时变涡动输送和阻高形成──1980年夏中国的持续异常天气

１９８０年６至８月发生在中国的持续时间长、强度大的南方低温洪涝及北方高温干旱天气与中高纬地区阻塞高压在东北亚持续发展维持有关。本文研究了时变天气系统的输送过程在强迫阻高形成中的作用。结果表明，源于欧洲强斜压带上的天气尺度扰动在东传过程中出现动能转化。这种转化满足双向法则：在向小尺度系统转化的同时，还向时间平均西风急流及大尺度的阻塞系统输送能量。位涡分析也表明，天气尺度系统维持着急流轴南侧的反气旋式平均位涡和北侧的气旋式平均位涡，并在急流分流区下游激发出高纬强烈的反气旋性涡度增长和相应的正变高。研究表明，这种波流相互作用激发阻高增长的过程比著名的１９７６年夏西欧阻高的发展还强烈得多。因此，在研究中国北方的持续异常天气形势时，除了注意热带、副热带系统的动态外，还必须注意欧洲及西亚地区强斜压带的发展及其上天气尺度系统的传播和输送特征。     

北太平洋冬季西部发展型天气尺度涡旋对平均流的影响

在中纬度北太平洋大气强斜压区,存在频繁的天气尺度涡旋活动,通过水分、动量和能量输送维持大气环流。为了进一步研究天气尺度涡旋发生发展与大尺度环流之间的联系,利用1981—2013年再分析资料,筛选出西部发展型天气尺度涡旋114个偏强日和87个偏弱日,给出了西部发展型天气尺度涡旋异常导致的动力和热力强迫的变化,同时从能量转换的角度分析了西部发展型天气尺度涡旋与平均流之间的相互作用,并探讨了其与西太平洋遥相关型的关系。结果表明:西部发展型天气尺度涡旋通过动力强迫和热力强迫影响平均流,其中动力强迫主要造成北太平洋中纬度上空的西风气流加速并向北移动;热力强迫的作用则是减弱中纬度大气斜压性。同时,强西部发展型天气尺度涡旋有利于西北太平洋上空对流层低层斜压有效位能向扰动动能的转化增大和扰动动能向平均流的转化增大,有利于中纬度地区对流层高层平均流向扰动动能的转化增大。此外,西部发展型天气尺度涡旋通过与平均流的作用,对维持西太平洋遥相关型的负位相有一定影响。     

A Trend towards a Stable Warm and Windless State of the Surface Weather Conditions in Northern and Northeastern China during 1961–2014

This study investigates the trends in the mean state and the day-to-day variability(DDV) of the surface weather conditions over northern and northeastern China(NNEC) during 1961–2014 using CN05.1 observational data. In this study, we show that the surface temperature(wind speed) has increased(decreased) over NNEC and that the DDV of the surface temperatures and wind speeds has decreased, indicating a trend towards a stable warm and windless state of the surface weather conditions over NNEC. This finding implies a trend towards more persistent hot and windless episodes, which threaten human health and aggravate environmental problems. The trends are also examined in reanalysis data. Both the ERA-40 and the NCEP data show an increasing(decreasing) trend in the mean state of the surface temperatures(wind speeds). However, the reanalysis data show a consistent decreasing trend in the DDV of the surface weather conditions only in the spring. The underlying reason for the decreased DDV of the surface weather conditions is further analyzed, focusing on the spring season. Essentially,the decreased DDV of the surface weather conditions can be attributed to a decrease in synoptic-scale wave activity, which is caused by a decrease in the baroclinic instability. There is a contrasting change in the baroclinic instability over East Asia, showing a decreasing(increasing) trend north(south) of 40°N. This contrasting change in the baroclinic instability is primarily caused by a tropospheric cooling zone over East Asia at approximately 40°N, which influences the meridional temperature gradient over East Asia.     

The Behaviors of Optimal Precursors during Wintertime Eurasian Blocking Onset

In this paper the optimal precursors for wintertime Eurasian blocking onset are acquired by solving a nonlinear optimization problem whose objective function is constructed based on a blocking index with a triangular T21,three-level,quasi-geostrophic global spectral model.The winter climatological state is chosen as the reference basic state.Numerical results show that the optimal precursors are characterized by a baroclinic pattern with a westward tilt with height,which are mainly located upstream of the blocking region.For an optimization time of 5 days,these perturbations are mainly localized over the Northeast Atlantic Ocean and continental Europe.With the extension of the optimization time to 8 days,these perturbations are distributed more upstream and extensively in the zonal direction.Wave spectrum analysis reveals that the optimal precursors are composed of not only synoptic-scale(wave numbers 5-18) waves,but planetary-scale(wave numbers 0-4) waves as well.The synoptic-scale optimal precursors are mainly located in the mid-latitude area,while the planetary-scale optimal precursors focus primarily on the highlatitude region.The formation of a strong planetary-scale positive blocking anomaly is accompanied by the reinforcement of synoptic-scale perturbations and further fragmentation into two branches,in which the northern branch is generally stronger than the southern one.The eddy forcing arising from the selfinteraction of synoptic-scale disturbances is shown to be crucial in triggering the dipole blocking anomaly,and the planetary-scale optimal precursor provides the initial favorable background conditions for blocking onset.     

Vorticity patterns for rainy and dry episodes in Argentina

Summary A synoptic climatological study of precipitation in some regions of Argentina based on 500-hPa relative vorticity fields derived from geopotential heights produced at the National Meteorological Service of Argentina is performed. Some climatic-synoptic inferences concerning the association between large and synoptic-scale behavior of the upper-level flow and the occurrence of precipitation at a given place through the construction of composite/biserial correlation fields are drawn. In general, the results indicate that the correlation between vorticity and precipitation is nearly null in the vicinity of each one of the stations examined, and becomes increasingly negative to the west (cyclonic circulation associated with precipitation), and increasingly positive to the east (anticyclonic circulation). Then, almost all region of Argentina is affected by the westerly wind regime with precipitation usually associated with cyclonic vorticity advection. However, each locality exhibits some proper features that condition the occurrence of precipitation as well as a marked regional variation. Geographical and seasonal inferences are highlighted. For central and eastern Argentina vorticity anomalies are well defined: cyclonic anomalies to the west and anticyclonic anomalies to the east, generally more significant to the west sector. For the subtropical northeastern region the inter-relationship between vorticity and precipitation is something smaller. The importance of cyclonic vorticity maxima increases southwards. The northwestern region fits a different spatial configuration of maxima and minima vorticity with the anomaly axis in the north–south direction as a consequence of the deep alterations of the synoptic-scale systems induced by the Andes. For moderate to heavy precipitation the dynamics of the midtroposphere is still a decisive factor in all of the regions of Argentina. It is emphasized that the vorticity anomaly patterns as a manifestation of large and synoptic-scale upper-level circulation capture a considerable amount of information that allows us to classify precipitation data.     

高空槽对9711号台风变性加强影响的数值研究

9711号台风Winnie是一个在中国大陆长久维持(2—3 d)并产生强降水的热带气旋(TC),在其深入内陆过程中变性加强为一个温带气旋。用MM5V3对不同强度高空槽影响下Winnie的变性加强过程进行了数值研究。结果表明:(1)Winnie变性加强过程表现为强锋面侵入台风内部、冷空气包裹台风中心、一个温带气旋在近地层锋面上强烈发展的过程;(2)Winnie在陆上的变性加强与西风带高空槽的强度密切相关。TC与不同强度高空槽相互作用过程中,较深槽携带较强冷平流、正涡度平流以及较强的槽前高空辐散,从而有利于TC的维持和变性发展。数值试验中,高空槽越强,Winnie变性加强越明显,温带气旋的发展越快;(3)模拟结果的位涡分析表明,Winnie的温带变性发展与对流层高层正位涡下传、低层锋区和TC低压环流三者之间的相互作用有关。     

北半球冬季副热带高压带维持的涡度机制

本文利用涡度平衡方程讨论北半球冬季副热带高压的维持,计算发现,30°N副热带高压带地区,大型扰动所造成的涡度输送的辐散是维持这地区反气旋涡度的主要因子,这种辐散作用所造成的反气旋涡度主要发生在对流层上层,平均经圈环流对地转祸度的输送可以把它引导到对流层下层来。此外,我们还根据涡度输送的计算,讨论了西风急流的维持。向北的扰动涡度输送在45°N上空达极大值,因此它对中纬度西风和纬向平均急流的维持起着重要作用。但30°N上空,扰动的涡度输送为零,而平均经圈环流对地转涡度和相对涡度的输送都比较大,因此,可以认为副热带急流是在平均经圈环流作用下维持的。     

亚洲季风区纬圈剖面内准40天周期振荡的环流结构及其演变

本文利用1979年FGGE LevelⅢb资料研究了30°E—150°W范围内赤道和15°N纬带两个剖面内的准40天周期振荡的环流和温度场结构,讨论了它们的变化及其与亚洲地区季风活跃和中断的关系。发现有以下结果:(1)亚洲季风槽内的上升气流不仅构成了强大的经向季风环流圈,同时在其两侧也形成了东、西向(纬偏异常)环流圈,并受到准40天周期扰动的显著影响。季风槽两侧的热力学结构显著不同。(2)15°N纬带上60°E以西的北非和沙特阿拉伯上空的下沉(上升)区域向东扩展至南海—菲律宾地区导致其东面(西面)的高(低)层东(西)风动量下(上)传,使得季风中断(活跃),引起130°E以西地区低层西风和其东面太平洋上空的高层东风发生相互作用。向东传播的正(负)温度扰动与强的上升(下沉)运动相结合使得这一地区成为准40天周期振动的能量源地。(3)在赤道剖面上,扰动风场的位相向东向上传播,准40天周期的扰动动能向扰动位能转换,西风动量向下传播,其动力学特性与开尔文波有明显的不同。      

Study of initial vorticity forcing for block onset by a 4-dimensional variational approach

With the aid of a global barotropic model, the role of the interaction of the synoptic-scale disturbance and the planetary flow in block onset is examined by a 4-dimensional variational approach. A cost function is defined to measure the squared errors of the forecasted stream functions during block onset period (day 4 and day 5 in this study) over a selected blocking domain. The sensitivity of block onset with respect to the initial synoptic-scale disturbance is studied by examining the gradient of the defined cost function with respect to the initial (during the first 24 hours) vorticity forcing, which is evaluated by the adjoint integration. Furthermore, the calculated cost function and gradient are connected with the limited-memory quasi-Newton optimization algorithm for solving the optimal initial vorticity forcing for block onset. For two studied cases of block onset (northern Atlantic and northern Pacific) introducing the optimal initial vorticity forcing, the nonlinear barotropic advection process mostly reconstructs these blocking onset processes. The results show that the formation of blocking can be correctly described by a barotropic nonlinear advection process, in which the wave- (synoptic-scale) flow (planetary-scale) interaction plays a very important role. On an appropriate planetary-scale flow, a certain synoptic-scale disturbance can cause the blocking onset by the interaction between the synoptic scale perturbations and the planetary scale basic flows. The extended forecasts show that the introduction of the optimal initial vorticity forcing can predict the blocking process up to the 7th or 8th day in this simple model case. The experimental results in this study show that the 4-dimensional variational approach has a good potential to be applied to study the dynamics of the medium-range weather processes. This simple model case study is only an initial trial. Applying the framework in this study to a complex model will further our understanding of the mechanism of the atmospheric/oceanic processes and improve their prediction.     

2003年淮河大水期间亚洲北部阻塞高压的形成特征

利用观测资料和NCEP再分析资料分析2003年淮河大水期间亚洲北部阻塞高压的形成维持机制, 结果表明, 2003年淮河梅汛期亚洲中高纬地区阻塞高压的异常活动中, 波流作用十分显著。6月上旬, 阻高建立前期和维持过程中, 上游地区天气尺度波动活跃, 欧洲斜压区不断有瞬变动能生成, 并在阻塞区向阻高平均流转化。从瞬变涡动的作用来看, 上游传播而来的瞬变波不断将较低纬度的低位涡空气向阻塞区输送, 有利于阻塞高压的建立维持; 平均流则使位涡呈相反形势发展, 引导阻塞高压向东频散, 削弱了扰动位涡输送的作用, 对阻高的维持起到耗散作用。阻高建立前, 瞬变涡位涡输送作用强于平均流位涡平流, 造成阻塞区位涡降低, 有利于阻高生成; 阻高维持期间, 瞬变涡位涡输送与平均流位涡平流输送量相当; 6月25～30日, 阻塞高压明显西退, 该阶段瞬变涡动明显强于平均耗散作用, 引导低位涡场向西移动。研究表明, 大气内部的波波作用对阻高的建立维持也十分重要。1波与5波在一定范围内的共同作用可能是阻高建立维持的决定因素, 而天气尺度波动扰动则对阻塞高压的建立、 维持和崩溃起到重要的作用。波波作用表明, 2003年6月份阻塞高压建立、 维持时, 尺度较长的波一般从平均动能得到扰动动能的转化, 尤其5波, 斜压能的转换不但是其能量的来源, 同时非线性作用也使得尺度更小或更长的波向其提供能量; 阻高衰退时, 5波则通过非线性作用向其他波动输送能量, 同时也存在斜压耗散, 能量逐渐失去。     

中国和日本梅雨锋区（个例）结构的比较

通过１９８２年梅雨期的个例分析，研究和比较了中国和日本梅雨我的结构。分析表明：１．梅雨锋区系统对流层上部宽广的斜压区和对流层低层较狭窄的弱斜压区共同组成；２．在两个个例中，中国剖面上锋区均呈“椅”型结构。日本剖面上，６月呈均匀倾斜结构，７月略呈“椅型”，涡度场上中国剖面为相当正压结构，日本剖面为斜压结构；３．梅雨锋区系统可民是均匀斜压区在不均匀和加热情况下结构改变结果；４．中国大陆雨区高层大量潜热     

鄂霍茨克海阻高发展过程的正斜压涡度和涡度拟能的演变特征

用正斜压分解法，对1998年发生在鄂霍茨克海的阻高进行涡度和涡度拟以分析，结果发现：在阻高的不同阶段，正压涡度和正压涡度拟能远大于斜压涡度和斜压涡度拟能且在不同的阶段有着不同的演变过程；在阻塞的酝酿阶段正压和斜压涡度和涡度拟能不稳定增长，且向西南传播；在维持阶段，正压和斜压涡度和涡度拟能的增长达到最大值，阻塞形势建立并维持在阻塞区域内；在消亡阶段，正压涡度和涡度拟能与斜压涡度拟能则呈现出不稳定减少，向东南传播，阻塞崩溃，然后又增长。     

关于苏联的平流动力分析法在东亚应用的几个问题

自从第一次全国气象技术会议后,苏联的平流动力分析法已开始在国内各预告单位陆续应用起来.中央气象台的预报工作同志在学习苏联的号召下,首先学习平流动力的理论部份,並以“锋生与高空变形场的改变、“气旋与反气旋的发生与发展”、“变压变高的平流动力理论与应用”等书为主要参考文件,同时,我们在日常天气讨论或预告工作中将学习所得的一些规则结合实况试用.     

华南沿海2011年7月15—18日持续暴雨过程中的季风槽与中尺度对流系统相互作用

应用NCEP FNL再分析资料及位涡分离反演等方法,对华南沿海2011年7月15—18日持续暴雨过程中季风槽与中尺度对流系统的相互作用进行了研究,主要针对暴雨发生期间季风槽气旋性涡度向上发展的机理及其对季风槽维持发展和中尺度对流系统活动的影响进行分析。结果发现,季风槽的中尺度对流系统发展于弱斜压性环境中,大多在槽东西两端涡度中心区发展最强。南侧盛行的西南低空急流为对流反复发生提供了对流发展的“可维持性”条件,是对流得以组织发展成为中尺度对流系统的重要原因。涡度收支诊断表明,季风槽气旋性涡度生成主要由中尺度对流系统低层辐合引起。位涡分离反演结果证实,季风槽气旋性环流增强主要由与中尺度对流系统潜热加热相关的扰动位涡造成,并随着中尺度对流系统加热峰值高度升高而向上发展,是大尺度环流对中尺度对流系统潜热加热动力响应的结果。在季风槽东西两端,由于中尺度对流系统发展强烈且持续,具有更高的加热效率,引起的气旋性涡度向上发展最为明显。其结果可引起中尺度对流系统西南一侧向北非地转风发展,并在地转偏向力作用下增强西风,维持低空急流的发展,为对流反复发生提供条件。这些都说明季风槽大尺度环流与中尺度对流系统相互作用在中尺度对流系统和持续暴雨形成过程中有重要作用。     

高空槽对两类热带气旋变性阶段强度变化影响的数值模拟研究

选取9711号台风"Winnie"和0713号台风"Wipha"分别作为变性加强和变性减弱类台风个例进行数值模拟,而后利用模式结果对大尺度场及涡度收支场进行诊断分析。结果表明:台风"Winnie"变性过程中,其西北侧高空槽呈西北—东南走向,南亚高压强度弱,对高空槽东移阻塞作用小。变性前期阶段主要是锋面系统和斜压性起关键作用,变性完成后,"Winnie"在斜压、高层辐散及涡度平流的共同作用下再次加强。台风"Wipha"变性过程受强大的南亚高压和副高影响,其西北侧高空槽稳定少动且呈东北—西南走向,冷空气入侵不明显,斜压区面积和强度都受到了限制。另外高层辐散场和涡度平流场均未能为"Wipha"提供有利的环境使其再加强。     

1988年8月广东省罕见异常天气的分析

本文分析讨论了1988年8月广东省出现异常天气的主要原因,并在此基础上提出一些可能成为此种反常天气预报线索的相关因子或前期征兆。结论认为,该月没有灾害性热带气旋影响广东,但同时却又出现较长的连阴雨天气,其主要原因是由于东亚大气环流出现异常——中纬西风带和西太平洋副热带高压脊均比常年偏南近十个纬度所造成。在这种类似于春末夏初的大尺度环流形势控制下,热带西北太平洋(包括南海)的局地条件不利于灾害性热带气旋形成,而更东面的海区生成的灾害性热带气旋则全部偏北行或转向;另一方面,季风雨带的位置比常年偏南得多,落在华南。 上述环流系统和天气的异常,与赤道东太平洋海温异常有一定关系,且海温变化超前。该年4—7月东亚西风环流指数的变化也提供了若干前兆。综合考察这些因素,有可能预先对这种环流和天气的异常作出定性的估计。      

台风“山竹”登陆结构变化及造成广西强降水异常分布的成因分析

利用地面加密自动站观测资料、多普勒天气雷达及NCEP格点再分析资料,对2018年第22号台风“山竹”登陆前后环境场、动力热力场结构变化特征进行了分析,并初步探讨台风造成广西强降水分布异常的成因。(1) 200 hPa南亚高压稳定维持、西南季风与越赤道气流、西太平洋气流卷入提供水汽和能量是台风登陆后强度减弱缓慢的重要因素。(2)台风登陆移入广西过程中,其中高层θ_se漏斗状结构、正涡度柱状结构维持,东侧和北侧低层有深厚入流辐合上升,高层有明显出流。(3)水平风场的不对称分布导致台风东侧到北侧存在明显的风向切变和风速辐合,出现垂直螺旋度正值中心和强水汽辐合区,对应有螺旋对流回波带发展、维持,这可能是“山竹”强降水出现在台风偏北侧的重要原因。(4)云贵高原冷空气的侵入加剧了热力不稳定,加上地形抬升增幅作用,导致桂北和桂西持续强降水。(5) “山竹”降水分布与低层湿位涡负值区有较好对应,强降水主要出现在湿正压项(MPV1)负值中心附近和MPV1负值区与湿斜压项(MPV2)正值区相叠加的区域。      

梅雨暴雨的涡度平衡与积云对流

应用天气尺度运动,讨论梅雨期间暴雨区内的涡度平衡。在对流层下层有一个涡度的积累,对流层上层有涡度的亏损。积云对流在涡度平衡中起重要作用。给出了一个基于一维定常积云模式的对流涡度参数化方案,并和天气尺度运动的计算结果作了比较。     

东海地区温带气旋爆发性发展的动力学分析

本文对东海地区两个气旋波的爆发性发展过程进行了动力学分析。结果表明:明显的对流层中下部增温、增温以及不稳定的大气层结和强高空西风急流,及其有关的次级环流的作用是气旋爆发性发展的重要条件。在气旋爆发性发展过程中,上升运动、正涡度以及高空辐散和低空辐合的散度场皆达到最强。加热场的计算也表明非绝热加热特别是凝结潜热释放也在气旋爆发时刻达到最强,最大加热区位于气旋的东北象限内。这时涡动动能的增加十分显著,它主要是由涡动有效位能向涡动动能的转换造成,这说明气旋的爆发性发展是与斜压发展密切有关。