海温异常对西太平洋副热带高压脊面演变影响的机制研究

根据欧洲中期数值预报中心提供的大气环流资料和NOAA提供的海温资料, 应用改进的低阶谱模式方法研究了海温异常对西太平洋副热带高压脊面演变影响的物理机制. 结果表明, 在El Niño型海温强迫下, 大气环流内部动力过程中的大尺度波波和波流相互作用较弱. 随着外部热源强迫从冬季型向夏季型推进, 西太平洋副热带高压脊面北进不明显, 使得夏季西太平洋副热带高压脊面相对偏南. 在La Niña型海温强迫下, 大气环流内部动力过程中的大尺度波波和波流相互作用明显. 随着外源强迫从冬季型向夏季型转变, 西太平洋副热带高压脊面将随之向北移动19个纬度左右, 使得夏季西太平洋副热带高压脊面偏北; 且北移到达一定纬度后, 西太平洋副热带高压脊面表现出较为显著的30~60 d季节内南北振荡, 振幅在4°~7°之间.不同海温异常型所导致的大气内部动力过程差异是造成西太平洋副热带高压脊面年际变化的重要原因之一.     

华南前汛期降水异常与太平洋海表温度异常的关系

利用近50年华南地区站点逐日降水观测资料和全球大气、海洋分析资料,分析了华南前汛期降水异常的变化特征及其与太平洋海温异常的联系.结果表明,近50年来华南前汛期降水总体呈现减少趋势.影响华南前汛期降水异常的太平洋海温异常型是一个类似于ENSO的西太平洋暖池模态,即显著海温异常区域位于西太平洋暖池.西太平洋暖池区域(120°E-180°E,20°S-20°N)前期冬季海温异常同华南前汛期降水存在显著的负相关关系,是具有预报意义的海温关键区.该关键区海温异常影响华南前汛期降水的可能物理过程是:当前期冬季暖池异常偏暖时,菲律宾周围地区对流活动加强,导致Walker环流及东亚太平洋中低纬局地Hadley环流增强;该异常通过影响东亚－太平洋遥相关波列,使前汛期期间西太平洋副高加强西伸,脊线位置偏北,同时副热带西风急流减弱北退.随着Hadley环流上升支的增强,东亚副热带地区下沉运动也增强了,华南地区对流活动受到抑制.而且由于副高的增强,经过其北侧向华南地区的西南水汽输送辐合也减弱了,因此前汛期降水偏少.冷海温年的情形则相反,华南前汛期降水偏多.近50年来华南前汛期降水总体呈现趋势性减少正是由于前冬西太平洋暖池趋势性增暖所致.     

新疆北部汛期降水年际和年代际异常的环流特征

新疆北部汛期（7～8月）降水量具有明显的年际和年代际变化.针对年代际、除去年代际后年际和不同年代际背景下年际变化三种时间尺度，利用NECP/NCAR再分析资料，分析相应的大气环流.结果表明，三种时间尺度降水变化的物理机制不同，年代际背景非常重要.新疆北部汛期降水异常时，欧亚中高纬环流系统具有相当正压结构的显著异常.从气候角度和年代际大气环流变化，提出新疆年代际增湿存在索马里越赤道急流到新疆的三段式水汽接力输送方式，索马里急流和热带印度洋是中亚和新疆的重要水汽补充源之一.     

西太平洋副热带高压演变物理机制的研究

针对前人利用低谱模式研究大气运动多平衡态存在的不足, 应用四因子最优子集反演方法和相应的资料分别反演获得了描述西太平洋副热带高压位置偏北年和偏南年500 hPa高度场和相应OLR场低谱截断基函数具体形式. 应用多平衡态理论研究了西太平洋副热带高压演变的物理机制. 结果表明, 造成西太平洋副热带高压位置异常的原因是前期外部的热力强迫的差异, 导致了大气产生不同的响应波型. 较强的经向和纬向外部热力差异致使大气所产生的响应波型间存在波流和波波相互作用, 从而使得西太平洋副热带高压发生北跳后而位置偏北; 相反, 较弱的经向和纬向外部热力差异致使大气所产生的响应波型间不存在波流相互作用, 使得西太平洋副热带高压不发生北跳, 只随外源强迫的振荡而振荡, 造成西太平洋副热带高压位置偏南.     

西北太平洋热带气旋活动影响区域大尺度环流的数值模拟研究

本文利用"模式手术"方法研究了西北太平洋热带气旋(TC)对东亚—西北太平洋区域大尺度环流的影响.结果表明,夏季频繁的西北太平洋TC活动导致东亚夏季风增强,季风槽加深;西太平洋副热带高压东退,位置偏北;东亚副热带高空急流强度增强,北太平洋(东亚大陆)上急流轴偏北(偏南);热带地区(副热带地区)的对流层中低层出现异常上升气流(下沉气流),并且从低纬向高纬呈现异常上升气流和异常下沉气流交替分布特征.在中国东南沿海,TC降水导致夏季降水量明显增加;而在长江中下游和华北地区,TC活动引起的异常下沉气流使夏季降水量显著减少.因此,夏季西北太平洋TC活动对东亚—西北太平洋区域气候有显著影响.     

影响东北初夏和盛夏降水年际变化的环流特征分析

东北地区是我国主要的粮食生产基地,而夏季是东北农作物的主要生长季,也是降水集中的季节,降水量的多少及其分布是影响东北地区粮食产量的重要因素之一.本文利用中国东北地区79个台站观测的月平均降水资料和ECMWF再分析资料,通过相关分析和回归分析,讨论了影响东北地区夏季5~8月降水年际变化的大尺度环流特征.结果发现：东北地区降水年际变化对应的环流异常在5,6月（初夏）和7,8月（盛夏）具有明显不同的特征;初夏降水异常以冷涡活动的影响为主,而盛夏则以东亚夏季风的影响为主.初夏,东北地区降水偏多年,东北地区西北部出现随高度向西倾斜的异常气旋性环流,东北地区冷涡活动频繁.盛夏,东北地区降水异常主要受到局地对流层高层东亚高空西风急流北移以及低层的西太平洋副热带高压西伸北进的影响.随着西太平洋副热带高压西北侧西南风异常的加强,向北输送到东北地区的水汽显著增多,东北地区盛夏降水偏多.此外,与7月份相比,8月东北降水除了受到夏季风的影响以外,还受到中高纬度东北亚阻塞高压的影响.     

北太平洋海温与广西前汛期降水的联系

利用1979—2019年全国160站逐月降水资料、Hadley中心海温资料、NOAA以及NCEP/NCAR再分析资料,结合相关分析、信息流以及合成分析方法,分析了北太平洋海温异常与广西前汛期降水的同期联系,并初步探讨了前者对后者的影响及可能机制,结果表明：北太平洋关键区海温是广西前汛期降水的显著影响源,海温正位相(负位相)的异常分布在一定程度上导致了广西前汛期降水增多(减少).北太平洋关键区海温变化可以独立于赤道中东太平洋影响前汛期降水,而赤道中东太平洋海温变化可以起到调制作用,增强两者联系.北太平洋为正位相海温异常时,大气为“+-+”的经向三极型位势高度异常响应.与此同时,海温异常激发了向下游中高纬传播的Rossby波列,引起东亚沿岸位势高度正异常和反气旋环流异常.在上述机制下,贝加尔湖高压脊和东亚大槽均显著增强,使得中高纬冷空气更易南下.赤道中东太平洋海温的调制作用体现在对中低纬环流的影响.关键区海温正位相对应于赤道中东太平洋海温偏暖,后者引起局地异常上升运动,减弱Walker环流进而导致赤道西太平洋出现下沉异常,抑制了对流活动,在西北太平洋强迫出异常反气旋,使得副高加强西伸.副高...     

华南前汛期开始和结束日期的划分

本文利用48年（1957～2004年）中国站点逐日降水资料和同期NCEP/ NCAR逐日再分析资料,研究了华南前汛期的开始和结束时间的划分问题.首先,选择了研究华南前汛期问题的区域和代表站点,然后对降水量、水汽（可降水量,水汽通量,水汽通量散度）、垂直速度和假相当位温等物理量的演变特征进行分析,发现：前汛期起、止前后上述要素均有阶段性的突变.其中4月第1候（19候）是华南前汛期的开始,可降水量、水汽通量和假相当位温等增加显著,对流开始活跃,水汽通量散度也由辐散变为辐合,降水量明显增加.但4月份总体雨量不强,主要为锋面降水.5月份随夏季风爆发,水汽继续增加,对流活跃,进入季风降水阶段;夏季风降水盛期时段主要集中在6月份.6月第4候（34候）前汛期结束,各降水指标骤减.然后根据降水和环流指标,提出了华南前汛期开始和结束日期的划分标准,定义了逐年的开始和结束日期.最后对华南前汛期开始期之前、之后以及结束期之前、之后的大气环流背景做了对比分析.指出,前汛期开始前,环流形势有利于华南地区增暖增湿;开始期以后则有利于冷空气南下,造成连续降水,使华南进入前汛期.而前汛期的结束,则是由于东亚大气环流的季节调整,尤其是西太平洋副热带高压的第一次北跳所造成的.     

华南沿海前汛期极端降水与地球章动的相关性探索

华南前汛期的预报是气象和水利工作者共同关注的重要课题,由于大气环流场的变化会对大范围降水产生影响,比如华南前汛期,而地球章动的变化将引起大气环流场的改变,从而影响天气,基于此理论本文探索1982-2012年间章动变化与华南沿海前汛期极端降水量的相关性,结果发现,4月旬降水量最大值年份对应的前60天章动较最小年份,其振幅大或波动频繁;6月降水量最大值年份对应的前60天章动较最小年份,其振幅明显小或波动少;5月为转折期,章动反相之后,其章动特征与6月趋于一致.月降水量最大值年对应的章动变化,其振幅相对较小,或波动相对较少,这也反映了决定月降水量大小的环流以纬向环流占优势,以上发现为大范围极端降水提供了一种新的预报思路和方法.     

淮河流域夏季降水的振荡特征及其与气候背景的联系

利用1922~2007年淮河流域和长江中下游夏季降水量资料,使用小波变换、广义极值分布等方法,分析了近86年来淮河流域夏季降水的年际、年代际振荡和概率分布特征.在此基础上,分析了东亚夏季风、太平洋海表温度及东亚遥相关环流等气候背景与淮河流域夏季降水年际和年代际振荡的联系.另外,还比较了淮河流域与长江中下游夏季降水年代际振荡特征及其气候背景的差异.结果表明：①淮河流域夏季降水存在显著的准2年振荡和年代际振荡特征.准2年振荡的强弱变化与年代际振荡强弱变化一致.20世纪90年代末以来,淮河流域夏季降水处在年代际偏多期,准2年振荡特征突出,极端强降水事件的概率亦显著增加;②淮河流域夏季降水年代际振荡与PDO及东亚夏季风年代际振荡关系密切,当PDO处于冷位相年代际阶段且东亚夏季风处于年代际偏弱时,淮河流域夏季降水呈年代际偏多趋势;③淮河流域夏季降水的准2年振荡主要受到东亚夏季风准2年振荡的控制,同时与东亚环流系统从高纬至低纬的＂＋,？,＋＂特定配置有关;④淮河流域与长江中下游夏季降水存在年代际位相差异,其差异主要与西太平洋副热带高压强度和位置的年代际变化有关.     

全球纬向平均大气环流基本模态年代际变化的凝聚小波分析

应用1871-2008年NCEP／NCAR月平均再分析资料,研究了1948-2008年期间全球纬向平均大气环流基本模态的年代际变化.小波凝聚谱的结果表明全球纬向平均大气环流基本模态存在显著的20年左右周期的年代际变化.小波凝聚位相的结果清楚地显示了纬向平均大气环流基本模态的变化顺序.在20年左右的年代际变化时间尺度上,全球纬向平均温度超前纬向平均位势高度2个月,同时超前纬向平均流10个月出现变化;全球纬向平均位势高度又超前纬向平均流8个月出现变化.全球温度上升(下降), 将使高纬度的纬向平均位势高度降低(升高),中低纬度的纬向平均位势高度升高(降低);进而使得中高纬和热带的纬向平均西风加(减)速或东风减(加)速,同时使极地和副热带的西风减(加)速或东风加(减)速.20世纪70年代末期以来全球显著增暖的异常信号最早出现在南半球对流层顶附近,其次出现在南半球对流层低层、北半球对流层顶附近和北半球对流层低层.     

27.3及13.6 d周期的大气潮

对比分析了25 a (1973~1998年)的日长(Length of day, 以下简称LOD)、大气环流及月球相位随时间的变化. 发现伴随着月球相位的交替变化, 地球大气的纬向风速场、地球位势高度场及LOD作27.3及13.6 d的周期振荡. 每5~9 d (平均6.8 d), 随着月球视赤纬角从0°变为最大值(绝对值)或从最大值变为0°, 全球纬向风速场、地球位势高度场及LOD经历一次突然变化. 这种周期性的大气振荡, 被视为一种大气潮. 对比月球视赤纬角变化及与其对应的LOD、大气纬向风速场及地球位势高度场变化, 分析了10个大气潮个例. 月球对地球大气引潮力作用的周期变化, 是引发27.3及13.6 d周期大气潮的主要原因. 月球对地球大气的作用是巨大的, 它引起大气纬向风速场及地球位势高度场的变化. 当月球围绕地球运转至天赤道上空时, 月球视赤纬角等于0°, 这时月球对大气的引潮力最大, 大气的纬向风速增加, 地球的自转角速度减小, 日长(LOD)增加. 反之, 当月球视赤纬角最大(绝对值), 月球对大气的引潮力减小, 大气纬向风速减小, 地球的自转角速度增加, LOD减小. 27.3及13.6 d周期的大气潮值得更深入地研究. 月球对地球大气的引潮力作用, 应该在大气环流及中短期天气预报模式中予以考虑.     

全球变暖背景下春季Hadley环流与东亚夏季风环流年际对应关系的多模式预估

观测事实揭示,春季Hadley环流在年际时间尺度上与东亚夏季风环流和降水具有密切联系.在未来全球变暖背景下,春季Hadley环流与东亚夏季风环流和降水的这种年际关系是否会发生变化？针对该问题,本文在评估的基础上选取五个气候模式,分析了A1B排放情景下春季北半球Hadley环流年际变率的未来变化及其与东亚夏季风环流和降水的年际关系.多模式集合(MME)预估结果表明,在全球变暖背景下,与20世纪末期(1970—1999年)相比,到21世纪末期(2070—2099年),春季北半球Hadley环流的年际变率强度将减弱,减弱幅度达32%.随着春季Hadley环流年际变率的减弱,其与夏季西太平洋副热带高压和东亚夏季风强度的联系将变弱.MME模拟结果还显示,春季Hadley环流与夏季东亚西风急流和降水的关系也降低,但各单个模式间存在较大差异.     

亚洲-太平洋涛动与西北太平洋热带气旋频数的关系

通过对观测资料的分析, 初步探讨了夏季亚洲-太平洋涛动(Asian-Pacific Oscillation, APO)和西北太平洋热带气旋频数的关系, 发现APO强弱的年际变化与西北太平洋热带气旋频数多寡之间具有显著的正相关关系, 夏季APO偏强(弱)时, 西北太平洋热带气旋偏多(少). 研究进一步揭示, APO变化可导致西北太平洋区域主要大气环流系统出现异常, 而大气环流的这种异常变化正是APO与西北太平洋热带气旋频数相联系的原因. 当APO处于正位相时, 西太平洋副热带高压减弱, 位置偏东偏北; 西北太平洋地区高层大气异常辐散, 低层大气异常辐合; 纬向风垂直切变减弱. 这些变化均为西北太平洋热带气旋的形成提供了有利的大气环流条件, 因此, 西北太平洋热带气旋频数偏多. 反之亦然.     

El Nino演变不同阶段东亚大气环流年际异常型的数值模拟

给定1948～1999年逐月变化的全球观测的海表温度分布，使用全球大气环流模式（CCM3/NCAR）模拟了大气对海表温度变化的响应，利用SVD和合成检验方法，分析了El Nino发展阶段夏季、成熟阶段冬季以及衰亡阶段夏季东亚大气环流的年际异常型.结果表明：El Nino发展阶段夏季，中国东北、朝鲜半岛以及日本海附近为高度负异常中心，西太平洋副高偏弱、偏东，东亚夏季风增强；El Nino成熟阶段冬季，东亚大槽加强，东亚北部冬季风加强；El Nino衰亡阶段夏季，西太平洋副高偏强、偏南、西伸，东亚夏季风减弱；El Nino事件在其衰亡阶段夏季与东亚大气环流异常的关系最紧密，其次是成熟阶段冬季，最后是发展阶段夏季.模拟的El Nino演变不同阶段东亚大气环流年际异常型易于解释以往研究中观测分析揭示的由El Nino造成的我国东部气温和降水异常型.     

东亚副热带夏季风建立与中国汛期开始时间

采用谐波等分析方法,讨论了季节转化过程中东亚大陆降水和对流层风场时空分布特征、海-陆热力差异以及大气加热与风场和降水之间的季节变化关系,确定了春季中国江南降水的副热带夏季风性质.分析认为,3月份中国江南春雨是东亚副热带夏季风降水的孕育阶段,4月初东西向海陆热力差异在东亚副热带地区最早完成冬夏的季节性反转,时间早于南海夏季风爆发并对应华南前汛期的开始,标志着东亚副热带夏季风的建立和中国汛期降水的开始.东亚副热带夏季风主要活动在东亚100°E以东、20°N以北地区,春季（3~4月份）中南半岛和江南地区大气加热的持续作用可能导致了东亚东西向海陆热力差异在副热带地区完成反转.其中,江南上空大气热源是导致该地区对流层低层西南风、上升运动和降水增强的主要原因.     

全球变暖背景下中国东部夏季三类雨型预测概念模型新建

在全球变暖的背景下,20世纪70年代末期全球气候发生了显著的年代际变化.厄尔尼诺和南方涛动(ENSO)作为预测全球气候年际变率的最强信号,其与中国夏季降水之间的关系发生了显著地改变,对中国夏季降水的指示意义减弱,导致中国东部夏季三类雨型早期预测概念模型的准确率明显下降.本文通过分析全球显著变暖前(1951~1978年)、后(1979~2012年)两个阶段中国东部夏季三类雨型同期大气环流系统的配置、前冬海洋和大气环流及其相互作用的差异,结果发现:(1)影响中国夏季三类雨型的大气环流在不同年代际背景下具有一致性,但在全球显著变暖的后一阶段,西太副高偏强偏南,欧亚中高纬阻塞高压活动频繁,而极涡南扩,经向环流加强,这种环流背景有利于中国东部夏季Ⅱ,Ⅲ类雨型对应的环流频率增加,而Ⅰ类雨型对应的环流频率减少,导致中国夏季Ⅱ,Ⅲ类雨型偏多而Ⅰ类雨型偏少;(2)前一阶段,不同雨型对应的前冬海温场差异显著,同时ENSO对北太平洋涛动(NPO)的影响较强,NPO对夏季Ⅰ,Ⅱ类雨型有较好的判别能力,后一阶段此判别能力下降,而ENSO对太平洋/北美型(PNA)遥相关的影响加强,PNA对Ⅱ,Ⅲ类雨型的判别能力提升.基于新的年代际气候背景,利用前冬PNA和欧亚型(EU)遥相关指数,对中国东部夏季三类雨型预测概念模型进行了新建,其拟合效果较理想,实际预测准确率有待进一步检验.     

中国东部夏季暴雨极端事件与水汽输送相关流型特征

1961~2010年中国东部夏季季风过程降水量与暴雨频数年际变化分析发现,两者年代际变化趋势相反,尤其90年代后暴雨频数年代际变化呈显著上升趋势,而中国东部夏季降水量却总体上呈下降趋势.分析1961~2010年夏季暴雨频数空间分布场,研究发现中国东部暴雨频数分布状态呈东南高频区向西北方向的大地形边缘带逐步递减,其可描述出50mm以上暴雨频数分布特征为"东南高,西北低"的与地形"阶梯式"分布相似的格局.另外,在全球气候变化背景下中国东部夏季降水变率与暴雨极端事件频数年际变率空间分布在中国"三阶梯"地形存在显著的区域性差异.研究发现中国东部夏季季风过程降水与暴雨极端事件频数相关的水汽输送通道及其水汽流型,水汽流汇合区的空间结构均呈显著差异.长江流域及华南等为暴雨高频区,中国东部暴雨过程整层水汽输送通道相关结构可描述出自中低纬海洋三支强水汽流"汇合"及其整层水汽辐合特征,此暴雨高频区水汽流相关"汇合"较夏季季风过程降水或非暴雨类降水"偏南",且水汽"辐合"结构更为显著.另外,中国东部夏季水汽流环流型特征亦对暴雨极端事件发生频数也有着重要的影响.整层水汽通量相关场暴雨类高频区对应矢气旋式涡旋结构环流型,对比分析非暴雨降水和暴雨频数与整层水汽输送通量相关矢场,可发现两者呈空间位置、尺度不同的相关气旋式环流型,其中暴雨类相关环流型"涡动"结构尺度小、位置偏南;非暴雨降水相关涡动结构尺度大、位置偏北.研究表明了夏季风强弱变化背景下整层水汽输送"涡动"环流的"驱动"及其水汽通量"辐合"的结构对中国东部暴雨高频区南-北位移格局变动有显著影响效应,中国东部暴雨高频区的年代际南北动态"摆动"与中国东部水汽输送"涡动"结构的涡度(正值中心)与散度高值区(负值中心)呈"同步"年代际变化特征.基于上述暴雨极端事件水汽输送及环流型影响综合分析研究,本文研究还提出了中国东部暴雨水汽输送流型结构的综合相关模型.     

厄尔尼诺/南方涛动与赤道远西太平洋准两年周期振荡之间相互作用的概念模式

建立了一个反映厄尔尼诺/南方涛动(ENSO)与热带远西太平洋准两年振荡(QBOWP)相互作用最基本物理过程的新概念模式. 在此概念模式中, QBOWP对ENSO的影响通过两种途径: (1) 沿赤道太平洋海洋Kelvin波和 (2) 大气的Walker环流; 而ENSO对QBOWP的影响则可通过大气的Walker环流异常来实现. 对该模式结果的分析诊断表明: 在ENSO与QBOWP相互作用过程中, 大气桥(Walker环流)的作用比海洋桥(沿赤道太平洋的Kelvin波)更重要; 通过QBOWP与ENSO的相互作用, 一个3~5年周期的ENSO振荡可以变为准两年振荡, 而赤道远西太平洋年际变化的主要周期也会变长; 热带太平洋大气-海洋耦合系统的多时间尺度的年际变化可以通过ENSO与QBOWP的相互作用来实现.     

决定北半球冬季哈得莱环流年际变率的三维大气环流图像:观测分析和数值模拟

本文利用NCEP/NCAR再分析资料,分析了1979~2008年北半球冬季哈得莱(Hadley)环流年际变化的特征,在此基础上,讨论了在观测海温驱动下大气环流模式的模拟结果.观测分析表明,近30年北半球冬季哈得莱环流年际变率的主导模态呈现出空间上的非均匀变化,哈得莱环流圈位于热带部分与其位于副热带部分的强度变化符号相反,这在表征其年际变化特征的另一指标——经向风垂直切变中亦有显著体现.大气环流模式AMIP积分试验结果表明,北半球冬季哈得莱环流强度的上述年际变化源于海温强迫.分析发现,热带中东太平洋和南印度洋暖海温距平强迫导致了哈得莱环流强度年际变化的主导模态呈现出空间上的非均匀变化.ElNio的局地作用和大气桥作用激发的太平洋局地哈得莱环流(30°S~30°N,150°E~90°W)和大西洋局地哈得莱环流(30°S~30°N,90°W~10°W)并非呈现出整体一致的变化,尽管二者纬向平均后分别使气候平均的哈得莱环流圈强度加强和减弱.ElNio遥强迫作用激发的西北太平洋反气旋(0°~30°N,100°E~150°E)使北半球Hadley环流圈强度减弱,ElNio和南印度洋暖海温距平共同强迫出的南印度洋反气旋(30°S~0°,60°E~100°E)使南半球Hadley环流圈的强度亦减弱.上述局地哈得莱环流的变化叠加后,因纬向平均的太平洋局地哈得莱环流强度在(副)热带部分的增强大(小)于纬向平均的大西洋局地哈得莱环流和西北太平洋、南印度洋局地哈得莱环流在(副)热带地区的减弱,结果使得哈得莱环流圈的强度在(副)热带部分偏强(弱);较之南半球,北半球强度变化稍强.因此,北半球冬季哈得莱环流年际变率的主导模态在空间上呈现出非均匀变化.