西北干旱区空中水资源的时空变化特征及其原因分析

利用1979—2008年NCEP/NCAR月平均再分析资料,从大气可降水量、水汽输送及收支等方面分析西北干旱区空中水资源的时空变化特征,并揭示其主要原因。研究表明,1979—2008年西北干旱区整层年水汽含量略呈增加趋势,而夏季水汽总收入呈现显著增加趋势。区域空中水资源的变化与中纬度西风水汽输送密切相关。尽管区域西风指数的年代际减弱反映了西北干旱区东、西边界西风水汽输送的减弱趋势;但受区域特殊地形的影响,区域东边界水汽收支的减弱趋势远强于西边界,使得大量的水汽滞留于西北干旱区,从而导致该区域夏季水汽总收入呈现增加趋势。     

西北东部夏季极端干旱事件机理分析

利用国家气候中心提供的1951—2012年逐日降水、温度、综合气象干旱指数、逐月NCEP/NCAR再分析资料等,采用REOF分析、动力诊断、相关分析以及合成分析等方法,从大气环流异常特征、高空急流与季风异常等方面揭示西北东部夏季极端干旱事件的可能机理。研究发现西北东部夏季发生极端干旱时,副热带急流轴"倾斜",且急流与东亚夏季风强度均处于相对偏弱阶段。极端干旱的成因研究表明:急流轴"倾斜"及其强度减弱导致西北东部地区高层大范围的异常辐合;该地区为水汽源区,对流层整层水汽收支显著亏损;此外,该地区低层盛行来自内陆干旱区的异常西南风,东亚夏季风强度偏弱,高低层配置及大尺度环流形势不利于降水产生。     

中国东部冬季气温异常与海表温度异常的关系分析

采用SVD、 相关分析及EOF方法, 分析了中国东部冬季地面气温与北大西洋及北太平洋海温异常变化的关系。结果表明： （1）中国东部冬季气温变化的一致性较高; （2）冬季气温异常与前一年9月北大西洋海域关键区（16°～40°N, 60°～24°W）海温和当年2月西北太平洋关键区（20°～40°N, 124°E～180°）海温呈显著的正相关分布, 即前一年9月北大西洋和当年2月西北太平洋海温异常偏高（低）, 东部冬季气温亦偏高（低）, 即前一年9月北大西洋海温的异常是否为我国冬季气温的气候预测提供了一种前期信号; （3）关键区海温对中国东部冬季气温的影响存在区域差异。北大西洋前期海温与中国东部冬季气温有密切的关系, 而西北太平洋的海温主要影响长江流域及其以北的季风中部区; （4）海温影响气温的可能机理是西北太平洋海温异常升高, 使乌山脊减弱, 阿拉斯加脊减弱, 东亚大槽减弱向东移动, 纬向环流加强, 高纬度的冷空气不易南下, 导致我国东部大部分地区冬季气温偏暖, 反之亦然。在年代际尺度上, 纬向环流和东亚大槽对海温有显著的响应; 但在年际变化方面, 东亚大槽对海温的响应不显著。     

天山山区水汽输送气候特征

应用2000～2011年NCEP/NCAR再分析逐日6h 1 1资料,分析了新疆天山山区对流层不同层次空中水汽输送特征,结果表明：(1)天山山区地面～100 hPa每年平均有11504.1×108t水汽输入,11337.0×108t水汽输出,水汽净收支为167.1×108t,其中西、北边界为输入,东、南边界为输出,对流层中层水汽输送量最大,低层次之,高层最小。天山山区水汽总输入量占全新疆水汽输入量的44.1%。(2)各季节中夏季水汽输送量最大,春季、秋季相当,冬季最小,西边界、北边界均为水汽输入边界,东边界、南边界均为水汽输出边界,对流层中层水汽输入量最大。     

2004年7月华南暴雨期水汽的初步研究

利用NCEP/NCAR每日4次全球再分析1°×1°网格资料,计算了2004年7月华南汛期暴雨过程中的水汽收支,通过对华南地区暴雨期水汽输送路径的分析,揭示了不同地理区域的水汽来源对华南暴雨特征的可能影响.结果表明.在暴雨期.暴雨区的水汽主要是从南边界和西边界流入的,东边界和北边界则流出,并且水汽的流入、流出主要在中低层进行.来自南边界的水汽要大于来自西边界的,在流入边界上,水汽通量的垂直分布存在差异.在南边界上水汽在低层由南往北输送,在高层从北往南输送,维持了陆地与海洋之间的水汽循环.     

桂北山区一次持续性暴雨的水汽输送特征

利用常规观测资料、区域自动站资料、NCEP/NCAR逐6 h再分析资料,对2021年6月28日~7月4日柳州持续性暴雨的环流形势和水汽输送特征进行了分析。结果表明:500 hPa南支槽和副热带高压的对峙导致850 hPa低涡切变稳定少动,为暴雨区建立了稳定、持续的水汽通道;南海夏季风的爆发为暴雨区提供源源不断的水汽,水汽输送大值带主要位于700 hPa以下,以边界层925 hPa水汽辐合最强;从水汽收支看,南边界为主要水汽输入边界,东边界则为水汽主要输出边界,越往高层水汽出流越明显;南边界水汽输入对于区域水汽净流入的贡献主要在700 hPa以下,且越往低层南边界水汽贡献越明显;柳州北部元宝山脉对水汽的流出有一定阻挡作用,925 hPa以下北边界的水汽流出比南边界的流入小一个量级。      

夏季青藏高原东南部水汽收支气候特征及其影响

采用1961—2005年NCEP/NCAR再分析资料, 研究了夏季青藏高原东南部水汽收支的气候特征及其影响效应。结果表明:夏季青藏高原东南部总体上是一个水汽汇区, 平均总收入为39.9×106 kg/s。东亚夏季风的建立、推进对青藏高原东南部的水汽输入有重要影响, 而青藏高原东南部的水汽输出则与夏季我国东部雨带的推进过程密切相关。该区对周边地区的水汽收支有重要影响, 是向我国西北地区东部、长江中下游地区输送水汽的重要通道, 青藏高原东南部的水汽“转运站”效应是长江中下游流域洪涝和北方夏季干旱异常的关键因子之一。青藏高原东南部东、北边界夏季水汽收支均具有准两年周期振荡特征, 并分别与长江中下游、西北地区东部夏季降水的准两年振荡特征具有一定的联系。     

气温变化对中国夏季云水量的影响

利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的1979-2016年ERA-Interim再分析资料分析了中国4个地区夏季大气水循环变量和气温时空特征,并通过相关分析、SVD方法及环流场合成分析进一步揭示了气温变化对云水含量的影响。结果表明:中国夏季云水含量空间分布从东南向西北减少。高原区云水含量与气温正相关,其他地区为显著负相关。西北地区升温使西风带水汽输送减弱和蒙古东部异常反气旋环流维持,北方地区升温使东北至蒙古异常反气旋和东南沿海异常气旋维持,西北太平洋副热带高压(副高)东撤,二者均使200 hPa西风急流减弱,水汽输送和上升运动减弱,云水含量减少。南方地区升温使黄海异常反气旋和南海异常气旋维持,副高东撤,200 hPa西风急流偏北,不利于水汽输送和上升运动,云水含量减少。高原地区升温使西风带南支和高原西部异常气旋加强,副高西伸北抬,高原北侧西风急流和南亚高压增强,促进水汽输送和低层辐合上升,使云液水含量增加。     

西北地区东部异常干旱的动力特征

本文利用１９９４年５月２０时探空资料对西北地区东部严重干旱进行了水汽输送分析，结果表明：（１）８５０～７００ｈＰａ水平水汽输送有一西北东南向的极小轴线，陕西位于低值舌内；（２）南、北边界经向输送比较，河套东部的净辐合量最大，河套附近净辐合量最小，（３）东西边界纬向输送均为自西向东输送，且东边界输出大于西边界输入，呈纬向水汽辐散。     

我国东、西部夏季水汽输送特征及其差异

本文利用ERA-40再分析每日资料分析了我国东部季风区与西北干旱—半干旱区夏季1971～2000年气候平均的水汽输送特征及其差异, 分析结果表明我国东部季风区与西北干旱—半干旱区夏季气候平均的水汽输送特征有明显的差异。由于亚洲夏季风从孟加拉湾、 南海和热带西太平洋输送大量水汽到我国东部季风区, 故在东部季风区夏季经向水汽输送通量比纬向水汽输送通量大。而西北干旱—半干旱区受中纬度西风带的影响, 夏季纬向水汽输送通量比经向水汽输送通量大, 且此区域夏季无论纬向或者经向水汽输送通量均比东部季风区的水汽输送通量小一量级。并且, 分析结果还表明: 我国东部季风区由于湿度大, 故夏季水汽输送通量的散度不仅依赖于湿度平流, 而且依赖于风场的辐合、 辐散, 而西北干旱—半干旱区夏季水汽输送通量的散度主要依赖于湿度平流。此外, 分析结果还表明了我国东部季风区的水分平衡与西北干旱—半干旱区的水分平衡也有明显的不同。     

冬季青藏高原湿中心区域水汽收支及其与中国降水的关系

利用ERA-Interim再分析资料(0.5°×0.5°)、探空观测资料及中国降水月值格点数据分析了冬季青藏高原(以下简称高原)大气水汽含量平均特征、高原湿中心区域的水汽收支特征及其与中国降水的关系。结果发现:冬季高原东南部地区存在湿中心,对应着水汽含量标准差大值中心;高原湿中心区域的水汽从西、南边界输入,东、北边界输出,净水汽收支多年平均为水汽"盈余";该区域冬季净水汽收入、支出34 a总趋势是增加的,而净水汽收支是减少的,但三者均存在4~6 a左右的周期;冬季该区域净水汽收入对南疆、高原东部—四川盆地及云贵高原的降水有较好的指示性,净水汽支出对西南—华南的我国南方大部分地区降水有较好的指示性,净水汽收支则可表征高原东部及邻近地区、长江中游地区的降水;冬季该区域异常多(少)水汽支出年时,我国南方大部分地区的降水偏少(多),水汽输送场不(有)利于水汽向我国南方的输送及辐合,即其水汽支出的强弱反映了水汽输送的强弱和我国降水的分布,体现出水汽收支通过环流对降水产生重要影响。     

东亚干旱半干旱区空中水资源研究进展

系统回顾了近年来中外对东亚干旱半干旱区空中水资源方面的主要研究进展,主要包括大气水汽、云的分布特征、空中水资源的降水转化率及其影响因子等。东亚干旱半干旱区西部及东部水汽含量较中部高,背风坡水汽含量较迎风坡高,季风区及山脉地区云水资源高于盆地、沙漠上空。20世纪80年代中期以后,东亚干旱半干旱区对流层底部的水汽显著增多,其中夏季增加最为明显。在全球气候变化背景下,中国西北部分地区云水路径总体呈现上升趋势,同时呈现"东正西负"的东西向变化差异以及"北正南负"的反相位特征。大气环流、地表温度、下垫面地表特征等因子通过影响东亚干旱半干旱区的水汽输送及蒸散,进而改变东亚干旱半干旱区空中水资源,空中水资源的改变通过影响辐射收支、不同高度云量及第2次相变产生的云水含量进而对局地温度和降水产生影响。以往研究中,大部分主要针对东亚干旱半干旱区大气中的水汽含量和云平均状态的分布与变化特征,而与降水相关联的空中水资源的变化特征目前仍不清楚,有待系统深入地研究。      

西北干旱区夏季强干、湿事件降水环流及水汽输送的再分析

为深入分析西北内陆干旱区夏季降水的主要水汽源地及其输送通道,首先,梳理和评述了过去50年西北干旱区水汽输送的研究进展和问题;接着,利用国家气象局信息中心近50年的实测降水及NCEP/NCAR再分析资料等,挑选更多有代表性的强干、湿日(月)事件,再进行环流和水汽输送的对比分析。主要结论如下:(1)过去西北干旱区各地的干、湿环流研究共识多,进展快;而水汽输送分析依旧众说纷纭。(2)过去的水汽输送分析联系降水环流不够;针对西北干旱区降水特点不够;还应加进数值模拟等分析手段。(3)在本文诊断分析和先前数值模拟基础上,指出西北内陆旱区夏季降水的主要水汽源地在东南沿海一带,它借助西行台风、西伸了的西太平洋副热带高压及柴达木低压等多个天气系统和西太平洋副热带高压西南侧东南风急流、西侧南风低空急流及河西偏东风等三支气流的次第密切配合,首先,水汽被输送到四川盆地;接着,被北输到西北区东部;继而,再被接力西输到河西走廊及南疆盆地东部。谓之"三支气流+两个中转站的三棒接力"式水汽输送模型。它是夏季输向西北内陆旱区的主要水汽输送通道。     

全球变暖背景下亚非典型干旱区降水变化及其与水汽输送的关系研究

分析比较了中蒙(35°N~50°N,75°E~105°E)、中亚(28°N~50°N,50°E~67°E)和北非(15°N~32°N,17°W~32°E)三个典型干旱区水汽输送特征的异同,及其1961~2010年间的降水时空变化,分析了水汽来源和输送变化及其可能原因。结果显示,由于受不同的气候系统影响,中蒙、北非和中亚干旱区的降水在年内变化上有着显著不同。中蒙和北非干旱区降水呈现夏季风降水的特征;而中亚干旱区降水则为更多受到冬季风的影响。1961~2010年,随着全球气温上升,中蒙干旱区冬季纬向水汽输送增加而经向输送减少,总水汽输送增加;中亚干旱区冬季纬向输送减少而经向增加,总水汽输送减少;北非干旱区冬季纬向输送增加而经向输送减少,总水汽输送增加。夏季中蒙和北非干旱区经向、纬向输送均减小,中亚干旱区夏季纬向输送减少而经向减少,总输送增加。相应的,中蒙干旱区年、冬季和夏季降水分别以4.2、1.3和1.0 mm/10 a的趋势增加;而中亚干旱区冬季(1.2 mm/10 a)和夏季(0.1 mm/10 a)降水增加,年降水则呈减少趋势(-0.8 mm/10 a);北非干旱区年降水和夏季降水分别以0.5 mm/10 a和0.1 mm/10 a的速率增加。冬季中蒙干旱区主要水汽来源是水汽经向输送,而中亚干旱区水汽主要为纬向输送,经纬向水汽均为净输出是北非干旱区降水极少的主要原因,平均总水汽输送量约为-9.48×104 kg/s。冬季低纬度和高纬度环流通过定常波影响干旱区冬季降水。中蒙和中亚干旱区冬季降水主要受西太平洋到印度洋由南向北的波列影响,北非干旱区冬季降水主要和北大西洋上空由北到南的波列相联系。各干旱区的降水对海温变化有着不同的响应:中蒙干旱区冬季降水与冬季太平洋西海岸和印度洋海温呈显著正相关,夏季与海温相关不显著;中亚干旱区与地中海和阿拉伯海温相关,且与阿拉伯海温为正相关。     

季节内振荡水汽收支对长江中下游持续性极端降水强度的调控作用

利用中国1979—2019年逐日降水格点数据,考量降水的时空聚集性强度之客观监测方法,识别中国东部区域极端降水事件,发现长江中下游是夏季持续3 d及以上区域持续性极端降水(PREP)发生最频繁的区域。以此为研究对象,基于水汽收支理论,利用ERA-Interim再分析资料和带通滤波方法,诊断日降水及其水汽收支的季节内特征,研究关键尺度对流层高低空系统配置及演变。结果显示：PREP日降水强度及其演变被证实与区域大气柱水汽辐合量相一致。10～30 d准双同振荡(QBWO)和30～90 d(MJO)的水汽辐合在事件发生前1～3 d和7～9 d开始由负位相转为正位相。区域南、北边界QBWO(MJO)水汽输送在事件发生前2～4 d(9～10 d)由水汽输出转为输入。南海的QBWO对流北传至长江中下游,促使源于西北太平洋的对流层低层QBWO反气旋式环流系统向西南移动,其西北侧的西南风使区域南边界水汽输送在事件开始日达最大。事件发生前10 d左右,对流层低层MJO反气旋式环流系统出现在西北太平洋,并向西南移动,长江中下游气旋系统加强维持,对流层中层孟加拉湾MJO尺度低槽开始加深,三者的配合使区域南边界的MJO水汽输入逐渐增强并维持到事件发生后。MJO尺度的强水汽输入结合QBWO反气旋式环流促使长江中下游地区的持续性极端降水事件的发生。研究结果对持续性极端降水事件延伸期的预报提供参考。     

夏季云贵高原地区降水特征及云水资源的匹配

基于云贵高原地区1961—2010年高分辨率(0.5°×0.5°)逐日降水格点资料,分析了云贵高原及东、西两个区域的夏季降水变化特征。并结合欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的1979—2010年ERA-Interim再分析资料,计算了其夏季水汽输送通量和净水汽收支。结果表明:(1)云贵高原夏季平均降水分布不均匀,存在区域差异:云贵高原西部的中部为降水量低值区,其向南、向西逐渐增加;东部由其东南部向西北部递减的分布形式。(2)将云贵高原分成两个区域,东、西部区域的降水都呈增加的趋势,降水量较高的区域降水增长速度较快。(3)大气中的水汽从云贵高原南边界和西边边界进入,从北边界和东边界流出,全区以净水汽输出为主,输出值与降水的变化都呈增长趋势。其中东部水汽为净输入;西部为净输出,向各区域的水汽输送量逐渐增加与各区降水量呈增长趋势变化同样相一致。(4)影响西部夏季降水的水汽主要源于孟加拉湾北部、南海北部和横断山到四川盆地地区,而东部水汽主要来自南海北部和四川盆地西部。     

西北地区东部夏季降水年际变化特征及其与环流的关系

利用1961-2012年夏季西北地区东部降水站点资料和NCEP/NCAR同期逐月再分析资料,采用"均一化处理"和合成分析等方法分析了西北地区东部夏季降水的年际变化特征及其对应的环流异常。结果表明:(1)西北地区东部的夏季降水异常主要与南边界的水汽异常输送相联系;(2)西北地区东部夏季降水与西北太平洋副热带高压(简称西太副高)的位置及强度密切相联:当西太副高偏强偏西时,西太副高脊线西伸至我国华南地区,对应的西北地区东部上空表现为西南风异常,将大量的水汽从西北地区东部的南边界输入,有利于该地区夏季降水增多;当西太副高偏东偏弱时,西太副高脊线西伸带来的降水影响无法到达西北地区东部,对应着西北地区东部降水偏少。     

CMIP6模式对中国东部地区水循环的模拟能力评估

本文基于观测和再分析资料,采用Brubaker二元模型评估了第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）中19个模式对中国东部季风区气候态水循环过程的模拟能力,并分析了模拟误差来源。结果表明,CMIP6模式集合平均（MME）能够合理再现观测降水和蒸发的年平均气候态空间分布及年循环特征,与观测值的空间相关系数分别为0.92和0.87。较之观测,MME高估了华北地区降水（0.55 mm d?1）,低估了华南沿海地区降水（?0.3 mm d?1）。所有CMIP6模式均高估蒸发强度（偏差0.03～0.98 mm d?1）,使得模拟的降水与蒸发之差偏少。模式整体能够模拟出我国东部季风区降水再循环率及不同边界水汽来源的贡献率,但低估了由南边界进入季风区的水汽贡献,导致东亚季风区偏干。通过分析模式对影响水汽通量的两个气象要素（风速和大气比湿）的模拟能力,发现研究区南边界的风速大小决定了模式间水汽输送差异。南边界风速越大的模式,由南边界进入的水汽通量越大,模式模拟的降水越多。西北太平洋辐合带的东西位置是影响南边界南风速的重要系统之一,辐合带位置偏东的模式模拟的南风强度较弱,使得水汽输送偏弱、降水偏少;反之,南边界水汽输送偏强、降水偏多。本文通过评估最新一代CMIP6模式在东亚水循环方面的模拟性能,指出了当前气候模式在模拟西太平洋辐合带位置方面存在的偏差及其对东亚水循环的影响。     

新疆春季降水异常的环流和水汽特征

利用1961—2007年新疆75个气象站月降水量资料和NECP/NCAR逐日4次再分析资料(2.5°×2.5°),分析了新疆3~5月降水异常环流、水汽输送和收支特征,以及环流和水汽异常对整个水汽输送异常的贡献。结果表明,斯堪的纳维亚环流型(SCA环流型)是造成新疆春季各月降水异常的主要环流型。3月水汽输送量最小,4~5月相当,各层西边界为主要流入界,东边界为主要流出界,西风气流输送水汽多少决定降水异常。各月降水偏多的水汽输送异常表现为3月出现巴伦支海—新地岛以东向南到里海、咸海—巴尔喀什湖水汽输送异常,然后其随西风气流进入新疆;4月出现西伯利亚向里海、咸海地区和阿拉伯半岛向里海、咸海水汽输送异常,而后其随西风气流进入新疆;5月出现西伯利亚向咸海—巴尔喀什湖、巴伦支海向南到地中海东部的水汽输送异常,同时还出现红海向地中海东部和阿拉伯海向北到中亚的水汽输送异常,高、低纬向中纬水汽输送异常并汇合于中纬后沿西风气流进入新疆。各月环流异常对整个水汽输送异常起主要作用。     

陕西省2021年极端秋雨成因分析

利用NCEP/NCAR2.5°×2.5°的逐月再分析资料和NOAA提供的逐月海温资料等从海温异常、大尺度环流异常、水汽输送异常等角度分析了2021年秋季陕西降水异常偏多的原因,结果表明：（1）小波交叉谱分析显示Ni?o3.4区海温距平与陕西秋季降水存在2～4年的共振周期,前期冬季海温与次年秋季降水关系呈正相关的周期共振。（2）受双峰型La Ni?a事件影响,2021年9-11月副热带高压（下文简称“副高”）控制的范围明显偏大,副高脊线位置较气候态偏北1度,西伸脊点较气候态偏西23度,造成主雨带偏西偏北。（3）中低层西北太平洋到我国华北北部的异常反气旋,与孟加拉湾北侧异常的气旋中心,造成气流在我国西北地区东部异常辐合。（4）从水汽收支来看,陕西2021年秋季水汽净流入较气候态偏多66.7%,尤其是东边界的异常水汽输送,还增强了低层冷垫,利于暖湿气流在冷垫上爬升导致陕西降水较常年异常偏多。