江淮流域旱涝灾害气象卫星遥感监测和预报方法研究

根据气象卫星遥感、数值预报和农业气象观测资料,研制开发了江淮流域干旱洪涝灾害的遥感监测方法,详细分析降水对旱涝演变趋势的影响并建立了模型;通过对数值预报产品动力释用技术方法研究,研制了中短期面雨量预报系统,将上述研究成果集成,最终形成江淮流域旱涝遥感监测预报系统。     

北非地区海-陆热力差异与夏季江淮流域旱涝的关系

基于NCEP/NCAR月均再分析资料和中国743站降水资料,根据夏季江淮流域51 a(1954-2004年)区域旱涝指数的年代际变化特征,确定北非地区作为研究的关键区.分析发现,关键区的地表温度异常在冬季具有较好的持续性,冬季北大西洋涛动是导致这种异常持续性的重要原因之一.通过对前冬北非地区地表温度和夏季江淮流域降水的SVD分析发现:当北非大陆地区偏冷,其西北侧的海区偏暖时,江淮流域夏季的降水将整体偏多;反之,江淮流域夏季的降水整体偏少.进一步研究发现,北非地区海陆地表温度异常的对比,要比其中单一海洋或陆地区域的异常对夏季江淮流域的旱涝有更好的指示能力.文中定义了一个海陆热力差异指数来表征这种地表温度异常的对比程度,该指数和夏季江淮流域旱涝指数呈较好的正相关关系,并且对夏季江淮流域极端旱涝年份也有较好的指示,认为该指数可以作为一个指示江淮流域整体旱涝事件的预报因子.     

中国1961—2016年夏季持续和非持续性极端降水的变化特征

基于国家气象信息中心提供的1961—2016年2400多站逐日降水观测资料,根据百分位法确定极端降水,对中国夏季持续（持续2 d及以上）和非持续性（持续1 d）极端降水事件的变化特征进行了研究。结果表明：在气候变暖背景下,以江淮流域为代表,中国大部分地区极端降水量趋于增多,但华北、西南及西部部分地区趋于减少;除内蒙古中部、四川等地以外,中国大部极端降水对总降水的贡献呈增多趋势。进一步对华北、江淮、华南、西南4个代表区域进行分析,发现华北、西南地区的持续和非持续性极端降水量都呈减少趋势,持续性极端降水量的减少更突出,极端降水更多以非持续性形式出现;江淮、华南一带,两类极端降水量都呈增多趋势,持续性极端降水量的增加更明显,极端降水更多以持续性形式出现。     

江淮切变线研究的回顾与展望

江淮切变线是中国东部特有的天气系统,与梅雨期降水密切相关,为江淮流域地区夏季降水最主要的天气系统。为了提高夏季中国东部降水的预报能力,深化对江淮切变线认识和研究,本文较为系统地回顾了江淮切变线的相关研究,包括江淮切变线的定义、分类、结构、形成发展机制、影响作用、与其他天气系统相互作用以及研究技术手段等方面,并梳理其研究成果,从经典定义和预报业务实际出发,指出江淮切变线结构的多样性和多尺度特性。同时,在回顾研究成果的基础上,展望了在多源大气探测资料不断出现的当今,江淮切变线值得进一步深入研究。     

江淮流域夏季低频降水的前期预报信号

基于ERA-Interim逐日4时次再分析资料和753站逐日降水资料,对1980—2013年江淮流域夏季降水特征进行分析,探究江淮流域夏季低频降水的前期预报信号,结果表明:1)江淮流域夏季降水受10～30 d低频振荡影响显著,10～30 d低频分量在江淮流域夏季降水中占较大比重。2)200 hPa上,低频降水过程发生前9～6 d有低频反气旋(低频气旋)自青藏高原东北部向中国东部移动。500 hPa上超前低频降水过程9 d至低频降水过程发生时有西太副高自东向西(自西向东)移动至中国东部沿海地区,热带地区负(正)低频OLR中心不断向北移动,最北端到达江淮流域并达到最强,进而促进(抑制)江淮流域低频降水的发生。3)青藏高原预报信号能够有效补充西太副高及热带OLR信号的不足,将青藏高原信号、西太副高信号及热带OLR信号作为综合预报因子对江淮流域降水进行预报,对仅依赖低纬度地区信号进行降水过程预报的准确率有较好改进作用。     

我国江淮流域温度和降水持续性变化的研究

引用序贯抽样的思想,应用Ｒａｄｏｋ提出的持续性变化检测方法,并结合经验正交函数的分析,揭示了我国江淮流域４２年来气温和降水持续性变化的主要特征。     

基于集合预报的持续性强降水可预报性评估方法研究

利用集合预报成员初值误差在大气相空间中增长方向不同的特点,结合模式检验方法,构建持续性强降水可预报性评估指数(Index of Composite Predictability,ICP),为持续性强降水可预报性及数值预报误差增长机理研究提供科学方法。ICP综合评估指数包括三个数学模型:集合预报成员单一评估指数定义、集合预报成员综合评估指数定义和集合预报成员预报能力定义。利用中国国家气象中心T213全球集合预报资料,选取江淮流域2010年6月17—25日和2011年6月4—12日2次持续性强降水过程,进行ICP综合评估指数应用试验,其中,单一评估指数选取中雨公平成功指数ETS、500 hPa高度场均方根误差分别代表模式降水预报能力和环流形势预报能力。结果显示:可预报性评估指数ICP可有效挑选出预报最好和最差的集合预报成员,两者对持续性强降水过程的大尺度环流系统、中尺度影响系统、降水过程预报差异显著,预报最好成员对影响持续性强降水的大尺度环流形势(阻塞高压、西太平洋副热带高压和东亚大槽)的位置和强度及演变过程、低层中尺度影响系统(如切变线和西南低涡)发生发展过程预报,以及降水发生时间和落区预报与实况更接近,预报更成功,持续性强降水可预报性综合评估指数ICP合理可靠。     

全球海气耦合模式（BCC_CM1.0）对江淮梅雨降水预报的检验

以国家气候中心全球大气-海洋耦合模式(BCC-CM1.0)20年的预报产品为基础,重点分析了该模式对中国江淮梅雨的预报能力以及梅雨预报中存在误差的可能原因.试验表明:BCC-CM1.0对江淮梅雨降水有一定的预报能力,模式基本上能够预报出气候态下梅雨降水的空间分布特征.尽管其方差贡献率和时间系数与观测相比有偏差,但模式还是能够预报出梅雨降水的主要模态.气候平均下,BCC-CM1.0模式预报的梅雨雨带位置偏北,因而预报的江淮流域长江以北降水偏多,而长江以南预报的降水偏少.同时发现模式对江淮流域梅雨期中等强度降水预报较好,雨强概率分布与观测结果基本一致,而对大雨强降水和小雨强降水预报相对较差.合成分析发现,江淮流域雨带偏北、降水偏少时,模式的预报能力较好;而江淮流域雨带偏南、降水偏多时,模式预报能力相对较差.BCC-CM1.0对高度场的预报普遍偏低,尤其是在青藏高原上空有一个虚假的低值中心,对副热带高压的预报也偏弱,这样使得东亚季风区气压梯度增加,从而导致预报的东亚夏季风偏强、向北推进的幅度加大,最终致使预报的梅雨雨带偏北.此外,比湿场预报的偏差也可能是造成梅雨雨带偏北的原因之一.     

基于低频振荡特征的夏季江淮持续性降水延伸期预报方法

本文利用1981~2008年我国南方地区200站逐日降水量、NCEP再分析资料和NCEP气候预报系统 (CFS) 的模式回算数据, 针对降水低频信号, 分析了江淮地区夏季降水的延伸期可预报性, 并选取对江淮持续性强降水有显著影响的东亚环流指数作为预报因子, 以降水20~50天低频分量作为预报量, 进行了针对江淮地区夏季持续性强降水过程的延伸期预报试验。结果表明, 江淮地区夏季降水具有明显的20~50天周期的低频振荡特征。降水的20~50天低频振荡, 尤其是峰谷值位相的变化与实际降水集中期和中断期的交替有较好的关系, 研究20~50天降水低频分量的延伸预报, 对于江淮地区夏季持续性强降水过程的延伸预报有一定的指示意义。本文尝试提出一种基于大气环流低频信号和数值模式预报产品的动力与统计相结合的预报方法, 以期为江淮地区夏季持续性降水过程的延伸期预报提供参考。     

江淮流域梅雨期降水与10～30 d低频振荡的联系

利用1961—2010年中国756站逐日降水资料和NCEP/NCAR逐日再分析资料,分析了江淮流域梅雨期降水与10～30 d低频振荡的关系。结果表明,梅雨偏多年降水具有明显的10～30 d的周期变化,低频振荡经向上的北传和纬向上的西传与江淮流域梅雨期降水的活跃及中断关系密切。在梅雨偏多年,低层10～30 d振荡主要通过南海低频反气旋和日本海低频气旋对江淮流域降水产生影响,并调控着西太平洋副热带高压的西进、东退,进而影响输送到江淮流域的水汽强度及冷暖空气在江淮流域的汇合;而高层,亚洲大陆中纬度地区东西向的低频气旋和反气旋影响着南亚高压的位置,从而形成江淮流域低频降水的强弱变化。     

内蒙古冬季极端多雪气候事件环流演变特征及季节预测信号

文章研究关注了内蒙古冬季极端多雪气候事件的季节预测问题,在对大量降水观测资料、海温及大气环流场资料进行统计、分析、研究的基础上,确定了历史上58a(1960—2017年)内蒙古冬季极端多雪和少雪气候事件样本,通过对大气环流场的对比分析发现极端多雪或少雪冬季环流场特征显著不同,分析后确定了影响内蒙古冬季降雪的主要环流系统,包括西太平洋副热带高压、极涡、东亚大槽、环流E型及南方涛动等系统。同时,探索了对这些主要环流系统具有预测意义的来自海洋和大气场的预测信号,对预测信号关键区做了标准化定量提取,确定了预测信号综合指数分段判别阈值,给出了预测概念模型,取得了较好预测效果。     

Typical Circulation Patterns and Associated Mechanisms for Persistent Heavy Rainfall Events over Yangtze–Huaihe River Valley during 1981–2020※

Persistent heavy rainfall events (PHREs) over the Yangtze–Huaihe River Valley (YHRV) during 1981–2020 are classified into three types (type-A, type-B and type-C) according to pattern correlation. The characteristics of the synoptic systems for the PHREs and their possible development mechanisms are investigated. The anomalous cyclonic disturbance over the southern part of the YHRV during type-A events is primarily maintained and intensified by the propagation of Rossby wave energy originating from the northeast Atlantic in the mid–upper troposphere and the northward propagation of Rossby wave packets from the western Pacific in the mid–lower troposphere. The zonal propagation of Rossby wave packets and the northward propagation of Rossby wave packets during type-B events are more coherent than those for type-A events, which induces eastward propagation of stronger anomaly centers of geopotential height from the northeast Atlantic Ocean to the YHRV and a meridional anomaly in geopotential height over the Asian continent. Type-C events have "two ridges and one trough" in the high latitudes of the Eurasian continent, but the anomalous intensity of the western Pacific subtropical high (WPSH) and the trough of the YHRV region are weaker than those for type-A and type-B events. The composite synoptic circulation of four PHREs in 2020 is basically consistent with that of the corresponding PHRE type. The location of the South Asian high (SAH) in three of the PHREs in 2020 moves eastward as in the composite of the three types, but the position of the WPSH of the four PHREs is clearly westward and northward. Two water vapor conveyor belts and two cold air conveyor belts are tracked during the four PHREs in 2020, but the water vapor path from the western Pacific is not seen, which may be caused by the westward extension of the WPSH.     

江淮流域持续性强降水过程的多尺度物理模型

本文对江淮流域持续性暴雨事件（PHREs）的多尺度物理模型和能量转换特征以及青藏高原东部对流系统东移影响下游地区降水的研究成果进行了总结。从欧亚大陆Rossby波列能量频散的角度揭示了江淮流域PHREs中纬度系统槽脊稳定的机制,定量分析了冷暖空气的源地和输送路径,提出了江南型和江北型PHREs的多尺度物理模型。从天气尺度和次天气尺度之间的能量转换角度呈现了不同尺度系统相互作用的物理图像,指出背景场的能量供给是直接触发暴雨的次天气尺度系统维持的最重要因子,尤其是在对流层的低层,动能的降尺度级串（即能量由背景场传递给次天气尺度系统）最强。研究表明青藏高原东部对流系统东移影响江淮流域的降水是一系列天气系统配合和活跃的结果,主要由青藏高原和四川盆地、二级地形和东部平原之间的热力环流、西南涡、二级地形以东中尺度涡旋和对流系统的共同影响。除了本文总结的内容,还有一些影响PHREs的因子值得深入研究,多尺度相互作用中的Rossby波源及其波列如何影响天气系统,中尺度系统对其背景场的能量反馈等。     

The Record-breaking Mei-yu in 2020 and Associated Atmospheric Circulation and Tropical SST Anomalies※

The record-breaking mei-yu in the Yangtze-Huaihe River valley (YHRV) in 2020 was characterized by an early onset, a delayed retreat, a long duration, a wide meridional rainbelt, abundant precipitation, and frequent heavy rainstorm processes. It is noted that the East Asian monsoon circulation system presented a significant quasi-biweekly oscillation (QBWO) during the mei-yu season of 2020 that was associated with the onset and retreat of mei-yu, a northward shift and stagnation of the rainbelt, and the occurrence and persistence of heavy rainstorm processes. Correspondingly, during the mei-yu season, the monsoon circulation subsystems, including the western Pacific subtropical high (WPSH), the upper-level East Asian westerly jet, and the low-level southwesterly jet, experienced periodic oscillations linked with the QBWO. Most notably, the repeated establishment of a large southerly center, with relatively stable latitude, led to moisture convergence and ascent which was observed to develop repeatedly. This was accompanied by a long-term duration of the mei-yu rainfall in the YHRV and frequent occurrences of rainstorm processes. Moreover, two blocking highs were present in the middle to high latitudes over Eurasia, and a trough along the East Asian coast was also active, which allowed cold air intrusions to move southward through the northwestern and/or northeastern paths. The cold air frequently merged with the warm and moist air from the low latitudes resulting in low-level convergence over the YHRV. The persistent warming in the tropical Indian Ocean is found to be an important external contributor to an EAP/PJ-like teleconnection pattern over East Asia along with an intensified and southerly displaced WPSH, which was observed to be favorable for excessive rainfall over YHRV.     

Predictable and Unpredictable Components of the Summer East Asia–Pacific Teleconnection Pattern

The East Asia–Pacific(EAP) teleconnection pattern is the dominant mode of circulation variability during boreal summer over the western North Pacific and East Asia, extending from the tropics to high latitudes. However, much of this pattern is absent in multi-model ensemble mean forecasts, characterized by very weak circulation anomalies in the mid and high latitudes. This study focuses on the absence of the EAP pattern in the extratropics, using state-of-the-art coupled seasonal forecast systems. The results indicate that the extratropical circulation is much less predictable, and lies in the large spread among different ensemble members, implying a large contribution from atmospheric internal variability. However,the tropical–mid-latitude teleconnections are also relatively weaker in models than observations, which also contributes to the failure of prediction of the extratropical circulation. Further results indicate that the extratropical EAP pattern varies closely with the anomalous surface temperatures in eastern Russia, which also show low predictability. This unpredictable circulation–surface temperature connection associated with the EAP pattern can also modulate the East Asian rainband.     

基于季节内振荡的延伸预报试验

2～4周的延伸预报是近年来国际上天气和气候业务预报发展的一个重要方向。本文以江淮梅雨区降水为例, 在利用集合经验模态分解 (EEMD) 及多变量EOF方法获取梅雨区降水及其影响系统低频信号的基础上, 采用最优子集回归方法、 经验波传播 (EWP) 方法及全球海气耦合模式产品, 对梅雨季节内演变的延伸期预报方法进行了预报和试验, 以期为建立延伸期预报业务提供科学依据。试验结果表明: (1) 大气季节内振荡对梅雨区降水的延伸预报具有重要的应用价值, 可能是联系天气过程和异常的重要系统。(2) 通过EEMD方法提取前期降水演变及影响因子的季节内振荡信号, 采用最优子集回归统计学方法对梅雨区逐候降水量演变进行超前30天预报是有可能的。(3) EWP经验动力方法对热带ITCZ活跃异常的未来40天东传可能具有较好的预报效果, 还可能较好地预报出延伸期的梅雨区风场距平演变, 具有一定应用价值。(4) 全球海气耦合动力模式输出产品在延伸期环流形势趋势预报及20天左右的MJO指数预报方面有一定的参考价值。     

持续性强降水的区域模式动力中期预报研究

持续性强降水及其次生灾害给人民的生产和生活造成严重影响, 延伸其模式动力预报能力对防灾、减灾具有重要意义。随着对持续性强降水过程形成机理及模式动力中期预报认识的不断提高, 以减小模式初始条件误差、边界条件误差以及内场预报误差为目标提出了一系列动力中期预报技术方法, 主要包括:针对边界条件提出低通滤波技术方案, 改进了5 d以上的环流及降水预报; 针对模式预报内场进行谱逼近技术试验, 对提前3—7 d的小雨以上量级的降水预报改进明显; 针对初始条件进行多尺度混合更新初值技术预报试验, 融合全球预报的大尺度场及区域模式预报的中小尺度场进行15 d预报, 明显提高了50及100 mm以上的持续性累积降水预报时效。      

克拉玛依特强大风的气候特征及天气分析与预报

分析1971—2006年克拉玛依11级以上特强大风天气的气候特征,总结了年代际变化及月、季分布特点。研究显示,在全球气候变暖造成极端天气事件明显增多的大气候背景下,克拉玛依特强大风天气呈明显减少趋势。在这种气候背景下,利用NCEP资料,分析了克拉玛依发生特强大风的主要天气形势特征,提出预报思路,给出预报经验指标,提高对特强大风的防范意识和预报能力     

密云水库流域性暴雨的短期预报方法研究

为了探索密云水库流域性暴雨的预报，着眼于影响暴雨的天气系统，从数值预报的解释应用入手，试验制作了密云水库流域性暴雨预报方法。通过整理1970-1993年24年间水库流域内20个水文站雨量资料，分析45个暴雨天气样本与历史天气形势和数值预报产品的关系，筛选出预报指标和预报因子，使用数值预报产品的解释应用方法，根据天气环流形势的分型，分别组建了6、7、8月每个月份的未来24小时暴雨天气预报方程。预报检验表明该预报方法是可信的，同时也表明客观划分环流型、筛选预报因子、恰当确定暴雨标准等是预报方法的关键。