欧亚中高纬冬季地表感热异常与中国西北东部夏季降水的可能联系

利用1979—2012年NCEP/DOE月平均地表感热通量再分析资料、西北东部156站夏季降水日资料,分析了欧亚大陆中高纬(61°N—67°N,53°E—68°E)冬季地表感热通量对我国西北东部夏季降水的影响。结果表明,当欧亚大陆中高纬冬季大气向地表输送感热值偏大时,春、夏季地表向大气输送感热值也偏大,引起了夏季500 hPa乌拉尔山阻塞高压加强,蒙古低压加深,西北太平洋副热带高压强度偏强,位置偏西,西风急流位置偏北,南亚高压呈东部型;对流层中低层表现为异常上升气流,同时有水汽的辐合,西北东部位于副高外围和蒙古低压底部,大气环流场的变化导致中国西北东部夏季降水偏多。当欧亚大陆中高纬冬季大气向地表输送感热值偏小时,春、夏季地表向大气输送感热值偏小,引起相反的夏季大气环流异常,使得中国西北东部夏季降水偏少。     

一个气候系统模式FGCM0对东亚副热带西风急流季节变化的模拟

对IAP/LASG气候系统模式试验版(FGCM0)模拟对流层上层东亚副热带西风急流季节变化的能力进行评估, 分析FGCM0模拟的东亚副热带西风急流季节变化与NCEP/NCAR再分析资料的差异及其与对流层大气南北温差的关系.结果表明, FGCM0模拟的冬季和夏季西风急流垂直结构、水平结构和季节变化与NCEP/NCAR再分析资料基本一致, 但FGCM0模拟的东亚副热带西风急流在高原附近地区冬季和夏季都偏强, 沿115°E中国大陆地区上空模拟的急流强度冬季偏弱, 夏季明显偏强.夏季FGCM0模拟的急流中心位于高原东北部的40°N附近地区, 强度偏强, 位置偏东, 而此时NCEP/NCAR再分析资料中的急流中心却位于高原北侧.此外, FGCM0模拟的急流在5月份的北移和8月份的最北位置上与NCEP/NCAR再分析资料差异较大.分析副热带西风急流与对流层南北温差的季节变化发现, 急流出现的位置总是对应着对流层南北温度差较大区域, 与再分析资料相比, FGCM0模拟的温度差在冬季基本一致, 夏季差异较大.与降水的模拟相联系发现, FGCM0模拟得到的与实际不一致的偏西偏北的强降水中心与200 hPa上的东亚副热带急流位置和强度不合理具有密切关系.相关分析表明, 冬季西风急流强度与日本南部海区的感热通量、夏季与青藏高原地区的地面感热通量有明显的正相关关系, 而FGCM0能够较好地模拟冬季西风急流强度与地面感热通量之间的相关关系, 但模拟夏季青藏高原地区感热通量和副热带西风急流之间相关关系的能力相对较差, 夏季西风急流强度与OLR之间却有一定的关系.由于与强降水区相联系的OLR低值区对应着较大的对流凝结加热, 再加上模式中位于青藏高原东南部较大的地面感热加热, 增强了对流层的南北向温度差, 进而影响东亚副热带急流强度和位置.因此, FGCM0模拟的夏季副热带急流位置和强度偏差与高原附近地区的地面感热加热、大气射出长波辐射等的模拟偏差具有密切的关系.     

再论夏季西太平洋副热带高压的西伸北跳

利用NCEP/NCAR再分析资料, 选择了1998年、2003年和2005年夏季我国东部雨带位置变化过程进行诊断分析。研究表明:夏季我国东部暴雨带位置的变动, 受西太平洋副热带高压西伸北跳 (南撤东退) 的调节。当副热带高压西伸北跳 (南撤东退) 时, 暴雨带向北 (向南) 移动。在副热带高压西伸北跳持续时期, 长江流域中下游地区出现高温酷暑天气。副热带高压西伸北跳是由于欧亚大陆上空存在静止Rossby波列, 波的能量沿着高空副热带急流向东传播到我国沿海海岸 (115°~130°E) 时, 在该地区激发出一个长波脊。这个长波脊的建立, 使得副热带高压和对流层上部的青藏高压都朝长波脊方向伸展, 表现为“相向”而行。而当在沿海海岸上空激发出一个长波槽时, 副热带高压南撤东退而青藏高压退回到高原上空。当夏季沿海海岸上空的长波脊持续维持时, 长江中下游会出现持久的高温酷暑天气。根据夏季天气预报的经验, 欧洲中期数值预报中心发布的预报对副热带高压的西伸北跳有较好的可预报性。     

冬季东亚中纬度西风急流对我国气候的影响

利用1957—2001年欧洲中期数值天气预报中心再分析资料及地面台站观测资料，分析了冬季东亚西风急流与我国气候的关系。首先定义了冬季东亚西风急流强度指数(区域30°~35°N，127.5°~155°E冬季200 hPa纬向风u₂₀₀平均值的标准化值)和切变指数(区域15°~25°N，100°~115°E与区域30°~40°N，100°~115°E的平均u₂₀₀之差的标准化值)，这两个指数能较好地反映冬季东亚西风急流的强度变化和位置的南北移动，二者相关系数为-0.48，通过99%信度检验。西风急流强度与亚洲和西太平洋大范围的大气环流有密切关系，而西风急流位置移动则与印度洋、中东太平洋的大气环流有密切关系，并分析了冬季急流强度指数和切变指数与我国温度和降水的关系。结果表明:当西风急流强度偏强时，西风急流位置偏北，此时在急流入口区左侧由于气流辐合造成低层气压上升，在出口区左侧则由于气流发生强烈辐散，引起低层气压下降，所以西伯利亚地区上空从对流层低层到中层高度值升高，北太平洋高度值降低，东西向气压差加大的形势，同时东亚大槽偏强，海陆气压差加大和东亚大槽偏强，导致冬季风强度偏强，引起我国从北到南的陆面降温，同时30°~40°N低层有下沉气流，使得华北、华中和长江中下游地区降水偏少；当西风急流强度偏弱时，西风急流位置偏南，整个东亚地区存在南风异常，东亚冬季风较弱，在25°N附近有上升气流，此时华南和内蒙古、华北降水偏多，内蒙古地表温度偏高。     

资料

2007年12月500hPa环流指数、环流特征量资料国家气候中心气候系统诊断预测室环流指数西太平洋副热带高压东亚槽极涡平均月候平均123456积指数面度指数强伸脊点西线位置脊界位置北均位置平均强度平经中度心位纬置度强度亚欧地区IzI m1.180.651.220.541.080.700.870.711.010.721.540.861.360.37亚洲地区IzI m1.290.640.940.810.910.791.420.791.550.311.620.571.270.541626115162014410675°W70°N02007年12月亚洲地区逐日500hPa西风环流指数及副热带高压脊线(120°E、130°E、140°E)位置日1234567891011121314151617181920212223242526…     

亚洲副热带高空西风急流活动的气候特征及其与我国部分地区夏季降水的关系

利用1948-2008年NCEP/NCAR再分析风速资料,分析了亚洲副热带200hPa西风带急流(下称西风急流)时空变化的气候特征及其与我国江淮流域梅雨期降水和新疆夏季降水的关系。结果表明:(1)由冬入夏时,西风急流轴由30°N左右北进到45°N左右,中间有两次明显的快速北进,分别发生在4月和6～7月;由夏入冬时,急流轴再由45°N左右南撤至30°N附近。急流轴在北进过程中以90°E处出现最早,也最明显。(2)一年之中,西风急流中心主要位于西太平洋上空140°E处,只有两个月左右的时间停留在亚洲大陆上空。急流中心在6月中旬开始迅速西移,6月下旬移至江淮流域上空,7月底到达新疆天山地区上空,8～9月东退至冬季平均位置140°E左右。(3)江淮流域梅雨期的降水量与西风急流的位置有一定相关关系。若某年1月急流中心异常偏西,4～5月急流轴又异常偏南,则该年可能为丰梅年,江淮地区易出现暴雨洪涝灾害;否则相反。(4)盛夏季节新疆上空急流的强度及纬度位置与新疆降水也有一定关系。若某年4月中旬～5月下旬新疆和中亚地区西风急流轴明显偏北,该年夏季急流轴又偏南,且急流偏强,则新疆多雨;否则相反。     

资料

2007年7月500hPa环流指数、环流特征量资料国家气候中心气候系统诊断预测室环流指数西太平洋副热带高压东亚槽极涡平均月候平均123456积指数面度指数强伸脊点西线位置脊界位置北均位置平均强度平经中度心位纬置度强度亚欧地区IzI m0.800.450.430.430.590.330.780.381.030.671.060.510.890.37亚洲地区IzI m0.700.470.410.410.570.330.730.380.880.801.010.480.590.4135741152431999999105°E80°N492007年7月亚洲地区逐日500hPa西风环流指数及副热带高压脊线(120°E、130°E、140°E)位置中央气象台中期预报科日12345678910111213141516…     

夏季东亚西风急流扰动异常与副热带高压关系研究

利用1979—2003年NCEP/NCAR月平均再分析资料, 探讨夏季 (6—8月) 200 hPa东亚西风急流扰动异常与南亚高压和西太平洋副热带高压的关系。研究指出:夏季200 hPa东亚西风急流扰动动能加强 (减弱), 东亚西风急流位置偏南 (偏北)、强度偏强 (偏弱); 东亚西风急流扰动动能强弱不仅与北半球西风急流强弱和沿急流的定常扰动有关, 而且还与东亚地区高、中、低纬南北向的扰动波列有关, 亚洲地区是北半球中纬度环球带状波列异常最大的区域。夏季200 hPa东亚西风急流扰动动能加强 (减弱), 南亚高压的特征为位置偏东 (偏西)、强度加强 (减弱); 西太平洋副热带高压的特征为位置偏南 (偏北)。东亚环流特别是500 hPa西太平洋副热带高压对东亚西风带扰动异常的响应由高空东亚西风急流南侧的散度场及其对流层中下层热带和副热带地区的垂直速度距平场变化完成。     

资料

2007年11月500hPa环流指数、环流特征量资料国家气候中心气候系统诊断预测室环流指数西太平洋副热带高压东亚槽极涡平均月候平均123456积指数面度指数强伸脊点西线位置脊界位置北均位置平均强度平经中度心位纬置度强度亚欧地区IzI m1.420.751.670.881.530.581.200.701.320.991.630.461.170.89亚洲地区IzI m1.470.721.680.801.490.481.530.571.471.181.630.411.040.901432130212513914480°W75°N32007年11月亚洲地区逐日500hPa西风环流指数及副热带高压脊线(120°E、130°E、140°E)位置中央气象台中期预报科日12345678910111213141516…     

资料

2007年9月500hPa环流指数、环流特征量资料国家气候中心气候系统诊断预测室环流指数西太平洋副热带高压东亚槽极涡平均月候平均123456积指数面度指数强伸脊点西线位置脊界位置北均位置平均强度平经中度心位纬置度强度亚欧地区IzI m1.360.451.460.501.410.381.540.251.490.381.280.580.950.60亚洲地区IzI m1.380.401.300.421.490.221.540.161.390.391.140.621.390.562953130303613032580°W75°N302007年9月亚洲地区逐日500hPa西风环流指数及副热带高压脊线(120°E、130°E、140°E)位置中央气象台中期预报科日123456789101112131415161…     

北半球副热带—中纬度太平洋大气季节内扰动的纬向传播与东亚夏季旱涝

用时空滤波和Morlet小波方法,分析了1958—2000年夏季东亚(20°—45°N,110°—135°E)不同纬带(由南到北分为4个区域)的降水分别与太平洋同一纬带上大气30—60 d振荡(ISO)沿纬圈传播的关系及其成因机制。发现太平洋上经向风ISO向西传播的强或弱,是东亚夏季风区降水偏多或偏少的必要条件。对逐年夏季的分析表明,无论当年东亚夏季风强与否,在所划分的几个东亚季风区所有涝的年份里,太平洋同一纬带上大气ISO向西传播都明显较强,而在这些区域绝大多数旱的年份里,相应的ISO向西传播明显较弱。进一步分析发现,经向风ISO的纬向传播对应着大气经向型环流系统的移动,向西传影响东亚夏季风区降水的ISO有来自低纬中东太平洋东风流中的低频气旋(如副热带东风带中ISO的演变);也有来自中高纬度阿拉斯加湾及鄂霍次克海一带低频低压(如洋中槽)和高压(如阻塞高压和东北太平洋高压)的向南向西频散。因此东亚夏季旱涝不但与热带季风有关,而且与中东太平洋副热带东风系统中ISO的向西传播、中高纬度长波调整时低频扰动向西南经北太平洋副热带的传播密切相关。     

夏季西太平洋副热带高压的振荡

本文用1965年,1976—1985年夏季(6—8月)500hPa逐日西太平洋副热带高压脊线位置的复经验正交函数(CEOF)展开讨论了夏季西太平洋副热带高压的振荡特征。发现西太平洋副热带高压主要存在15—20d以及10d左右的振荡周期,它们一般都是从西太平洋的东部(180°E)向西部(110°E)传播的,其速度为5—7long./d。西太平洋副热带高压10d以下的短周期振荡一般自西(110°E)向东(180°E)传播。其东西部的振荡呈反位相。15—20d周期的振荡能量主要集中在西太平洋东、中部(150—170°E),而10d左右周期的振荡能量主要集中在西太平洋的西部(120一140°E)。一般6月下旬至7月中旬是西太平洋副热带高压的低振荡能量期,而7月中旬以后有一段高振荡能量期。     

北半球500 hPa高度场定常波不平稳性分析

提出并阐明Lorenz环流分解意义下的定常波不平稳性概念,它是月平均网上纬向波动分量气候变率与定常波强度相对大小的表征.根据Lorenz环流分解,定义全域(局域)定常波不平稳度Ius(I1us),分析了北半球500 hPa位势高度场定常波强度较大的30°-60°N纬带的定常波不平稳性,结果表明:(1)全城定常波不平稳带位置存在季节件北进、南退过程.平稳的定常波出现在冬季的35°-55°N的中纬度带和夏季的副热带地区(35°N以南),分别与冬季的东亚大槽、北美槽和较弱的欧洲槽,以及夏季的副热带高压等系统相联系.不平稳度的高值中心出现在春季的35°N和夏季的50°N,这与定常波强度季节变化和月平均图上槽脊位置、强度年际异常有关.(2)局域定常波不平稳度存在着明显的纬向不对称性.平稳带通常位于定常波的强槽强脊所控制的区域,而不平稳带通常位于定常波强度较弱的区域.副热带(35°N及以南)局域定常波不平稳度冬强于夏,中纬度(35°N及以北)则夏强于冬.夏季局域定常波不平稳度地理分布具有复杂的结构.但无论冬夏,北欧是定常波最不平稳的地区,北美大陆附近的定常波则相对平稳.(3)夏季,从华北经东北至北太平洋存在一个定常波不平稳度高值带,其高值中心位于中国黑龙江省东部(45°N,130°E),主要影响中国北方(东北、华北、西北),可能是该区夏季气候脆弱带的环流成因.     

东亚—西北太平洋地区初夏副热带季风季内纬向变化的主要特征分析

利用美国NCEP/NCAR提供的再分析资料和全国160个站逐日降水量资料,按照东亚夏季副热带季风定义和东亚夏季副热带季风活动路径划分标准,选取3类路径的东亚夏季副热带季风各9个典型年,分析5月下旬—6月下旬合成的大气环流演变过程与同期降水距平分布,尝试揭示东亚初夏副热带季风的纬向差异特征.结果表明:3类活动路径东亚夏季副热带季风在850 hPa风场、500 hPa高度和降水距平分布差异显著.偏西路径表现为波列偏西偏北,850 hPa的南风正距平始终位于中国西南地区上空,降水正距平也集中于该区;中间路径代表气候态,为东亚地区初夏副热带季风的主要模态,大槽位置偏东,降水正距平主要分布在我国华南地区;偏东路径在120°E—180°E和20°N—70°N的区域呈现北负南正的波列,初夏副热带季风活动偏于西太平洋地区,我国东南部沿海与台湾的降水为正异常.2010年以来,东亚—西北太平洋地区初夏均为非中间路径副热带季风,3类路径的3—5月北太平洋海表温度距平分布差异也较大.     

2019年夏季东亚大气环流异常及对我国气候的影响

为更好了解2019年夏季（6—8月）我国主要气候异常特征及成因,利用气象要素站点资料和NCEP/NCAR再分析大气环流资料分析了2019年夏季降水、气温的时空分布和东亚大气环流特征,并初步诊断了长江中下游降水偏少的可能原因。结果显示,2019年夏季全国气温偏暖明显,降水总量接近常年,但旱涝分布有明显的空间差异,东部主要多雨区位于江南至华南及东北地区,云南和黄淮等地气象干旱长时间持续。东部季风区降水还呈现出明显的季节内变化,尤其是江南等地在夏季前期降水过程密集,涝灾严重,但后期急速减少,高温事件迅速爆发。华南前汛期和江南梅雨开始早结束晚。2019年夏季,欧亚中高纬度地区两槽一脊的环流形势非常明显。其中黄海至日本海持续维持的低槽造成夏季西太平洋副热带高压强度偏强,位置略偏西偏南。这一低槽也是长江中下游少雨和江南多雨的直接原因。其在夏季前期位置明显偏南,和副热带高压脊线南北位置的演变非常一致。但在夏季后期,随着这一低槽的减弱北移,副热带高压迅速北跳,也造成雨带从江南快速移动到北方地区。     

北亚洲大陆冬季地表感热通量对我国江淮梅雨的影响

利用1979—2008年NCEPⅡ月平均地表感热通量再分析资料、江苏省气象台整编的江淮出入梅日期和全国753个测站逐日降水资料,分析了亚洲北部(60°～135°E,32°～75°N,简称北亚洲)大陆冬季地表感热通量对我国江淮梅雨的影响及其可能机制。结果表明,北亚洲大陆地表在冬季总体为感热冷源,对大气起到强冷却作用。通过定义WSH指数来表征北亚洲大陆冬季地表感热冷源的强度,该指数值越小,冷源越强;反之,冷源越弱。当冬季北亚洲大陆地表感热冷源偏强时,夏季梅雨锋北侧的冷空气强度大范围加强,东北冷涡增强,且冷空气向南输送增强;7月高空副热带西风急流位置偏南,南亚高压呈青藏高压型;江淮流域上升运动增强,且该流域上空高层变干、低层变湿,大气层结的不稳定度增加,对流活动增强,有利于梅雨降水,出梅偏晚。冬季地表感热冷源偏弱时,情况则相反。因此,冬季北亚洲大陆地表感热通量的异常对汛期江淮梅雨的预测具有一定的指示意义。     

簡单斜压大气中热成风的建立和破坏(一)

本文第一部分利用两层模式討論了热成风的适应問題.如果起始非热成风流場的热成风涡度大于溫度場的热成风涡度时,促使上升运动加强,反之,促使下沉运动加强。对于250—750毫巴之間的斜压系統,适应的特征尺度L_0,是决定流場向溫度場調整,还是溫度場向流場調整的临界水平尺度。 第二部分根据溫度場和流場的平流作用,分析了非热成风产生的机制.并由热成风适应速率和破坏速率的对比,討論了准地轉运动和非地轉运动的形成。 最后,用热成风不断破坏和建立的观点和方法,分析了长波斜压不稳定发展的过程,并进一步揭示了它的物理本貭。     

2010年我国南方两次持续性强降水的环流特征

通过对2010年夏季我国南方两次持续性强降水期间对流层高、中、低多个大尺度关键影响系统的时空演变特征及其影响机制的分析和比较,讨论了我国南方持续性强降水的大气环流特征。结果表明:这两次持续性强降水均出现了东亚西风带沿海低槽不断快速重建或加深,且中纬度锋区位置稳定维持,低空西南急流反复加强,且其轴线左侧的南风经向强梯度带位置相对稳定,副热带高空西风急流和南亚高压脊线及西太平洋副热带高压的纬度带位置相对稳定;相应地,在强降水带上空反复出现强烈的低层水汽辐合抬升、高层辐散抽吸及垂直上升运动发展,进而形成持续性强降水。西西伯利亚低槽的不断快速重建与加深 (东移)、马斯克林高压西侧高压及马斯克林高压的不断加强东移、副热带高空西风急流的建立和维持对南方持续性强降水具有超前指示意义。强降水带位于东亚低空西南急流轴左侧南风经向强梯度辐合带、高空西风急流南侧至南亚高压脊线北侧之间的强辐散区及中层垂直上升速度大值带中。     

高原南侧地形槽与孟湾槽的形成演变特征及其与南海夏季风建立的关系

使用1981—2000年NECP/NCAR再分析数据集资料,分析了全年各月大气环流特征,发现青藏高原(下称高原)南侧低空基本上存在一个常年正涡度带,这是高原近地面西风与其外围自由大气西风之间的气旋性切变的表现。特别是在90°E附近有一明显的地形槽,我们选取80°~90°E,25°N关键区域内的涡度作为表征该地形槽的指数,分析了高原南侧地形槽与孟加拉湾(下称孟湾)槽形成和演变特征的异同,并探讨其与南海夏季风建立的关系。结果表明,高原南侧地形槽的季节性演变与高原热源联系非常密切,其显著的4月突变和6月突变与高原热源发生跳跃性变化相联系。冬季高原冷却作用形成低空反气旋环流,叠加在原本增强的大尺度西风绕流上,促使高原地形槽减弱;由春入夏,高原加热作用形成低空气旋性环流,增大西风绕流作用,促使高原地形槽加深。高原地形槽加强南伸和斯里兰卡低涡持续北移直至二者相互打通是亚洲低纬度副热带高压带在孟湾上空最先断裂和孟湾槽形成的一种触发机制,此后槽前西南气流加强,副热带高压东撤,南海夏季风进一步东扩,最后导致南海夏季风建立。     

长江中下游冬季两类冷空气活动事件的环流差异及其与急流的关系

利用1981—2020年台站观测的降水和最低气温资料,从长江中下游地区冬季冷空气活动事件中分出"降温有降水"和"降温无降水"两类事件(简称为"冷湿"和"冷干"事件),结合再分析资料,分析两类事件的冷暖空气活动特征和大气环流差异,进而探讨其与急流的联系。结果发现,长江中下游冷空气活动事件发生频次逐年减少,其中冷干事件发生频次逐年减少,冷湿事件发生频次显著增加,且冷湿事件的降温幅度大于冷干事件。冷湿事件发生时,高层副热带急流北移、极锋急流偏弱,中层存在倾斜槽脊、副热带高压偏西,低层西伯利亚高压增强,有来自西南的暖湿气流在长江中下游地区辐合上升;冷干事件发生时,高层副热带急流偏弱、极锋急流偏强,中层槽脊倾斜程度偏弱、副热带高压偏东,低层西伯利亚高压南移,有来自北方的偏干气流在长江中下游地区辐散下沉。此外,与冷湿事件相比,冷干事件过程中急流强度指数和经向风位置指数的波动更加频繁,冷空气活动持续时间更短。