高原地区NCEP热通量再分析资料的检验及在夏季降水预测中的应用

青藏高原对周边地区的天气气候有重要影响,为了寻求表征高原热力作用的新的、长时间序列的资料源,本文首先用高原地区NCEP1982～1994年间逐月月平均2.5.× 2.5.Lat./Lon.的地面热通量再分析格点资料对照实测值等进行了检验,然后用EOF分析方法分析了高原地面热源强度的空间分布特征,最后利用再分析资料和降水量实测资料,初步分析了高原地面热源强度对我国夏季降水的影响.主要结果如下:(1)高原地区的地面热通量再分析资料能较好地反映该区热源强度的年及年际变化特征,该再分析资料是可用的;(2)高原地区地面热源强度的分布存在较大的区域性差异;(3)高原西北、东北及西南区早春(2～4月)、夏季(6～8月)的地面热源强度分别与南疆、河西及长江流域的夏季降水存在反相关关系.     

中国东部夏季主要降水型与高原春季热力因子间的关系

采用中国地面气象观测站2 474个站的降水资料以及NCEP/NCAR再分析资料,利用经验正交函数展开、相关分析和小波分析等方法,探讨了中国东部夏季主要降水型与春季高原大气视热源之间的可能相关特征,并初步分析了前春高原大气加热对东部夏季降水异常分布的影响机制。降水EOF分析表明,中国东部夏季降水主要分为:华南—江淮型和长江中下游型;相关和周期分析表明,300 hPa和400 hPa高原南部地区、500 hPa高原北部地区视热源与华南—江淮降水型之间相关显著,3个区域视热源均与华南降水呈负相关,且与江淮降水呈正相关;200 hPa高原偏北地区、500 hPa高原东部地区视热源与长江中下游地区降水呈负相关,而500 hPa高原西部地区视热源则与长江中下游降水呈正相关关系。以上春季高原不同高度关键区域的视热源可为预报夏季降水提供重要判据;从视热源与各个降水中心的相关特征可见,春季高原上空视热源加热场结构会影响中国东部夏季雨带南北位置的分布情况。由春至夏高原加热的"气泵"作用,使得由孟加拉湾和南海地区水汽输送经高原东部地区后,折向东输送至中国大陆东部地区。加热偏强时,水汽向北输送分量加强,雨带偏北,降水"南少北多",反之亦然。     

高原夏季风与南海夏季风关系及其影响

利用1983-2012年NCEP/NCAR、NCEP/DOE、ECMWF再分析月平均资料,及中国160站月平均气温和降水量资料,利用统计学方法从大气环流、降水及温度等方面对高原夏季风与南海夏季风的关系进行了探讨。结果表明:高原夏季风与南海夏季风呈负相关关系,且大气环流及对流活动存在显著性差异。高原夏季风偏强(弱)同时南海夏季风偏弱(强)时,同期中国大部分地区的500hPa高度场偏低(高),南海地区500hPa高度场偏高(低);欧亚大陆低纬地区大部为偏东(西)风,南海地区处于反气旋(气旋)环流中。青藏高原主体地区上升运动较弱(强),南海中心区域上升运动均较弱(强),长江中下游地区降水增加(减少),华南降水减少(增加)。中国大部分地区气温较低(高),华南地区气温较高(低)。     

青藏高原大气热源和冬春积雪与中国东部降水的年代际变化关系

利用NCEP 1950—2004年逐日再分析资料,采用倒算法,对青藏高原大气热源的长期变化进行了计算,结果发现,青藏高原及附近地区上空大气春夏季热源在过去50年里,尤其是最近20年,表现为持续减弱的趋势。而1960—2004年青藏高原50站的冬春雪深却出现了增加,尤其是春季雪深在1977年出现了由少到多的突变。用SVD方法对高原积雪和高原大气热源关系的分析表明,二者存在非常显著的反相关关系,即高原冬春积雪偏多,高原大气春夏季热源偏弱。高原大气春夏季热源和中国160站降水的SVD分析表明,高原大气春夏季热源和夏季长江中下游降水呈反相关,与华南和华北降水呈正相关;而高原冬春积雪和中国160站降水的SVD分析显示,高原冬春积雪和夏季长江流域降水呈显著正相关,与华南和华北降水呈反相关。在年代际尺度上,青藏高原大气热源和冬春积雪与中国东部降水型的年代际变化(南涝北旱)有很好的相关。最后讨论了青藏高原大气热源影响中国东部降水的机制。青藏高原春夏季热源减弱,使得海陆热力差异减小,致使东亚夏季风强度减弱,输送到华北的水汽减少,而到达长江流域的水汽却增加;同时,高原热源减弱,使得副热带高压偏西,夏季雨带在长江流域维持更长时间。导致近20年来长江流域降水偏多,华北偏少,形成"南涝北旱"雨型。高原冬春积雪的增加,降低了地表温度,减弱了地面热源,并进而使得青藏高原及附近地区大气热源减弱。     

近40年青藏高原地区的气候变化--NCEP和ECMWF地面气温及降水再分析和实测资料对比分析

为了分析青藏高原地区的地面气候变化,利用我国高原地区的地面测站逐日平均气温和降水资料、NCEP(美国环境预报中心)、ECMWF(欧洲中期数值预报中心)的再分析值地面气温及降水量资料,对比分析了青藏高原的气候变化.分析发现,40年来所选地面代表测站气温变暖现象较明显(南部的帕里除外),特别是青藏高原北部的茫崖气温增暖非常显著,而40年再分析资料在青藏高原地区没有显示明显的气温变暖,没有大的地域差别,而再分析气温资料在华北平原地区却能显示出较明显的气温变暖,再分析气温资料尤其是NCEP地面气温资料在青藏高原上明显偏低.ECMWF再分析地面降水资料的年际变化显示,近40年来,青藏高原降水没有明显的变干或变湿趋势,但近十几年属于有资料以来较湿的时段.地面测站年降水观测值不像气温观测值那样有明显的变化趋势.     

山东夏季暴雨对青藏高原东南部及邻近区域春季大气热源变化的响应

利用1979—2018年山东省120个国家气象站逐日降水观测数据、欧洲中期天气预报中心ERA-Interim逐月再分析资料以及美国国家环境预报中心和大气研究中心逐6 h再分析资料,分析春季青藏高原大气热源强度变化对山东夏季暴雨的影响。结果表明:近40 a山东大部地区暴雨日数呈增加趋势,鲁西南、鲁西北中东部增加趋势显著。春季、夏季高原均为东亚大气热源较强区域,春季高原大气热源强中心区的强度与山东夏季暴雨指数呈显著正相关。当春季高原大气热源增强时,夏季南亚高压加强、东扩,200 hPa南亚高压易呈中部型,500 hPa中国东北地区易有冷涡生成南下,日本东部西太平洋副热带高压加强北抬,山东处于冷暖气流交汇区,同时明显有自南向北的水汽输送至山东地区,低层辐合、高层辐散的环流配置促使该地区上升气流增强,有利于降水产生。春季高原大气热源强度与夏季南亚高压强度、丝绸之路遥相关分别呈显著正、负相关,大气热源增强下的环流形势有利于山东地区出现强降雨。     

夏季青藏高原大气热源与西南地区东部旱涝的关系

利用1959～2006年西南地区东部20个测站逐日降水量资料和NCEP/NCAR再分析月平均资料,分析了夏季青藏高原大气热源特征,指出了影响西南地区东部夏季旱涝的热源关键区域,并就关键区大气热源对该区域夏季旱涝的影响进行了诊断,得出了以下主要结论:西南地区东部夏季降水与高原主体东南部的热源变化关系密切,当该区域(该区域...     

青藏高原土壤湿度分布特征及其对长江中下游6、7月降水的影响

采用美国气候预测中心1961—2014年逐月土壤湿度资料以及国家气象信息中心降水格点数据,分析了青藏高原土壤湿度的时空分布特征,以及高原春季土壤湿度对长江中下游6、7月降水的影响。结果表明:青藏高原年和不同季节的土壤湿度空间分布特征基本一致,均呈现从东南向西北减少的趋势。区域平均的土壤湿度显示出高原土壤春季最为干燥,秋季和夏季较为湿润的分布特征;近50年来青藏高原大部的年、季节土壤湿度均呈缓慢增加趋势,年、季土壤湿度从20世纪60年代至90年代基本上呈减少趋势,21世纪00年代开始则呈缓慢增加趋势。青藏高原春季土壤湿度与长江中下游降水量基本呈负相关关系。通过信度检验的负相关区在6月位于高原东北部和西南部,7月位于高原南部,且高原西北部分区域春季土壤湿度与7月降水量存在显著正相关。高原春季土壤湿度通过对高原地表温度的作用,进而影响到高原热力特征、大气环流以及长江中下游降水的分布特征。     

青藏高原夏季降水的水汽分布特征

本文利用青藏高原上夏季降水资料以及NCEP再分析资料，分析了高原上夏季降水与邻近地区水汽输送的相互关系。结果发现，高原夏季降水与春季的水汽分布关系比降水与同期的关系更为密切，最明显的相关区位于南海－云贵高原－孟加拉湾一带以及帕米尔高原地区。青藏高原降水典型旱、涝年的水汽分布具有相反的特征。追踪最主要的水汽中心发现，水汽是从阿拉伯海一带逐渐向东移，然后再从高原的东南部进入高原。这种现象可能与索马里越赤道气流有关。     

青藏高原春季地表感热异常对西北地区东部降水变化的影响

利用青藏高原地区代表站点的实测地表热通量数据、JRA-55和NCEP再分析资料以及中国西北地区东部代表站点的降水资料等数据,通过波文比分析、奇异值分析(下称SVD)以及环流场的合成分析等方法,研究了青藏高原地区春季地表加热场异常与同期中国西北地区东部降水变率的关系,结果表明:(1)高原春季波文比值的变化反映出高原地表的非绝热加热中,春季感热加热的贡献较为显著,是高原春季地表加热的主要成分;(2)SVD分析表明,春季高原地表感热的异常与同期中国西北地区东部的降水存在负相关关系,春季高原地表感热增强的年份,中国西北地区东部的春季降水减少;(3)春季地表感热强-弱年的高原周边垂直环流偏差场表明,春季高原地表感热的年际异常增强(减弱)会引起高原周边地区的垂直环流场上升气流的减弱(增强);(4)相对涡度场、位势高度场、风场和水汽通量散度场的合成分析表明,春季高原地表感热偏强的年份,中国西北地区东部对流层高层以正涡度和气流的辐合运动异常为主,中低层以负涡度和辐散下沉运动异常为主,因此中国西北地区东部春季的水汽辐合由低层向高层逐渐减弱,不利于春季降水的发生。     

6种地表热通量资料在伊朗—青藏高原地区的对比分析

基于JRA25、ERA40、ERA-Interim、NCEP1、NCEP2和20CR,对比了不同资料中气候平均(1979—2008年)伊朗—青藏高原感热通量和波文比的季节演变,以及夏季高原感热的年际变率和线性趋势。6套资料均表明,由春到夏亚洲大地形区域地表热状况的季节演变存在明显差异,青藏高原东南部低空气旋生成,一方面增多了局地降水,减弱了地表西风,造成潜热加强,感热减弱,波文比减小;另一方面加强了伊朗高原的东北风,抑制了当地降水,令感热加强,波文比增加,构成了青藏—伊朗高原感热通量季节演变的纬向非对称分布。虽然近30 a来伊朗高原(青藏高原)夏季感热线性增加(减小)的趋势一致,但不同资料所反映的伊朗—青藏高原夏季感热通量的年际变化差别明显。     

春季青藏高原感热对中国东部夏季降水的影响和预测作用

利用1980-2012年青藏高原中、东部71个站点观测资料、全中国756站的月降水资料、哈得来中心提供的HadISST v1.1海温资料以及ERA-Interim再分析资料,综合青藏高原的感热加热以及全球海温,研究了春季青藏高原感热对中国东部夏季降水的影响,并建立预报方程,探讨了青藏高原春季感热对中国降水的预报作用。结果表明,青藏高原春季感热与中国东部降水关系密切,青藏高原春季感热异常增强伴随着长江流域中下游同期降水增多,后期夏季长江流域整流域降水也持续偏多,华南东部降水偏少。春季青藏高原感热的增强与环北半球中高纬度的罗斯贝波列密切相关,扰动在北太平洋形成的反气旋环流向西南方向延伸至西北太平洋,为长江流域输送大量的水汽,有利于降水的发生。夏季,伴随着前期青藏高原感热的增强,南亚高压位置偏东,西北太平洋副热带高压（西太副高）位置偏西偏南,西太副高北侧为气旋式环流异常。在西太副高的控制下,华南东部降水减少;西太副高西侧的偏南气流为长江流域带来大量水汽,并与来自北部气旋式环流异常西侧的偏北风发生辐合,降水增多。青藏高原春季感热异常是华南和长江流域夏季降水异常的重要前兆信号。加入青藏高原春季感热后,利用海温预报的华南、长江流域夏季降水量与观测值的相关系数有所提高,预报方程对区域降水的解释方差提高约15%。      

我国夏季降水与青藏高原春季NDVI的关系

利用1982年1月-2001年12月NDVI资料、台站降水资料和NCEP/NCAR再分析资料, 通过相关分析和合成分析方法, 初步分析了我国夏季降水与青藏高原春季植被的关系及可能机理。结果发现:青藏高原春季NDVI与我国夏季降水相关系数从南到北呈西北-东南向“ + - +”带状分布。合成分析也表明:青藏高原春季NDVI大、小值年降水年内分布也存在明显差异。降水的上述差异, 可能是由于青藏高原春季NDVI变化导致热源效应改变, 引起大气环流变化造成的。对环流分析也发现:大气环流的变化特征与降水变化表现出很好的一致性。     

南亚夏季风爆发前后青藏高原地表热通量的长期变化特征分析

青藏高原作为世界第三极,其热力强迫作用不仅对亚洲季风系统的发展和维持十分重要,也会对大气环流场产生深远影响。利用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的ERA-Interim中1979-2016年3-10月青藏高原及其周边地区的地表热通量月平均再分析资料,通过分析得出以下结论:3-5月青藏高原主体由感热占据,感热强度快速上升且呈西高东低的分布态势,潜热强度较小但随时间而增强。季风爆发后的6-8月,青藏高原感热强度减弱,潜热强度迅速增强且呈东高西低的分布特征。季风消退后的9-10月,感热与潜热强度相当,但感热呈现出西高东低的分布特征。过去38年,青藏高原地表感热总体呈现微弱下降趋势,潜热呈较弱上升趋势。青藏高原西部地区感热呈微弱下降趋势,潜热呈上升趋势。东部感热呈较为明显的下降趋势且近年来变化趋势增强,东部潜热通量则呈现较为明显的上升趋势,分析结论与近期全球变暖条件下青藏高原气候变暖变湿这一变化状况一致,通过对青藏高原地表热通量的变化分析为下一步运用第三次青藏高原大气科学试验所获资料分析青藏高原上空大气热源的变化以及地表加热场如何影响大气环流奠定基础。      

青藏高原地面热源对亚洲季风爆发的热力影响

利用多年NCEP/NCAR再分析全球逐候平均气象场资料和逐旬感热、潜热资料，对亚洲夏季风爆发期间青藏高原及其邻近地区地面加热场的特征进行分析。着重讨论了高原和邻近地区感热加热对亚洲夏季风爆发的影响，具体分析了高原感热加热对亚洲夏季风推进的影响机制，以及对热带低层西风气流的作用。结果发现，中纬度主原的感热加热所造成的经、纬向热力差异是导致亚洲夏季风爆发的原因。亚洲夏季风建立区域和时间的差异与高原感热加热的区域性有关。高原感热加热在南海夏季风爆发前后对南海地区低层西风所流所起的作用不同，在季风爆发前是加速低层西风，在季风爆发后起削弱西风气流的作用。对亚洲夏季风爆发早年和晚年的感热加热进行了对比分析，发现亚洲夏季风爆发时间的年际变化与热源的年际变化有关。     

春季青藏高原东部热力异常与东亚夏季风关系的年代际变化

利用1948-2002年NCEP/NCAR逐日再分析及月平均资料,分析了春季青藏高原地区大气热源的气候分布和高原东部大气热源的年代际变化特征及其异常与东亚夏季大气环流关系的年代际变化.结果表明:春季青藏高原东部大气热源在1965年存在加强突变,且1970年以后热源加强趋势十分显著.此外,春季青藏高原东部大气热源异常与东亚夏季风强弱具有年代际关系,表现为1977/1978年前春季高原东部大气热源与东亚夏季风存在负相关关系,1977/1978年后两者的关系不明显.     

欧亚中高纬春季地表感热异常与长江中下游夏季降水的可能联系

利用国家气候中心提供的中国区域753站降水观测资料、ECMWF逐月地表感热通量再分析资料和NECP/NCAR再分析资料,讨论了欧亚大陆中高纬春季地表感热异常与长江中下游夏季降水之间的联系及其相关的物理机制。分析发现欧亚大陆中高纬春季地表感热异常与长江中下游地区夏季降水存在显著的正相关:感热偏强期,长江中下游夏季降水偏多;感热偏弱期,长江中下游夏季降水偏少。春季感热异常偏强时,夏季东亚副热带西风急流主体位置偏东、强度偏强、范围偏大,长江中下游地区主要受辐合上升气流控制,水汽输送条件好,降水异常偏多。而春季感热偏弱时,情况大致相反,则夏季降水异常偏少。研究表明欧亚大陆中高纬春季地表感热通量异常变化对我国长江中下游夏季降水预测具有一定的指示意义。     

Impact of the anomalous thawing in the Tibetan Plateau on summer precipitation in China and its mechanism

The impact of the anomalous thawing of frozen soil in the late spring on the summer precipitation in China and its possible mechanism are analyzed in the context of the frozen soil thawing date data of the 50 meteorological stations in the Tibetan Plateau, and the NCEP/NCAR monthly average reanalysis data.Results show that the thawing dates of the Tibetan Plateau gradually become earlier from 1980 to 1999,which is consistent with the trend of global warming in the 20th century. Because differences in the thermal capacity and conductivity between frozen and unfrozen soils are larger, changes in the freezing/thawing process of soil may change the physical properties of the underlying surface, thus affecting exchanges of sensible and latent heat between the ground surface and air. The thermal state change of the plateau ground surface must lead to the thermal anomalies of the atmosphere over and around the plateau, and then further to the anomalies of the general atmospheric circulation. A possible mechanism for the impact of the thawing of the plateau on summer (July) precipitation may be as follows. When the frozen soil thaws early (late) in the plateau, the thermal capacity of the ground surface is large (small), and the thermal conductivity is small (large), therefore, the thermal exchanges between the ground surface and the air are weak (strong). The small (large) ground surface sensible and latent heat fluxes lead to a weak (strong) South Asian high, a weak (strong) West Pacific subtropical high and a little to south (north) of its normal position. Correspondingly, the ascending motion is strengthened (weakened) and precipitationin creases (decreases) in South China, while in the middle and lower reaches of the Changjiang River, the ascending motion and precipitation show the opposite trend.     

Characteristics of Atmospheric Heat Sources over Asia in Summer: Comparison of Results Calculated Using Multiple Reanalysis Datasets

Using 1979-2000 daily NCEP/NCAR (National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research) reanalysis data (version 1, hereafter referred to as NCEP1; version 2, hereafter referred to as NCEP2), ECMWF (European Center for Medium-range Weather Forecasts) reanalysis data(ERA),and the Global Asian Monsoon Experiment (GAME) reanalysis data in summer 1998, the vertically integrated heat source hQ1i in summer is calculated, and results obtained using different datasets are compared. The distributions of hQ1i calculated by using NCEP1 are in good agreement with rainfall observations over the Arabian Sea/Indian Peninsula, the Bay of Bengal (BOB), and East China. The distributions of hQ1i revealed by using NCEP2 are unrealistic in the southern Indian Peninsula, the BOB, and the South China Sea. Using ERA, the heat sources over the tropical Asia are in accordance with the summer precipitation,however, the distributions of hQ1i in East China are unreasonable. In the tropical region, the distributions of the summer heat source given by NCEP1 and ERA seem to be more accurate than those revealed by NCEP2. The NCEP1 and NCEP2 data are better for calculating heat sources over the subtropical and eastern regions of mainland China.