欧亚中高纬冬季地表感热异常与中国西北东部夏季降水的可能联系

利用1979—2012年NCEP/DOE月平均地表感热通量再分析资料、西北东部156站夏季降水日资料,分析了欧亚大陆中高纬(61°N—67°N,53°E—68°E)冬季地表感热通量对我国西北东部夏季降水的影响。结果表明,当欧亚大陆中高纬冬季大气向地表输送感热值偏大时,春、夏季地表向大气输送感热值也偏大,引起了夏季500 hPa乌拉尔山阻塞高压加强,蒙古低压加深,西北太平洋副热带高压强度偏强,位置偏西,西风急流位置偏北,南亚高压呈东部型;对流层中低层表现为异常上升气流,同时有水汽的辐合,西北东部位于副高外围和蒙古低压底部,大气环流场的变化导致中国西北东部夏季降水偏多。当欧亚大陆中高纬冬季大气向地表输送感热值偏小时,春、夏季地表向大气输送感热值偏小,引起相反的夏季大气环流异常,使得中国西北东部夏季降水偏少。     

2011年夏季广东季风槽暴雨与准双周振荡

采用小波分析、Lanczos时间滤波器、合成分析等方法分析了2011年夏季广东季风槽暴雨与大气低频振荡的关系。结果表明,2011年夏季降水主要存在准20 d的周期振荡,季风槽暴雨过程对应强的准双周振荡。选取与夏季降水显著相关的区域（102.5~117.5 °E,20~27.5 °N）平均的500 hPa高度场作为影响广东夏季降水的“500 hPa关键区”指数,同样选取区域（110~120 °E,15~22.5 °N）平均的850 hPa风场作为“850 hPa关键区”指数;2011年夏季500 hPa关键区与850 hPa关键区分别存在显著的准23 d、准22 d周期振荡,季风槽暴雨发生在500 hPa关键区准双周振荡的波谷、850 hPa关键区准双周振荡的波峰附近。从南海南部开始的3次低频纬向风、OLR、湿度的北传与从菲律宾以东的西太平洋向西传播的低频中心相遇,导致3次季风槽暴雨过程。利用典型个例的合成分析,对2011年6—8月广东3次季风槽暴雨的准双周振荡不同位相的大气环流场的共同演变特征进行分析,它们反映了季风槽暴雨从间歇-开始-旺盛-减弱-结束期的大气环流场演变特征,为广东季风槽暴雨的中期预报提供参考依据。      

北半球夏季大气低频振荡演变特征及其与华北夏季降水的关系

本文采用1981～2010年夏季5～10月逐日的（10°S～50°N,40°E～160°E）范围内向外长波辐射OLR（Outgoing Longwave Radiation）资料和850 hPa层纬向风速资料（简称U850）作经验EOF（Empirical Orthogonal Function）分解,重新计算北半球夏季大气低频振荡BSISO（Boreal Summer Intraseasonal Oscillation）指数,并分析了其演变特征及其对华北夏季降水的影响规律。结果表明:（1）在北半球夏季印度洋—西北太平洋地区存在两种明显的低频信号,一种是BSISO1,空间分布呈西北—东南倾斜状,从热带印度洋向东北方向传播,振荡周期约为45 d;另一种是BSISO2,空间分布呈西南—东北倾斜状,从西北太平洋向西北方向传播,振荡周期约为20 d。（2）BSISO主要是通过影响大气环流和水汽输送来影响华北夏季降水过程。在500 hPa层,BSISO信号会造成华北地区东部副热带高压位置南北移动和强度发生变化来影响华北夏季降水;在850 hPa层,BSISO信号会通过伴随的气旋性或反气旋性异常环流影响向华北的水汽输送来影响华北夏季降水。（3）虽然热带大气季节内振荡MJO（Madden-Julian Oscillation）信号在全年都存在,但其变化在冬半年尤其冬季振幅最大,在夏季最小。BSISO信号变化在夏半年尤其夏季振幅最大。因此,利用热带大气低频信号开展延伸期降水过程预测,冬半年可以重点考虑MJO的影响,夏半年重点考虑BSISO的影响。     

1998年夏季长江流域大气季节内振荡的结构演变及其对降水的影响

利用中国逐日降水格点资料和NCAR/NCEP再分析资料,对1998年发生在我国东部长江中下游流域的夏季持续性强降水过程中显著的大气季节内振荡(ISO)的三维结构演变等活动特征进行了分析。1998年夏季长江及江南地区的异常强降水对应着该地区强的ISO活动。利用位相合成方法,对长江流域两个典型的季节内循环周期的ISO降水、850 hPa水平风场以及水汽和垂直速度等循环过程的时空分布特征进行了诊断分析。在低频环流场上,对流层低层的低频气旋和反气旋环流表现出交替在热带西北太平洋增强并向西偏北方向移动发展的特征,当异常气旋环流移动到长江流域上空时,长江流域正好位于气旋环流西南侧的东北风异常和西北太平洋上向西移动的反气旋环流西北侧的西南风异常环流汇合处的下方,引起该地区强降水的发生。在强降水阶段的ISO的垂直结构上,上升运动和水汽表现出从华南到长江流域自南向北移动的特征,强烈的垂直上升运动以及来自南方充足的水汽为增强长江流域地区的降水起到了重要作用。     

阿留申低压低频变化及其相关的瞬变动力学过程分析

利用NCEP/NCAR 1979—2013年的再分析资料,研究了冬季阿留申低压低频变化的环流特征,探讨了阿留申低压低频变化形成和维持的相关天气尺度瞬变强迫机制。冬季阿留申低压的低频变化在850 h Pa环流场上表现为北太平洋海盆区一个异常气旋/异常反气旋在局地强弱变化的过程,即阿留申低压在低频尺度上先异常增强/减弱随后逐渐恢复正常态的演变过程;850 h Pa上大气温度低频变化表现为低频冷中心在西北太平洋建立并逐渐东移的过程。对天气尺度瞬变扰动活动及其强迫的异常进行分析表明,北太平洋海盆区上空的瞬变动力强迫在阿留申低压异常增强的时期为负异常,有利于阿留申低压低频变化异常空间型的形成和维持。由瞬变热力强迫异常引起的温度倾向异常场表现为北太平洋中部以40°N为界南正—北负的空间分布,其南部正异常在一定程度上抑制和削弱了低频冷中心向南的扩张。     

北半球副热带—中纬度太平洋大气季节内扰动的纬向传播与东亚夏季旱涝

用时空滤波和Morlet小波方法,分析了1958—2000年夏季东亚(20°—45°N,110°—135°E)不同纬带(由南到北分为4个区域)的降水分别与太平洋同一纬带上大气30—60 d振荡(ISO)沿纬圈传播的关系及其成因机制。发现太平洋上经向风ISO向西传播的强或弱,是东亚夏季风区降水偏多或偏少的必要条件。对逐年夏季的分析表明,无论当年东亚夏季风强与否,在所划分的几个东亚季风区所有涝的年份里,太平洋同一纬带上大气ISO向西传播都明显较强,而在这些区域绝大多数旱的年份里,相应的ISO向西传播明显较弱。进一步分析发现,经向风ISO的纬向传播对应着大气经向型环流系统的移动,向西传影响东亚夏季风区降水的ISO有来自低纬中东太平洋东风流中的低频气旋(如副热带东风带中ISO的演变);也有来自中高纬度阿拉斯加湾及鄂霍次克海一带低频低压(如洋中槽)和高压(如阻塞高压和东北太平洋高压)的向南向西频散。因此东亚夏季旱涝不但与热带季风有关,而且与中东太平洋副热带东风系统中ISO的向西传播、中高纬度长波调整时低频扰动向西南经北太平洋副热带的传播密切相关。     

东亚夏季风北界与我国夏季降水关系的研究

为了研究东亚夏季风北界与我国东部夏季降水异常的关系,本文利用夏季850 hPa上20°N以北105°~125°E之间平均南风风速2 m/s所在的纬度,定义了一个新的东亚夏季风北界指数。初步分析表明:东亚夏季风北界在1976年之前(含1976年)位置偏北,而1976年之后位置偏南,具有明显的年代际变化,较好地反映了我国东部夏季降水异常分布型的变化。对应于东亚夏季风北界的异常,东亚夏季风强度、西北太平洋副热带高压位置与面积、亚洲大陆热低压等也发生了相应的变化,它们之间的关系如下:东亚夏季风北界位置偏北(南)时,对流层低层亚洲大陆热低压偏强(弱),东亚夏季风偏强(弱),西北太平洋副热带高压位置偏北(南)、面积偏小(大),南亚高压偏弱(强),长江中下游地区气流以下沉(上升)为主,降水偏少(多);华北地区气流以上升(下沉)为主,降水偏多(少)。     

2011年5、6月长江中下游旱涝转折的大气低频特征及其预报

基于国家气候中心2011年5、6月长江中下游降水量、降水过程和气象干旱、洪涝区域等统计资料,以及同期NCEP/NCAR逐日纬向风（u）、经向风（v）和水汽（q）资料,对2011年5、6月长江中下游旱涝转折的大气低频环流特征进行分析。结果表明,气象干旱的5月和暴雨洪涝的6月在大气低频系统分布、低频气流交汇和低频水汽输送等方面有显著不同。5月（6月）我国东部以东洋面,850 hPa等压面先后维持西风带低频反气旋或低频气旋（西太平洋低频反气旋）,导致长江中下游为单一的低频偏南或偏北气流（低频偏南气流与低频偏北气流交汇）。而且5月（6月）从西南-东北和东南-西北的低频-qv（qv）交汇于120 °E,30 °N及其附近地区。长江中下游地区水汽通量散度为辐散区（辐合区）。另外,5月无（6月有）自60 °E,沿30 °N向东传播的低频偏南风与自60 °N,沿120 °E向南传播的低频偏北风在长江中下游交汇。低频环流的不同特征,有利于5月干旱（6月洪涝）的维持。并对此次旱涝转折在延伸期预报（10～30 d）时效内的预报取得较好的预报结果。      

2012年夏季华北降水和环流形势的低频振荡特征分析

对2012年夏季华北降水的低频振荡特征和相应的低频环流形势进行了分析,结果表明:2012年华北夏季降水具有显著的10~13 d低频振荡周期,振荡的演变和强降水有很好的对应关系,强降水过程基本发生在振荡的波峰处。强降水发生前,对流层低层在孟加拉湾地区首先出现低频反气旋式环流并逐渐加强,菲律宾至我国南海地区的低频环流系统逐渐向西北方向传播,中高纬西风带上有负低频高度距平东移,其伴随西风槽加深东移。对流层上层伊朗高原低频气旋式环流减弱,随后青藏高原东部低频反气旋式环流加强东移。强降水发生时,来自西北太平洋的低频偏南风和西风槽东移携带的低频水汽,为华北地区提供了充沛的低频水汽。同时对流层高层青藏高原的低频反气旋式环流东移控制我国中东部地区,华北至东北地区为强烈的低频辐散中心,上升运动加强,为降水的发生提供动力条件。对流层各层低频系统的相互配合对华北强降水的发生和维持起到了重要作用。     

1986—1987年北半球冬季亚澳地区大气环流异常及其与西太平洋SST异常的联系

1986—1987年冬季亚澳地区大气环流异常主要表现在北半球中纬盛行纬向气流,副热带西风急流、西太平洋副热带高压脊及ITCZ位置异常偏北;西北太平洋热带气旋活动频繁;赤道盛行异常西风和异常南风;澳大利亚海平面气压偏高等现象。在这种大气环流异常形势下,东亚地区冬季风偏弱,冷空气主要在偏北地区东移,温度异常偏高,中国北方降水偏多,南方降水偏少。与此同时,澳大利亚夏季风偏弱并推迟一个月建立,整个澳大利亚地区降水偏少。大气环流异常是从低纬开始的。ITCZ位置异常偏于北半球,比其他环流系统异常要早一个月以上发生。1986年夏季以来,西太平洋赤道附近及其偏北地区SST始终维持异常偏高,可能是造成ITCZ异常偏北的原因,并进而引起瓦克环流减弱和南方涛动指数(SOI)偏低,从而对1986—1987年的ENSO事件的发生起了促进的作用。1986年夏秋季节西北太平洋30°N950hPa上北风异常,冬季南风异常又可能是引起西太平洋SST异常分布的原因,因此,1986—1987年冬季亚澳地区的异常事件必须从海—气相互作用的观点来加以说明。      

THE ROLES OF BOUNDARY-LAYER DYNAMICS ON THE DEVELOPMENT OF MADDEN-JULIAN OSCILLATION

In this paper,a tropical atmospheric model of relevance to shorts-term climate variations(Wang and Li 1993)is util-ized for study of the development of Madden-Julian oscillation.The model contains an interactive process ofboundary-layer Ekman convergence and precipitation heating.The model is solved by expanding dependent variables interms of parabolic cylindrical functions in the meridional direction and truncating three meridional modes n=0,2,4 forequatorial symmetric solutions.The free wave solutions obtained under long-wave approximation are induced as aKelvin wave and two Rossby waves.After considering the effect of boundary-layer dynamic process,the modifiedKelvin wave becomes unstable in long-wave bands with a typical growth rate on an order of 10~(-6) s~(-1)and an eastwardphase speed of 10 m s~(-1);the most unstable mode is wavenumber one.These theoretical results are consistent with the ob-served Madden-Julian oscillation in equatorial area.For the two modified Rossby waves,one with a smaller meridionalscale(n=4)decays except for extra long-waves;the other with a larger meridional scale(n=2)grows in short-wavebands.This may be relevant to explaining the westward propagation of super cloud clusters in the Madden-Julianoscillation.The theory suggests that the boundary-layer dynamic process is an important mechanism in the develop-ment of the Madden-Julian oscillation.     

THE ROLES OF BOUNDARY-LAYER DYNAMICS ON THE DEVELOPMENT OF MADDEN-JULIAN OSCILLATION*

In this paper,a tropical atmospheric model of relevance to shorts-term climate variations(Wang and Li 1993) is utilized for study of the development of Madden-Julian oscillation.The model contains an interactive process of boundary-layer Ekman convergence and precipitation heating.The model is solved by expanding dependent variables in terms of parabolic cylindrical functions in the meridional direction and truncating three meridional modes n=0,2,4 for equatorial symmetric solutions.The free wave solutions obtained under long-wave approximation are induced as a Kelvin wave and two Rossby waves.After considering the effect of boundary-layer dynamic process,the modified Kelvin wave becomes unstable in long-wave bands with a typical growth rate on an order of 10^-6 s^-1and an eastward phase speed of 10 m s^-1;the most unstable mode is wavenumber one.These theoretical results are consistent with the observed Madden-Julian oscillation in equatorial area.For the two modified Rossby waves,one with a smaller meridional scale(n=4) decays except for extra long-waves;the other with a larger meridional scale(n=2) grows in short-wave bands.This may be relevant to explaining the westward propagation of super cloud clusters in the Madden-Julian oscillation.The theory suggests that the boundary-layer dynamic process is an important mechanism in the development of the Madden-Julian oscillation.     

北半球海-冰-气系统的10年振荡及其振源初探

采用最大熵谱方法分析了1953～1990年间冬季喀拉海、巴伦支海海冰面积指数、西伯利亚高压强度指数、东亚冬季风强度指数的变化周期,并把冬季喀拉海、巴伦支海海冰面积变化与春夏各季节副热带高压的特征量指数（包括面积指数、强度指数）变化进行了比较。研究发现在海冰-大气气候系统中,明显存在10年尺度周期性变化;冬季喀拉海、巴伦支海海冰面积变化与西伯利亚高压强度指数、东亚冬季风强度指数均呈现相反的变化趋势,海冰偏多（少）则西伯利亚高压偏弱（强）、东亚冬季风也偏弱（强）;冬季海冰面积变化与春夏各季节副热带高压的范围、强度均呈现相同的变化趋势,并且海冰变化要超前0～1年;复经验正交分析表明大气10年尺度周期性变化的振荡源分布均与某一海区（洋区）有关,大气10年尺度变化是对海洋（海冰）变化的响应。     

北半球冬半年平流层大气低频振荡特征的研究

利用NCEP/NCAR(1970～1999年)位势高度场和风场再分析资料,通过小波分析的方法,研究并揭示了北半球冬半年平流层大气低频振荡的周期,然后通过滤波等方法,揭示了冬半年平流层大气低频振荡的空间结构、传播规律、地域分布特征及北半球低频遥相关的一些分布特征,并且与对流层大气低频振荡作比较.作者对北半球平流层大气低频振荡进行的系统分析研究结果表明:在北半球冬半年平流层,大气低频振荡十分显著,其振荡周期以60天最为显著,在垂直方向上表现出正压结构特征,在水平方向上表现为一致西传,并且以北极涛动(the arctic oscillation)占据主导地位.北半球冬半年平流层大气低频振荡主要活动区域为北极地区,并且在45°N附近还存在3个活动中心,即欧亚大陆、北太平洋和北大西洋中心.     

大气自由模与中高纬准双周振荡

用数值方法研究了自由模对强迫耗散系统解的轨线的影响。首先,用变分法得到实际大气自由模,并设计一族解析自由模——理想大气自由模;其次,以两类自由模分别作强迫场,初始场取1993年7月1目的500hPa流函数场,然后应用强迫耗散正压涡度方程的全球谱模式积分300d,得到：(1)以1992年12月27—28日500hPα的实际大气自由模作强迫场时,①α=γ=k≥0．02,强迫、耗散系数相等且足够大时．随着时间演变,大气总是接近自由模态;②强迫系数α=0．1,耗散系数γ=0．02时．中高纬出现局地性准双周振荡。(2)以理想大气自由模作强迫场时,固定耗散系数γ=0．01,强迫系数0．0095≤α≤0．011时,振荡周期与强迫系数呈正相关关系。     

边界层动力过程在Madden-Julian振荡发展中的作用

利用包括边界层爱克曼辐合－降水加热过程在内的短期气候变化模式［１］，研究了Ｍａｄｄｅｎ－Ｊｕｌｉａｎ振荡［１１，１２］形成的机制。当经圈方向用抛物圆柱函数展开，并对赤道偶对称解取ｎ＝０，２，４三个截断模时，在长波近似下的自由波解，一为向东的Ｋｅｌｖｉｎ波，另外两支为向西的Ｒｏｓｓｂｙ波。当考虑边界层动力影响后，修正后的Ｋｅｌｖｉｎ波，其向东传播的速度约为１０ｍｓ－１，且在长波波段是不稳定的，最不稳定的波出现在纬向一波附近，不稳定增长率的量级约为Ｏ（１０ｍ－６ｓ－１），理论结果和Ｍａｄｄｅｎ－Ｊｕｌｉａｎ振荡在赤道附近主体环流东传的观测事实接近。另外两支修正后的Ｒｏｓｓｂｙ波，其中经圈尺度较小的那支波，除波长极长的波外，波是阻尼的；但另一支经圈尺度较大的波，在短的波段是不稳定增长的，这似乎可以用来解释Ｍａｄｄｅｎ－Ｊｕｌｉａｎ振荡中大尺度超级云团的西传过程。这些结果表明边界层动力过程在Ｍａｄｄｅｎ－Ｊｕｌｉａｎ振荡的形成中是一种重要的机制。     

首都机场浓雾中的能见度突发性振荡及其演变规律

利用2000—2011年北京首都机场每分钟的自动观测资料,对影响首都机场的52次浓雾过程进行分析,发现浓雾的形成、发展和消散过程中能见度演变具有突发性和振荡性的特征。浓雾中的能见度振荡可分为前导振荡、中间振荡和后位振荡,三者所占比例分别为86.5%、62.5%和79.2%。冷季浓雾比暖季浓雾具有更明显的温度振荡,在影响首都机场的34次冷季浓雾中,有61.8%的个例具有温度的振荡。辐射雾中温度振荡超前于能见度振荡,而平流雾来临前有温度振荡,雾发生时温度振荡不明显。根据统计结果本文定义了浓雾振荡指数DFOI,并发现DFOI为±0.2可以作为首都机场浓雾临近预报的阈值,使用该阈值可以将首都机场2000—2011年的浓雾预警平均提前1~2 h。根据2012年1月的实际预警测试,发现单独使用该指数无法区分浓雾、降雪和霾过程,今后在雾的预警过程中还需要引入其他指数。     

热带太平洋ENSO振荡的空间对称和非对称成分

用SSA（奇异谱分析）识别出ENSO振荡的前两个周期成分，在此基础上对NCEP／NCAR资料以及风应力资料采用合成场的空间对称和非对称方法，分析和比较物理量场对Nino3、4指数的两个主要周期成分的线性和非线性响应。结果表明：空间场的线性响应A^（1）决定了两个主周期成分与ENSO的位相关系；非线性响应A^（2）决定空间不对称性。A^（1）和A^（2）的相互作用对于空间场的影响分成4种情况：情况1（A^（1）〉0，A^（2）〉0）、2（A^（1）〉0，A^（2）〈0）使得空间场振荡与ENSO同位相，情况3（A^（1）〈0，A^（2）〈0）、4（A^（1）〈0，A^（2）〉0）则反之；情况1、3使得在ENSO暖位相时合成场的振荡强，而情况2、4反之。空间不对称性最大的地方与线性响应最大的地方总是比较接近：SLP位于南太平洋，作用的情况分别是1和4；SSTA位于赤道东太平洋；τx位于赤道中西太平洋，属于情况1；τy位于中太平洋赤道北侧和南侧，由北向南分别是情况3和1。这种特征使得在ENSO暖位相时，合成场中主要距平区的振荡强度偏强，更有利于形成ENSO暖事件。这与最近38a来ENSO暖事件普遍偏强的现象吻合。     

Relationship between summer rainfall anomalies and sub-seasonal oscillation intensity in the ChangJiang Valley in China

Sub-seasonal variability of summer (May–October) rainfall over the ChangJiang Valley exhibits two dominant timescales, one with a quasi-biweekly (QBW) period (10–20 days) and the other with an intraseasonal oscillation (ISO) period (20–60 days). A significant positive correlation (at a 99% confidence level) was found between the summer precipitation anomaly and the intensity of the QBW and ISO modes in the region. By examining the composite structure and evolution characteristics, we note that the QBW mode is characterized by a northwest–southeast oriented wave train pattern, moving southeastward. The perturbations associated with the ISO mode propagate northwestward in strong ISO years but southeastward in weak ISO years. A marked feature is the phase leading of low-level moisture to convection in both the QBW and ISO mode. When the summer rainfall is strong in the ChangJiang Valley, large-scale atmospheric conditions in the strong QBW/ISO activity region are characterized by deeper moist layer, convectively more unstable stratification and greater ascending motion. Such mean conditions favor the growth of the QBW and ISO perturbations. Thus, a significant positive correlation between the summer precipitation and the strength of sub-seasonal variability arises from the large-scale control of the summer mean flow to perturbations.     

中间层顶区域大气平均风场年和半年振荡的全球结构

利用2003~2011年TIDI(TIMED Doppler Interferometer)风场观测数据研究了中间层顶区域80~105 km纬向平均风场年振荡和半年振荡振幅和相位的全球分布结构,并给出了它们的年际变化。在热带地区,纬向风半年振荡最显著。振幅峰值中心位于南半球10°S~20°S范围,出现与平流层半年振荡类似的相对于赤道不对称的分布,并且振幅峰值与以前在该区域的研究结果存在较大差别。在中高纬度地区,纬向风和经向风被年振荡所控制。纬向风在高度100 km以下中高纬度都存在振幅大值中心;经向风年振荡只出现在两半球中纬度高度95 km以下,并且南北半球振幅峰值中心分布不一致。分析结果还显示年振荡和半年振荡振幅存在显著地年际变化,相位的年际变化则较小,但北半球热带地区经向风年振荡振幅和相位表现出2年周期的变化。