能量转化视角下一次引发冬季区域强对流的南支槽研究

2020年1月24—25日广西出现一次罕见区域性强对流,过程伴随近20年最大范围冰雹天气。南支槽异常发展东移是此次过程的扰动背景,提供了必要的热动力及水汽条件。基于波作用通量及多尺度能量诊断方法,利用常规观测资料、风云卫星资料、NCEP/NCAR以及ERA5再分析资料,从能量转化角度对此次引发区域强对流的南支槽过程进行研究。结果表明:整个过程中纬度和副热带西风急流均较历史同期偏强,有利于上游扰动向下游传播。欧亚大陆上空存在南北两支活跃Rossby波列。源自地中海一带的南支副热带西风急流Rossby波列对南支槽起到主要调控作用,Rossby波能量沿急流频散并在南支槽区辐合,促进了南支槽发展东移。源自北大西洋阻塞高压内部的北支Rossby波列则起到协同作用,促进了乌拉尔山冷槽发展及其与中东槽合并,从而增强了南支波列向下游的传播,进一步增强南支槽;天气尺度有效位能向天气尺度动能的转换以及由背景场向天气尺度的动能输送是南支槽天气尺度扰动发展的主要贡献项。动能的平流输送将获得的天气尺度动能在空间上再分配,维持南支槽稳定发展东移。在此背景下,天气尺度向对流尺度的降尺度动能串级是区域强对流最主要能量...     

冬半年副热带南支西风槽结构和演变特征研究

南支槽是冬半年副热带南支西风气流在高原南侧孟加拉湾地区产生的半永久性低压槽,本文从气候学角度探讨其结构和演变特征。结果表明：（1）南支槽10月在孟加拉湾北部建立,冬季（11-2月）加强,春季（3-5月）活跃,6月消失并转换为孟加拉湾槽;10月南支槽建立表明北半球大气环流由夏季型转变成冬季型,6月南支槽消失同时孟加拉湾槽建立是南亚夏季风爆发的重要标志之一。（2）南支槽在700 hPa表现明显,其槽前干暖平流的输送有利于昆明准静止锋形成和维持,槽后冷湿平流也与孟加拉湾冷涌关系密切。（3）冬季辐散环流下沉支抑制了南支槽前上升运动的发展,这时低层辐合,中层辐散,南支槽前上升运动一般只伸展到对流层中层600 hPa左右。春季随着辐散环流减弱,东亚急流入口区南侧辐散中心的出现使得垂直运动向上迅速伸展。（4）从气候平均看冬季水汽输送较弱,上升运动浅薄,无强对流活动,南支槽前降水不明显,雨区主要位于高原东南侧昆明准静止锋至华南一带。春季南支槽水汽输送增大,同时副高外围暖湿水汽输送加强,上升运动发展和对流增强,南支槽造成的降水显著增加,因此春季是南支槽最活跃的时期。     

夏季东亚高空副热带西风急流季节内异常的环流特征及前兆信号

位于东亚中纬度上空的东亚高空副热带西风急流是东亚季风环流系统中的重要成员,我国夏季降水雨带的季节内变化受东亚高空副热带西风急流位置季节内异常变化影响。根据1979~2008年中国降水资料、NCEP/NCAR再分析资料以及NOAA ERSST V3月平均海表温度资料,利用统计分析和物理量诊断方法对夏季东亚高空副热带西风急流位置季节内异常的东亚大气环流特征及外强迫信号的物理过程进行了探讨。研究指出:6月东亚高空副热带西风急流位置异常主要受欧亚大陆中高纬东传的Rossby波列位相变化影响,春季北大西洋海温异常是欧亚大陆中高纬度Rossby波列位相变化的最显著的外强迫信号;7月东亚高空副热带西风急流位置异常主要受西太平洋热带向副热带传播的Rossby波列位相变化影响,春季西太平洋热带海温异常是西太平洋热带向副热带传播的Rossby波列位相变化的最显著的外强迫信号;8月东亚高空副热带西风急流位置异常主要受南亚大陆向东亚大陆热带、副热带传播的Rossby波列位相变化影响,春季印度洋海温异常是南亚大陆向东亚大陆热带、副热带传播的Rossby波列位相变化的最显著的外强迫信号。     

2008年初我国南方雨雪低温天气的中期过程分析III：青藏高原-孟加拉湾气压槽

针对2008年1月24日～2月2日我国南方地区雨雪低温过程,分析了其中期演变特征及其可能机理。在亚非副热带地区,Rossby波能量从北非东北侧传播到东亚地区,引起青藏高原附近气压槽的加深和西太平洋副热带高压的加强及北扩,并与亚洲北部的高压脊配合,造成了这次较长时间的雨雪低温过程。东北大西洋和西欧的反气旋式异常环流为亚非副热带急流Rossby波与欧亚高纬度Rossby波活动的主要波源区。在对流层上层,贝加尔湖一带的高压脊在过程之前已形成,而在这次过程中缓慢减弱,来自上游Rossby波能量主要起抵消摩擦耗散的作用。西太平洋副热带高压在偏北位置上维持主要由来自青藏高原和孟加拉湾地区Rossby波能量的注入所致。亚洲冷高压系统的强度、位置及形态决定了这次我国南方地区低温过程的重要特性。     

冬半年副热带西风南支槽结构和演变特征研究

南支槽是冬半年副热带南支西风气流在高原南侧孟加拉湾地区产生的半永久性低压槽, 本文从气候学角度探讨其结构和演变特征。结果表明: (1) 南支槽10月在孟加拉湾北部建立, 冬季 (11～2月) 加强, 春季 (3～5月) 活跃, 6月消失并转换为孟加拉湾槽; 10月南支槽建立表明北半球大气环流由夏季型转变成冬季型, 6月南支槽消失同时孟加拉湾槽建立是南亚夏季风爆发的重要标志之一。 (2) 南支槽在700 hPa表现明显, 其槽前干暖平流的输送有利于昆明准静止锋形成和维持, 槽后冷湿平流也与孟加拉湾冷涌关系密切。 (3) 冬季辐散环流下沉支抑制了南支槽前上升运动的发展, 这时低层辐合, 中层辐散, 南支槽前上升运动一般只伸展到对流层中层600 hPa左右。春季随着辐散环流减弱, 东亚急流入口区南侧辐散中心的出现使得垂直运动向上迅速伸展。 (4) 从气候平均看冬季水汽输送较弱, 上升运动浅薄, 无强对流活动, 南支槽前降水不明显, 雨区主要位于高原东南侧昆明准静止锋至华南一带。春季南支槽水汽输送增大, 同时副高外围暖湿水汽输送加强, 上升运动发展和对流增强, 南支槽造成的降水显著增加, 因此春季是南支槽最活跃的时期。     

2008年初我国南方雨雪低温天气的中期过程分析Ⅲ:青藏高原-孟加拉湾气压槽

针对2008年1月24日～2月2日我国南方地区雨雪低温过程,分析了其中期演变特征及其可能机理。在亚非副热带地区,Rossby波能量从北非东北侧传播到东亚地区,引起青藏高原附近气压槽的加深和西太平洋副热带高压的加强及北扩,并与亚洲北部的高压脊配合,造成了这次较长时间的雨雪低温过程。东北大西洋和西欧的反气旋式异常环流为亚非副热带急流Rossby波与欧亚高纬度Rossby波活动的主要波源区。在对流层上层,贝加尔湖一带的高压脊在过程之前已形成,而在这次过程中缓慢减弱,来自上游Rossby波能量主要起抵消摩擦耗散的作用。西太平洋副热带高压在偏北位置上维持主要由来自青藏高原和孟加拉湾地区Ross-by波能量的注入所致。亚洲冷高压系统的强度、位置及形态决定了这次我国南方地区低温过程的重要特性。     

El Ni?o背景下AO激发Rossby波对云南冬季极端降水的影响

2019年1月8日云南平均降水达29.8 mm,为1961年来第三大的冬季极端强降水事件。研究发现,2018/2019年冬季El Ni?o背景下,偏暖的南海生成热带低压,受偏强偏西的西太平洋副高(简称西太副高)外围气流引导西行进入孟加拉湾(简称孟湾)后北上。北极涛动(Arctic Oscillation,AO)激发Rossby波列东传至孟湾形成南支槽,槽前西南气流与副高外围气流和热带低压汇合,在缅甸至云南形成强西南急流、上升运动和水汽辐合,导致了这次极端降水事件。结果表明:(1)AO正位相时,斯堪的纳维亚脊前北风偏强偏南到达地中海、北非后,激发中低纬地中海-北非槽、巴基斯坦脊、孟湾南支槽Rossby波列,以及中高纬斯堪的纳维亚脊、乌拉尔山槽、蒙古脊Rossby波列,进而形成青藏高原(简称高原)"北脊南槽"形势。(2)低纬波列东传过程中要受到副高的影响,北非副高和西太副高外围气流有利的位置配置对南支槽有增幅作用,使AO激发的欧亚低纬波列更显著。(3)El Ni?o有利于阿拉伯海反气旋、西太副高、中南半岛偏南气流、高原绕流及蒙古脊偏强,La Ni?a时情况相反。所以ENSO通过对以上系统的影响进而对AO影响云南降水有调制作用。     

热带西太平洋海温距平与Rossby波传播对1993和1994年东亚夏季风异常影响的差异

利用NCEP/NCAR再分析资料、Hadley中心海温资料与降水资料,分析了1993和1994年东亚夏季风异常的天气气候特征以及大气环流的差异.分析结果表明: 1993年东亚夏季风弱,副热带西风急流和副热带高压位置偏南,来自于孟加拉湾和南海的水汽仅输送到35°N以南地区.东亚地区出现低温凉夏天气.1994年东亚夏季风强,副热带西风急流和副热带高压位置偏北,7～8月副高持续偏强并控制日本,水汽可以输送到45°N以北的较高纬度,东亚发生破纪录的热浪干旱.对1993和1994年东亚夏季风异常物理过程差异的研究发现,副热带西风急流中静止Rossby波的传播和热带西太平洋暖池海温距平激发出来的PJ型遥相关波列作用的叠加引起1994和1993年东亚夏季风异常差异.     

夏季沿西亚急流Rossby波活动异常的波源和能量传播及转换特征

用1958-2003年NCEP/NCAR再分析资料,利用涡度源方程、Eliassen-Palm通量(EP通量)和非绝热效应的波能方程,分析了夏季沿西亚急流Rossby波活动(WAJRA)异常的波源、能量传播和转换特征,从大气动力学内部机制上进一步认识WAJRA异常的成因,提高对中高纬大气环流异常机理的理解.研究表明,对流层高层位于地中海和北大西洋-斯堪的纳维亚半岛的负涡度源区和EP通量强辐散区为夏季WAJRA异常的波源区.当波源区位置和强度出现异常时,波源所激发东传的Rossby波活动也出现异常,从而导致WAJRA强弱变化.WAJRA强(弱)年冰岛-斯堪的那维亚半岛(斯堪的那维亚半岛以东)EP通量强辐散区激发Rossby波并沿2条路径向东传播,一支向东传播在乌拉尔山附近转向东南并在里海、咸海-新疆上空进入亚洲副热带西风急流传播增强(减弱),另一支直接向东南方向传播在地中海东部-黑海附近进入亚洲西风急流增强(减弱),此外,地中海上空EP通量辐散也增强(减弱),它们共同作用使得WAJRA增强(减弱).沿西亚地区副热带西风急流(简称西亚急流,指亚洲副热带西风急流的15°-60°E部分)非绝热加热产生扰动有效位能远大于基本气流动能向扰动动能的转换和基本气流有效位能向扰动有效位能的转换.西亚急流Rossby波活动强年(弱年)伊朗高原及其北侧的西亚地区非绝热加热产生的有效位能增强(减弱)显著,是WAJRA增强(减弱)的能量源.     

北大西洋涛动对新疆夏季降水异常的影响

利用1961~2003年NCEP/NCAR再分析和新疆75个气象站月降水资料,分析新疆夏季降水与沿西亚副热带西风急流Rossby波和北大西洋涛动（NAO）的关系,研究表明,夏季斯堪的纳维亚半岛-中欧—西亚和中亚的准静止波传播是联系NAO与沿西亚副热带西风急流波活动和新疆夏季降水变化的纽带。通过波作用量的动力学诊断分析,讨论了夏季NAO正、负位相异常年准静止波传播特征和差异,夏季NAO强弱活动影响斯堪的纳维亚半岛EP通量散度强度和位置异常,该区EP通量散度强度和位置异常导致强辐散中心在中高纬向东传播的准静止波和沿副热带西风急流准静止波活动变化,从而影响新疆夏季降水。     

Role of the subtropical westerly jet waveguide in a southern China heavy rainstorm in December 2013

An extreme rainstorm hit southern China during 13–17 December 2013, with a record-breaking daily rainfall rate, large spatial extent, and unusually long persistence. We examined what induced this heavy rainfall process, based on observed rainfall data and NCEP–NCAR reanalysis data through composite and diagnostic methods. The results showed that a Rossby waveguide within the subtropical westerly jet caused the event. The Rossby wave originated from strong cold air intrusion into the subtropical westerly jet over the eastern Mediterranean. With the enhancement and northward shift of the Middle East westerly jet, the Rossby wave propagated slowly eastward and deepened the India–Burma trough, which transported a large amount of moisture from the Bay of Bengal and South China Sea to southern China. Strong divergence in the upper troposphere, caused by the enhancement of the East Asian westerly jet, also favored the heavy rainfall process over Southeast China. In addition, the Rossby wave was associated with a negative-to-positive phase shift and enhancement of the North Atlantic Oscillation, but convergence in the eastern Mediterranean played the key role in the eastward propagation of the Rossby wave within the subtropical westerly jet.     

南支槽与孟加拉湾风暴结合对一次高原暴雪过程的影响

利用NCEP/NcAR逐6 h 1°×1°。再分析资料与常规和非常规观测资料,对2007年11月云南德钦高原暴雪产生的原因进行了研究,探讨南支槽与孟加拉湾风暴结合对高原东南部强烈天气的影响过程。结果表明:(1)在南支槽和孟加拉湾风暴结合的天气尺度条件下,槽前偏南风低空急流受高原大地形阻挡产生的高原切变线是高原暴雪的直接影响系统;(2)由于地形和冷空气的作用,上升运动向北倾斜使高原对流层中上层首先出现上升运动,整层上升运动在高原切变线和次级环流上升支的共同作用下强烈发展。孟加拉湾风暴北上与南支槽结合、高原切变线北移和风暴低压临近使德钦上升运动出现三次增强;(3)南支槽前偏南风低空急流向北输送水汽,部分水汽被抬升到高空,部分水汽绕过高原东南角向下游输送。高空水汽经高原上空沿着高空西风急流向下游远距离输送。高、低空水汽通道不重合往往会影响高原及其下游强降水落区的预报。受高空水汽输送影响,高原东南部纵向岭谷区具有高层大气最先增湿的特征,近地层水汽通量长时间强烈辐合有利于高原暴雪的形成;(4)上游冷空气沿南支西风到达孟加拉湾,促使南支槽加深和维持有利于引导盂加拉湾风暴北上,南支槽前偏南风低空急流把暖湿空气输送上高原,同时横槽转竖冷空气从高原南下,冷暖空气在德钦交汇形成强锋区也是暴雪产生的一个有利条件。(5)高原暴雪的锋区结构具有中纬度锋面天气特征,在暴雪发生的锋区附近,满足倾斜位涡发展和条件性对称不稳定。     

南支槽影响下西藏高原南部3次暴雪天气特征分析

利用NCEP/NCAR再分析资料和常规观测资料,对2013年1-2月西藏高原南部3次暴雪天气的环流形势、动力、水汽条件等进行诊断对比分析。结果表明:3次暴雪天气中高纬度均以经向型环流形势为主,从长波槽脊配置可分为长波槽型和横槽型两大类;西太平洋副热带高压偏西偏强、伊朗高压东北发展对南支槽加深和缓慢东移起到关键作用。南支槽区560 dagpm线在30°N以南,并东移至70°E附近或以东时西藏高原南部开始出现暴雪天气;暴雪区附近涡度场变化反映了南支槽强度特征,中高层强辐散对南支槽发展起到重要作用;水汽主要源于阿拉伯海,孟加拉湾水汽对东部降雪起到补充作用,南支槽前高空西南急流对水汽输送起关键作用,同时喜马拉雅山脉的大地形抬升,有利于上升运动和水汽凝结成云;水汽通量、水汽通量散度等变化及中心的移动方向,对降雪的强度、落区和时段具有较好的预报指示意义。     

Intensity of the Trough over the Bay of Bengal and Its Impact on the Southern China Precipitation in Winter

In this study, the intensity of the trough over the Bay of Bengal (BBT) and its association with the southern China precipitation, the Madden-Julian Oscillation (MJO) and the Rossby wave propagation along the African-Asian subtropical Jet stream (AASJ) are investigated on the intraseasonal time scale. The results show that the intensity of the BBT affects the southern China precipitation more directly and to a greater degree than the MJO. The peak amplitude of the BBT tended to occur in phase-3 of the MJO. The strong BBT was substantially modulated by the Rossby wave propagation along the AASJ, which was triggered by the anomalous upstream circulation similar to the pattern of the North Atlantic Oscillation (NAO). Therefore, from the perspective of medium- and extended-range weather forecasts, the NAO- like pattern may be regarded as a precursory signal for the strong BBT and thus the southern China precipitation.     

中国东南部冬季降水变化及其环流特征

利用1951-2011年中国160站降水资料及NCEP/NCAR再分析资料,分析了中国东南部冬季降水的年际变化及与之相关的环流和水汽输送特征。结果表明:中国东南部冬季降水年际差异较明显,当降水异常偏多(少)时,蒙古高压及中国广大南方地区海平面气压异常偏低(高),而亚洲附近的洋面上则异常偏高(低);500 hPa上,巴尔喀什湖附近的高压脊和东亚大槽均偏弱(强);高层东亚西风急流异常偏弱(强),中东地区急流异常偏强(弱);中国东部20~30°N出现显著异常上升(下沉)运动,低纬度地区出现异常下沉(上升)运动。影响中国东南部冬季降水的水汽输送主要有两支:来自西风带绕高原的南支气流,经过阿拉伯海和孟加拉湾向华南的输送水汽;来自低纬西太平洋,经南海向中国西南的水汽输送。此外,东亚冬季风与中国东南部冬季降水关系密切。     

西风带南支槽对云南天气的影响

利用1980-2008年近30年逐日地面、高空观测资料,统计了影响云南的西风带南支槽个例,并分析了南支槽的时空分布和对云南降水的影响。结果表明,影响云南的南支槽平均每年出现18.76次,11月-次年5月平均每月出现次数相当(6-10月西风带北撤,转换为孟加拉湾槽);约5.88%的南支槽过程对云南产生大到暴雨天气,54.83%的南支槽产生小到中雨,另有17.28%的南支槽产生冰雹天气过程。南支槽的进退与西风带环流形势、副热带高压位置和高原大地形等关系密切,南支槽位置、水汽输送、湿度锋区、低空急流和冷空气强弱等条件的不同决定了降水的强弱或是否有强对流天气出现。     

2005年江淮流域入梅偏晚的成因分析

2005年是江淮流域入梅偏晚年。利用NCEP／NCAR再分析资料、OLR资料和江苏省气象台提供的2005年逐日降水资料，对2005年江淮流域入梅前的异常环流形势进行分析，探讨了西太平洋副热带高压和低层中高纬冷空气的活动异常与东亚大槽、中西太平洋ITCZ以及东亚副热带高空西风急流等活动异常的关系。结果表明，入梅前，东亚大槽发展强盛，ITCZ偏弱以及东亚副热带高空西风急流强劲少动导致西太平洋副热带高压北抬偏晚。同时，东亚副热带高空西风急流的强劲少动也使南下冷空气势力强劲，中低层副热带锋区偏南，抑制了暖湿的东亚夏季风向江淮流域推进。东亚副热带高空西风急流和西太平洋副热带高压向北突跳偏晚是江淮流域2005年入梅偏晚的主要原因。