高原南侧地形槽与孟湾槽的形成演变特征及其与南海夏季风建立的关系

使用1981—2000年NECP/NCAR再分析数据集资料,分析了全年各月大气环流特征,发现青藏高原(下称高原)南侧低空基本上存在一个常年正涡度带,这是高原近地面西风与其外围自由大气西风之间的气旋性切变的表现。特别是在90°E附近有一明显的地形槽,我们选取80°~90°E,25°N关键区域内的涡度作为表征该地形槽的指数,分析了高原南侧地形槽与孟加拉湾(下称孟湾)槽形成和演变特征的异同,并探讨其与南海夏季风建立的关系。结果表明,高原南侧地形槽的季节性演变与高原热源联系非常密切,其显著的4月突变和6月突变与高原热源发生跳跃性变化相联系。冬季高原冷却作用形成低空反气旋环流,叠加在原本增强的大尺度西风绕流上,促使高原地形槽减弱;由春入夏,高原加热作用形成低空气旋性环流,增大西风绕流作用,促使高原地形槽加深。高原地形槽加强南伸和斯里兰卡低涡持续北移直至二者相互打通是亚洲低纬度副热带高压带在孟湾上空最先断裂和孟湾槽形成的一种触发机制,此后槽前西南气流加强,副热带高压东撤,南海夏季风进一步东扩,最后导致南海夏季风建立。     

高原涡诱发西南涡伴行个例的环境场与成因分析

利用NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料、历史天气图、青藏高原低涡切变线年鉴,分析了1998-2013年持续高原涡诱发西南涡结伴而行的观测事实,并对一例持续高原涡诱发西南涡的长时间伴行过程进行天气、诊断分析。结果表明,在持续高原涡与西南涡共同活动过程中,两涡移向较一致的多数是由持续高原涡诱发的西南涡过程造成的,它们的移向多为向东或东北移;持续高原涡诱发的西南涡是在500h Pa上东亚环流经向度减弱,在处在切变流场中的高原涡的环流东南部-西南气流下空生成的;伴行的西南涡受高原涡活动影响大,高原涡加强会影响西南涡加强;高原涡对西南涡的诱发作用是由高原涡移出高原,其伴随的正涡度向下伸,与对流层低层盆地内气流的气旋性弯曲所伴的正涡度叠合,使盆地内气旋性涡度加强而诱发西南涡生成的,西南涡区上空正涡度平流随高度增加的强迫上升作用是高原涡诱发西南涡的又一重要因素;高原涡与西南涡伴行是与高原涡区、西南涡区的正涡度平流及高原涡区、盆地涡区上空正涡度平流随高度增加的强迫上升作用密切相关的。     

青藏高原隆升对春、夏季亚洲大气环流的影响

利用全球大气环流谱模式R42L9,进行了有、无青藏高原大地形两种情况的10年积分,通过两个试验结果的比较,研究了青藏高原大地形对春、夏亚洲大气环流的影响。模拟结果表明：春季,青藏高原大地形对低层西风的阻挡引起了绕流,其北支气流加强了北方冷空气在高原东侧的南下;同时,作为一个弱热源,它的热力作用加强了高原南侧的南支西风气流,为华南地区输送了大量的暖湿空气。冷暖空气的交汇,加强了华南地区春季的降水。夏季,青藏高原强热源的存在,引起的低层气旋性环流,加强了青藏高原东侧的东亚夏季风,使其向北发展。盛夏,青藏高原“感热气泵（SHAP）”在南亚地区上空低层造成了负涡度和辐散异常,使南亚地区的夏季降水减少,南亚夏季风减弱;在对流层上层高原上宅形成负涡源,并通过遥相关加强了伊朗高压。     

青藏高原对其邻近地区一次天气系统影响的数值试验

本文利用P-σ混合坐标系绝热的两层有限区域模式,模拟了1979年5月19—24日西风带长波槽从西边经过高原的例子。对同一个例子,作了有地形、无地形和粗细网格的试验,进一步揭示了青藏高原大地形对其周围天气系统的纯动力作用。指出青藏高原的动力作用不仅可以改变西风带冷槽的强度和移速,而且可以使西风大槽在高原西边切断,同时在其周围(尤其是在高原北侧和东侧)产生新的中尺度天气系统,如西南涡、高原东侧的切变线和北侧的小高压等。     

夏季青藏高原500hPa高压活动期间大气加热状况与大气环流特征

由于青藏高原５００ｈＰａ层出现高压系统的活动，使高原大气产生＂上高下高＂的气压场结构，从而东亚大气环流也发生某些相应的变化。本文统计分析了高原５００ｈＰａ高压的散度与垂直速度分布、高原大气热源的演变和１００ｈＰａ层涡度、纬向风以及经圈环流的变化等。结果认为，由于夏季高原５００ｈＰａ高压的活动，使高原上空垂直上升运动和对流加热受到抑制，１００ｈＰａ南亚高压强度减弱、位置北抬、有向西部型过渡的特征．高原北侧西风急流减弱，东风急流南支与北支合并后位于原北文东风急流位置以南，侵入高原南麓的西南季风减弱。与此同时，孟加拉湾上空上升运动有所增强，其对流加热对维持东风急流乃至南亚季风将起重要作用。     

青藏高原及其邻近地区反照率变化对5月东亚环流影响的数值对比分析

本文利用P-σ混合座标系的有限区域五层原始方程模式,对高原及其邻近地区不同反照率的情况进行了模拟。经过对比分析指出,由于高原地区反照率增大,高原的加热作用减小,使得东亚地区5月的大气环流有显著变化,使100hPa上的副热带西风急流由高原北边南移到高原的南部上空,对流层低层向高原辐合的气流明显减弱,高原东侧的切变线也南退,而且高原南侧低层准季风环流圈也减弱降低。这说明,高原的热力作用是影响东亚地区环流的重要因子之一。     

高原涡移出高原后持续的对流层高层环流特征

利用NCEP/NCAR再分析资料、历史天气图与青藏高原低涡切变线年鉴,继高原涡移出高原后持续的对流层中层环流特征分析基础上,依据持续强影响高原涡的分类,对1998-2012年持续强影响高原涡不同类型在生成、移出高原、持续强盛与将减弱消失时的对流层上部多种物理场进行了合成与对比分析。结果表明:持续强影响高原涡持续的对流层高层共同的环流特征是,南亚高压脊线在25°N-28°N,东伸到100°E以东;低涡附近或以北的200 h Pa上空有≥32 m·s-1急流核区的西风急流,和300 h Pa上空有≥20 m·s-1中心区的较强偏西风气流,影响低涡活动的500 h Pa天气系统与低涡的上空200 h Pa有辐散区。反映了高空辐散、高空锋区分别对低涡起了利于低涡辐合加强、高位涡下传引起低涡涡度增加的作用。研究分析还揭示了各类高原涡移出高原后持续的对流层高层的环流特征的主要差异和物理图象。     

青藏高原表面过程对夏季青藏高压的影响--数值试验

利用IAP/LASGGOALS气候模式设计了两组敏感性试验,分别考察青藏高原表面感热输送和表面摩擦拖曳对夏季青藏高压的影响.结果表明,表面感热输送显著增强了高原近地层气柱中正涡度的制造和气旋性环流,同时增强了高原上空气柱高层的负涡度制造和反气旋性环流.另一方面,高原表面摩擦拖曳虽然使得低层的辐合略有增加,但施加给整层气柱以反气旋性涡度.因而高原表面的感热输送和表面摩擦拖曳对夏季青藏高压都有增强的作用.表面摩擦拖曳对上空环流的影响随着高度升高而减弱,而表面感热输送引起的高层负涡度的增加与低层正涡度的增加在数值上相当甚至更大.     

一次引发河西走廊大暴雨的高原低涡的机制分析

使用NCEP 1°×1°再分析资料、云图、CINRAD-CC多普勒天气雷达、探空、地面加密自动气象站资料,对2012年6月5日发生在河西走廊西部的大暴雨过程进行了诊断分析。结果表明:此次大暴雨是高原低涡加强北移,到达高原北坡时,使河西走廊上空中、低层东风显著加强,与新疆东部东移南下的冷空气在走廊西部产生强烈辐合,同时在高空急流入口区右侧辐散气流的抽吸作用下,产生强大的垂直环流造成的。造成这次大暴雨的水汽主要来源于新疆东部西北气流和高原东北坡偏东气流向走廊中西部的输送。暴雨区上空湿等熵面陡立,大气处于弱不稳定状态,易导致垂直涡度和辐合显著增长。高原低涡发展与高空位涡下传密切相关,同时干冷空气从高原低涡南部侵入中低层,使低涡斜压性增强,有利于低涡发展和向北移出高原。暴雨发生在高原低涡的西北象限内,在低涡逗点云的云头部分,最强暴雨落区在多普勒雷达径向速度图上β中尺度逆风区附近。     

甘肃省各月少雨和多雨的环流特征

本文分析了三十年(1951—1980)甘肃大范围少雨和多雨的月平均500毫巴环流。指出少雨的基本环流特征是东亚槽深,新疆脊强,甘肃上空在较强的西北气流控制下;与此同时青藏高原南支西风气流弱,北支气流强;中纬度2波增幅,极涡偏弱。     

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。     

青藏高原大地形对华南持续性暴雨影响的数值试验

利用新一代中尺度数值预报模式WRF3.2及NCEP/NCAR 逐日4次1°×1°的FNL再分析资料,通过有、无青藏高原以及将高原高度降低到临界高度的数值试验,研究了青藏高原大地形对我国华南地区2010 年5 月一次持续性暴雨过程的影响。试验结果表明:高原大地形对降水的影响显著,随着高原高度的升高,降水增多,高原以东地区的雨带也由北向南移动;高原地形的机械阻挡作用使迎风坡一侧的近地面层附近为强上升运动,背风坡为下沉运动,并分别对应降水的峰值和谷值区;高原对西风气流的爬流、绕流作用明显,高原升高后爬坡作用减弱,以绕流作用为主;高原的加热作用使气流过高原时南支减弱,北支加强,并加强了高原及其东部地区低层的正涡度和高层的负涡度,使高原上空为强烈的上升运动;高原的热力作用使西太平洋副热带高压位置偏南、偏西并稳定维持;高原大地形对形成稳定的高原季风环流圈有重要作用;高原地形高度的作用有利于定常波的形成,波动中心对应强上升运动,形成降水的大值区,稳定维持的定常波使得降水持续集中在同一地区,造成持续性暴雨。     

夏季高原大气热源的气候特征以及与高原低涡生成的关系

利用NCEP/NCAR再分析资料和基于此再分析资料的高原低涡统计数据集,采用线性趋势、Morlet小波、EOF分解、合成分析等方法,分析了1981～2010年夏季高原大气热源气候特征以及与高原低涡生成的联系。结果表明:夏季高原大气热源平均强度为105 W m-2,随时间有减弱趋势,具有明显的年代际变化,存在显著的准3年周期振荡。高原低涡高发年,高原大气热源强度明显高于气候态,主要表现为高原大气热源的水平分布差异。在低涡高发年,涡度平流的空间分布和大气经向垂直环流结构显示:高原沿东南向西北存在500 hPa正涡度平流带,为高原低涡生成提供了有利的涡度场。同时,高原大气热源异常的水平分布促使高原上空产生上升气流,有助于高原上形成低层辐合、气旋式环流,整层上升运动,高层辐散、反气旋式环流的三维流场,促进高原低涡在低层生成,此时高原主体低空为正涡度区。并且,大气热源在垂直方向的变化也影响低涡的生成。最后,根据本文结果和我们前期的相关研究,从热成风原理和高原大气热力适应理论两方面对高原大气热源与高原低涡生成频数的统计结果给出了机理解释。     

近年来影响我国东部洪涝的高原东移涡环流场特征分析

利用NECP再分析资料,对1998—2004年间5次影响我国东部地区严重暴雨的高原东移涡过程的对流层中上层环流场特征进行了分析,指出了影响高原低涡东移出高原的四种天气系统类型:北槽南涡型、切变线、切变流场及西风槽前部;揭示了高原低涡东移出高原与500 hPa上的冷空气、副热带高压位置、200 hPa上的南亚高压及西风急流之间的关系;获取了高原低涡东移出高原的强信号,为高原东移涡暴雨预报提供了科学依据。     

移出与未移出高原的两类低涡环流特征的对比分析

利用NECP再分析资料,采用对比分析方法,对2000-2004年汛期(6-9月)的高原低涡活动过程进行普查,并对移出高原低涡与未移出高原低涡在其生成时刻的环流特征场,以及移出高原低涡的移出高原时刻与未移出高原低涡的强盛时刻的环流特征场进行对比分析。分析表明:500 hPa上,移出高原低涡背景环流中巴尔喀什湖低槽、东亚大槽比未移出高原低涡深,蒙古高压脊更强,背景环流经向度大,而且副热带高压比未移出高原低涡西伸明显;暖平流对高原低涡的生成很重要,而涡后新疆冷平流有利于高原低涡移出高原主体;青藏高原上的正涡度平流有利于高原低涡的生成和加深,河套地区正涡度平流带的存在有利于高原低涡的移出。在200 hPa上,南亚高压的存在有利于高原低涡的生成,移出高原低涡上空的南亚高压强度要强于未移出高原低涡;青藏高原东北部、四川盆地到陕西一带位于高空急流入口区南侧时有利于高原低涡东移。找出高原低涡移出与未移出高原主体的环流场、温度平流场、涡度平流场的异同特征,为高原低涡能否东移出高原主体提供科学依据。     

"05.6"广东致洪暴雨过程的500 hPa环流场及低频特征

分析2005年6月15~25日广东出现的连续暴雨过程及结束期的500 hPa候平均环流场,并对4~9月暴雨中心区域的降水低频振荡特征进行了分析。结果表明:连续暴雨期欧亚中高纬度维持稳定的两槽一脊形势;中低纬度非洲与西太平洋副热带高压强大,西太平洋副高西伸到广东沿海,青藏高原为稳定的高压脊,高原下游为西风槽活动区,使冷空气沿着高原频繁扩散南下,并与西太平洋副高边缘的暖湿气流相遇,产生连续的暴雨过程。当巴尔喀什湖-贝加尔湖的高压脊东移而转为宽槽区,青藏高原高压脊减弱消失,高原以东为平直的西风环流,我国东北到日本为高压脊控制时,西北太平洋副热带高压加强北抬,华南降水减弱,连续暴雨过程结束。小波分析表明,连续暴雨期存在准20 d的周期振荡。     

青藏高原表面过程对夏季青藏高原的影响—数值试验

利用IAP／LASG GOALS气候模式设计了两组敏感性试验，分别考察青藏高原表面感热输送和表面摩擦拖曳对夏季青藏高原的影响。结果表明，表面感热输送显著增强了高原近地层气柱中正涡度的制造和气旋性环流，同时增强了高原上空气柱高层的负涡度制造和反气旋性环流。另一方面，高原表面摩擦拖曳虽然使得低层的辐合略有增加，但施加给整层气柱以反气旋性涡度。因而高原表面的感热输送和表面摩擦拖曳对夏季青藏高压都有增强的作用。表面摩擦拖曳对上空环流的影响随着高度升高而减弱，而表面感热输送引起的高层负涡度的增加与低层正涡度的增加在数值上相当甚至更大。     

准平直长路径与多折向路径东移高原涡的环境场特征

利用1998—2018年NCEP/NCAR 全球最终分析数据、大气观测资料、青藏高原低涡切变线年鉴,采用合成方法分析了准平直长路径和多折向路径东移高原低涡的环境场特征,探讨了低涡折向的主导因素。结果表明: 准平直长路径低涡、多折向路径低涡长时间活动的共同环境场特征是有明显影响低涡活动的天气系统, 副热带高压（简称副高）位于高原低涡东南方,高原低涡以北上空伴有东、西段急流;低涡有正涡度平流输入,高原低涡上空为辐散区,高空高位涡下传到低涡。同时,二者环境场特征存在明显差异,多折向路径低涡伴有较强的热带低压活动,是在副高、西风带天气系统、热带低压相互作用的环流背景下,高原涡东移受阻而折向; 准平直长路径低涡是在西风带天气系统为主导的环流背景下向东移动;准平直长路径低涡受冷空气、西南气流与高空锋区的影响比多折向路径低涡强,造成了准平直长路径低涡的正涡度平流、位涡、斜压性、高空辐散比多折向路径低涡强。多折向路径低涡折向的主导因素是环境场条件使低涡在减弱、东移受阻的情况下高空高位涡中心在低涡西部上空,高位涡下传使低涡加强的强正位涡异常区出现在低涡西部,低涡移向低涡加强的区域。      

在“鞍”型大尺度环流配置下西南低涡发展的物理过程及其对川东暴雨发生的作用

利用2005年7月6～9日川东地区暴雨过程的观测资料，从大尺度环流、水汽输送和温度平流，并利用湿位涡的垂直和水平分量(Pm1和Pm2）以及相当位温，分析诊断了此次暴雨发生的大尺度环流背景特征以及西南涡发展的物理过程, 其结果表明如下:(1)在此次暴雨发生期间，四川盆地北部由于受中高纬长波东移调整的影响, 不断有低压槽分裂出来并影响此地区, 在盆地的西南方向的孟加拉湾季风槽比较活跃, 南海季风向北输送由于受到西风输送的作用在四川盆地东南部也出现弱的横槽, 并且西太平洋副高西伸到四川盆地东部以及存在于高原中部的高压共同作用, 从而形成明显“鞍”型大尺度环流配置; (2)在此“鞍”型场大尺度环流背景下, 强西南气流绕流高原东侧直接进入四川盆地, 而弱西南气流则绕流云贵高原输送进入四川盆地东部, 受地形的阻挡和西伸的西太平洋副高的作用在四川盆地东部形成向北的急流辐合带, 同时, 由于两支气流输送着大量的水汽, 暖湿空气在川东地区形成高温高湿的辐合区; (3)在此“鞍”型场作用下, 盆地上空的低层不断聚集季风气流输送的大量暖湿空气, 而在高层有冷干空气侵入, 从而导致盆地内低涡系统强烈发展; (4) 由湿位涡的垂直分量和水平分量的诊断表明了在暴雨发生期间, 在四川盆地北部上空的高层不断有干空气入侵, 引起了垂直对流不稳定, 即Pm1<0, 并向盆地东北部发展, 从而使此区域气旋性涡度不断加强, 即低涡强烈发展; 并且, 在盆地上空低层暖湿空气相当位温的水平梯度对于西南低涡的发展和暴雨的发生同样起了重要作用, 正的Pm2中心与暴雨发生区域有很好的一致性, 这表明暴雨往往发生在高温高湿的强垂直不稳定区域。     

移出高原后长生命史高原低涡在不同移动路径下的大尺度环流特征及差异

利用NECP再分析资料及高空观测资料,对2000—2010年移出青藏高原后生命史长达3天或以上的高原低涡进行统计,并根据移动路径的不同将其分为东移、东北移和东南移三类,统计结果表明:在不同时间段,不同移动路径的长生命史高原低涡具有不同的活跃度,盛夏7月,东移个例远远多于东北移和东南移个例,东南移个例多于东北移个例;而在夏末8月,东南移个例则远多于东北移和东移个例。选取不同移动路径的个例,进行对流层中上层环流背景特征分析,指出其500hPa环流形势,温度平流及200hPa环流形势的共同特征和差异。分析结果表明:500hPa环流形势,副热带高压的位置、走向分布对长生命史高原低涡的移动路径有显著影响。东移、东北移、东南移三种路径,副热带高压依次减弱。印缅地区,东南移路径为季风低压,而东移和东北移路径则为季风槽或印缅槽,即东南移路径25°N以南具有相对较低的位势高度,有利于高原低涡的向南移动;200hPa环流,东移、东北移、东南移三种路径,南亚高压1252dagpm东伸脊点依次偏西。东移路径,南亚高压东伸脊点的明显偏东,使得高原低涡移出高原后受一致西风引导气流的影响,而对于东南移个例,相对北抬的南亚高压前及相对较深的110°E槽后的西北气流对高原低涡的东南移具有一定的引导作用。温度平流带随时间的走向与不同路径的移动方向有着较好的对应关系。移出高原后的长生命史高原低涡基本在平均冷平流带中移动,东南移的高原低涡个例具有相对较强的冷空气活动,使得高原低涡能够向相对较暖的南方移动。