冬、 春季青藏高原东侧涡旋对特征及其对我国天气气候的影响

受高原地形影响, 低层西风气流在高原西侧分支, 从南北两侧绕流, 在高原东侧汇合, 并在南（北）侧形成定常的正（负）涡度带。本文利用NCEP/NCAR提供的1951-2004年再分析资料, 发现这两个涡度带在700 hPa上最明显, 常年存在一正一负两个对称的涡旋（下称“涡旋对”）, 且冬, 春季较强。根据各月涡旋对的位置及强度, 本文定义冬, 春季绕流指数为正\, 负涡旋对平均涡度之差, 定量地表征高原绕流作用的强弱, 绕流指数大则高原绕流作用强。结果表明, 1951-2004年中2/3的年份高原绕流作用春季强于冬季, 高原绕流作用不仅是高原大地形的动力作用造成的, 而且受到热力作用的影响。冬季绕流指数以年代际变化为主, 近50年冬季高原绕流作用有显著的增强趋势; 春季绕流指数年代际和年际变化均不明显。冬、 春季, 强高原绕流作用均有利于中高纬冷空气向我国北方输送, 使东北及新疆北部地区气温偏低。春季强高原绕流作用还有利于高原东南侧的暖湿气流向华南及江南地区输送, 使西南、 华南部分地区气温偏高; 偏南暖湿气流和来自中高纬的偏北冷干气流在31°N附近辐合, 有利于江淮地区降水。无论冬\, 春季, 亚洲中纬度西风强度是影响高原绕流作用的重要因子。     

青藏高原冬季1月绕流的变化特征及其对中国气候的影响

利用1979～2019年NCEP/NCAR再分析资料和中国地面基本气象要素日值数据集（V3.0）的气温和降水资料,首先定义了客观表征冬季青藏高原南北两支绕流变化的指数,然后分析了其不同的变化特征,并采用相关分析、合成分析等方法初步研究了青藏高原南北两支绕流异常变化对中国气温和降水的影响机制。主要结果有:（1）青藏高原冬季北支绕流和南支绕流之间呈显著的负相关;北支（南支）绕流强、南支（北支）绕流弱时,对流层中低纬度地区从高原西部到我国东部沿岸为一个大范围的异常反气旋式（气旋式）环流系统,500 hPa高原的中部为一个异常反气旋（气旋）环流中心。（2）青藏高原冬季南北两支绕流的变化对中国冬季天气气候有显著影响。当青藏高原北支绕流强（弱）时,中国除东北是气温偏低（高）、降水偏多（少）外,河套、青藏高原及长江以南则是气温偏高（低）、降水偏少（多）;当南支绕流强（弱）时,中国气温普遍偏低（高）,东北及新疆北部是降水偏少（多）,南方大部分地区是降水偏多（少）。（3）分析高原绕流异常变化对中国天气气候的影响机制表明:当青藏高原北支绕流强、南支绕流弱时,中国东部35°N以北的对流层中都是异常西北风,35°N以南都是异常东北风,受高原异常纬向绕流影响,对流层大气为明显的“正压结构”;相应的对流层底层从南到北为一致的异常西南风,850 hPa以上35°N的之间为反气旋式切变和下沉运动异常,300 hPa以下异常偏暖,这些条件加强了下沉增温,导致中国东部气温偏高、降水偏少。当青藏高原南支绕流强、北支绕流弱时,对流层中的纬向风异常则为明显的“斜压特征”,异常西风呈现为从对流层低层到高层、低纬度到高纬度的倾斜的带状特征,其下方自华南近地面到华北200 hPa的“三角形”状异常东风,配合相应的经向风异常和华南到华北的异常上升运动,低层为“三角形”状的异常冷气团向南切入到中国南海,中上层为异常偏暖的西南气流在冷气团上自南向北爬升到中高纬度地区,导致中国大范围的气温异常偏低、降水偏多。     

春季黑潮区海温异常与我国夏季降水的关系

利用海温资料、NCEP/NCAR 53 a(1951～2003年)再分析资料和全国160个站的月降水资料,采用小波、合成和相关分析等方法,分析了春季黑潮区域海表温度异常与我国夏季(6～8月)降水及其与夏季500 hPa高度场、水汽输送的关系。结果表明:春季黑潮区域海表温度具有明显的年际和年代际变化特征,海温的增加趋势非常显著,存在不同尺度的周期振荡,其中23 a左右的周期最显著。春季黑潮海温偏高时,中高纬地区的槽和脊加深,西北太平洋副热带高压加强、西伸,导致副热带高压西侧的暖湿气流输送到长江中下游及华南地区,从而使长江中下游及华南地区的夏季降水增多;水汽输送合成场表明来自南海、西太平洋的水汽输送较气候平均年偏强,向长江流域以北的水汽输送减少,使长江中下游及华南地区夏季降水增多;相反,海温偏低时,长江中下游及华南地区的夏季降水减少。     

冬半年青藏高原绕流与中国降水和气温的关系

冬半年中纬度西风带在青藏高原地区产生南北两支绕流,即动力性的南支槽和北支脊,这样的绕流对其周边及下游天气气候有重要影响。本文先分别用600 hPa动力性的南支槽和北支脊各自所在的关键区域的平均涡度与多年平均涡度的差异,表示南支槽和北支脊的强度,然后直观地将南支槽和北支脊强度之差定义为高原绕流强度指数,利用相关分析和合成分析等方法,讨论高原绕流在冬半年平均（10月至次年4月）、秋季、冬季和春季的演变与中国降水和气温的关系。结果表明：高原绕流在冬半年10月至次年4月期间定常的存在,年际变化明显,冬季最强。全球变暖背景下,各时间段绕流强度的变化与中国西北、西南和华南部分地区的降水和气温的关系明显,特别是在冬季。降水关联性最好的是中国西南地区和华南地区,与西北、西南和东北地区的气温变化关系明显。探讨各时间段各层的大尺度大气环流和水汽通量散度、垂直速度等物理量的异常场,亚洲大部分地区自下而上的正压性特征显著,可以很好地解释各时间段高原绕流的异常与中国降水和气温关系。绕流的异常也可能是引发中国冬半年期间高影响天气的原因之一。     

爬流和绕流对山地突发性暴雨的影响

利用ERA5再分析资料和融合降水数据,针对2018年5月21-22日发生在中国四川盆地西南部的一次山地突发性暴雨,首先对其降水强度和天气概况进行相关分析,并且通过绕流和爬流方程,将流场分解为绕流和爬流分量,重点探讨地形对于过山气流的影响及其对降水的作用。研究表明:受欧亚中高纬低槽槽后西北气流引导冷空气南下和西南低涡东移的共同影响,在四川盆地西南部山区发生了一次强降水过程。此次降水范围较广、强度大并且降水时间集中,是一次典型的山地突发性暴雨事件。由于地形的阻挡作用,使得来自东北方向的气流发生旋转,产生绕流运动,在盆地内形成局地涡旋。同时盆地和盆周山地之间的地形高度差强迫过山气流产生爬流运动,导致垂直上升运动加强。在绕流与爬流的共同作用下,为此次突发性暴雨的发生发展提供了有利的流场条件。进一步分析得出地形区域内爬流分量略大于绕流分量,即气流对于山地屏障的地形适应以爬流运动为主,绕流运动次之,地形爬流产生的垂直上升运动与雨带的分布密切相关。     

平流层极涡变化与我国冬季气温、降水的关系

利用国家气候中心提供的1951-2010年逐月环流指数资料,分析了北半球极涡强度指数、面积指数和中心强度指数的相关关系,并通过极涡强度指数的变化讨论了冬季北半球极涡强度的时间变化特征。结果表明,冬季极涡强度指数与面积指数和中心强度指数有较好的相关性,能够更好地反映冬季极涡强度的变化特征;冬季极涡存在准13年的年代际振荡周期,准5年的年际振荡周期在20世纪90年代后期较为明显。结合气温、降水观测资料和NCEP/NCAR月平均再分析资料,探讨了极涡强、弱不同年份我国冬季气温、降水和大气环流形势的变化。相对极涡弱值年而言,极涡强值年我国北方地区、东部地区特别是东北地区的气温偏高,西南大部分地区的气温偏低,长江流域和华南地区的气温变化不明显;我国南方地区降水偏多,长江中下游和华南地区的降水偏多最为明显,北方地区的降水略有减少;500hPa高度场上高纬度地区的位势高度降低,中高纬度的位势高度升高,冷空气向极地聚集,东亚大槽减弱,我国东北和东部地区的气温偏高;同时东亚冬季风减弱,湿空气向我国内陆输送,长江流域和我国南方地区的降水偏多。     

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。     

华南春季降水的年代际变化及其与大气环流和海温的关系

利用1960—2010年中国降水资料、NCEP/NCAR再分析资料、NOAA提供的海表温度资料以及太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation,PDO)指数,分析了华南春季降水的年代际变化特征及其与大气环流和海温的关系。结果表明:华南春季降水经历了偏少(1960—1971年)—偏多(1972—1992年)—次偏少(1993—2010年)三个阶段。第一阶段少雨期,500 hPa上西风气流较平直,不利于北方冷空气南下,华南地区的暖气团也不活跃,对应的水汽通量散度为异常辐散。第二阶段多雨期,500 hPa高度上,高原北部脊偏强,利于冷空气南下,与华南地区活跃的暖湿气团汇合,对应的水汽场上为水汽异常辐合。第三阶段少雨期,500 hPa西风气流上的槽脊系统偏强,利于北方强冷空气南下,孟加拉湾地区的南支槽填塞,南方暖湿空气向华南的输送减弱。华南春季降水与PDO指数存在正相关关系,从不同季节来看,在年代际时间尺度上,前期秋季的PDO指数与华南春季降水的正相关显著,PDO处于负位相时,华南春季降水偏少,反之亦然;从华南春季降水年代际变化的不同阶段来看,PDO指数与华南春季降水的正相关在1960—1971年少雨期较显著。     

一场突发性局地大暴雨触发作用的分析和探讨

利用多种非常规高时空分辨率观测资料并结合ERA5(ECMWF Reanalysis V5)再分析资料,分析了2019年6月2日长春市区的一场突发性局地大暴雨的中尺度特征,结果发现,低层或高层冷中心、暖湿气流和冷池出流三者之间不同的相互作用是该过程两段不同强度降水产生的根本原因：第一时段降水较强,并伴有强雷电和冰雹,700 hPa附近较弱冷中心在低层偏南风急流作用下北移至长春站北部并叠加在高层强冷中心之下,其下沉气流在边界层顶附近受该处降水形成的冷池和冷锋后部冷平流阻挡向南回流,冷池出流强度增强并在长春站附近迫使强暖湿气流抬升,长春站上空层结不稳定性加强,当上游对流云团东移至该地时强烈发展,回波强度超过60 dBZ,后向传播作用形成东西向线状对流,列车效应显著;第二时段降水相对较弱,仅伴有雷电,长春上空中低层仍为暖平流控制,高层冷空气继续加强并南压,其下沉气流在边界层顶附近受低层急流作用向北辐散,冷平流较强并与第一阶段强降水产生的冷池出流(较弱冷平流)在长春站附近辐合,迫使其低层相对较暖的气团抬升,700 hPa以下转为垂直上升运动,对流云团移至该处再次发展并与周围对流云团合并形成线状对...     

华北夏季降水异常的变化及其与大气环流的联系

利用中国160站1951-2005年的逐月降水资料,以华北17站夏季降水异常为研究对象,在对其时空变化特征进行分析的基础上,探讨了影响其异常的同期因子——该地区上空大尺度环流异常特征.研究结果表明,华北夏季降水在55a里总的趋势是减少的,该地区干旱化的趋势明显,华北夏季降水存在准3a、准6a、准8a的年际周期和17～19a的年代际振荡周期。在华北夏季降水异常的年份,其降水通常与江南和华南的呈现反位相。在低层850hPa,当贝加尔湖地区的东北气流、中南半岛的西南气流及青藏高原北侧的偏西气流较常年偏强时,华北夏季降水较常年偏多;中层500hPa,副热带高压较常年偏弱、偏北、偏西,冷空气偏强,低纬热带季风活跃,南方水汽也供应充沛,从而华北多雨.     

高原季节转换时期大气环流变化特征

利用1961～ 2007年NCEP/NCAR的再分析逐日资料,分析高原主体上空大气环流的季节变化和受到高原影响的东亚大型环流系统的季节变化,以此证明本文得到的“高原普适性划分方法”的合理性.得到的初步结论概括如下：高原主体上空的位势高度、风场、高空温度、降水的季节变化和高原普适性季节划分方法划分的高原四季变化一致,高原南亚高压、副热带高压、副热带西风急流的三个特征指数季节变化和高原普适性季节划分方法划分的高原四季变化一致,这些结论都说明高原普适性季节划分方法划分的高原四季是合理的;风场季节率（500hPa、100hPa）显著区随高度升高向赤道靠近,风场季节率的变化主要和东亚季风的变化有关,大气环流系统季节率的显著说明了大气环流的季节变化,同时也证明了高原普适性季节划分方法的合理性.     

西北太平洋冷海温对东亚初夏大气环流影响的数值研究

利用改进的NCAR CCM3气候模式, 研究了1992年西北太平洋持续冷海温对东亚初夏季节大气环流的影响。西北太平洋冷海温不利于初夏东亚南支西风急流季节性北移, 引起亚洲东部沿海低槽明显加深, 东亚大槽平均高度场降低了4.66 dagpm, 从而也不利于西太平洋副热带高压的西伸加强。西北太平洋冷海温还不利于我国大陆初夏温度场回升, 特别是引起我国东北地区近地面温度下降2~5 ℃, 是影响东北冷夏现象的重要原因之一。模拟结果表明, 1992年初夏江淮入梅期较常年偏晚, 降水异常偏少, 与紧邻东亚大陆的西北太平洋持续冷海温有关。     

青藏高原春季500 hPa纬向风季节内振荡特征及其与我国南方降水的关系

利用NCEP/NCAR日平均再分析资料及中国753个测站日降水资料,采用带通滤波、小波功率谱、合成分析等方法研究了青藏高原春季500 hPa纬向风季节内振荡特征及其与我国南方降水的关系.结果表明,青藏高原春季500 hPa纬向风存在明显的10~30 d季节内振荡特征,该低频振荡主要表现为自西向东和自北向南的传播特征.通过位相合成分析发现,这种季节内振荡对我国南方春季降水有重要影响.当高原500 hPa纬向风季节内振荡处于2~3位相时(即高原上盛行西风异常),对应于我国南方地区春季降水明显偏多;反之,当季节内振荡处于相反位相时(6~7位相,即高原上盛行东风异常),对应于我国南方春季降水明显偏少.南方春季最大正(负)异常降水的出现滞后于高原季节内振荡的峰值(谷值)位相,其滞后时间为2 d.分析结果还表明,高原上空纬向风的季节内振荡活动主要通过中纬度大尺度环流异常对我国南方春季降水产生影响.     

冷空气对高原低涡移出青藏高原的影响

在对1998—2004年冷空气影响高原低涡移出青藏高原 (以下简称高原) 观测事实分析的基础上, 利用NCEP再分析资料对2002年8月12—14日托勒低涡移出高原的位涡进行诊断分析, 并通过数值试验揭示了托勒低涡移出高原的冷空气侵入特征和影响机理。结果表明:这次托勒低涡是受我国东北冷空气影响, 有高位涡空气伸入低涡区, 使冷空气迫近暖湿空气, 低涡处在斜压不稳定增强情况下移出高原的。在低涡区域没有冷空气或我国东北不存在冷温度槽情况下, 将会使伸向高原东北部的冷空气主力偏东、减弱, 使低涡受到我国东北冷空气影响减弱, 斜压不稳定减弱, 从而使高原低涡移出高原的速度减慢, 低涡强度减弱, 尤其是我国东北冷温度槽的影响更为明显, 在我国东北没有冷温度槽存在的情况下, 低涡24 h内西退, 在高原边缘徘徊。     

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。     

Diagnostic analysis of the evolution mechanism for a vortex over the Tibetan Plateau in June 2008

Based on the final analyses data (FNL) of the Global Forecasting System of the NCEP and the obser- vational radiosonde data, the evolution mechanism of an eastward-moving low-level vortex over the Tibetan Plateau in June 2008 was analyzed. The results show that the formation of the vortex was related to the convergence between the northwesterly over the central Tibetan Plateau from the westerly zone and the southerly from the Bay of Bengal at 500 hPa, and also to the divergence associated with the entrance re- gion of the upper westerly jet at 200 hPa. Their dynamic effects were favorable for ascending motion and forming the vortex over the Tibetan Plateau. Furthermore, the effect of the atmospheric heat source (Q1) is discussed based on a transformed potential vorticity (PV) tendency equation. By calculating the PV budgets, we showed that Q1 had a great inffuence on the intensity and moving direction of the vortex. In the developing stage of the vortex, the heating of the vertically integrated Q1 was centered to the east of the vortex center at 500 hPa, increasing PV tendency to the east of the vortex. As a result, the vortex strengthened and moved eastward through the vertically uneven distribution of Q1. In the decaying stage, the horizontally uneven heating of Q1 at 500 hPa weakened the vortex through causing the vortex tubes around the vortex to slant and redistributing the vertical vorticity field.     

青藏高原下垫面对中国夏季环流影响的研究

发展了一个CCM3－RegCM2单向嵌套模式，用以研究青藏高原中西部地区下垫面特征对我国夏季环流和降水的影响。结果表明：若青藏高原中西部植被破坏，变为沙漠，则该地区地面返照率增加，热容量减少，气温升高。从而导致高原北侧的温度梯度增大，西风槽则被削弱；西风急流被推至更西更北的地区，使得北方冷空气难以到达我国长江、黄河流域；由于高原上空气温增高，导致该地区上空的反气旋环流增强，使原来位于槽前西南气流的长江中下游地区处在平直西风气流当中，不利于降水的产生。与此同时，副热带高压西伸北抬，使得长江、黄河中下游地区处在副热同压控制之下，造成我国大部分地区夏季降水减少。     

地面热源强迫对青藏高原低涡作用的动力学分析

将一类暖性青藏高原低涡考虑为受加热和摩擦强迫作用并满足热成风平衡的轴对称涡旋系统，给定符合高原地面加热特点的加热分布函数，通过求解简化后的柱坐标系中的涡旋模式，得到了低涡对应的流函数、水平流场、水平散度场和垂直运动场的解析解，分析了地面热源对高原低涡流场结构的作用，给出了高原低涡眼壁内、外侧以及不同高度上的水平流场、水平散度场和垂直流场的结构特征，对影响低涡生成的主要因子进行了讨论。研究结果揭示了地面热源强迫对高原低涡的形成及结构特征的重要作用。