夏季青藏高原及周边上对流层水汽质量及其向平流层传输年际异常. I：水汽质量异常主导型

本文利用逐年7~8月平均的ERA-Interim再分析资料并结合SWOOSH(Stratospheric water and ozone satellite homogenized)水汽数据,分析了青藏高原及周边地区330~360 K层次水汽质量分布的年际异常特征及其成因。结果表明,水汽质量分布异常表现为整体异常型、东西偶极异常型和南北偶极异常型三个主导分布型。整体异常型在水汽质量整体偏多时,青藏高原地区对流和垂直向上的水汽质量非绝热传输偏强,上对流层为异常偏强的水汽质量非绝热辐合;此时对应南亚高压偏强,青藏高原地区上对流层的水汽质量绝热辐散和高原以西地区的水汽质量绝热辐合都异常偏强,水汽质量整体偏少时则相反。东西偶极异常型水汽质量呈西多/东少分布时,青藏高原西部(中东部)对流和垂直向上的水汽质量非绝热传输异常偏强(弱),上对流层的水汽质量非绝热辐合和水汽质量绝热辐散也异常偏强(偏弱);同时对应南亚高压偏西,青藏高原以西到伊朗高原的上对流层有异常的自东向西的水汽质量绝热输送和水汽质量绝热辐合。水汽质量呈西少/东多分布时则有相反的结果。南北偶极异常型水汽质量呈北多/南少分布时,对应南亚高压偏北,青藏高原北部的上对流层有异常自南向北的水汽质量绝热输送所造成的水汽质量辐合,同时该地区低层异常偏强的自下向上的水汽质量非绝热输送也加强水汽质量辐合,而青藏高原南侧上对流层则为异常偏弱的水汽质量绝热辐散和水汽质量非绝热辐合,水汽质量呈北少/南多分布时相反。     

夏季青藏高原及周边上对流层水汽质量及其向平流层传输年际异常. II：向平流层的绝热和非绝热传输

夏季7～8月青藏高原及周边地区上对流层水汽质量的年际异常分布为整体异常型和东西偶极异常型所主导。本文基于ERA-Interim再分析资料并利用HYSPLIT（Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory）轨迹模式,分析了两个主导分布型对应的水汽质量向平流层绝热和非绝热传输的异常特征,结果表明:青藏高原上空水汽质量整体偏多（少）时,对应南亚高压和青藏高原地区垂直向上的水汽质量非绝热输送偏强（弱）,青藏高原及周边水汽质量向平流层的绝热和非绝热传输均偏强（弱）。水汽质量整体偏多与偏少年,水汽质量向平流层绝热和非绝热传输的主要区域和层次相近,只是水汽质量整体偏多年,水汽质量向平流层非绝热传输的层次略高。当青藏高原上空水汽质量呈西多/东少分布时,对应南亚高压偏西,青藏高原西北、东北侧水汽质量向中纬度平流层的绝热传输偏强,青藏高原南侧高层水汽质量向热带平流层的经向绝热传输也偏强,而青藏高原北侧水汽质量向中纬度平流层的经向绝热传输明显减弱。同时青藏高原主体上空水汽质量向平流层的非绝热传输偏强,而青藏高原南侧高层和北侧低层水汽质量向平流层的非绝热传输偏弱。水汽质量呈西少/东多分布时有相反的结果。轨迹模式模拟的结果证实了水汽质量整体偏多年,青藏高原及周边地区绝热进入平流层的轨迹频次偏多;也证实了水汽质量呈西多/东少分布时,青藏高原西北、东北和南侧绝热进入平流层的轨迹频次偏多,而青藏高原北侧绝热进入平流层的轨迹频次偏少。     

南海季风爆发早晚年大气环流的输送异常Ⅱ:能量输送异常

利用NCEP再分析资料,计算和分析了南海季风爆发偏早年和偏晚年能量输送差异。结果表明:1) E-P通量输送区域性明显,高层200hPa和低层850hPa,高原西侧、中国中东部和中太平洋辐散偏强,高原主体、西太平洋和东太平洋辐合偏强;中层500hPa,基本都是辐散偏强或是辐合偏弱。2) E-P通量垂直结构差异明显,早年高原南侧高层辐合异常偏弱,中纬度中高层和高纬度低层辐散异常偏弱;早年中低纬度中高层西风异常减速,高纬度高层西风异常加速。3)高层温度场在西伯利亚、中国地区、北太平洋地区是异常偏暖,在中国东南部和俄罗斯中东部异常偏冷;中层和低层的分布相似,与高层刚好相反。高度场差异分布一致,早年在西伯利亚和北太平洋为高度场异常偏高,而在中国中南部、俄罗斯中东部和赤道中太平洋为高度场异常偏低;海温异常偏暖和偏冷的区域与850hPa温度场的分布非常一致。      

中国东部夏季水汽输送的年代际变化特征

基于1948—2012年NCEP/NCAR月平均再分析资料,采用9 a滑动平均、EOF分析及合成分析方法,研究了我国东部夏季水汽输送的年代际变化特征。结果表明:6—8月水汽输送由强转弱发生在1975年前后,水汽输送异常显著区域主要位于东部地区;6月南海到我国东部地区的水汽输送存在年代际变化,7月孟加拉湾、南海和西太平洋(8月印度洋、南海和西太平洋)到我国东部的水汽输送同样存在年代际变化;6—8月年代际变化前后水汽输送矢量分布与相应月份水汽输送通量年代际特征向量场的空间分布基本一致;显著的水汽通量散度辐合区位于华中以西经华北到东北地区,长江以北水汽辐合(辐散)异常显著区域由风场的辐合(辐散)异常和水汽平流异常共同造成,长江以南地区水汽辐合(辐散)异常显著区域主要由风场的辐合(辐散)异常造成。     

夏季南亚高压位置与青藏高原降水年际变化的关系研究

通过合成分析、动力诊断和数值模拟,研究了夏季南亚高压位置与青藏高原降水年际变化的关系,并分析了水汽输送和高原非绝热加热的特征及作用。结果表明：南亚高压位置偏东南（西北）时,对应着高原东部水汽辐合（散）显著、水汽输送显著偏强（弱）,而高原西南部水汽辐散（合）显著,是造成高原东部降水显著偏多（少）、高原西南部降水显著偏少（多）的重要原因。高原东部大气凝结潜热加热异常有助于南亚高压位置与高原降水关系的维持。南亚高压位置偏东南（西北）时,高原西北部降水显著偏多（少）,与该地区地表潜热偏强（弱）、大气低层位势高度偏低（高）有关,但并不显著。     

影响哈密降雪异常的大气环流及水汽输送特征

利用1960—2020年哈密市6个气象站降雪观测数据及NCEP再分析资料，对哈密市降雪的时空分布特征及降雪异常年的大气环流和水汽特征进行了分析，结果表明：哈密市降雪中部多南北少，降雪日数12月最多，降雪量11月最多；降雪量和降雪日数总体呈增加趋势，但主要在2010年前增加，之后减少；降雪以小雪为主，大雪以上量级降雪较少。降雪偏多时，高层偏西急流增强，急流区北扩，中层伊朗副高加强北抬，极锋锋区南压，脊前低槽南下东移；低层风速增大，出现风向辐合和气旋性切变，地面锋面气旋加强，水汽输送增大，低层水汽含量多。降雪偏少时，高层急流偏弱，急流轴南移，中层西风气流控制，极锋锋区偏北，新疆脊东移，冷空气偏北，低层风速辐散增强，北方气旋偏北偏弱，水汽输送量小，水汽含量也少。     

江淮梅雨异常空间分布型对比分析

利用国家气候中心整编的中国160个测站的月降水资料,提取1951—2012年江淮流域26站6、7月份的梅雨量距平场资料进行EOF分析,将梅雨雨型分为北涝南旱型和南涝北旱型。利用NCAR/NCEP再分析资料对两种空间分布的典型年大气环流背景特征进行合成分析,结果表明:北涝南旱年,高纬度鄂霍次克海高压阻塞形势偏强,极涡偏弱,西太平洋副热带高压和南亚高压位置偏北,东亚副热带夏季风偏强,水汽辐合中心偏北;南涝北旱年情形基本相反,高纬度鄂霍次克海高压阻塞形势和极涡偏强,西太平洋副热带高压和200 hPa南亚高压位置偏南,东亚副热带夏季风偏弱,水汽辐合中心偏南。     

湖南夏秋干旱及环流异常特征

利用湖南83站降水资料和NCEP/NCAR再分析资料,采用数理统计方法,分析了湖南夏秋干旱的分布特征,对湖南夏秋干旱类型进行了划分,对比了3类干旱型在同期大气环流和前期海温上的差异。结果表明:(1)1961—2016年湖南夏秋干湿变化经历了"干、湿、干、湿、干、湿"6个时段,可分为全省、北部和南部干旱型;(2)全省干旱型年份西太平洋副热带高压(副高)偏弱、偏北,南亚高压偏强、偏北,东亚地区从北至南呈东亚/太平洋型遥相关(EAP)的负位相分布,东亚副热带西风急流偏东、偏北,低层风场在我国江南地区有一反气旋距平环流,湖南大部为辐散异常区,造成湖南大部降水偏少,形成干旱;(3)北部干旱型年份副高偏弱、偏北、偏东,南亚高压和东亚副热带西风急流明显偏北,低层风场在长江中下游地区有一较大的东风距平区,湖南北部为辐散异常区,南部为辐合异常区,形成湖南北旱南涝的空间格局;(4)南部干旱型年份副高偏强、偏西、偏南,南亚高压偏强、略偏南,东亚地区从北至南呈EAP的正位相分布,东亚副热带西风急流偏南,低层风场在我国华南地区有一反气旋距平环流,华南地区为辐散异常区,江淮地区为辐合异常区,形成湖南南旱北涝的空间格局。     

夏季区域极涡异常对塔里木河流域降水的影响

采用1961-2015年夏季大西洋-欧洲极涡面积指数和塔里木河流域43个站降水资料,研究该区域极涡面积异常对该流域降水的影响。结果表明:两者年际变化呈显著的反位相关系;在极涡面积异常偏小（大）年,西风急流在西亚和中亚减弱（增强）,在东亚则相反;500 hPa欧洲中部和贝加尔湖地区的高压脊偏强（偏弱）,东亚低压槽偏弱（偏强）,中亚经向环流增强（减弱）;700 hPa塔里木河流域天气扰动活跃（不活跃）,东风和西南风（西北风）的水汽输送增强,西部和北部等主要降水区水汽辐合（辐散）,该流域降水偏多（偏少）。在极涡面积异常偏小年的夏季,塔里木河流域水平风场和垂直运动从高纬度到低纬度的经向变化分布与大西洋-欧洲区相似,大西洋-欧洲极涡区与塔里木河流域之间存在西北-东南的环流异常分布,大西洋-欧洲极涡面积异常可能通过该环流异常分布影响塔里木河流域及周边风场、水汽输送和垂直运动,进而影响到该流域降水。     

两类El Ni?o事件对华南前汛期降水异常的影响

利用观测资料及模式结果探讨了EP/CP El Ni?o事件对华南前汛期（4—6月）降水异常的影响。结果发现,EP和CP型相关的华南前汛期降水异常分布之间存在明显月际差异,表现为4、5月EP（CP）型相关的降水异常以偏多（少）为主;6月则相反,EP（CP）型的降水呈负（正）异常分布。分析表明,EP型相关的4、5月偏强的副热带高压与850 hPa上西北太平洋反气旋异常相配合,有利于水汽从海洋向陆地输送,且两广地区水汽辐合,降水异常偏多;而6月相关的500 hPa异常场上对应偏强的东亚大槽,不利于水汽输送,且广东地区处于水汽辐散区,对应降水偏少。CP型相关的4、5月对应500 hPa上东亚大槽偏强,不利于水汽往陆地输送,且华南为水汽辐散,降水偏少;6月的500 hPa上呈现“+-+”的东亚-太平洋遥相关波列（EAP）型,华南地区为明显的水汽辐合,降水偏多。GFDL模式较好地再现了EP /CP型的4、5月降水异常分布及大气环流形势,但是对6月的模拟存在一定偏差。      

夏季南亚高压与邻近上对流层下平流层区水汽变化的联系

利用1979-2015年ERA-interim月平均再分析资料,分析了夏季南亚高压（SAH）与邻近上对流层下平流层（UTLS）区水汽空间分布特征,讨论了二者的相关关系和因果联系。结果表明:（1）在对流层上层,水汽大值区位于南亚高压的东南侧,并随高度升高向西北倾斜到100 hPa,水汽大值中心基本位于南亚高压中心附近。（2）南亚高压偏强（弱）时,南亚高压东部UTLS区水汽显著偏多（少）,而南亚高压西北部水汽异常不显著。（3）南亚高压偏强（弱）时南亚高压中部UTLS区水汽偏多（少）可能与南亚高压对水汽的抽吸和对水汽输送屏障有关。（4）而南亚高压东南侧UTLS区水汽偏多（少）时南亚高压偏强（弱）可能与深对流输送的水汽潜热释放有关。      

重庆市一次特强区域性高温天气过程诊断

2017年7月16日至8月7日重庆市出现1968年以来最强的一次区域性高温天气过程。利用重庆市34个站点逐日气象观测资料、NCEP/NCAR逐日再分析资料以及国家气候中心副高特征指数资料等,对此次区域性高温过程的环流特征、可能的大气内部扰动机制进行诊断分析。结果表明:对流层低层水汽输送偏弱,中层副热带高压持续偏强、偏西,高层西风带偏弱、偏北,冷空气活动次数少且偏弱以及南亚高压偏强促使副高西进北抬,这种异常的环流形势引发了此次区域性高温天气过程。与历史上较为突出的区域性高温过程相比,此次高温过程期间中高纬度地区对流层中高层环流较为平直,无明显的槽脊发展,低纬热带至中纬度地区位势高度一致性偏高。重庆及周边地区水汽收支仍为水汽输入,但较常年明显偏弱,且散度场上表现为辐散,较常年辐合值明显偏强。可见,重庆地区长时间处于水汽输送偏少、下沉气流偏强的环流形势控制下,从而形成高温少雨天气。     

玉林6月份降水异常及其环流形势分析

利用1961~2013年玉林地区五个台站6月份降水资料及NCEP/NCAR月平均再分析资料,分析了玉林地区6月降水的异常及其环流形势特征。结果表明:玉林地区6月降水年际变化明显,总的降水趋势变化不明显;降水异常偏多年,南亚高压和西太平洋副高都偏弱,500h Pa垂直运动偏强,高层辐散和低层辐合增强,低层水汽通量辐合增强,都有利于降水的发生;少雨年则相反。     

西藏高原汛期水汽输送特征与降水异常

利用1979—2006年NCEP/NCAR再分析资料计算垂直积分的整层水汽输送通量及水汽通量散度,分析西藏高原汛期5—9月水汽输送特征。结果表明：两藏高原汛期主要有两条水汽输送带,印度季风输送带和中纬度西风输送带;印度季风对汛期水汽输送起着决定性的作用,决定高原汛期开始时间和雨带的推进,水汽通量向北输送达到30 kg·m~（-1）·s~（-1）时,该经度上的测站将从南到北逐渐进入汛期;在水汽的空间分布上,高原南部边缘的3个水汽输送散度场中心恰好对应着高原的水汽输送通道,其形成与西藏高原的地形直接相关;西藏高原汛期降水主要可以分为3种雨型：全区型、东西型和南北型,并分别对应着不同的水汽输送异常：全区型时索马里越赤道急流水汽输送异常较强,高原区为水汽辐合区;东西型时西藏东南部为东北向输送异常,东南部水汽供应较常年偏弱;南北型时东南部水汽输送充足而错那以西地区水汽输送不足。     

夏季青藏高原地区水汽向平流层的等熵绝热和非绝热传输的气候学特征及其与落基山地区的对比

夏季亚洲季风区是对流层向平流层物质输送的主要通道,其对平流层水汽的变化有重要贡献。以往的研究表明亚洲季风区向平流层的水汽传输主要在青藏高原及周边地区。本文利用多年平均的逐日ERAi、MERRA再分析数据和微波临边观测仪（Microwave Limb Sounder,MLS）数据,首先对比分析夏季青藏高原周边上空水汽的分布特征,再利用再分析资料分析了对流层—平流层水汽传输的特征。结果表明:青藏高原周边特定的等熵面和对流层顶结构分布有利于水汽向平流层的绝热输送;在南亚高压的东北侧,从青藏高原到中太平洋地区,340~360 K层次存在最为显著的水汽向平流层的纬向等熵绝热输送通道,7~8月平均输送强度可达约7×103 kg s-1。此外,在伊朗高原及南亚高压的西部,350~360 K层次也存在一支水汽向平流层的经向等熵绝热输送通道,但强度相对较弱（约2.5×103 kg s-1）。在青藏高原南侧370~380 K层次存在强的水汽向平流层的非绝热输送,主要由深对流和大尺度上升运动引起,7~8月平均输送强度约0.4×103 kg s-1。落基山以东到大西洋西部,350~360 K层次存在水汽向平流层的纬向等熵绝热输送通道,但强度也弱得多（约2.5×103 kg s-1）。     

江淮流域2003年强梅雨期的水汽输送特征分析

在分析2003年6月21日到7月11日江淮流域强梅雨期间降水概况和大气环流基本特征的基础上,通过对水汽输送流函数及非辐散分量、势函数及辐散分量及江淮地区水汽收支的分析,表明江淮流域是该时期全球范围内水汽汇的一个高值中心,且水汽通量大值区和水汽辐合区与降水大值区基本一致.从水汽的输送来看,夏季印度风环流和南海夏季风是向江淮流域输送水汽的主要通道.梅雨期内,中层大气中的水汽主要是垂直上升运动对低层水汽的抬升作用,同时,低纬大洋上的水汽也可途经青藏高原后再从西边界向东输入到江淮地区,它的输送有可能增大江淮流域上空对流层中层大气中的水汽含量,从而有利于强梅雨在江淮流域的发生.计算分析还表明2003年强降水从前期的长江流域移到后期的淮河流域,是与大范围的水汽输送和辐合中心北移相联系的,较小空间范围的强暴雨洪涝的发生在有利的大尺度环境下,还与其他条件有关.     

东亚副热带西风急流位置异常对长江中下游夏季降水的影响

利用NCEP/NCAR 200 hPa月平均风场再分析资料,定义东亚大陆对流层上层不同经度上最大西风所在位置的平均纬度为东亚副热带西风急流轴线指数,该指数能准确反映东亚副热带西风急流位置的南北变化及其对长江中下游降水的影响,并能较好地体现东亚夏季风盛行期间对流层低层与高层的纬向风场变化特征。分析表明,该指数的时间变化具有与长江中下游夏季降水较一致的年代际变化及年际振荡特征。对东亚副热带西风急流位置异常年的大气环流差异分析表明,急流异常偏北时,南亚高压偏弱,位置偏北偏西,呈伊朗高压型;西太平洋副热带高压(下称西太副高)偏弱、位置偏东偏北;气流的辐合上升区北移至华北一带,而长江流域低层风场为辐散异常,上升气流较常年偏弱,降水偏少。急流异常偏南时,南亚高压偏强,位置偏南偏东,呈青藏高压型;西太副高偏强、位置偏西偏南;长江流域地区上空低层有较强辐合上升气流,高层有较强的气流辐散,对流旺盛,雨带在此维持,容易引发洪涝。     

哈密市三次暴雨过程水汽特征对比分析

利用常规观测、区域自动站逐小时降水、NCEP/NCAR和GDAS再分析等资料,对比分析了2018－2019年哈密市三次暴雨过程的环流背景、水汽输送、辐合（辐散）和水汽收支等特征。结果表明：三次暴雨过程均发生在巴尔喀什湖地区有低涡、蒙古地区有高压脊的环流背景下,当对流层高层南亚高压中心东移且东部中心强度增强、中亚西风槽前存在强西南急流,对流层中层欧洲高压脊偏强、低涡偏南、西太副高偏西偏北时,有利于暴雨落区偏南、降水强度强,反之暴雨落区偏北、降水偏弱。三次暴雨过程水汽源地、水汽输送路径及水汽贡献有所差异,水汽源地的多源性和源地水汽贡献量的多少会对哈密市降雨的强弱有一定的影响。对流层中低层蒙古的反气旋有利于暖湿空汽沿着河西走廊的偏东急流输送至暴雨区,有利于暴雨的增幅。三次过程不同边界水汽收支量有所差异,东边界的低层和西边界的中高层为水汽的主要输入边界。强降水区各边界水汽净流入的强度、维持时间以及水汽的辐合强度对强降水的发展和维持起关键作用。     

从水汽角度对青藏高原东南侧高空探测布局的分析

水汽是大气探测最关心的要素之一。从青藏高原东南侧出发,以NCEP再分析资料为基础,利用水汽气候诊断方法结合区域地形研究了该区域的水汽分布、输送与辐合辐散特征,并讨论了探空站布局。水汽输送分布与大气可降水季节差异均表明,青藏高原东南侧是夏、秋季东亚季风和南亚季风影响的季风过渡区,也是东亚地区最主要的水汽通道之一,尤其在秋、冬、春季此通道的水汽输送更为关键。青藏高原东南侧的大气可降水量比西南侧明显要大,这与低纬高原和青藏高原南侧南凸弧形构成的地形组合有着密切关系。青藏高原东南侧地形对水汽辐合、辐散的影响具有复杂性和特殊性,既有经向、纬向差异也有高低层差异。复杂的水汽分布及输送特征需要加强水汽探测。通过对水汽探测关键区的量化研究表明,滇西北—藏东南—缅北地区、滇东—黔西地区以及滇西南地区是观测需求较为显著的区域。     

东亚和南亚季风协同作用对西南地区夏季降水的影响

为探究东亚夏季风（EASM,East Asian summer monsoon）和南亚夏季风（SASM,South Asian summer monsoon）相互作用及其强弱变化对西南地区夏季降水的影响,利用1979—2019年西南地区161站逐日降水观测资料和ERA-5提供的1979—2019年全球再分析资料,通过对比西南地区夏季标准化降水指数与东亚和南亚夏季风强度指数的相关,提出了东亚夏季风和南亚夏季风的4类协同作用,并分析了4类季风协同作用对西南地区降水的影响。结果表明:（1）EASM和SASM存在强EASM-强SASM、强EASM-弱SASM、弱EASM-弱SASM和弱EASM-强SASM 4类季风协同作用,其对应的协同年降水特征分别为四川盆地西部型、西南全区一致型、四川全盆地型及西南东部型。（2）强EASM-强SASM年,西太平洋副热带高压偏东偏弱,伊朗高压偏西偏弱,印度半岛东北部与中国南海存在两个气旋式环流,EASM将中国南海—西太平洋的水汽输送至西南地区,西南地区整体水汽辐合较弱,多下沉运动,降水较少,成都平原存在较明显的水汽辐合,上升运动明显,降水较多。强EASM-弱SASM年,西太平洋副热带高压偏东偏弱,伊朗高压偏东偏强,反气旋式环流与气旋式环流位于印度半岛南部与西太平洋,EASM将中国南海—西太平洋的水汽输送至西南地区,西南地区有明显的水汽辐合和上升运动,降水较多。弱EASM-弱SASM年,西太平洋副热带高压西伸与东伸的伊朗高压打通,低纬度地区无明显的环流圈,孟加拉湾西侧水汽向北输送至四川盆地,并伴有明显的上升运动,其余地区水汽辐散,气流下沉,降水较少。弱EASM-强SASM年则与强EASM-弱SASM年基本相反。