變冷，整個事件最終在夏末才明顯衰減而結束，可以說是有很明顯的反鎖相特徵。
當然這樣的特殊反鎖相演變，很可能和時間頻譜上的ENSO低頻變率分量有關。通常而言，ENSO的顯著周期在準2-7a的範疇中，其中2a左右是一個顯著峰值，對應著一個時長各約一周年的厄爾尼諾/拉尼娜位相，之間轉換速度極快；而2a以上也存在較顯著的變率，這些便對應著演變速率明顯偏慢且持續較久的事件，包括歷史上的多峰型事件也很可能對應於此。此外，雖然當前赤道太平洋總體維持中性，但具體的空間型上，仍然可以看出東太平洋和南美沿岸的偏冷與日界線附近中太平洋的明顯偏暖。
圖1 2019年9月全球海表溫度距平（SSTA）
而在赤道太平洋次表層剖面上，可以看到當前赤道東太平洋則為一個暖異常中心，這與前期赤道西風爆發的風應力下傳激發的暖性（Downwelling）Kelvin波有關。具體而言考慮到Kelvin波的東傳速度，赤道東太平洋的“前鋒”部分將在1-2個月後到達東邊界（南美沿岸），日界線附近主體也將緊接著東傳至此；這將使得赤道東太平洋和南美沿岸的溫躍層顯著加深並抑製當地表層之下冷水上湧過程，這一點將導致當地海表溫度將有一定增暖。不過也可以注意到，這一暖性Kelvin波的振幅和對應暖水範圍有限，這也是當前熱帶太平洋緯向異常風較弱所致，而這樣的短期風應力激發的波動也很難在根本上造成持續洋盆尺度的增暖。
圖2 最近赤道太平洋垂直剖面海溫與其距平
圖3 近兩年候平均表層緯向風、SST和20℃等溫線異常演變。資料來源：TAO
與此同時，赤道太平洋地區大氣響應並不是明顯。以全球200hPa速度勢和反映對流活動的向外長波異塵餘生（OLR）距平看，全球當前主要的準定常波為2波型，但無一和ENSO相關——最顯著的當屬與極強熱帶印度洋偶極（TIOD）正位相事件有關的跨熱帶印度洋偶極準定常波，而其次是和北太平洋赤道外區域的太平洋經向型（PMM）引發的環流圈異常，並對應夏威夷南側與西側洋區對流明顯活躍與顯著的跨赤道不對稱型。
不過，這些赤道太平洋鄰區的季節尺度過程，也會對赤道太平洋產生一定影響。PMM海溫型也與赤道中太平洋海溫相關，它也引發了當前日界線附近準定常上升支與對流活躍，對當前赤道太平洋以中太平洋區域為增暖與上升運動中心特徵的形成有一定影響。此外，自今年夏季以來，雖然厄爾尼諾事件已經明顯減弱，但由於日界線附近的赤道中太平洋增暖與夏威夷南側的大片海溫暖異常仍在維持，這使得準定常波對應的日界線西側赤道西風仍在穩定持續，並伴有一定的WWB活動。而在熱帶印度洋方面，雖然過往認為熱帶印度洋變率往往在秋冬季是受太平洋ENSO調控，但在當前熱帶印度洋TIOD事件極強而赤道太平洋無明顯異常的情形下，熱帶印度洋可以“成功翻身”對熱帶太平洋產生較明顯調控，如熱帶東印度洋-海洋性大陸地區的冷海溫異常與下沉支，可以在赤道西太平洋激發出西風異常，並通過印太間Walker環流，加強當前日界線附近的上升支，這也是會使得赤道中東太平洋總體增暖與厄爾尼諾事件發展的傾向。不過有一點值得指出，由於TIOD存在顯著的季節鎖相特徵，將在11-12月快速衰減，它對熱帶太平洋的影響也將在年底快速減弱甚至消失，因而對於冬季後期，ENSO的信號更加混沌。
但總體而言，當前熱帶太平洋內部仍沒有明顯持續而顯著的大範圍海氣異常響應，且現有準定常波的影響較弱，而主要為一些“相對較高頻”的氣象尺度波動，或MJO等低頻信號引起的風應力和海洋次表層動力過程，這些信號難以持續發展成影響時間與空間尺度都較大的顯著信號。雖然有相鄰區域的影響，但這些過程的影響也很有限；除非後續的響應有所發展，否則今年秋冬季，熱帶太平洋仍很難發展出顯著的ENSO事件，仍然以維持中性狀態為主。
圖4 2019年9-10月OLR距平（填色,部門:W/m²）和200hPa速度勢距平（等值線,部門:10^6m²/s)
圖5 2019年10月全球10°S-10°N區域垂直速度距平（填色）與緯圈環流異常（矢量）
圖6 過去三個月以來850hPa風場變率特徵及其分量標注
除了熱帶區域的海氣相互作用，熱帶外的外強迫因子和海洋-大氣相互作用也對ENSO事件起到了關鍵的作用。除了前文已經提及的PMM事件外，在東南太平洋方面，注意到南太平洋濤動（SPO）為顯著負位相，對應當前東南太平洋中緯度地區的異常反氣旋，使得北側低緯度信風有所增強，通過平流作用和WES機制將導致東南太平洋區域SSTA偏低且秘魯寒流相對偏強，這一項將阻礙厄爾尼諾事件的發展；同時，在當前的南極海冰空間分布上，雖然當前南極海冰面積仍然是較氣候態略有偏小，但在模態上呈現出SIO負位相態勢，即羅斯海外海偏少而南極半島-德雷克海峽一帶海冰偏多，而ENSO與後者冰量關係最為密切——當前的狀態將使得南極繞極流主軸偏北，也更容易向北側南美西海岸分流，從而在動力上加強秘魯寒流。這一點將在一定程度上影響赤道中東太平洋海溫分布，並導致南美沿岸仍維持冷和東太平洋地區海溫增暖較弱，也將影響到厄爾尼諾事件的空間型分布。
綜上各因子分析，可以得出：今年秋冬季熱帶太平洋區域海表與大氣異常不明顯。具體而言，在海洋動力過程上赤道太平洋溫躍層弱的暖性K波東傳至東邊界附近，大氣方面日界線附近弱赤道西風異常，鄰區極強TIOD正位相事件與PMM暖位相的作用（上述均有利於增暖），以及南美西海岸偏強的秘魯寒流（本條有利於偏冷）共同作用下，未來數月赤道中東太平洋總體仍將趨向略微增暖，但仍然很難或勉強觸及厄爾尼諾事件閾值，總體為中性略偏暖狀態；隨後，在後冬，由於TIOD事件快速衰減，有利於增暖的條件將被明顯削弱，此時赤道中東太平洋可能無明顯變化或有所冷卻，但依舊維持在中性狀態。
雖然赤道太平洋總體的海溫信號不顯著，但在具體的空間型上，日界線附近的中太平洋顯著偏暖，東太平洋和南美沿岸增暖不明顯甚至偏冷的空間型仍將維持，且隨著總體海溫距平的變化有一定對應的變率。日界線附近的暖水也將激發一定深對流活躍的響應，而到了秋冬季配合對流層中高層的背景西風氣流，深對流的潛熱加熱異常激發的球面Rossby波能向熱帶外傳播，並形成顯著的遙相關型。考慮到未來潛熱加熱集中在日界線和西側附近（相對厄爾尼諾事件平均態略偏西），且受到PMM事件影響中太平洋洋區暖水區北界也明顯偏北，異常對流活動也將有所偏北，激發的對流層中高層類PNA波列位相也將有所西移且偏北（更接近極區），這將導致阿留申一帶異常反氣旋進一步偏強但有所東移至阿拉斯加灣一帶；同時，對流層低空一支西北傳Rossby波波列也將對應偏西偏北，此時熱帶氣旋環流位於對流加熱區西北側的熱帶西太平洋一帶，而反氣旋位於日本以南一帶洋區，這樣在冬季，中東部總體還會轉為降水總體偏多，但主要降水偏多區域有所北移，相比去年的強度也有所下降，“流浪太陽”模式也很難再現。
1.1.2 北太平洋模態：PDO&NPGO
以20°N以北的北太平洋海區變率進行經驗正交函數（EOF）分解，PDO是傳統的北太平洋SST-EOF1模態，而它的年代際變率更為人所熟知；而在20世紀90年代起，NPGO這一EOF2模態逐漸顯著，在近些年的解釋方差率甚至和PDO可以抗衡，這一轉變可能和與中緯度海區海氣相互作用造成的內部變率有關，也可能和ENSO空間型轉變下，所激發的熱帶外強迫影響的位相發生變化的影響。
圖7 1901-2000年12-2月全球海溫對PDO指數的回歸
圖8 同圖7，但為對NPGO指數回歸
根據近期的研究認為，1998前後開始的PDO負位相期已經於2014年結束，當前重新轉為正位相年代際時期；而也在2014年起，中高緯度北太平洋SSTA的年際變率雖然仍然受熱帶外強迫（如ENSO）的調製，但顯然也出現了內部變率主導的獨立發展的特徵，最顯著的特徵便是PDO從2014年初維持正位相至今年夏季（期間多次刷新同期最高），甚至可能通過副熱帶-熱帶間作用影響調製了隨後多次ENSO事件的演變；但從近期看，北太平洋暖流區SSTA顯著上升，加之阿留申地區異常反氣旋（阻塞）頻率逐漸升高，這宣告了PDO的類負位相傾向再度發展，這也在10月的PDO指數（NCDC：-0.83）得到了一定印證。而當前除了一定的PDO負位相傾向外，注意到阿拉斯加灣也有顯著偏暖的同時，夏威夷北側附近洋區稍有偏冷，這與NPGO正位也相當接近，可能和日界線西側的對流加熱強迫有關。因而在近期內，可以考慮北太平洋中高緯度海溫模態為PDO負位相+NPGO正位相的疊加型，即整個北太平洋偏暖而副熱帶區域稍有偏冷。而在較長時間分析中，需要考慮熱帶外強迫的影響；考慮到熱帶太平洋地區一次弱厄爾尼諾事件發展，未來異常上升支更可能位於日界線附近，當地異常的深對流潛熱加熱的強迫將導致出現相對偏西的類PNA響應波列，這所加的大氣強迫將導致NPGO正位相態勢進一步發展。
在這樣的北太平洋中高緯度海洋-大氣響應下，再考慮到當前白令海峽北側附近的北冰洋太平洋扇區海冰密集度依然異常偏低，這將導致隨後數月阿留申群島-白令海峽一帶一個準駐波型的異常反氣旋形成，而當地氣象尺度阻高的活動頻率和強度也將顯著偏強，也將對應一個相對偏西的東亞大槽和北美中西部異常槽，但對東亞地區寒潮活動而言，這樣的阻塞位置還是有所偏東；且由於極鋒急流偏北偏強，東亞大槽南擺程度也將受限。與此同時，這樣的海溫模態，也會導致北太平洋鋒區顯著偏南，不穩定瞬變擾動會集中在副熱帶急流波導區。
1.1.3 熱帶印度洋
作為亞澳季風區內的重要熱帶洋區，雖然熱帶印度洋在冬季對東亞地區的影響遠小於夏季，但仍可以通過對流活動相關的潛熱加熱異常，影響到熱帶外地區的環流。
由於2018年秋季的弱厄爾尼諾事件的反鎖相特徵（持續到夏初），熱帶印度洋的滯後電容器效應也相應延後，使得熱帶印度洋全域的增暖（IOBW正位相事件）持續到了夏秋季至今。不過，由於當前熱帶太平洋方面的ENSO事件及相應的大氣響應不明顯，這導致當前印太地區Walker環流異常響應和熱帶印度洋地區的海表增暖響應均不明顯，印度洋一致模態（IOBW）模態在秋冬季前期仍接近中性略偏暖——不過在熱帶印度洋另一重要模態：熱帶印度洋偶極子（TIOD）的後續影響下，整個赤道印度洋對流層低層仍然有明顯的東風異常，這可能導致全區隨後的一定程度增暖。
圖9 近24個月IOBW指數序列。來源：國家氣候中心（NCC）
相比IOBW模態，今年熱帶印度洋偶極模（TIOD）的正位相事件則成為了熱帶印度洋海溫模態絕對的主導，甚至在熱帶太平洋ENSO事件等信號不明顯的情況下，成為了當前全球熱帶海區最顯著的季節變率，一躍成為本次展望需要特別關注的內容。表現在夏末開始在熱帶東南印度洋（印尼蘇門答臘西海岸）的海溫異常偏低發展與沿岸異常東南離岸風的發展的正反饋，並已經顯著地激發赤道印度洋低空的異常東風發展和東非沿岸附近的增暖，甚至在10月打破了歷史同期TIOD極值記錄。考慮到TIOD的季節鎖相特徵，預計TIOD正位相事件將在近期開始緩慢下降，但它的影響仍然將貫穿整個深秋和前冬。
圖10 熱帶印度洋偶極（TIOD）正位相（左）、負位相（右）示意圖。圖片來源：JAMSTEC
圖11 近4年來熱帶印度洋偶極（TIOD）周平均指數。
這樣的TIOD狀態已經對東亞地區氣候造成明顯影響。最顯著的體現在其激發的赤道印度洋東風異常，其引發的負渦度切變激發了孟加拉灣到中南半島一帶顯著反氣旋式環流異常發展，使得輸送向西南地區的水汽通量有所增大，在中緯度地區環流配合下，使得西南和西北地區東部等地秋季降水偏多；而與此同時，這也導致了反氣旋東北側的東南部沿海地區偏北風增強，且在當前熱帶太平洋類中部型海溫型所對應的呂宋島東北側氣旋式環流配合下，出現在東南部地區偏北風異常更加增強，且疊加有區域下沉氣流，這使得TIOD事件也成為了東南部沿海地區降水嚴重偏少的重要成因之一。
對未來秋冬季氣候而言，由於TIOD的鎖相特徵，本次正位相TIOD事件將在當前至冬季快速減弱，但由於本次事件的強度極強，影響仍將在深秋到初冬持續，而前文所提及的孟加拉灣-中南半島反氣旋異常，也將在這一階段維持，很可能使得我國東南部沿海區域降水仍然明顯偏少，但由於這一響應的減弱，乾旱程度應有所緩和。而隨後，TIOD事件已經明顯減弱，但其激發的赤道印度洋東風異常，容易導致後續熱帶印度洋全區域的增暖（IOBW正位相事件的發生）；且由於氣候態上冬季風的完全建立與副熱帶急流與副高的南退，此時其能激發的響應與傳播路徑也有所偏南。在這一情形下，南支更容易出現阿拉伯海脊與高原-印緬異常槽的形態，此時有利於中東部大部降水偏多（尤其長江以南大部）。
除此之外，TIOD事件對應的海溫異常，本身也會成為一個區域性強迫源，激發出對熱帶外亞洲大陸區域的影響，且這一熱帶外響應能維持較久。從8-11月TIOD事件對後期12-2月300hPa高度場的回歸分析看，雖然主要的響應仍然體現在ENSO在太平洋-北美區的響應（通常認為TIOD事件與ENSO密切相關），但可以認為在熱帶印度洋起源、跨過亞洲大陸的類似大圓路徑的波列響應仍然與TIOD活動有關。如果考慮這一點，當前的TIOD事件將有利於冬季（尤其後期）青藏高原異常槽和烏拉爾山長波脊的形成或增強。
1.1.4 大西洋
熱帶大西洋方面，類似赤道太平洋著名的厄爾尼諾狀態，赤道東大西洋冷舌區也存在信風松弛和海溫異常上升的狀態，稱為“大西洋Nino型”。只不過由於大西洋洋盆尺度小，整體Bjerknes反饋不如太平洋明顯，大西洋Nino型的振幅也有限；同時，這是赤道大西洋全域的SSTA同步變化，而非太平洋ENSO的緯向偶極子型。
在過去的一段時間內，熱帶大西洋東岸的西非地區出現顯著的深對流活躍與異常上升運動，導致赤道大西洋西風異常發展，赤道大西洋出現了SSTA顯著上升的局面。而它將通過橫跨中美洲地峽的Walker環流圈，促進東太平洋方面下沉支加強，在短期內對不利於赤道中東太平洋增暖，尤其甚至會導致南美沿岸附近的冷卻。此外，熱帶大西洋與西非地區活躍的對流活動也會激發出相關波列，從而影響到歐亞地區環流。
北大西洋方面，北大西洋三極子（NAT）是北大西洋地區重要的季節-年際尺度的海溫變率，是中高緯度海洋-大氣相互作用機制下，與大氣內北大西洋濤動（NAO）形成的海氣聯合模態。
圖12 北大西洋三極子（NAT）標準模態
自去年春夏季的破紀錄級別正NAT位相事件之後，NAT指數總體緩慢下降，但仍然維持在正位相狀態至今，表現為副熱帶海區、中緯度（尤其接近北美沿岸區域）、副極地區域的“+-+”型異常，並對應大氣狀態下的NAO總體趨向正位相，而進入秋冬季後，中高緯度海洋-大氣間的WES機制正反饋將再度顯著；同時，由於當前熱帶大西洋東部西非地區的異常對流活動的潛熱加熱，也激發出向北傳播的Rossby波波列，加強了中緯度反氣旋和高緯度氣旋環流異常，使得NAT正位相狀態有了進一步發展。在這樣的情形下，海洋鋒區明顯偏北偏強，也有利於大氣鋒區斜壓性偏強，瞬變擾動將更加活躍；同時在NAO總體趨向正位相的背景下，冬季向下遊激發的低頻遙相關波列，在極鋒急流一支更傾向於北歐異常脊-中西伯利亞槽-貝加爾湖東側異常脊的態勢，而在副熱帶急流波導區更傾向於地中海東岸槽-阿拉伯海脊-偏強的印緬槽，配合偏強偏西的副熱帶高壓，這將有利於南方眾多地區降水偏多。不過，隨著厄爾尼諾事件的發展，其向北大西洋中高緯度的遙相關影響，可能使得NAO正位相狀態在冬季後期傾向有所減弱，此時北大西洋地區經向活動將有所增強並影響到下遊歐亞地區環流態勢。
1.2.冰雪圈
1.2.1 北極海冰&北極濤動態勢
今年春夏季早期，隨著北極濤動的持續負值狀態與極區大部的偏暖，北極海冰面積一直處在破歷史同期極低值狀態，但進入盛夏後，海冰融化速率終於放緩。至今年9月18日，北極海冰覆蓋面積達到年內極小值415.3萬km²，為觀測史以來第二低值，僅高於2012年同期；但特別值得注意的是，由於極地區域異常暖性反氣旋的活躍，在進入秋分起的海冰面積恢復期後，海冰增長速率仍然大幅偏慢，導致當前海冰面積已經大幅刷新歷史同期新低。而就長期氣候趨勢看，這一特徵很可能是極地增暖放大效應的深化——不僅僅體現在北極氣溫較全球平均更嚴重的增暖與空間上夏季海冰面積的銳減，近些年更體現在時間上，秋季海冰恢復期更為緩慢地增長，這也是極地氣候更嚴峻的挑戰之一。
而在空間型分布上，今年海冰密集度距平的顯著的特徵是環繞極點的偶極子態勢——自波弗特海東部，經過加拿大北極群島和弗拉姆海峽，到斯瓦爾巴群島的北美東部-北歐片區，海冰密集度總體接近常年甚至偏大；而在另一側，自斯瓦爾巴群島和西伯利亞沿岸，直到白令海峽北側的太平洋扇區，海冰密集度都出現了顯著偏小，其中以喀拉海到泰梅爾半島近海，海冰密集度偏少尤為明顯。這樣海冰模態成因，與盛夏極地顯著的對流層中低空環流異常有關——以Wave2型分布的環流響應，其中地面異常高壓中心分別在格陵蘭島北部和東西伯利亞海，這使得波弗特海環流顯著偏弱，而自西伯利亞指向弗拉姆海峽的穿極漂流大幅增強，這樣在動力學上，導致了加拿大北極群島到斯瓦爾巴群島一帶海冰密集度的偏大，和喀拉海-西伯利亞沿岸至波弗特海海冰的偏少，而作為前期重要的下墊面條件，它影響到了當前極地大氣環流形勢，使得最近極地環流盛行Wave1型（極渦單極偏向北美一側）。這一正反饋過程強化了這一海冰空間型分布，也將深刻影響隨後秋冬季極地環流。
圖13 2019年9月北極地區海冰密集度距平。圖片來源：NSIDC
北極海冰當前的異常空間分布，對極地和高緯度地區熱力場影響明顯。首先主極渦將偏向北美一側，而西伯利亞沿岸的北冰洋陸緣海將多出現異常極地反氣旋/阻塞活動，此時北亞一側副極渦將更多南下到西伯利亞北部；此外，巴倫支海-喀拉海一側的海冰偏少，同樣將使得向上感熱通量顯著增大，導致這一帶高緯阻塞和極地暖性反氣旋偏活躍且更傾向於定常狀態。
如果初步定量考慮到秋季海冰對冬季全國氣溫的影響，在1980-2018年9-10月北極海冰密集度與次年12-2月東亞地區地表氣溫的SVD分析上（前三模態總共解釋90%以上方差），可以看到二者的第一模態分別對應青藏高原與全國其他大部分地區氣溫的負相關型，與海冰異常上新地島到太平洋扇區一致減少模態，這一聯合模態能部分解釋過去一段時間線性趨勢的；而第二模態則是全區氣溫一致模態和新地島-太平洋扇區偶極型；第三模態則是氣溫上，東亞區域的西南-東北向偶極型，聯合海冰模態上泰梅爾半島附近集中偏少型。而今年9-10月極地海冰模態更類似SVD第三模態表現型，就此結果考慮，可以認為，僅考慮今年秋季極地海冰的影響這一點，將更容易使得冬季氣溫呈現東北地區偏高，而中西部到長江以南大部偏低的格局。當然，這只是其中一項氣候因子的影響。
圖14 1980-2018年，東亞地區12-2月氣溫與前期9-10月北極地區海冰密集度的SVD分析結果
1.2.2 北半球積雪態勢
在過去一段時間的環流態勢影響下，過去一個月北半球總體出現了環北極的高緯度地區降雪總體偏多的狀態，其中以北歐、東西伯利亞和北美西北部最為明顯，而青藏高原呈現了西部偏少而東部偏多的狀態。
圖15 2019年10月最後一周，全球陸地冰雪距平。其中藍色為偏多區域，紅色為偏少區域。圖片來源：RUTGERS Global Snow Lab
總體而看，今冬積雪強迫和大氣異常響應是接近同相；而青藏高原東部積雪在近期的偏多，一是導致偏強的印緬南支槽形成，此時中東部地區位於異常槽前正渦度平流區，配合偏強的西太平洋副高，導致中東部大部，尤其南方地區降水偏多，二是增強副熱帶急流，這一波導區更容易導致北大西洋異常活動中心的長波頻散傳播，也將加強印緬槽強度。但這樣的大氣響應維持較久後，青藏高原因長期處在槽後，當地積雪將逐漸在後期減少。
圖16 同圖14，但為10-11月積雪覆蓋率（右）與隨後12-2月500hPa高度場的SVD分析
1.2.3 南極海冰
自2016年急劇轉入偏低狀態後，南極地區總體海冰覆蓋面積便長期處在低於氣候平均的狀態，這與21世紀初以來的持續增長趨勢大相徑庭；但在今年，海冰覆蓋面積的偏小幅度有了明顯縮小。
圖17 同圖13，但為2019年10月南極海冰距平
對於南極海冰而言，除了總體一致模態外，南極海冰濤動（SIO）是另一個重要模態，它反映了羅斯海-南極半島附近的海冰的偶極型態勢。當前正處於羅斯海面積偏小-南極半島附近稍偏大的負位相狀態，結合前文的分析，這也將導致南極繞極流主軸偏北且分流較多，有利於秘魯寒流偏強與東南太平洋異常冷水發展，將在一定程度上阻礙厄爾尼諾事件發展，並使得南美沿岸和東太平洋地區增暖較弱。
圖18 南極海冰濤動（SIO）的空間模態
1.3.平流層
1.3.1 南極平流層態勢
在過去的極夜期，南極平流層的Rossby波活動和渦動熱交換較往年明顯偏強，甚至在9月出現了一次顯著的平流層爆發性增溫（Stratospheric Sudden Warming, SSW）事件，並導致南極平流層極渦提早減弱，和位勢高度與溫度偏高狀態，使得臭氧層空洞在年際尺度上明顯偏小。這樣的SSW事件而考慮到平流層信號在低頻尺度上的緩慢下傳，這一低頻尺度上位勢高度與溫度異常偏高的強烈平流層信號下傳，會對應對流層層面南極濤動在今年北半球秋冬季長期維持負相位態勢為主。
圖19 南極平流層-對流層緯圈平均溫度的高度-時間剖面。資料來源：CPC
1.3.2 北極平流層態勢
(1)平流層總體傾向
當前北極極區平流層出現了位勢高度負異常和對應的極區冷異常，這對應的正是一個平流層AO正位相信號的下傳；而考慮到冰雪圈下墊面的影響，秋冬季AO負位相狀態的概率已經是較高，這一動力因子將在一定程度上限制近期AO負位相的發展，但在後期下墊面熱力作用仍然較明顯。
圖20 同圖19，但為北極地區形勢
(2)北極SSW態勢
一般而言，北極地區SSW集中爆發於1-3月，強SSW事件很少早於12月產生，因此本文將無法展望具體SSW事件，但是可以從氣候背景角度考慮北極SSW事件趨勢。
極夜期SSW事件頻數和強度和QBO相位有關，這和中緯度行星波的經向傳遞有關；以目前形勢來看，QBO正處於西風位相衰減期，赤道地區仍有R波波導區域存在，這導致中緯度行星波偏向赤道方向傳播而不利於高緯度地區SSW事件形成，可以預見今年北極SSW活動將較常年頻率偏少且強度偏弱；但考慮到QBO西方位相正處在衰減過程，冬季後期SSW活動頻率可能會較高。再考慮到今年冬季AO偏向負值的概率高且瞬變擾動活躍，一旦出現後冬SSW的配合，將容易引發顯著的長波調整並成為階段性重大環流轉折的引發點。
作為一類氣象尺度事件，要在當前確定今年主要的SSW爆發區域也是較難；不過考慮到R波上傳通常和穩定長波聯繫，因此結合秋冬潛在的長波分布，SSW爆發地點在阿留申-阿拉斯加西部一帶概率最高，其次是格陵蘭以東到北歐一帶。
1.3.3 QBO：迷失的鍾擺
當前正處在一次QBO西風事件末期。雖然注意到平流層中上層QSO已經開始出現顯著的東風衰減甚至轉西風異常的情形，但可以肯定今年冬季仍然是處在QBO東風位相影響下。
圖21 2019年赤道地區緯向風的高度-時間剖面演變
QBO和ENSO有著較為詭異的正相關關係，兩者通過全球平均角動量（AAM）聯繫，通常前者信號的鉛直下傳通過改變GWO而影響到ENSO的轉變，而ENSO的相位異常通過改變表層洋流與低緯地區環流狀況影響到GWO。如果僅從當前的QBO相位的狀況與GWO響應程度看，這是會稍有利於赤道中東太平洋增暖。
1.4 中高緯度各尺度西風變率概述
中高緯度西風波作用通量、渦動熱通量等指標是反映西風帶內擾動——包括超長波、定常擾動等低頻分量，和長波等氣象尺度分量，短波等瞬變擾動的重要指標。
由於對流層頂急流對短波的波阻作用，長波態勢往往可以從平流層裡很方便地得出。注意到當前超長波擾動在波通量中分量較高，表明未來一段時間定常擾動較為顯著，波長短的瞬變擾動分量稍低；最後，考慮到中高緯低頻振蕩的準45-60d周期，下一個經向環流盛行期大體將在11月中旬-12月初展開，隨後將在12月下旬出現。
圖22 北半球50hPa層面上，45°N-75°N緯圈平均總熱通量
圖23 同圖22，但隻考慮半球波數1-3的超長波分量
1.5 其他重要因子簡述
1.5.1 地球自轉參數
自轉也是地球相當重要的特徵，而這一參量的變化也將對地球系統各成員產生顯著影響。每日長度（LOD，Length Of Day）是最常用的描述地球自轉速度的指標，它的變化反映了固體地球-和表層流體圈層（大氣圈，水圈）相互作用中的角動量交換，也存在著和這些圈層運動有關、周期不等的眾多變率。
經過濾波去除周年變率與更長期年代際變率後，當前LOD已經較前幾年顯著下降，表明當前固體地球自轉角速度明顯加快；考慮到整個系統角動量守恆，這有利於眾多低緯度地區信風偏強和海表西向流的增強，這樣的大氣圈與海洋的響應，會在一定程度上阻礙隨後冬春季赤道中東太平洋的增暖與厄爾尼諾事件的發展。
1.5.2 太陽活動簡述
當前太陽活動已進入24周期-25周期貨接的活動的最低谷期，其中今年截至目前無黑子日已經超過75%，這一最低谷期將持續到明年初夏。
通常而言，太陽活動的準11a周期影響對地面滯後約2年為主，但即使如此，當前也可以用接近谷值期的狀態作為一個潛在外強迫。以陸地表面氣溫與SST和太陽活動作為變量，可以看到太陽活動與ENSO/PDO出現了類似正相關的狀況，因此單考慮太陽活動的準11a周期這一點，今年冬季將有類似PDO負位相狀態的大氣海表強迫信號出現。當然，在季節尺度上，這一類天文因子的影響程度，較氣候系統內部的變率小很多。
2.2019-2020秋冬季氣候總體展望
2.1 深秋-前冬展望（2019年11-12月）
由於這一時段相對當前較近，可以結合動力學上低頻尺度過程推導及季節尺度氣候因子共同分析。
極地環流：近期內雖然平流層低頻信號有利於極地渦旋穩定於極地且偏強，但中高緯度熱通量與渦動通量表明經向環流的活躍期即將到來，且考慮下墊面方面，北極海冰的急劇偏與環北極地區積雪一致偏多的作用，這對應總體AO偏向負值，極渦多呈現多極型狀態，但由於下墊面海冰分布，多傾向北美與格陵蘭一側；
中高緯度方面，在短期內，由前文提到過北半球中緯度渦動熱通量在近期開始逐漸上升且AO偏向負值，可知短期內中高緯度區域維持經向環流，此時振幅較大的長波槽脊較為活躍且多槽脊更替，此時長波與超長波將佔據未來R波通量的主導，目前看短期以Wave2分量為主，出現烏拉爾山西側、阿留申群島兩大脊位和北美東岸-格陵蘭與東西伯利亞槽分立的可能性更大。如果從中高緯度SSTA在大氣的外強迫影響的準正壓性結構，對應的長波態勢應當為阿留申異常脊-阿拉斯加槽位-北美大陸脊位-北美東岸/格陵蘭以南異常氣旋（低渦偏強）-北歐/烏拉爾山西側脊位-西西伯利亞/巴爾喀什湖槽位-中西伯利亞弱脊和遠東-鄂霍茨克槽位，和大氣內部動力信號接近。
但值得注意的是，來自低緯度區域的海溫強迫激發的波列對中緯度地區仍有明顯影響，表現在熱帶西北太平洋活躍的對流活動與TIOD強正位相事件的影響，這使得我國東南地區到日本一帶總體維持顯著反氣旋異常，這與北側東西伯利亞低槽間梯度加大，增強的急流也會限制冷空氣進一步南下，這使得南方大部在短期內可能反而會明顯偏暖。
副熱帶和熱帶區域：赤道中東太平洋將在這一階段裡略有增暖，但仍然處在中性範疇，而此時熱帶印度洋TIOD正位相事件仍然強烈，其在東亞地區激發的響應與熱帶西北太平洋對流活動一道，會導致我國東南部到日本一帶出現顯著的反氣旋異常，這導致東南沿海大部偏暖的同時，降水也因低空偏北風異常與區域環流的下沉支疊加而繼續偏少，同時西南地區或西北地區東部將是仍然有所偏多，同時北方受到這一反氣旋北側水汽輸送影響降水也會稍有偏；但由於TIOD事件的明顯減弱，這些波列對降水影響程度將逐漸減弱。
11-12月特徵概括：
1.氣溫態勢：論整體狀況，由於巴爾喀什湖附近長波槽與遠東地區-鄂霍茨克海槽位與低渦的發展，將出現西北地區西部（新疆一帶）、青藏高原西部、東北地區接近常年到偏冷，華北、西南等地接近常年或略偏暖，而青藏高原東部、江南、華南大部偏暖的格局，其中東北北部偏冷最為明顯，而南方內陸偏暖最明顯；具體而言，這一階段亞洲中高緯度以經向活動為主，總體冷空氣活動頻次較多，且新疆與東北地區受異常槽或低渦控制，因而這些區域將有所偏冷，且東北北部偏冷更為明顯；而北方其他地區則受到頻繁的冷空氣影響，氣溫起伏較大，但總體還是接近常年；而對於長江以南地區大部而言，由於異常的反氣旋控制導致北側急流增強，限制了冷空氣南下幅度，此時冷空氣雖然活躍，但對江南與華南大部分地區影響很有限，總體氣溫偏高，僅華南部分沿海區域受熱帶西北太平洋氣旋環流西北側的東北風疊加，偏高程度稍有偏低；而內陸大部則明顯偏高。而西南地區則因降水與雲量偏多，氣溫偏高幅度也不明顯。此外，在全球氣候變化的背景下，中國秋冬季已經出現顯著增暖趨勢，在這一背景的疊加下，上述偏暖區域偏暖幅度可能更加明顯，而偏冷程度則相應有所較弱。
2.降水態勢：論總體狀況，本階段北疆、西南地區與西北地區東部和華北部分地降水略偏多到偏多狀態，其余大部分地區都將為降水偏少狀態，其中以淮河以南的東南部沿海地帶偏少最為明顯。不過，隨著TIOD事件的影響逐漸減弱，東南部乾旱區的降水偏少幅度在後期也將減輕。
2.2 後冬展望（2020年1-2月）
後冬趨勢展望已進入季節尺度範疇，此時動力學上依靠初值和低頻過程的推導已經很難進行有效分析，而需要基於行星尺度系統的演變和季節尺度內氣候因子的影響推斷。雖然只能得出平均狀態且準確率有限，但仍是具有一定可預報性的。
在極地方面，北極海冰異常偏少的熱力場影響將在此時得到明顯體現，考慮到今年極地核心區海冰密集度顯著偏低，北極地區總體將出現明顯的位勢正異常且AO更容易偏負，同時極地渦旋容易演變成偶極型狀態，主極渦偏向北美-格陵蘭一側，而北亞一側因西伯利亞北部沿岸阻塞/極地高壓傾向活躍，副極渦更容易南下至西伯利亞北部；同時，考慮到海冰影響的滯後期，這一影響在冬季後期更為明顯。
中高緯度方面，海冰狀態與高緯度積雪決定了AO仍然主要偏向負位相狀態，且後冬北半球將傾向經向活動依然活躍。而在具體區域方面，考慮到PDO略傾向負值和NPGO正位相下北太平洋全境有顯著異常暖水，這對應阿留申地區將持續一個異常強烈阻塞活動，並將成為一大重要的頻散源；但由於厄爾尼諾事件對應的日界線對流潛熱異常激發的波列，屆時阻塞將有所東移。此外，NAT/NAO正位相狀態也因為厄爾尼諾事件發展對熱帶外北大西洋地區遙相關影響，有所減弱。考慮北半球中高緯度這兩大洋區的狀態，可以推測亞太地區將呈現烏拉爾山西側異常脊-中西伯利亞異常槽-貝加爾湖東側脊和略偏東阿留申阻塞阻塞，這樣的態勢下對應我國仍然是西槽東脊狀態但稍有偏東，西北地區大部仍將受到頻繁的冷空氣影響，而華北和東北則在異常脊控制下地有所偏暖，以異常脊直接控制的東北地區最為明顯。如果從海冰的影響方面，考慮到巴倫支海-喀拉海和太平洋扇區冰密集度異常偏低，這將對應北歐阻塞活躍，這與從SSTA角度的推斷接近。而同時，NAT/NAO正位相狀態雖然有所減弱但仍將維持，使得上遊北大西洋地區仍然以活躍的瞬變擾動為主，下遊歐亞地區長波較為穩定；但同時瞬邊擾動因較強鋒區容易出現不穩定發展，此時一旦出現這種情況則長波調整將相當劇烈。而此時如果配合SSW事件，形勢將更為複雜。
而在低緯度地區，年初赤道中東太平洋增暖達到“頂峰”，但仍然處於中性或接近閾值狀態，同時更可能在本階段逐漸冷卻，但日界線附近赤道中太平洋的增暖中心，和其北側北太平洋熱帶海區的暖水，仍然會導致異常的Walker上升支移動於此，這裡的異常對流活動也將激發出向赤道外傳播的兩支球面Rossby波列。相比於典型的厄爾尼諾事件，這一波列明顯偏弱且有所偏西偏北，此時阿留申阻塞也將有所東移接近阿拉斯加灣；同時，低空西北傳的Rossby波列將對應熱帶西太平洋氣旋環流-副熱帶西北太平洋反氣旋，相較2018-19冬季的波列偏西偏北，使得西太平洋副高有所偏北偏強，同時有利於太平洋水汽輸送向我國，但位置有所偏北，更接近長江流域和以北區域。同時，TIOD事件很可能在本階段徹底結束，而其後續影響將使得青藏高原東部與印緬區域的長波槽持續穩定，此時位於槽線附近的青藏高原與雲貴高原西部降水將偏少，但槽前的中東部大部仍然將得到偏強的西南風水汽輸送，這有利於中東部降水轉為偏多，但同樣降水偏多區域將有所偏北，且偏多程度弱於典型厄爾尼諾年。
後冬形勢總結：
1.氣溫方面，後冬總體而言和前冬存在一定差異，具體將出現西北地區大部有所偏冷，而東北、華南大部與雲貴高原西部地區轉為略偏暖到偏暖狀態為主，而華北至華南的中東部主體將以接近常年平均到略偏暖為主。具體而言，這一階段AO仍以負值為主且經向活動仍然活躍，冷空氣頻數稍有增多但仍接近常年同期，冷暖起伏相對明顯；而由於偏強的中西伯利亞-巴爾喀什湖槽，此時冷空氣仍然以西北路為主，西北地區大部仍然將有所偏冷，而東北地區則轉為脊位控制並以偏暖為主。此外，由於中東部大部轉為降水偏多，包括華北南部至江南北部最為明顯，此時雲量的影響將使得當地氣溫偏高幅度明顯減弱，尤其白天最高氣溫甚至有所偏低；而此時華南地區在氣旋式環流西北側控制，雖然降水與雲量接近常年甚至偏少，但由於異常東北風的平流效應，氣溫偏高幅度也有限。
2.降水方面，雖然熱帶太平洋無明顯厄爾尼諾事件發展，但熱帶中西太平洋對流活動與中緯度西風帶上遊的波列仍然會對全國降水有一定影響。此時北疆、青藏高原東部、華北至南嶺以北的中東部大部分地區降水偏多，其中中東部區域以黃河中下遊到江南北部一帶降水偏多幅度稍大，但幅度仍然有限，相較去年的持續陰雨模式很難再現。同時由於槽位有所東移，青藏高原西部和西南部分地區降水將轉為偏少態勢。
值得注意的是，當前處在QBO東風位相下，這導致北極地區冬季平流層爆髮型增溫事件傾向偏多。如果遇到SSW事件，則將改變一個階段（一般時間為半個月到一個月）的環流態勢，這也是冬季展望的最顯著不確定因子所在。
2.3 秋冬季重要氣象過程分析與部分Q&A
Q1：全國總體會是什麽樣的冬季？冷空氣活動如何？
A1：按先前分析，今冬特徵可以概括為：全國總體氣溫為略偏暖為主，但季節平均上不一定能達到暖冬標準；其中西北地區大部接近常年到略偏冷（而北疆偏冷概率更大），東北地區接近常年，但實質上為先冷後暖的格局；華北到華南的中東部大部以及西南地區為略偏暖到偏暖態勢，其中淮河以南大部以前冬偏暖而後冬接近常年為主，西南地區則以前冬接近常年為主，雲南高原後冬可能會偏暖。
降水方面，前後冬的轉折也較為明顯，突出表現為江淮、江南等地大部自秋季-前冬明顯偏少轉為後冬有所偏多，西南地區降水則可能在前期偏多的情形下轉為偏少。不過，華北和黃淮等地區可能總體會迎來一個較為濕潤的冬季，而華南雖然持續降水偏少，但幅度並不大。
至於冷空氣方面，冷空氣活動總體頻數略多，前期主要以西北路和北路為主，主要影響北方地區，對南方地區影響不大；而冬季後期路徑上以西北路為主，總體路徑略偏西，對東北影響較弱，但對西北與華北地區影響較顯著的同時，南方大部也將受到較明顯影響。
Q2：這個冬季會出現大範圍持續性低溫雨雪過程麽？
A2：就當前情況而看，這個冬季可能的降水偏多期集中在1月開始的後冬，此時南支態勢傾向印緬槽偏強，以及北支傾向有中西伯利亞延伸到中亞地區的長波槽，這使得全國總體呈現西槽東脊態勢，且西太平洋副高偏強下也有利於水汽輸送向中東部地區，是容易導致中東部出現大範圍降水過程。但由於總體經向活動較強，缺乏穩定而持續的冷平流活動，很難出現大範圍降雪低溫冰凍過程；但如果出現其引發的長波調整帶來的冷空氣活躍期，配合水汽輸送條件，出現較短期過程性的大範圍雨雪概率仍然較高。
Q3：這個冬季霧霾是否依然嚴重？
A3: 作為氣候分析，這裡只能分析總體的汙染物擴散條件。根據前面的冷空氣活動分析，在冬季，冷空氣活動頻數較多，且冬季前期路徑總體以西北路與北路為主，但南下幅度有限，那麽冬季前期西北、華北北部與東北地區汙染物擴散條件將相對較好，但華北南部以南則較差；後冬時期華北東部到東北地區冷空氣頻率下降，這裡的擴散條件也將轉差。
當然，對大氣汙染的治理絕非一日之功，更需要注意從根本上改變能源結構等措施。
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本文特約作者：mikeliang（風雲夢遠），氣候研究者，已獲授權
注：（1）本文僅為個人分析，僅供學習交流與參考，不具備法律效力。如需要谘詢更詳細的氣候趨勢，請聯繫國家氣候中心或各地天氣局。
（2）本文未說明條件下，季節均指北半球季節。
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