MJO对春季中国东部大气环流和降水的影响

利用再分析资料分析了MJO（Madden-Julian Oscillation）不同位相对春季中国东部降水的影响。结果表明：MJO处于位相3时对应长江及其以南地区降水增多,处于位相7时该区域降水减小。当热带MJO对流从位相1东传至位相4,与其相伴的北向辐散辐合流会在印度东北部—长江及副热带西北太平洋地区的对流层中低层产生明显的辐合异常,且在MJO位相3时中国东部的辐合异常达到最大。从Rossby波源角度分析,这种辐合异常会增强对流层中低层气旋性环流,导致MJO处于位相3时长江流域及其以南地区降水增多。同时,利用现代次季节和季节预报业务系统探讨了MJO与降水的关系对降水预报技巧的影响,发现预报降水和再分析产品的相关系数在MJO处于位相3和7时有所增加。     

MJO预报研究进展

热带大气季节内振荡 (Madden-Julian oscillation,MJO) 是次季节-季节时间尺度气候变率的支配模态。它不仅对低纬度地区天气气候产生重要影响,还能够通过经向传播和激发大气遥相关波列对中高纬度地区产生影响,是延伸期尺度最重要的可预报性来源。因此,MJO预报是次季节-季节气候预测中极为重要的部分,近年来受到国际学术界广泛关注。该文回顾了MJO预报发展历史,概述了当前国际上主要科研业务机构的MJO预报发展现状。目前基于统计方法和气候模式的MJO预报研究取得了较大进展,特别是多个耦合气候模式和一种基于时空投影方法的统计模型均能够显著提升MJO预报技巧 (有效预报可达20 d以上)。该文还介绍了中国气象局国家气候中心在MJO预报技术发展和业务系统研制方面的新进展,当前基于第2代大气环流模式的MJO业务预报填补了国内空白,技巧为16~17 d,而耦合气候模式试验的技巧已达到约20 d。总体来看,利用耦合模式预报MJO是未来发展的主要方向,其中,面向MJO的模式初始化和集合预报新方法研究将是关注重点。     

MJO对我国降水影响的季节调制和动力-统计降尺度预测

利用1981—2016年中国区域CN05.1格点降水资料和EAR-Interim再分析资料,研究了季节循环对于热带大气季节内振荡(MJO)对我国降水影响的调制作用,并基于模式对MJO的预报建立了针对延伸期降水的动力-统计降尺度模型。结果表明,MJO对我国季节内降水异常的影响明显受到季节循环的调制。当MJO对流在热带印度洋活跃时,我国降水偏多的区域随季节由南向北推进;当MJO对流位于海洋性大陆地区时,在秋、冬季我国东部和高原大部分地区降水异常偏少,而到了春、夏季该关系反转。MJO对流和基本气流(特别是副热带西风急流)的位置和强度的变化所引起热带外环流响应的不同是造成这种季节性差异的重要原因。模式检验表明,BCC_AGCM2.2对目标候MJO的预报技巧可达18d以上,在此基础上利用模式预报MJO信息构建了随季节演变滚动的MJO动力-统计降尺度预测模型。独立样本检验表明,该模型在较长时效(10~20d)下对MJO高影响区低频降水异常的预报技巧高于模式的直接预报,特别是在MJO活跃时期对降水预报技巧的提升更加明显,这为MJO信号释用提供了新的思路。     

MJO potential predictability and predictive skill in IAP AGCM 4.1

MJO模拟及预报是现阶段大气科学研究的前沿问题。本文利用中科院大气物理所大气环流模式(IAP AGCM4.1)的集合回报结果,分析了MJO潜在可预报性及预报技巧。研究表明IAP AGCM4.1对MJO有着较好的潜在可预报性,且集合预报的潜在可预报性要明显优于单样本预报;就MJO的预报技巧而言,集合预报同样优于单样本预报;模式对MJO的预报技巧还显著依赖于预报初始时刻的MJO状态,初始MJO信号越强,模式对MJO的预报技巧也越高,且更接近可预报性的上限。     

从Nio-3指数看MJO不确定性对ENSO可预报性的影响

通过在Zebiak Cane数值模式中引入参数化MJO随机外强迫,着重从Nio 3指数的演变发展探讨了MJO不确定性对ENSO可预报性的影响。结果表明,对Zebiak Cane模式而言,MJO不确定性对由条件非线性最优扰动(CNOP)导致的ENSO事件最大预报误差影响较小;与初始误差相比,由MJO不确定性产生的模式误差在ENSO预报不确定性的产生中具有较小作用,对ENSO可预报性的影响不显著。该结果强调了初始误差在ENSO预报不确定性中的主要作用,从而为ENSO预测的资料同化提供了理论基础。     

从Nio-3指数看MJO不确定性对ENSO可预报性的影响北大核心CSCD

通过在Zebiak Cane数值模式中引入参数化MJO随机外强迫,着重从Nio 3指数的演变发展探讨了MJO不确定性对ENSO可预报性的影响。结果表明,对Zebiak Cane模式而言,MJO不确定性对由条件非线性最优扰动(CNOP)导致的ENSO事件最大预报误差影响较小;与初始误差相比,由MJO不确定性产生的模式误差在ENSO预报不确定性的产生中具有较小作用,对ENSO可预报性的影响不显著。该结果强调了初始误差在ENSO预报不确定性中的主要作用,从而为ENSO预测的资料同化提供了理论基础。     

MJO对我国天气气候影响的新事实

在次季节时间尺度上,热带大气季节内振荡(MJO)是全球气候变率的首要模态。MJO不仅对热带天气气候产生直接影响,还能够通过传播和激发大气遥相关等方式对热带外地区产生重要影响,成为目前次季节—季节气候预测最重要的可预报性来源。MJO对于我国天气气候影响的探索由来已久,在很多方面有了显著进展,但仍需深入研究。首先对MJO影响我国天气气候的过往研究进行了回顾,并进一步利用新的观测资料诊断分析,发现了MJO对我国气候影响的一些新事实。初步结论包括:MJO对我国冬季降水的影响主要局限在江南—华南区域,而夏季扩展到南方和青藏高原地区;对冬季气温的影响较大,其范围覆盖了东北、华北以及西部广大区域,而夏季解释方差有所减小,其区域位于除了黄河流域以外的广大地区;在去掉高频噪音后,纯粹MJO信号对我国主要区域气温和降水低频变化的解释方差可接近30%;MJO对我国冬夏季温度降水的影响存在明显滞后效应,应在使用MJO信号进行我国气象要素预报时加以考虑。     

MJO研究新进展

MJO与ENSO的关系、MJO的数值模拟(预报)以及MJO对天气气候的影响是近些年来国内外大气科学研究的重要前沿问题.本文将综合介绍国内有关MJO对天气气候的影响以及MJO的数值模拟(预报)方面的近期研究进展,因为过去已介绍过MJO与ENSO相互作用的研究结果.利用澳大利亚气象局的RMM-MJO指数研究MJO与西北太平洋台风活动的关系,结果表明大气MJO对西北太平洋台风的生成有比较明显的调制作用,在MJO的活跃期与非活跃期西北太平洋生成台风数的比例为2∶1;而在MJO活跃期,对流中心位于赤道东印度洋(即MJO第2、3位相)与对流中心在西太平洋地区(即MJO第5、6位相)时的比例也为2∶1.对大气环流的合成分析显示,在MJO的不同位相西太平洋地区的动力因子和热源分布形势有极其明显不同.在第2、3位相,各种因子均呈现出抑制西太平洋地区对流及台风发展的态势;而在第5、6位相则明显有促进对流发生发展,并为台风生成和发展创造了有利的大尺度环流动力场.对多台风年与少台风年850 hPa的30～60 d低频动能距平的合成分析表明,在多台风年最显著的是低频动能正异常位于菲律宾以东15°N以南的西北太平洋地区,表明那里有强MJO的活动;而少台风年的情况与多台风年相反,菲律宾以东的西北太平洋上与季风槽位置对应区域是低频动能的负距平区,那里MJO偏弱.即赤道西北太平洋上MJO活动的强(弱)年对应西北太平洋的台风偏多(偏少).对应MJO的不同活动位相,无论冬季、春季或夏季,中国东部的降水都将出现特殊的异常形势.在春季,MJO的第2、3位相有利我国东部长江中下游地区多雨、华南地区少雨;MJO的第4、5位相有利我国华南地区多雨而长江中下游地区少雨;在MJO的其它位相,我国东部地区都为降水负异常.在冬季,对应MJO的第1～3位相(特别是第2、3位相)中国华南降水偏多;而对应MJO的第6～8位相(特别是第6、7位相)中国华南降水偏少.在夏季,MJO位于印度洋时,MJO可以通过低层西风急流的波导效应影响到中国东南部地区,造成该地区降水偏多;当MJO位于西太平洋地区时,可以造成经向环流的上升支向北偏移,导致西北太平洋副高的东撤、以及中国东南部地区水汽输送减弱,降水减少.资料分析还表明,在年际变化尺度上,热带中、东印度洋MJO指数的持续异常对云南夏季降水有明显的影响.大气环流和数值模拟都表明,MJO活动不同位相的强对流会在东亚/西北太平洋地区激发产生不同形势的遥响应(Rossby波列),导致在中国不同地区出现有利(或不利)降水的环流形势和条件,是MJO活动影响中国降水的主要机制.用数值模式对MJO进行数值模拟(预报)是尚未很好解决的困难问题,原因也没有完全搞清楚.我们的一系列数值模拟清楚表明,MJO的模拟(预报)效果对模式所用对流参数化方案有很强的依赖关系;模式能否很好描写(再现)热带大气非绝热加热廓线,是极其关键的问题,只有当加热廓线在对流层中低层有最大加热时,模式才能得到同实际观测大体一致的MJO及其活动特征.这些数值模拟结果与我们过去从理论研究得到的结论相吻合,彼此得到应证.     

印度洋地区MJO对流生成动力学机制的研究进展

Madden-Julian Oscillation （MJO）是热带大气在季节内时间尺度上的主要变化特征,MJO对流的活动对全球很多地区的天气和气候系统都有重要的影响,因此MJO是大气科学重要的前沿课题之一.MJO对流的生成过程是MJO研究中公认的最薄弱的环节,文中从MJO的研究背景出发,对MJO对流生成的有关研究工作及其进展进行了回顾与总结,主要包括MJO对流生成的前期信号、MJO对流的数值模拟、MJO对流生成的动力学机制.最后对MJO对流生成研究中还有待解决的问题进行了分析与讨论.     

MJO ensemble prediction in BCC-CSM1.1 (m) using different initialization schemes

热带大气季节内振荡(MJO)预报是国际研究热点,我国尚处于起步阶段。近些年国际上MJO预报水平得到大幅提升,主要得益于包含海气耦合过程的气候模式的使用,这其中模式预报初始化和集合扰动生成方法至关重要。本文发展了适用于国家气候中心第二代气候预测业务模式BCC-CSM1.1(m)的MJO初始化方案,并在此基础上提出了基于不同初始化方案形成扰动的集合预报新方法,可以将MJO有技巧预报时效延长到约20天,为次季节-季节预报提供重要依据。     

11个S2S模式对MJO预报效果的评估分析

利用次季节—季节预报研究计划(Subseasonal to Seasonal Prediction Project, S2S)的多模式产品集,系统评估了产品集中11个模式对MJO的实际预报技巧。如果以距平相关系数ACC为0.5作为有效预报技巧的阈值,S2S各模式的MJO实际预报时效为8～32 d。S2S各模式预报普遍低估了MJO的振幅强度,且预报的MJO传播速度偏慢。通过分析发现,在一个集合预报系统中,集合离散度与均方根误差越接近,它的MJO预报技巧越高。此外,分析S2S各模式MJO预报技巧对起报时间、季节和起报时MJO信号强弱的敏感性发现,当起报时间为冬季且起报时MJO为强信号时,MJO的实际预报技巧较高。     

国家气候中心MJO监测预测业务产品研发及应用

热带大气低频振荡 (MJO) 和北半球夏季季节内振荡 (BSISO) 对全球范围天气气候事件有重要影响,是次季节-季节 (S2S) 预报最主要的可预报性来源之一。国家气候中心 (BCC) 基于我国完全自主的T639全球分析场数据、风云三号气象卫星射出长波辐射 (OLR) 资料以及BCC第2代大气环流模式系统的实时预报,发展了MJO实时监测预测一体化业务技术,建立了ISV/MJO监测预测业务系统 (IMPRESS1.0),已投入实时业务运行,在全国气象业务系统得到应用。该文着重介绍该系统提供的MJO和BSISO指数监测预测数据和图形产品,并描述了这些业务产品在2015年对MJO典型个例的实时监测预测应用情况。监测分析和预报检验表明,基于我国自主资料的监测结果能够较为准确地表征MJO和BSISO指数的振荡和演变过程,该系统对MJO和BSISO事件分别至少具备16 d和10 d左右的预报技巧。因此,基于IMPRESS1.0的MJO/BSISO监测预测一体化业务产品可为制作延伸期预报提供重要的参考依据。     

大气季节内振荡在华南降水预报中的应用

大气季节内振荡(ISO)在天气气候演变中扮演着重要角色,是中期和延伸期预报可预报性来源之一,同时大气ISO的年际变化与区域季节降水量的年际变化密切联系,对短期气候预测有指示意义。对热带大气ISO的年际变化研究做了简要回顾;重点介绍了ISO对华南降水的影响及其业务应用情况,主要包括赤道MJO对华南降水的影响、基于准两周振荡的汛期暴雨过程预报、热带ISO与热带外系统多尺度相互作用对强降水的影响、ISO对季节降水的影响、基于ISO建立的降水延伸期定量预测模型;最后对进一步加强ISO应用研究提出了几点思考。     

中国热带大气季节内振荡研究进展

热带大气季节内振荡(包括MJO)是大气环流的重要系统,它的活动及异常既对其他系统有一定的作用,也对长期天气和短期气候有明显影响。因此,热带大气季节内振荡一直是大气科学的前沿研究课题之一。文中对近5—10年中国学者的有关研究工作及其进展做了简要回顾和综合,主要包括:(1)热带大气季节内振荡特别是MJO的动力学机制;(2)热带大气季节内振荡以及MJO的数值模拟问题,特别是大气非绝热加热廓线对模式模拟MJO的重要作用;(3)热带大气季节内振荡和MJO,特别是在赤道西太平洋地区,与ENSO的相互作用关系;(4)热带大气季节内振荡(包括MJO)及其流场形势对西太平洋台风活动的重要影响,即MJO对西北太平洋台风生成数的调制作用,以及热带大气季节内低频气旋性(LFC)和反气旋性(LFAC)流场对西太平洋台风路径的影响;(5)热带大气季节内振荡(包括MJO)的活动及异常对东亚和南亚夏季风建立、活动异常的影响,以及它们与中国降水异常的密切关系。     

基于SSA-AR方法的MJO指数预报模型试验

采用奇异谱分析(SSA)与自回归向量(AR)预报模型相结合的方法,对热带地区大气季节内振荡(MJO)指数向量作自适应滤波意义下的预报试验。结果表明,通过对MJO原始序列进行SSA的分解重建,无论采用对重建的分量序列进行AR(P)建模的方案,还是利用对重建合成序列进行AR(P)建模的方案,均可得到两周以上的MJO指数预报能力,其提前20天指数预报值与实况之间平均相关系数达到0.5,与直接对MJO原始序列进行AR建模相比较,该方法有较高的预报技巧和超前预报能力,预报效果也较稳定,故将SSA-AR方案进一步完善,可望作为MJO指数业务预报的有效模型。     

ENSO对MJO传播特征演变的影响

利用TRMM降水和ERA-Interim温度、比湿、环流场等再分析资料, 探讨了在1998-2018年冬季年际尺度海温变化对MJO的强度、结构和传播特征的影响。主要结论如下: 通过一种追踪MJO的方法在研究时间范围内共可挑选出50个MJO事件, 其中有14个MJO事件发生在El Ni?o期间, 25个发生在La Ni?a期间, 11个发生在ENSO正常年。El Ni?o年MJO会传播至更远的中东太平洋附近, 而La Ni?a年MJO事件趋于在西太平洋地区消亡, 这主要与东太平洋地区持续的季节内尺度的经向水汽输送有关。此外, 在印度洋和太平洋地区, El Ni?o年的MJO活动更强, 而在海洋性大陆附近, La Ni?a年的MJO活动略强一些。ENSO对MJO强度的影响主要通过影响MJO对流中心东侧水汽的输送, 水汽在异常东风气流的输送下穿过对流中心东边界进入对流中心, 进而造成MJO活动强度的差异。      

热带季节内振荡对广东6月降水的影响

利用1979—2008年共30年广东省86个测站的地面观测逐日降水资料和NCEP-DOE第二套分析资料的大气多要素日平均资料,分析热带大气沿赤道东传的季节内振荡（MJO）对广东6月降水的影响及其物理过程。结果表明:6月MJO活动对广东降水的调制作用与前汛期（4—6月）期间其它月份不同,对6月广东省降水正（负）异常有指示意义的是强MJO事件的第3（第６）位相。当赤道MJO处于第3位相时,西太平洋副热带高压明显加强西伸,来源于西太平洋地区的水汽随副高边缘向广东输送明显加强,广东水汽通量明显增加,从而导致广东降水加强。而第６位相的情况基本相反。强MJO第3位相造成西太平洋副热带高压偏强偏西的物理机制与大气对东印度洋非对称热源的响应有关。2010年6月广东两次持续性强降水过程与MJO强度较强且处于第3位相这种活动状态密切相关,进一步证明赤道MJO活动对广东6月强降水的重要指示作用。该结果有助于拓展广东强降水的预报思路,结合动力模式产品将有助于延长预报时效。      

大气季节内振荡研究进展

在简单回顾大气季节内振荡(MJO)的特征、热带和中高纬MJO的联系及其在半球间相互作用的基础上,较系统地总结了近年来关于MJO的研究进展,涉及MJO和ElNino的关系、MJO的动力学机制及其季节变化和年际异常,并简单讨论了MJO研究中存在的问题及未来的研究前景。     

MJO对2018年华北夏季降水的影响

本文基于华北夏季降水资料和热带大气季节内振荡（Madden–Julian Oscillation，简称MJO）指数、NCEP/NCAR（美国国家环境预报中心/美国国家大气研究中心）再分析环流资料，采用多种统计方法分析MJO与2018年华北夏季降水的关系及影响机制。结果表明:（1）MJO与华北夏季降水有密切的联系。虽然MJO不能移到较高纬度直接影响华北夏季降水，但MJO对流区的气旋会在其北侧激发出反气旋环流，这对“气旋—反气旋对”在缓慢东移过程中，处于较高纬度的反气旋会直接影响华北夏季降水。即MJO会间接影响华北夏季降水，表现为当夏季MJO进入5、6位相时，华北地区夏季会出现明显降水过程，但降水强弱与MJO振幅大小有关。（2）影响机制方面。在850 hPa，伴随MJO的“气旋—反气旋对”的东移，它会造成华北夏季偏南风水汽输送加强（对应RMM1）或东南风水汽输送加强（对应RMM2），从而有利于降水过程发生。在500 hPa层，MJO通过中层扰动向中高纬的传播，诱导副热带高压移到朝鲜半岛附近并加强，对西来高空槽形成阻挡作用，有利于华北地区产生上升运动，从而有利于华北夏季降水过程发生。（3）可以用MJO制作华北夏季延伸期降水过程预报。     

MJO活动轨迹对贵州区域强降水过程延伸期预报的影响分析北大核心

通过对贵州省主汛期季节内振荡(Intra-Seasonal Oscillation,ISO)活跃年进行低频对流场和降水的合成分析,确定了影响贵州主汛期ISO和降水的热带印度洋(Indian Ocean,IO)低频对流关键区和南海(South China Sea,SCS)低频对流关键区,并利用MJO活动轨迹对贵州区域强降水过程开展了延伸期预报试验。将贵州省主汛期ISO位相划分为发展、峰值、减弱、抑制、谷值和恢复6个位相,发现贵州主汛期ISO活跃年的降水与本地区低频对流具有较好的对应关系,即在峰值位相时低频对流最强、降水正异常强度最强;在谷值位相时低频对流最弱、降水负异常强度最强。同时,热带和副热带低频对流场在贵州主汛期ISO波动的第1、4位相、第2、5位相及第3、6位相均呈反位相特征。在热带印度洋低频对流发展、并东传的过程中,有两条传播路径分别激发了孟加拉湾西南季风ISO活跃和南海热带季风ISO活跃共同影响贵州主汛期降水;在贵州主汛期有3个低频对流活跃期,IO关键区和SCS关键区ISO都有3次提前的低频对流加强。基于上述研究,分析MJO活动轨迹对贵州主汛期区域强降水过程的影响,发现热带印度洋MJO活动中心强度在贵州区域强降水过程发生前15 d~前3 d具有较好的持续性预报信号,提前9 d时正相关性最好。与延伸期预报业务规定的预报时段(未来11~30 d)相结合,通过确定贵州典型区域强降水过程发生前(提前量为10 d)至过程结束时段的MJO活动轨迹在历年中的最相似时段,发现MJO活动中心轨迹和强度对贵州区域强降水过程的趋势预报具有较好的指示意义。