在第一波梅雨鋒到達的此刻把這篇文章發出來應該還算來得及,以下是個人對於梅雨降雨趨勢的一點小小看法,歡迎討論指教,不過此文也只為個人看法僅算是作為練習分析用途,不做預報用,詳細氣象預報資訊仍請以氣象局發布之最新訊息為準。

影響梅雨季的降雨多寡因素很廣:

中緯度的冷空氣活躍程度:這其實與極區的溫度狀況有關,而冷空氣活躍趨勢其實左右了西風帶的波動,進而決定氣流是以南北向(經向)或是以東西向(緯向)為主,而氣流走向其實和南方水氣北上程度以及冷暖空氣交會創造不穩定度的大小有關。

副高走向分布:從副高型態分布來看,也是一個影響氣流走向以及水氣北上程度一個重要的因子,其勢力撤出南海與否更是被視為南海季風肇始的指標之一,在中高緯度的表現常常受西風波動之影響,導致大氣呈現緯向或是經向型,同樣左右南方水氣北上程度以及冷暖空氣交會創造之不穩定度程度。

熱帶及南半球訊號:季內震盪(MJO)伴隨之西風活躍、水氣,除了影響南海季風肇始時間外,也會因其強弱及活動區域透過遙相關機制的不同左右梅雨時的降雨量。此外,南半球的副高活動做為跨赤道流的源頭,故其強弱及型態分布同樣不可忽視。而熱帶海溫的變化就左右了低緯度西南季風所攜帶的水氣量,甚至影響局地次環流,亦可對副高造成影響,同樣值得分析。

 

以上是梅雨季主要的降水因素多寡,都是過去分析個案中常會檢視的指標,現在就來看看今年(2019)的狀況:

 

在春末即將進入夏初的五月,副高勢力尚未完全北抬至夏季狀況,中緯度冷空氣仍舊活躍,降雨上來說常常仍可見到移動性冷鋒帶來的降雨為主,而非滯留性封面,所以中緯度的冷空氣活躍程度、冷空氣在東亞附近的活動狀況,都是對降雨有影響的,一般來說要注意的有幾點:

 

1.冷空氣受大尺度背景訊號作用影響活躍的程度

2.冷空氣的走向以及容易集中的區域

 

影響北半球的冷空氣大尺度背景訊號可有以下幾個:

 

北極震盪:極渦的強弱程度,和冷空氣外洩的程度大致呈反比,訊號偏正代表容易出現較強的極地渦旋伴隨較強繞極西風,冷空氣不易外洩,反之訊號偏負極地渦漩以及繞極西風偏弱,冷空氣容易外洩,當前狀況及預測如下:

 

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當前至未來兩周大致上以負相位機率較大,但強度不算強,初步看來中高緯度冷空氣會活躍一陣子但會不會造成比較強的冷事件機率不算大。

 

除了北極震盪預示冷空氣平均活躍的程度,局地區域的冷空氣外洩走向也跟該區域的大氣環流平均尺度有關,在北半球中高緯度的北大西洋跟北太平洋的海溫常常扮演驅動局大大氣環流趨勢的角色,這裡要討論的是北大西洋震盪(NAO)以及北美-太平洋遙相關機制(PNA),兩者均與海溫的變異有關:

 

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上圖為NAO在今年以來的走勢變化,NAO正值代表北大西洋副高偏強,更高緯的冰島至格陵蘭附近低壓也同樣偏強,兩者之間氣壓梯度大,暗示溫度梯度大以及該區西風偏強,該區不易有冷空氣外洩,反之負值代表北大西洋副高及冰島一帶低壓均偏弱,兩者間氣壓梯度偏弱西風偏弱,西風波動程度頻率加大,強化冷空氣外洩程度,看起來NAO正值對於北美及歐洲天氣上的影響比較容易偏向溫暖些。

NAO今年初以來長期處在正或中性附近,對應此時的AO也長期偏正,其實都反映出了今年冬季北半球無顯著冷空氣大幅外洩的事實,而剛剛前面提到的海溫結構其實也是會影響該區域的大氣環流乃至於反應在NAO的平均訊號之上的:

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今年初以來的北大西洋海溫大致往北維持+-+的結構,這樣的結構對應所在位置的北大西洋副高及冰島-格陵蘭低壓均有助於強化趨勢,NAO便長期以中性至略偏正為主,正訊號程度不強所以對北半球天氣影響不大,不過隨著在4月初北極進入春季的極渦訊號受太陽輻射加熱改變溫度梯度趨勢,使溫度梯度變小、繞極西風減弱的Final Warming訊號使AONAO均轉負之後,NAO在四月中下旬大幅轉正:

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這股強烈的正訊號維持時間不長,初步推測除了可能西風波本身的短期調整以外,這股正訊號比之前的強可能也跟海溫趨勢有關,自三月中下旬以來北大西洋的海溫對比之溫差就有更強化溫度梯度出現的趨勢,比起整體背景平均更強的訊號有助於其上方之高低壓系統強化導致NAO出現短期的大幅偏正:

 

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(從上到下分別依序是3月中下、4月中上、4月中下三時期的北大西洋海溫距平變化序列)

 

從上列三圖看起來北大西洋海溫在最近這一個半月以來的變化是+-+的海溫結構傾向有加大的現象,主要反映在北邊低海溫距平上,可以預期北大西洋副高以及北方冰島低壓強度都有強化趨勢,4月中下旬一次強烈的NAO正值事件也許與此有關,但其背後主因是否僅海溫一種不是我們在此要細探的重點,海溫告訴我們的是NAO大幅偏正可能是其所導致,且海溫趨勢上看起來有持續此狀況的可能,預示著以較長期來看,NAO有持續偏正的可能,雖然近期內暫時略轉負。

 

而不論原因是甚麼,短期內一個顯著的NAO正事件其實會對其所在區域以外的大氣波動產生影響,具體的因素可以參考這篇文章,而在此不詳述成因,短期內顯著的正NAO產生出來的波列可以在5-10天內跨越歐亞大陸北部,形成歐-亞遙相關事件(EU Teleconnection, Wallace and Gutzler (1981))中的正事件型態(北歐到東北亞分別有+-+-的波列狀結構東傳)

 

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此結構將有利於東亞地區深槽的維持,冷空氣的走向上也容易往東亞一帶接近,來看看四月下旬的大氣波列狀況:

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可以看到伴隨著NAO正事件,北亞高緯的大氣波動結構轉成了類似EU事件的正相位型態,雖然尚未建立完成但此趨勢預計將會持續至五月上中旬,加上前述的AO事件往負相位維持的機率大,屆時可預期東亞一帶的冷空氣活動會較為活躍頻繁,意味著冷鋒帶來的降水事件將會偏多。

 

而目前主流模式(ECNCEPBOMCMA等)對於EU指數的預報具體趨勢看起來在四月上旬已經有徵兆顯示五月中上旬EU指數可能中性至偏正,然而這是4/11的預報離現在有段時間了,實際情況可能像似顯著的正相位事件,大氣結構會傾向多波且東亞位於槽底、東亞一帶冷空氣和其伴隨之冷鋒較頻繁的可能,初步看來,冷鋒降水在五月應是可以預期的,詳細有無其他有利條件支持冷鋒強水後面再繼續分析:

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看完了北大西洋的影響來看看北太平洋,在北太平洋中高緯度亦存在一種與熱帶太平洋海溫遙相關的事件,稱之為北美-太平洋遙相關機制(PNA),具體上來說與熱帶海洋海溫變化有關,海溫變化對大氣波動的反應透過大圓路徑傳遞往高緯度,詳細原因同樣參考此篇文章,此不深究,來看看當前的太平洋海溫以及PNA訊號:

 

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當前的太平洋海溫,在熱帶地區表現為聖嬰的形式,也就是以赤道中至東太平洋海域偏高,西赤道太平洋海域偏低至正常的形式,熱帶的海溫異常常常可以激發出對流並伴隨波列結構往中高緯度以大圓路徑傳遞,如下圖Trenberth et al.(1998)研究所示

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以及當前熱帶海溫距平,顯示出El_Nino型態:

 

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PNA遙相關事件主要是反映在北美高緯度地區的大氣波動出現異常距平,正相位事件如下北太平洋阿留申低壓偏強呈盤據,北美西岸易為脊位控制,東岸偏低。

 

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負相位之下,北太平洋阿留申低壓偏弱偏西,北美西岸高度場偏低,脊更偏西北發展,東岸偏高。

 

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而又因為這項事件發生在北美高緯度,所以高緯度的強迫加熱效應,也就是海溫,來看看中高緯度海溫近期以來的變化:

 

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以及近期春季北太平洋大氣的高度場距平:

 

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可以看到冬春以來呈現典型的PNA正相位型,氣候上這種正相位配置有機會讓北美阿拉斯加及東亞出現較高的高度場距平,氣溫會比較暖,搭配春季以來觀測資料確實可以佐證這一點。

 

 

且搭配下圖的春季海冰距平可以看到,海冰在阿拉斯加側偏少,阿留申至勘察加半島偏大,這其實反映了PNA正相位之下大氣環流場的結果:阿拉斯加偏暖、阿留申至勘察加一帶偏冷的事實,而此種海冰與大氣環流趨勢其實都反映了海溫的結構,又,海冰的多寡又會反映在大氣上,因此會反過來偕同海溫配置影響大氣環流,使當前PNA正相位結構更有利於持續維持:

21.gif

從上面的分析可以看到幾件事:

 

北半球的極地冷空氣在春末的此刻至五月中上旬有較大的機率出現外流,伴隨中緯度波動活躍。

PNA正相位對於東亞一帶氣溫有較暖的幫助作用,但這個作用將會因為四月中一次強烈NAO正相位訊號事件引發的EU正相位事件的波列訊號傳遞到東亞而改變,且PNA事件受到成熟的El Nino跟北太平洋海冰配置,有機會持續,阿拉斯加一帶仍有機會出現偏高的高度場伴隨較暖的氣溫,反之勘察加一帶仍有可能出現較低的高度場伴隨較低氣溫。

NAO目前偏負相位且稍微持續一段時間,但長期趨勢來看海溫有助於往正相位發展並維持,但要再度出現讓東亞冷空氣活躍的遙相關事件還要再觀察,近期的冷空氣、冷鋒活躍實際上是4月中下旬NAO一次強正訊號的結果。

 

冷鋒降水頻繁占主導可能是未來兩三周主要的梅雨季降水型態。

 

中高緯度的環流因子在梅雨季前期是主導降水的主要因素,因為此時夏季季風型態尚未正式建立,而接下來看看熱帶低緯度到南半球的一些影響因素:

 

1. 熱帶季內震盪訊號(MJO)對副高、季風以及中高緯度大氣環流的影響:

2. 副高在El Nino的配置對降水的影響

3. 海洋大陸至南海的海溫對降水的影響

4. 南半球大氣環流訊號

5. 其他

 

在梅雨季的低緯度要考量夏季季風型態的建立,通常為南半球東非外海的索馬利噴流的建立,跨赤道流出現;在南海一帶的風場轉為顯著的西南風,而這些訊號的轉變除了南半球大氣環流的配置以外,季內震盪的動態將是一個相當重要的考量:

 

MJO的活躍,可以造成通過區域的風場變成西風距平(透過本身Gill model,詳見這篇),對流有助於上升運動減弱低緯度副高勢力使之撤出南海東退,常聽到的季風爆發也跟此有關,因此MJO的動態以及其活躍後期對大氣環流造成的影響也是梅雨季降雨多寡以及趨勢的重要指標。

 

 

當前的MJO動態及主要模式(EC+NCEP)預測:

 

22.gifNCEP

 

23.gifEC

 

最新的主流模式看起來MJO訊號在過海洋大陸時,加熱產生之對流訊號依舊存在,並未消失,由於MJO之對流訊號和海溫呈現正相關,考量到此時在中太平洋附近有教高海溫同時MJO對流訊號並未消散,且預測上仍能維持置中太平洋,比起早前預測要更強些且略呈現滯留於6-7相位,因此這股加熱源對於大氣環流的影響調整便不能忽視,波列傳遞隨MJO相位變化的研究參考Gloeckler and Roundy2013

 

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可以看到加熱區跟波列同時東移的結果,原先在34相位時激發出的波列,在MJO抵達56相位時鄂霍次克海區域的反氣旋波列進一步往東移到白令海峽,此時的狀況就有利於白令海峽至阿拉斯加一帶有顯著反氣旋的發生,加上前述提及的PNA正相位訊號受到海溫影響將持續,若再考慮此股MJO波列訊號,PNA的訊號預計將會再維持一段時間,意味著白令海峽至阿拉斯加一帶的脊位訊號更加明顯的可能,鄂霍次克海附近更易偏向低壓槽,整體東亞一帶的大氣高度場會有比較偏低,冷空氣較活躍的趨勢,且白令海峽至阿拉斯加脊發展,其實有不利西風帶順利進行,加上AO負相位的狀況持續,整個東亞預計五月中上旬都是冷空氣較活躍的情形,這部分類似於前述看法,只是加入MJO訊號考量,這股訊號將更加明顯。

 

目前看來,這應該是近四五年來最早的一次梅雨季前的MJO活動,且撐過了海洋大陸的難關,其對於所在位置大氣環境的影響仍是值得注意的:

 

首先以及風場結構演變:

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可以看到在4月中下旬MJO對流尚未發展東移時,西太平洋低緯地區是由較強且伸進南海的反氣旋風場距平控制,副高勢力強盛。

正式到了4月下旬,MJO伴隨孟加拉灣氣旋發展東移時,帶動了顯著的西風距平,且使得副高勢力撤出南海,低緯度被西風控制的結果,預計會在低緯度的西太平洋至東印度洋持續一段時間:

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目前預報上這股西南風可持續約一候(5天),假如這預報結果成真,則可視為南海夏季季風進入建立期的第一階段。

 

而副高在這之後的勢力演變,主要考慮的點有幾個:

 

中緯度系統的活躍程度:

 

如同前述所說的中緯度系統近期內有活躍的趨勢,這將不利於副高西緣脊場勢力的西伸

 

MJO會不會再度形成東移:

 

這還言之過早,還得再觀察

 

海溫:

 

吳等(2018)指出,冬春時顯著EP Nino的海溫配置容易強迫出菲律海至南海一帶低緯度大氣春季開始有反氣旋距平,導致華南臺灣一帶梅雨季降雨偏多且時間長。CP Nino或弱EP Nino則反之。

今年的海溫配置有點像介於CPEP間的型態,同時東亞南海一帶海溫也偏高:

 

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中至東太平洋的海溫偏高有助於改變沃克環流型態,在西太平洋菲律賓海一帶強迫出反氣旋距平,強化副高,如同前述風場距平看到的那般。研究中並指出,在東太平洋海溫偏高的傳統聖嬰年隔年春季,強迫出的菲律賓海反氣旋容易透過脊場西側南風距平有利於在南海一帶轉成南風距平以及南邊偏高的高度場,有利南來氣流北上增加華南臺灣梅雨季降雨。中太平洋聖嬰或弱東太平洋聖嬰則反之:

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摘自伍等(2018

 

上圖研究結果棕色系表示降雨跟海溫呈現正相關,藍色系顯示降雨跟海溫呈現負相關,顯示在冬季東太平洋海溫的異常正值期,隔年華南臺灣梅雨季降雨就偏多時間偏長:

 

28.gif(垂直運動距平)

29.gif700風場距平)

 

上兩圖都顯示了春季的西太平洋低緯的確強迫出反氣旋風場,伴隨低緯偏強副高,但隨著前述MJO事件發生,這股副高勢力就暫時東退。未來在中緯度系統活躍之下副高要西伸可能有限,同時值得注意的一點,就是前述海溫圖中南海一帶的海溫也偏高發展,這其實有利於上升運動發展,對於副高勢力再度西伸也是一個不利的因素,如下圖今年春季以來海溫距平:

 

29.5.gif

 

南海的海溫偏高也對於華南及臺灣的梅雨季降雨有正貢獻;偏高海溫可以增加南海北部至華南臺灣大氣的水氣通量輻合,進而強化西南季風水氣量並反映在降雨上,偏低則反之,如下圖,深陰影為南海高海溫下降水正距平,淺陰影則為南海低海溫下降與副距平(摘自江等(2002)):

 

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除了南海海溫以外,海洋大陸一帶的海溫對於東亞夏季季風降水也至關重要,在入夏的6月份以後,季風降雨益發顯著,熱帶海洋的海溫狀態也十分重要。

夏季季風除了印度洋跨赤道流以外,澳洲一帶的冷高壓也會形成跨赤道流北上,搭配副高西側氣流一起形成夏季季風的一部分,這股氣流除了南海以外也會經過菲律賓東方海面以及海洋大陸,初步分析看起來菲律賓東部海面海溫大至正常,那海洋大陸呢?

31.gif

當前春季海洋大陸海溫如上所示,有偏高的狀況。

 

事實上在海洋大陸亦存在周期性的海溫變化:對流層准兩年震盪,機制如下:

A年夏季該區高海溫強對流發展導致亞洲夏季季風降水變多,但對流發展及其造成之輻合較強風導致夏末入秋冬該區海溫下降,大氣偏穩定不易有對流,維持到B年入夏,B年夏季亞洲季風降水偏少,該區晴朗容易受熱海溫又於秋冬上升並維持到C年夏季再度使亞洲季風對流降水增加…迴圈。

 

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(摘自Mheel(1997)

 

回顧過去兩年海洋大陸的海溫變化:

33.gif

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1718年的夏季,海洋大陸海溫分別是從高到低,對應前述今年入春以來的海溫,推測目前海洋大陸梅雨季至夏季的海溫趨勢上升可能性較大。

 

海洋大陸偏高的海溫也可以觸發局的的經向次環流:局地哈德里胞,強化赤道外的低緯度下沉運動,有助於強化前述的今年入春以來的反氣旋,但由於南海至海洋大陸海溫偏高有利上升,副高勢力不太會向西及南過度擴展,結果就是強化反氣旋結構本身、反氣旋西側南風也被強化,有利南來氣流強度增強,亦有利於加大和中緯度的高度差形成南高北低的大氣環流型式,南來氣流進一步北上亦有利於梅雨季降雨,如下方垂直運動距平剖面圖所示,南半球低緯度到赤道有上升,北半球低緯有下沉的配置:

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從上面的分析可以看到幾件事:

 

聖嬰年在菲律賓海強迫出了顯著的反氣旋距平。

這股反氣旋距平受到當前MJO事件、南海至海洋大陸逐漸發展高海溫影響,短期內不會西伸壟罩南海。

MJO事件引發了西風距平有可能持續一段時間,且其撐過了海洋大陸,加熱對流產生出的一相關波列訊號預計將可能影響到PNA訊號使其持續偏正,舞樂東亞一帶冷空氣冷鋒又因此因素變得活躍的信心度更高,冷鋒降雨暫五月梅雨季初期降水事件的比例將是主軸。

南海夏季季風進入了第一階段的形成期,然而索馬利噴流尚未建立起來,這股西風距平能否持續維持超過一侯要再觀察。

南海至海洋大陸高海溫發展有利梅雨季降雨,聖嬰事件強迫出的反氣旋距平有助於維持南高北低的大氣環流配置,強化南來氣流北上狀態,同樣有助於降雨。

 

初步看來梅雨季的降雨條件不算差,接下來看看其他較次要的因子:

 

 

海洋大陸的高海溫有利於該區上升運動,也就是形成沃克環流的一個重要因素,這個環流除了海溫變化影響以外,中層大氣平流層的風場結構也會影響其環流特性,此種訊號即為"Quasi-Biennial-Oszillation, QBO(準兩年震盪)

震盪機制一搬來說跟赤道波動能量上傳有關,詳細機制較複雜在此不提。簡單來說就是熱帶平流層內一種約兩年為週期變化的東西風交替機制,西風為正東風為負:

 

 

36.jpg

可以看到最新一輪西風周期已經逐漸下傳到平流層下部,這是至2019/3的統計,依此下傳速度,最晚五月此訊號以來到對流層頂,屆時對熱帶流層頂變成西風佔優勢,有助於讓沃克環流偏向海洋大陸一帶上升運動的優勢,不過屆時由聖嬰強迫出的反氣旋距平可能也會因此效應減弱,因為聖嬰發展已達冬春時期的極盛,此時的沃克環流高層東風訊號將因QBO訊號下傳而減弱,但強化的海洋大陸上升支產生的局地經向垂直環流可能有助於反氣旋維持,此消彼長,反氣旋強度應可望維持。

 

在入夏的的時間點掌握上,通常會將南亞高壓移動到青藏高原的時候視為出梅入夏,這時間要是越晚其實有可能是梅雨季延後開始或很早開始很晚結束,青藏高原的加熱效應是南亞高壓發展的重要條件,這個條件其實受到前一個冬季到今年春季的高原積雪量有關:

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上圖為加拿大氣象中心對北半球去年冬季至春季積雪日數的統計,可以看到在上半部青藏高原部分,積雪日數異常偏多,意味著降雪量多於平常年分。這對於高原春末夏初開始的加熱過程其實不利,青藏高原上維持完整垂直環流的相當正壓系統之高層南亞高壓之建立,也許會比較遲些。

 

加之近期MJO事件帶來的西風距平似乎有持續一段時間的趨勢,西風距平能維持的話,今年梅雨季可能會比過去兩三年那些到六月才正式入梅然後下了兩三周就出梅的個案再長一點。

 

總結一下目前的分析:

 

聖嬰年、NAOPNA均正,海溫有利這些訊號維持,五月份可能是以冷鋒頻繁的降雨事件為主,至少到五月中旬。

MJO在五月初引發西風距平逼退副高,此訊號若能維持超過一候,則比過去三年入梅早得多。

MJO在6-7相位的維持有助於PNA訊號強化,容易在白令海峽附近牆破出較高的高度場以及俄霍次克海附近較低的高度場,東亞易位於槽底槽後,冷空氣易活躍於此,高度場偏低。

南海至海洋大陸高海溫發展以及聖嬰強迫出的較低緯反氣旋西側南風較強,搭配前述北邊較低高度場有利形成南高北低的環流形勢,有利氣流北上和冷空氣進一步交會有利降雨。

QBO訊號下傳強化沃克環流有利海洋大陸一帶上升運動的維持,青藏高原上偏多的雪量延後南亞高壓登上高原的時間。

 

今年的梅雨季降雨應該至少達成正常沒有問題,再偏多一些的可能也有,可能性最小的應該是偏少,類似2017年。時間上則應該是正常至偏長最有可能,像過去兩三年般只有2-3週的可能性似乎不大。


參考資料及文獻:

NOAA ESRL、NOAA CPC、中國國家氣象局氣候中心、JMA TCC

伍红雨,吴遥.2018.不同类型和强度的厄尔尼诺事件对次年华南前汛期降水的可能影响[J].大气科学,42(5):1081-1095,doi:10.3878/j.issn.1006-9895.1711.17178.

Gloeckler, L. C., and P. E. Roundy, 2013: Modulation of the extratropical circulation by combined activity of the Madden–Julian Oscillation and equatorial Rossby waves during boreal winter. Mon. Wea. Rev., 141, 1347–1357,

Trenberth, K. E., G. W. Branstator, D. Karoly, A. Kumar, N.-C. Lau, andC. Ropelewski (1998), Progress during TOGA in understanding andmodeling global teleconnections associated with tropical sea surfacetemperatures,J. Geophys. Res.,103, 14,291–14,324.

Wallace J.M. and Gutzler D.S. (1981). Teleconnections in the geopotential height field during the Northern Hemisphere winter. Mon. Wea. Rev., 109, 782–812.
 

 

 

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