1979—2013年ERA-Interim资料的青藏高原低涡活动特征分析北大核心CSCD

为分析青藏高原低涡活动特征,利用1979—2013年ERA-Interim再分析资料500 hPa高度场,基于气旋客观识别和追踪算法得到青藏高原及其附近地区低涡路径,同时利用客观分析方法对500 hPa温度场进行分析得到低涡的冷暖性质,从而得到一套青藏高原低涡活动的资料。对高原低涡的频次、强度、持续时间、地理位置和移出高原等特征分析结果表明,35年间青藏高原上活动的系统主要为高原低涡,年均约53个,其中,年均6.7个高原低涡移出青藏高原;高原低涡持续时间从少至多呈指数减少,强度和冷暖性质的出现频次均呈正态分布,初生的高原低涡以暖涡居多,占81%。高原低涡发生且强度较大主要在青藏高原的汛期(5—9月),高原低涡源地主要在西藏那曲地区西部和阿里地区北部,消亡地主要位于源地高频中心东侧的唐古拉山地区和青海西部当曲河流域,高原低涡的消亡可能受地形影响。近35年来高原低涡生成频次呈不显著减少趋势(-2个/(10 a));移出高原低涡数(-1.4个/(10 a))和高原低涡移出率(-2.3%/(10 a))均显著减少。     

青藏高原低涡活动的统计研究

利用1980-2004年5～9月逐日08时、20时(北京时,下同)两个时次的500 hPa天气图资料,统计分析了夏季青藏高原低涡(简称高原低涡)的活动特征.结果表明:夏季高原低涡的发生频次具有明显的年代际、年际和季节内变化特征,20世纪90年代以后低涡出现频次较之80年代有下降趋势,7月份是夏季高原低涡的活跃期;青藏高原上产生低涡的四个源地分别为:申扎-改则之间、那曲东北部地区、德格东北部和松潘附近;移出青藏高原的高原低涡在青藏高原上主要有四个涡源:那曲东北部、曲麻莱地区、德格附近和玛沁附近,也存在季节内变化,与青藏高原上产生低涡的涡源不同;部分高原低涡形成后,能在高原上生存36 h以上并发展东移,移动路径主要有东北、东南和向东三条,其中向东北移动的低涡数量最多;而低涡移出青藏高原后的路径与在高原上的移动路径并不相同,移出高原后的低涡多数是向东移动的,其次才向东北、东南移动;高原低涡移出高原时主要有两条路径:一条为东北路径,主要移向河西、宁夏和黄土高原一带;另一条是东南路径,主要移向四川盆地附近,其中,移向黄土高原的低涡最多;移出低涡也表现出一定的年际变化和季节内变化特征;高原低涡移出青藏高原后,多数在12 h内减弱消亡,有些可持续60 h,极少数能存活100 h以上,最长可达192 h,不仅影响我国东部广大地区的降水,甚至可能影响朝鲜半岛和日本;高原低涡在青藏高原上初生时,暖性涡比斜压涡多近两倍,而移出青藏高原后12 h内的低涡性质却发生了很大改变,以斜压涡居多;与60、70年代相比,80年代中期以后高原低涡的发生源地、移动路径和性质等特征都有所改变.     

移出与未移出高原的两类低涡环流特征的对比分析

利用NECP再分析资料,采用对比分析方法,对2000-2004年汛期(6-9月)的高原低涡活动过程进行普查,并对移出高原低涡与未移出高原低涡在其生成时刻的环流特征场,以及移出高原低涡的移出高原时刻与未移出高原低涡的强盛时刻的环流特征场进行对比分析。分析表明:500 hPa上,移出高原低涡背景环流中巴尔喀什湖低槽、东亚大槽比未移出高原低涡深,蒙古高压脊更强,背景环流经向度大,而且副热带高压比未移出高原低涡西伸明显;暖平流对高原低涡的生成很重要,而涡后新疆冷平流有利于高原低涡移出高原主体;青藏高原上的正涡度平流有利于高原低涡的生成和加深,河套地区正涡度平流带的存在有利于高原低涡的移出。在200 hPa上,南亚高压的存在有利于高原低涡的生成,移出高原低涡上空的南亚高压强度要强于未移出高原低涡;青藏高原东北部、四川盆地到陕西一带位于高空急流入口区南侧时有利于高原低涡东移。找出高原低涡移出与未移出高原主体的环流场、温度平流场、涡度平流场的异同特征,为高原低涡能否东移出高原主体提供科学依据。     

冷空气对两例高原低涡移出高原影响的分析

利用NCEP再分析资料对2002年8月12~20日托勒涡及2003年7月12~14日诺木洪涡两例高原低涡在冷空气影响下移出高原的斜压性和温度平流进行诊断分析,结果表明:(1)受切变线影响的托勒低涡移出高原时主要受东北方冷空气不断伸入涡区的影响,西风槽前的诺木洪低涡主要受西北方冷空气伸入涡区的影响。(2)高原低涡是在600 hPa以上涡柱内斜压性较强、500 hPa涡区内斜压性加强情况下移出高原的。不同的是:托勒低涡移出高原,涡柱内对流层中上层斜压性、500 hPa涡区内斜压性都比诺木洪低涡弱;托勒低涡涡柱内北冷南暖现象比诺木洪低涡强。(3)高原低涡是在低涡区内大部分受冷平流控制,涡区西部冷平流比东部强时移出高原的;低涡西部的冷平流加强将会使低涡发展加强,在高原以东持续。不同的是:受切变线影响的托勒低涡移出高原时低涡西部冷平流区强度比受西风槽前诺木洪低涡弱;而托勒低涡区冷平流区比诺木洪低涡移出高原时大。     

1998年夏季两例青藏高原低涡结构特征的比较

利用1998年Micaps历史天气图、1998年第二次青藏高原科学试验资料和NCEP/NCAR 1°×1°分辨率的再分析资料,对该年夏季两例移出与未移出高原的低涡活动过程及特征进行了对比分析,结果表明,移出与未移出高原低涡的低涡结构特征差异显著:(1)移出高原低涡,低涡环流呈圆形,厚度有3000 m左右,降水区呈环状分布;未移出高原低涡,低涡环流呈椭圆形,厚度为1500 m左右,降水区在低涡的南、西南方。(2)移出高原低涡,低涡区内绝大部分为上升运动区,并且强度在加强、区域扩大;未移出低涡,涡区内上升运动在减弱,上升运动区在缩小。(3)移出高原低涡,涡区内斜压性强,比未移出的大近一倍。(4)移出高原低涡,涡区内500 hPa有高位涡沿东北方向向上输送位涡平流,未移出高原低涡的有次高位涡沿东南方向向下输送位涡平流。(5)移出高原低涡是下层‘正涡度、暖区’、上层‘负涡度、冷区’;未移出高原低涡是下层‘正涡度、冷区’、中层‘负涡度、弱暖区’、上层‘正涡度、冷区’。     

南支气流对高原低涡移出青藏高原影响的诊断分析

利用NCEP再分析资料对2001年以来移出青藏高原后活动时间长(>48小时)的3次高原低涡在南支气流影响下移出高原的个例,进行了325°K等熵面分析、500hPa水汽输送、涡度平流的诊断分析,得出了南支气流影响高原低涡移出高原的共同特征与差异,给出了南支气流对高原低涡移出高原影响的综合作用的概念模型。丰富了高原低涡东移的认识,为高原低涡洪涝暴雨的预报提供了科学依据。      

南支气流对高原低涡移出青藏高原影响的诊断分析

利用NCEP再分析资料对2001年以来移出青藏高原后活动时间长（〉48小时）的3次高原低涡在南支气流影响下移出高原的个例,进行了325°K等熵面分析、500hPa水汽输送、涡度平流的诊断分析,得出了南支气流影响高原低涡移出高原的共同特征与差异,给出了南支气流对高原低涡移出高原影响的综合作用的概念模型。丰富了高原低涡东移的认识,为高原低涡洪涝暴雨的预报提供了科学依据。     

基于多源资料的高原低涡源地研究

高原低涡是活跃于青藏高原近地面层的中尺度天气系统,是高原最重要的降水天气系统,少部分的低涡移出高原后在下游地区常带来灾害性的强降水天气。“青藏高原低涡切变线年鉴”（简称年鉴）是高原低涡研究的主要参考资料之一,但受到高原西部地区探空观测站点分布不足的影响,年鉴难以监测发源于高原西部的低涡。为了进一步提高对高原低涡源地的科学认识,本研究首先分析了影响高原低涡发生发展的环流在高原东西部地区的差异,结果表明高原西部地区的环流背景更有利于高原低涡形成。再利用2005～2019年暖季（5～9月）风云-2地球静止卫星观测的云迹风和黑体亮温资料对年鉴低涡进行重分析,表明年鉴中大部分的高原低涡可以溯源至高原西部地区。最后分析了在高原西部的3个新探空站（狮泉河、改则和申扎）建立前后年鉴中高原低涡源地的差异,发现增加的探空资料使位于高原西部的低涡源地大幅度增加。综合多源资料的结果,我们认为大多数高原低涡起源于高原西部,年鉴的结论可能源于高原西部的探空站不足的影响。本研究确认了再分析资料在高原低涡研究中的可用性和有效性,强调了卫星观测资料在高原天气系统研究中的重要性和进一步增强高原地区气象观测的迫切性。     

2000-2007年夏季青藏高原低涡切变线观测事实分析

利用2000-2007年共计8年的逐日08:00和20:00 500 hPa高空资料,结合地面降水资料和TRMM资料,对高原低涡切变线进行了普查分析,获得了对高原低涡切变线活动的一些新的认识.(1)在青藏高原上,切变线活动比低涡活动更活跃.(2)21世纪初的8年间,低涡、切变线出现个数最多的在6月,最少的在9月.2002年和2006年分别是高原低值系统相对活跃和相对不活跃的年份.2006年川渝持续的高温干旱可能与高原低值系统活动不活跃有关.(3)低涡、切变线生成的源地分析表明,高原低涡、切变线主要出现在海拔高度较高和地形坡度陡峭的地区,高原加热和陡峭地形的动力作用可能是低涡、切变线形成的原因之一.(4)高原低涡、切变线不易移出高原.低涡移出,主要是伴随低涡切变线过程东移.(5)低涡、切变线经常相伴或相继出现,对高原及高原以东天气产生重要影响.     

近30年夏季移出型高原低涡的气候特征及其对我国降雨的影响

利用近30年(1981—2010年)历史天气图、MICAPS资料以及台站降雨资料,对6—8月移出型高原低涡的时空分布特征及其对我国降雨的影响进行了研究,并初步分析了不同路径移出型高原低涡的环流形势及降雨分布。结果表明:近30年来平均每年有9个高原低涡能够移出高原而发展,移出型高原低涡涡源主要在西藏改则、安多和青海沱沱河以北以及曲麻莱附近,并以东移为主,占移出型高原低涡的58.2%,而东北移和东南移的分别占25.5%和13.8%,其它路径占2.5%。东移路径移出型高原低涡频次与长江流域中上游、黄河流域上游及江淮地区的降雨有较好的正相关;东北移路径移出型低涡频次与长江流域上游、黄河流域以及东北降雨相关较好;东南移路径移出型低涡频次与高原东南侧及长江流域的降雨有较好正相关。各路径移出型低涡的降雨合成分析距平异常大值区分布与各路径正相关分布一致,且降雨异常大值中心与正相关大值中心相对应。利于高原低涡移出并发生降雨的500 hPa异常环流形势为:东移路径,中高纬异常环流型为“西高东低”分布,西太平洋副热带高压(简称西太副高)强度偏弱且位置偏东、偏南,低涡降雨带维持在长江流域与黄河流域之间;东北移路径,中高纬异常环流型仍为“西高东低”型,西太副高强度偏强且位置偏北、偏东,雨带维持在黄河流域及东北地区;东南移路径,为“两高夹一低”异常型环流,西太副高强度较强且位置偏西、偏南,降雨带位于长江流域及其以南地区。      

基于NCEP资料的近30年夏季青藏高原低涡的气候特征

基于NCEP/NCAR再分析资料并通过人工识别与天气图对比,本文对1981～2010年夏季高原低涡的气候特征进行了统计分析,对比研究了高原低涡高发年和低发年的大气环流场和低频分量场的特征,主要结果有:（1）近30年来夏季高原低涡平均每年生成32个,低涡发生频数呈现较明显的增多趋势,并具有较强的年际变化特征,低涡频数在2000年和2005年出现显著突变,在2000年由增多趋势转为减少趋势,在2005年又转为增多趋势,同时低涡频数具有显著的准5年、准9年和准15年周期振荡,6月生成的高原低涡呈减少趋势,而7月和8月生成的高原低涡均呈现增多趋势;（2）夏季高原低涡生成源地主要集中在西藏双湖、那曲和青海扎仁克吾一带,其中高原中部涡占50.8%,西部涡占27.0%,东部涡占22.2%,6月、7月和8月生成的高原低涡分别占夏季低涡总数的44.7%、29.9%和25.4%,高原低涡生成时绝大多数为暖性涡,占总数的90.7%。近30年来平均每年夏季有1.3个高影响高原低涡移出高原并在下游大范围地区产生强降水天气;移出的高原低涡以东移为主,占移出高原低涡的56.4%,而东北移和东南移的分别占移出高原低涡的20.1%和20.5%;（3）高原低涡高发年,低层的大气环流场和低频大气环流分量场均表现出较强的水平辐合及偏南气流,高层的青藏高压在高原主体范围内较气候态偏强;高原低涡低发年的情况则与之相反,伊朗高原上空的气旋、青藏高原低槽和高原南侧反气旋的配置对高原低涡的发生具有重要作用。     

MODULATION OF MADDEN-JULIAN OSCILLATION ON TIBETAN PLATEAU VORTEX

This study uses NCEP/NCAR daily reanalysis data, NOAA outgoing long-wave radiation (OLR) data, the real-time multivariate MJO (RMM) index from the Australian Bureau of Meteorology and Tibetan Plateau vortex (TPV) data from the Chengdu Institute of Plateau Meteorology to discuss modulation of the Madden-Julian Oscillation (MJO) on the Tibetan Plateau Vortex (TPV). Wavelet and composite analysis are used. Results show that the MJO plays an important role in the occurrence of the TPV that the number of TPVs generated within an active period of the MJO is three times as much as that during an inactive period. In addition, during the active period, the number of the TPVs generated in phases 1 and 2 is larger than that in phases 3 and 7. After compositing phases 1 and 7 separately, all meteorological elements in phase 1 are apparently conducive to the generation of the TPV, whereas those in phase 7 are somewhat constrained. With its eastward propagation process, the MJO convection centre spreads eastward, and the vertical circulation within the tropical atmosphere changes. Due to the interaction between the mid-latitude and low-latitude atmosphere, changes occur in the baroclinic characteristics of the atmosphere, the available potential energy and eddy available potential energy of the atmosphere, and the circulation structures of the atmosphere over the Tibetan Plateau (TP) and surrounding areas. This results in significantly different water vapour transportation and latent heat distribution. Advantageous and disadvantageous conditions therefore alternate, leading to a significant difference among the numbers of plateau vortex in different phases.     

Impact of Dynamic and Thermal Forcing on the Intensity Evolution of the Vortices over the Tibetan Plateau in Boreal Summer

The Tibetan Plateau Vortex (TPV) is one of the main weather systems causing heavy rainfall over the Tibetan Plateau in boreal summer. Based on the second Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications (MERRA-2) reanalysis datasets provided by the National Aeronautics and Space Administration (NASA), 8 cases of TPV over the Tibetan Plateau generated in June–August with a lifetime of 42 hours are composited and analyzed to reveal the impact of dynamic and thermal forcing on the intensity evolution of TPVs. The results are as follows. (1) The TPVs appear obviously at 500 hPa and the TPVs intensity (TPVI) shows an obvious diurnal variation with the strongest at 00LT and the weakest at 12LT (LT=UTC+6h). (2) A strong South Asia high at 200 hPa as well as a shrunken Western Pacific subtropical high at 500 hPa provide favorable conditions for the TPVI increasing. (3) The vorticity budget reveals that the divergence is indicative of the variation of TPVI. TPVI decreases when the convergence center at 500 hPa and the divergence center at 200 hPa lie in the east of the TPVs center and increases when both centers coincide with the TPVs center. (4) Potential vorticity (PV) increases with the enhancement of TPVI. The PV budget shows that the variation of TPVI is closely related to the diabatic heating over the Tibetan Plateau. The increased sensible heating and radiative heating in the boundary layer intensify the ascent and latent heating release. When the diabatic heating center rises to 400 hPa, it facilitates the development of TPVs.     

青藏高原两类对流层顶频率的季节分布特征及其与同纬度地区的差异

基于1979~2014年ERA-Interim逐日再分析温度资料,依据温度递减率插值法,计算出北半球两类对流层顶(热带对流层顶和极地对流层顶)频率数据。对比分析了青藏高原与同纬度地区两类对流层顶频率在季节变化上的差异,并讨论了青藏高原两类对流层顶频率分布与高空温度的关系。结果表明:1)依据温度递减率插值法计算出的再分析两类对流层顶频率可以反映青藏高原两类对流层顶频率季节变化特征:热带对流层顶全年频率高,冷、暖季节差异不明显;极地对流层顶盛夏频率极低,冷、暖季节差异明显。与极地对流层顶频率相比,青藏高原热带对流层顶频率的可信度更高。2)青藏高原和同纬度地区热带(极地)对流层顶频率在暖季增加(减少),在冷季减少(增加)。相比同纬度地区,青藏高原热带(极地)对流层顶频率在冬季偏少(多),其他季节偏多(少)。青藏高原两类对流层顶频率等值线的梯度更大,表明青藏高原对流层顶更易断裂。3)青藏高原两类对流层顶频率与高空温度关系密切。青藏高原对流层中上层(平流层下部)温度升高(降低),有利于青藏高原热带对流层顶频率增加,极地对流层顶频率减少,反之亦然。     

Analysis of the mechanism underlying Tibetan Plateau vortex frequency difference between strong and weak MJO periods

In this paper, the NCEP/DOE reanalysis data, OLR data from NOAA, Australian Meteorological Bureau real-time multivariate MJO index, and Tibetan Plateau vortex (TPV) statistical data from the Chengdu Institute of Plateau Meteorology, are used to discuss the modulation of the TPV by the MJO, through applying the wavelet analysis and composite analysis. The results show that: (1) The MJO plays an important role in modulating the TPV, as the number of TPVs generated in strong MJO periods is three times that in weak periods. (2) During strong (weak) MJO periods, the Tibetan Plateau (TP) is in control of a low-frequency, low-pressure cyclone (high-pressure, anticyclone) system, and thus the atmospheric circulation conditions over the plateau are conducive (inconducive) to the generation of TPVs. (3) During strong (weak) MJO periods, southerly (northerly) winds prevail in the east of the TP, while northerly (southerly) winds in the west. Over the northern part of the TP, easterly (westerly) flow is predominant, while westerly (easterly) flow prevails over the south, thus conducive (inconducive) to the formation of cyclonic circulation (i.e., TPVs) at low altitude over the TP. (4) In strong MJO periods, water vapor is relatively less abundant over most of the TP, inconducive to the generation of TPVs; however, moisture transported by the south branch trough and the low-frequency, high-pressure anticyclone system from the Bay of Bengal, are very important for the development of TPVs. As the strength of the MJO changes continuously during its eastward propagation, the intensity of tropical convection and vertical circulation structures of the tropical atmosphere also change accordingly. Alternation between favorable and unfavorable conditions for the generation of TPVs occurs, thus resulting in significant frequency differences of TPVs between strong and weak MJO periods.     

准平直长路径与多折向路径东移高原涡的环境场特征

利用1998—2018年NCEP/NCAR 全球最终分析数据、大气观测资料、青藏高原低涡切变线年鉴,采用合成方法分析了准平直长路径和多折向路径东移高原低涡的环境场特征,探讨了低涡折向的主导因素。结果表明: 准平直长路径低涡、多折向路径低涡长时间活动的共同环境场特征是有明显影响低涡活动的天气系统, 副热带高压（简称副高）位于高原低涡东南方,高原低涡以北上空伴有东、西段急流;低涡有正涡度平流输入,高原低涡上空为辐散区,高空高位涡下传到低涡。同时,二者环境场特征存在明显差异,多折向路径低涡伴有较强的热带低压活动,是在副高、西风带天气系统、热带低压相互作用的环流背景下,高原涡东移受阻而折向; 准平直长路径低涡是在西风带天气系统为主导的环流背景下向东移动;准平直长路径低涡受冷空气、西南气流与高空锋区的影响比多折向路径低涡强,造成了准平直长路径低涡的正涡度平流、位涡、斜压性、高空辐散比多折向路径低涡强。多折向路径低涡折向的主导因素是环境场条件使低涡在减弱、东移受阻的情况下高空高位涡中心在低涡西部上空,高位涡下传使低涡加强的强正位涡异常区出现在低涡西部,低涡移向低涡加强的区域。      

Comparison of a Manual and an Automated Tracking Method for Tibetan Plateau Vortices

Tibetan Plateau vortices(TPVs) are mesoscale cyclones originating over the Tibetan Plateau(TP) during the extended summer season(April–September).Most TPVs stay on the TP,but a small number can move off the TP to the east.TPVs are known to be one of the main precipitation-bearing systems on the TP and moving-off TPVs have been associated with heavy precipitation and flooding downstream of the TP(e.g.,in Sichuan province or over the Yangtze River Valley).Identifying and tracking TPVs is difficult because of their comparatively small horizontal extent(400–800 km) and the limited availability of soundings over the TP,which in turn constitutes a challenge for short-term predictions of TPV-related impacts and for the climatological study of TPVs.In this study,(i) manual tracking(MT) results using radiosonde data from a network over and downstream of the TP are compared with(ii) results obtained by an automated tracking(AT) algorithm applied to ERA-Interim data.Ten MT-TPV cases are selected based on method(i) and matched to and compared with the corresponding AT-TPVs identified with method(ii).Conversely,ten AT-TPVs are selected and compared with the corresponding MT-TPVs.In general,the comparison shows good results in cases where the underlying data are in good agreement,but considerable differences are also seen in some cases and explained in terms of differences in the tracking methods,data availability/coverage and disagreement between sounding and ERA-Interim data.Recommendations are given for future efforts in TPV detection and tracking,including in an operational weather forecasting context.     

冷空气对夏季高原涡移出高原后长久与短期活动影响的对比分析

本文利用NCEP/NCAR-FNL再分析资料、历史天气图和青藏高原低涡切变线年鉴,通过分析1998~2016年高原涡活动情况,对在高原以东活动时间大于96 h的高原涡（长持续涡）和在高原以东活动时间不大于30 h的高原涡（短持续涡）,进行了环流与冷空气活动特征与位涡诊断的对比分析,得出了长、短持续涡的环境场、冷空气活动特征,揭示了冷空气活动、高空锋区对长、短持续涡的影响。结果表明:（1）长持续涡移出高原后是在受较明显冷空气影响情况下加强并持续的,短持续涡则没有明显受冷空气影响。长持续涡所处的低槽较深,槽后的冷温度槽较明显,副热带高压（简称副高）偏南;短持续涡处在分裂槽中,有冷舌,副高偏北;说明影响低涡活动的天气系统强,槽后的冷温度槽明显,副高偏南是低涡能较长时间持续的重要环流条件。（2）长持续涡不仅受到较强冷平流的影响,还处在有狭长的干冷与暖湿空气相遇的地带,使涡区极易产生对流不稳定和低涡扰动,利于低涡加强并持续,短持续涡则远不及长持续涡。（3）长持续涡移出高原后受两个不同方向冷空气影响,涡区内一般伴有两个高位涡中心区,而短持续涡的只有一个高位涡中心区,且位涡值比长持续涡小,长持续涡活动过程中的斜压性也比短持续涡强。另外,长持续涡活动过程中相应的高空急流较强,在增强、东伸、南压作用下,造成200 hPa高空有高位涡下传到低涡,而短持续涡所伴的西风急流平直、弱,造成了短持续涡只受到400 hPa高位涡下传的影响。（4）冷空气影响高原涡维持的作用有:使影响高原涡活动的天气系统加强;使高原涡斜压性增强、对流不稳定增强;使高空有高位涡下传至低涡附近层次,造成低涡区域正位涡异常,垂直涡度发展,低涡加强。