几率波在长期季度预报中的应用

本文首先讨论了造成长期异常天气的原因:主要是由于环流的持续稳定。指出月、季距平图上所反映的波动实质上是几率波动,它反映了下垫面冷热源(包括:雪盖、海冰、海温等)的异常分布。从而得出持续稳定的环流造成了下垫面冷热源的异常,而下垫面冷热源的异常分布作为一个持久性的扰动源对大气又起反馈作用,又造成了在某些特定地区环流的持续稳定,这样又形成了后期冷热源异常的再分布。 六个月距平几率波主要是反映下垫面冷热源的异常分布。它的变化是十分缓慢的。在30°N以南几乎呈静止状态,而30°N以北的几率波在欧亚大陆多数情况下是缓慢东进的。它的运动方向与下垫面的温度梯度相反。 最后利用半年时间尺度的距平几率波的特性,提出一种利用前一年秋到冬季的距平几率波预报次年春到夏季的降水、气温统计模型。经河北、内蒙、辽宁、吉林等省、区某些气象台1982—1985年的实地试用,反映较好,一致认为预报准确率比较稳定。     

北半球夏季中低纬地区的平均垂直环流与大气中冷热源分布的关系

本文应用中央气象局出版的“北半球高空气候图集”中的风场资料,计算了45°N以南、北半球范围、7月份850 mb—100 mb各标准等压面层上的平均垂直运动。分析了不同区域经向和纬向垂直环流的特点,并将它与大气中冷热源进行对照。指出:夏季北半球低纬度平均是个Hadley环流,其北是个道环流。形成这种环流形势的主要贡献地区在两个大洋上,这主要与低纬度大气是个热源、共北是个冷源的分布有关。另外,由纬向环流看到,夏季北半球中低纬主要上升运动区和下沉运动区各有两个,这两对上升气流区和下沉气流区构成了夏季北半球中低纬地区垂直环流的大形势。此外,本文还指出夏季青藏高原上空的上升气流向四周流出后所影响的地理区域。     

长江中下游严重旱涝时期大气环流以及热源和水汽汇的异常

利用 1980-1997年 6-8月 NECP／NCAR月平均资料，计算了大气热源和水汽汇，研究了我国长江中下游夏季严重旱涝时期大气环流以及大气热源和水汽汇的异常特征，主要结果如下： 在对流层中下层，来自于孟加拉湾和南海的南风异常和长江流域以北的北风异常在长江中下游辐合。这两股异常气流分别与西太平洋上反气旋异常系统（中心位于22°N，140°E）和气旋异常系统（中心位于日本海）有关。在对流层高层，反气旋异常系统中心位于23°N，105°E，气旋异常系统中心位于朝鲜，两异常系统之间的西北异常气流在长江中下游辐散。而在印度西南季风区为偏东风异常，表示西南季风的减弱； 长江中下游严重干旱时，在对流层中下层，长江以北南风异常和长江以南北风异常从长江流域辐散，在以东的洋面上形成东风异常气流。这两股异常气流分别与酉太平洋上气旋异常系统（中心位于23°N，135°E）和西北太平洋上反气旋异常系统有关。在对流层高层，气旋异常系统中心位于南海，反气旋异常系统中心位于日本海，两异常系统之间的偏东异常气流在长江中下游辐合。 热源异常的最主要特征是长江中下游严重洪涝时从西太平洋到南海热源异常为负，表示热源偏弱；正热源异常位于长江流域。而长江中下游严重干旱时热源异常正好相反。垂直     

气溶胶对东亚冬季风影响的数值模拟

利用NCAR/UCAR CAM5.1模式研究气溶胶对东亚冬季风的影响。模式从1991—2010年运行20年,取2001—2010年冬季的结果。模式结果可以较好地再现东亚冬季风的主要特征。试验结果表明:气溶胶增加使我国东南部地区和东北亚地区（35°~55°N,115°~150°E）冬季风减弱,同时,造成我国东南部地区降水减少。其中,热源热汇的变化和无辐散风减弱为主要原因。气溶胶增加改变了大气热源的分布,造成在我国东南部地区热源减弱,热汇加强;我国东北地区热汇减弱,日本列岛热源加强;气溶胶增加使这些区域全位能的产生减弱,消耗加强。同时,凝结潜热的变化主要影响热源和热汇,其中大尺度过程产生的凝结潜热变化起主要作用。在我国东南部和东北亚地区辐散风动能向全位能的转换增加,造成辐散风减弱。故该区域辐散风向无辐散风的转换减弱,导致无辐散风减弱,最终造成东亚冬季风减弱。     

华南夏季12-30 d持续性强降水的低频特征分析

利用1982-2011年夏季（5-8月）中国气象观测站点逐日降水资料、NCEP/NCAR逐日再分析资料、NOAA逐日向外长波辐射和海表温度资料集,通过选取低频降水事件的方法,分析了华南夏季12-30 d持续性强降水事件的基本特征,然后利用位相合成法对持续性强降水期间伴随的低频大气环流型以及低频信号的来源和传播情况进行研究,同时也分析了低频海-气耦合过程对持续性强降水的影响。结果表明：（1）华南夏季降水具有显著的12-30 d低频振荡特征,持续性强降水事件在6月发生次数最多,低频降水期间的雨带自东南向西北传播。（2）在持续性强降水发生期间,华南及邻近海域低层受强大的低频气旋式环流控制,低频上升运动显著,而中国南海-菲律宾海一带则是强的低频反气旋式环流,其西侧向北的低频水汽输送不断将中国南海的水汽送至华南及邻近海域进行辐合上升。低层的低频信号来源于热带西太平洋和中国南海-菲律宾海一带低频振荡的西北向传播,同时伴随着西太平洋副热带高压明显的西伸东退过程。（3）在高层,华南北侧（22°-45°N,95°-130°E）区域强大的低频气旋式环流和孟加拉湾-中国南海一带的低频反气旋式环流相互配合,使华南高层处于强大的辐散环境中,从而加强了华南低层的辐合与低频上升运动,造成持续性强降水的增强。高层的低频信号来源于低频罗斯贝波列的东南向传播。（4）低频大气环流异常通过云辐射和热通量过程改变低频海表温度异常,而由大气强迫的低频海表温度异常通过影响低层大气的稳定性来对大气施加明显的反馈作用,该海-气耦合过程有利于大气低层低频信号向华南地区传播,从而影响了华南持续性强降水的发生、发展与结束。     

ANALYSIS ON THE SOURCE AND SINK OF KINETIC ENERGY OF ATMOSPHERIC 30-60 DAY PERIOD OSCILLATION AND THE PROBABLE CAUSES*

Based on ECMWF daily grid point data in summer(May-August),1981,the distribution features of the source and sink of kinetic energy of atmosphere 30-60 day oscillation,including its horizontal distribution characteristics and its vertical structure characteristics,are investigated systematically with diagnostic analysis methods over a latitude belt between 80°N and 60°S.Also,the probable reasons for the existence of the source and sink of low frequency kinetic energy(LFKE) are discussed preliminarily.Results show that the horizontal distribution of the sources and sinks of kinetic energy of atmospheric 30-60 day oscillation is extremely different.The significant sources and sinks of LFKE mainly exist in the oceans and the coastal regions of continents or islands in the mid-high latitudes.It is also found that,in the vertical direction,the sources and sinks of kinetic energy of 30-60 day oscillation display barotropic structure in the mid-high latitudes of both hemispheres,but dispaly baroclinic structure in the equtorial region,and in the horizontal direction,the sources and sinks mainly display zonal wave-like distribution.The source and sink of LFKE are determinded by ageostrophic wind effect,frictional effect,interaction between sub-grid-scale systems,nonlinear interaction,and the flux-divergence of LFKE transported by transient wind.There are some regional reasons for the generation of sources and sinks which are not completely identical in different areas.     

从海平面气压场的波谱分析比较南、北半球大气环流的变化

本文应用沿纬圈的谐波分析,对1951—1960年各年逐月南、北半球海平面气压进行分解,对比两个半球的副热带(30°N,30°S)及中纬度(50°N,50°S)的超长波活动发现:(1)南、北两个半球月平均大气环流都存在有性质不同的两类变化,即季节性变化与非季节性变化。在海陆对比明显的北半球,不论西风带还是副热带季节性变化都比较清楚。而南半球仅副热带季节性变化明显,西风带则是非季节性变化占优势。(2)南、北两个半球大气环流的季节变化,都有明显的年际差异。通常,北半球夏季建立(南半球是夏季结束)的年际差异大,北半球夏季结束(南半球是夏季建立)的年际差别较小。(3)超长波位置的年际变化与海陆分布有密切关系。陆地面积大的地区,占优势的超长波位置比较稳定,在几乎全为海洋的50°S,则超长波无论占优势与否,波槽位置的年际变化都较大。     

Atmospheric modulation of surface heat fluxes at Ocean Weather Station P on a decadal time‐scale

Abstract

A 30‐year record (1951–1980) of surface heat fluxes at Ocean Weather Station P in the northeastern Pacific Ocean (50°N, 145°W) was examined for differences in the interdecadal variation between fail and winter. During the latter part of the 1950s and the early 1960s, the winter surface heat flux from the ocean to the atmosphere diminished significantly whereas the fall heat flux increased slightly This difference in the modulation of the winter heat flux from the fall heat flux during this period appears to be caused by the presence of an atmospheric circulation anomaly resembling that of the Pacific/North America (PNA) low‐frequency variability mode during the winter season.     

北半球500毫巴月平均环流特征及演变规律的研究——超长波

本文是作者研究近10年大气环流特征的第二部分。应用1951—1960年北半球500毫巴月平均图,用谐波分析方法计算了历年逐月55°N及35°N上波数1到4(第1到第4)波的振幅及位相角。由此分析了大气环流的季节变化。主要结果如下: 1.第1波及第3波的振幅均有明显的年变程,但趋势彼此相反。另外,第1波或第3波振幅本身在55°N及35°N年变程也相反。第2波振幅年变程不明显。 2.各波的位相角亦有明显而规则的年变程,只有55°N第2波的位相角季节变化不大。 3.从逐年波谱及位相来看,大气环流的季节变化各年虽有不同,但季节的趋势却是每年都一致的。 4.过渡季节的波谱与冬夏截然不同。因此一年可分为4个自然天气季节,但每年季节早晚、长短及特征均有一定差异。 5.北半球超长波特征与我国天气有密切关系,这可以从一些例子来说明,如1954年7月与1959年7月,1957年2月与1960年2月。     

华南持续性强降水期间低频非绝热加热对低频环流的影响

利用站点降水资料和再分析资料针对华南地区5—8月的持续性强降水过程,分析了低频异常非绝热加热的时空分布特征及其对低频大气环流的可能反馈作用。得到如下结论:5—6月和7—8月华南持续性强降水期间10—30 d低频非绝热加热的演变特征有所不同,5—6月持续性强降水发生前低频非绝热加热大值区从30°N(107°—115°E)以北向南传播发展至华南地区,而在7—8月降水前非绝热加热大值区从中国南海中部向西北方向传播,并在降水最强盛期到达华南。异常环流型控制着持续性强降水的强度和位置,从而决定异常凝结潜热的演变特征。异常凝结潜热则是通过影响涡度倾向变化而对大气环流有一个反馈作用。对于发生在华南5—6月和7—8月的这2组持续性强降水过程,当降水处于发展阶段,在低频非绝热加热作用项和低频涡度平流项的共同作用下,华南上空中层存在显著的10—30 d低频正涡度倾向变化,有利于低频气旋式环流的进一步发展。非绝热加热作用项主要由加热率的垂直梯度决定,涡度平流项则与气候背景风场有密切关系。5—6月持续性强降水期间涡度平流项位于非绝热加热项东侧,而7—8月持续性强降水期间涡度平流项位于非绝热加热项北侧。在持续性强降水的衰亡期,由于非绝热加热项和涡度平流项转为负值,华南被负涡度倾向变化控制,低频气旋式环流迅速消亡。     

The Wave Train Characteristics of Teleconnection Caused by the Thermal Anomaly of the Underlying Surface of the Tibetan Plateau. Part Ⅰ: Data Analysis

探讨了前期青藏高原下垫面热力结构异常对后期长江中下游地区降水的影响。通过资料分析揭示出长江中下游地区夏季降水异常前期冬、春季青藏高原下垫面三维热力结构强信号特征,即长江中下游夏季旱涝前期高原南部和北部各层次的地温距平呈反位相分布。从地面0cm到地下320 cm的地温距平分布为:涝年高原偏南部(30°N以南)为正,中部和北部(30°N以北)为负,旱年时相反。其中地温距平的大值区在 40 cm到160 cm层之间。同时揭示了北半球环流型对青藏高原下垫面热力异常可能产生遥响应,并形成季尺度低频波的传播,从而影响长江中下游地区后期的降水,反映了遥相关是区域性旱涝形成的一个动力机制。资料分析结果表明前期青藏高原下垫面三维热力结构异常是后期长江中下游地区降水异常的重要原因之     

RESEARCH ON INTERANNUAL CHANGE ABOUT TELECONNECTION OF GENERAL CIRCULATION IN SUMMER DURING 1980s OVER THE NORTHERN HEMISPHERE

In the paper the 5°×10°latitude-longitude grid point data of daily 500 hPa geopotential height over the NorthernHemisphere(NH)in summer(June—August)during 1980s are used.The base point(20°N,120°E)is selected to calcu-late point correlation between the base point and other grid points.We find that the summer heat source anomaly of thetropical western Pacific causes anomaly of summer general circulation over NH and teleconnection of general circula-tion similar to PNA pattern forms from East Asia to North America.The teleconnections show great interannualchanges.     

2014年夏季长江流域持续性低温的大尺度环流异常

采用中国地面站气温逐日观测资料、NOAA全球逐日海表温度资料,及NCEP/NCAR的全球日均再分析资料,研究了2014年持续性低温的三维结构及大尺度环流异常。结果表明,2014年的低温异常,除了在陆地上区域性地出现在长江流域,还以大尺度带状的形式、从陆地延伸到海洋上。这种带状异常不只出现在近地面,在大气各层（925～500 hPa）都能看到。分析指出,大气中的这个低温带主要由高纬大气环流异常造成。在位势高度场上,最重要的异常出现在高纬60°N,有呈带状的位势高度正距平,它引导（距平意义上的）偏北气流从正北和东北偏东方向侵入,在其南侧形成一带状的偏低温区。大气各层均呈现出这种在高纬有位势高度正距平、相应地在稍南的低纬（40°N）有位势高度负距平、两者之间为低温区的分布特征。从低层往上,这种配置型式整体表现出由南往北的倾斜,其垂直剖面表现为距平意义上的、大尺度、类似于锋面的倾斜结构。文中用简单的概念模型对此进行理解,认为这种结构是由大气动力异常和热力异常相互影响、共同作用而形成的。     

Decadal windstorm activity in the North Atlantic-European sector and its relationship to the meridional overturning circulation in an ensemble of simulations with a coupled climate model

The relationship between decadal variations in the North Atlantic meridional overturning circulation (MOC) and North Atlantic/Western European windstorm activity during the extended winter season is studied. According to an ensemble of three 240-year long simulations performed with the ECHAM5-MPIOM model, periods of high decadal windstorm activity frequently occur in the years following a phase of weak MOC (i.e. when the MOC starts to recover). These periods are characterised by a distinctive pattern in the mixed layer ocean heat content (OHC). A positive anomaly is located in the region 45°N?52°N/35°W?16°W (west of France). Negative anomalies are located to the North and South. The signal can be detected both in the heat content of the oceanic mixed layer and in the sea surface temperatures. Its structure is consistent with anomalously enhanced baroclinic instability in the region with the strong negative OHC gradient (30°W?10°W/45°N?60°N), which eventually produces a higher probability of windstorms.     

影响华南汛期持续性强降水年际变化的大气环流和海温异常

利用1961—2017年中国地面观测站日降水资料、全球大气多要素和海表温度月资料,分析华南区域持续性强降水过程的气候特征,诊断并比较与华南前汛期、后汛期区域持续性强降水年际变化相关的大气环流和海表温度异常特征。结果表明,3—12月华南都可能出现持续性强降水过程,其中汛期4—9月的占了94.4%。伴随着区域持续性强降水的年际变化,华南本地垂直上升运动显著异常是前汛期和后汛期的共同点,但前汛期、后汛期在华南及周边环流异常、水汽输送来源以及海温异常分布等方面都存在一定差异。在前汛期华南区域持续性强降水偏重年,赤道西太平洋区域海温偏低,由于大气罗斯贝波响应使西太平洋副热带高压偏强,热带西太平洋向华南区域水汽输送加强,从而有利于区域持续性强降水偏重。后汛期华南区域持续性强降水偏重年的海温异常分布是赤道中东太平洋区域正异常、东印度洋至西太平洋暖池区负异常,海温异常通过西北太平洋副热带高压、南海热带季风强度、水汽输送和垂直环流等多方面,导致后汛期区域持续性强降水偏重。      

北半球50hPa环流异常与厄尔尼诺/反厄尔尼诺事件

本文对近三十年来的厄尔尼诺和反厄尔尼诺事件与北半球50hPa高度距平场的变化进行了分析。结果表明,厄尔尼诺发生的前冬(前一年11月至当年1月,下同),500hPa高度场的距平分布为:在极地附近地区是负距平;中纬地区除北美洲上空是弱负距平外,其余地区是正距平;30°N以南的低纬地区为负距平。反厄尔尼诺出现的前冬,500hPa高度场的距平分布为附近地区是正距平;中纬地区北美洲上空是弱正距平,其余地区为负距平;30°N以南的低纬地区为正距平。此外,厄尔尼诺和反厄尔尼诺事件发生的前冬,50hPa高度距平场的变化比50hPa其它各月高度距平场的变化以及500hPa高度距平场的变化都大。且前冬50hPa高度距平场的变化对厄尔尼诺和反厄尔尼诺事件的发生具有明显的指示意义。      

对流层大气环流的甚低频振荡

对１９５１—１９９２共４２ａ５００ｈＰａ北半球高度场的月平均资料进行了纬圈谐波分析，计算了３５°Ｎ与５５°Ｎ超长波振幅及位相，以及３５—５５°Ｎ北半球月平均纬向风距平百分比。对超长波振幅及纬向风距平百分比做了小波转换。结果表明，对流层大气环流变化中存在３种准周期性的甚低频振荡：１．年代际的振荡；２．准２ａ周期振荡（ＱＢＯ）；３．半年韵律。同时发现对流层ＱＢＯ和平流层赤道纬向风ＱＢＯ之间可能没有联系。     

Marginal sea surface temperature variation as a pre-cursor of heat waves over the Korean Peninsula

This study examines the role of the marginal sea surface temperature (SST) on heat waves over Korea. It is found that sea surface warming in the south sea of Korea/Japan (122-138°E, 24- 33°N) causes heat waves after about a week. Due to the frictional force, the positive geopotential height anomalies associated with the south sea warming induce divergent flows over the boundary layer. This divergent flow induces the southerly in Korea, which leads to a positive temperature advection. On the other hand, over the freeatmosphere, the geostrophic wind around high-pressure anomalies flows in a westerly direction over Korea during the south sea warming, which is not effective in temperature advection. Therefore, the positive temperature advection in Korea due to the south sea warming decreases with height. This reduces the vertical potential temperature gradient, which indicates a negative potential vorticity (PV) tendency over Korea. Therefore, the high-pressure anomaly over the south sea of Korea is propagated northward, which results in heat waves due to more incoming solar radiation.     

北大西洋海表面温度锋与大西洋风暴路径及大气大尺度异常的关系研究

运用NCEP、Had ISST再分析资料,北大西洋涛动(NAO)月指数序列,探讨了海表面温度(SST)锋的时空变化特征,揭示了北大西洋SST锋的主要气候变率及其与北大西洋风暴轴和大气大尺度环流异常的关系。研究表明,剔除季节循环后的SST锋显示其最主要变率为锋区的向南/北摆动,其对应的风暴轴发生相应的西南/东北移动,并同时在北大西洋上空对应一个跨海盆的位势高度负/正异常。这种环流异常可引起高纬度海平面气压(SLP)的反气旋/气旋式环流,这有利于增强海表面风对大洋副极地环流的负/正涡度异常输入,进一步减弱/加强了高纬度上层冷水向SST锋区的输送。北大西洋SST锋的另一主要模态为锋区在南北方向的分支和合并。当SST锋异常在40°N~45°N以单支形式加强时,对流层位势高度场和SLP南北梯度增大,对应NAO正位相,此时风暴轴也为单支型;同时SLP异常场促使冰岛附近具有气旋式风应力异常,亚速尔地区具有反气旋式风应力异常,导致副极地环流和副热带环流均加强,增加高纬度冷水和低纬度暖水在锋区的输入,从而进一步增强40°N~45°N附近的SST锋区。当SST锋异常在40°N~45°N纬带南北发生分支时,风暴轴也同时出现北强南弱的南北分支,此时对应了负位相NAO,来自北南的冷暖水输送减弱,SST锋也发生减弱分支。此外,位于大洋内区的SST锋东端也存在一个偶极子型的模态,尽管其解释方差相对较小,但仍与偏东北的NAO型具有显著相关。谱分析表明,北大西洋SST锋与风暴轴具有1~3年和年代际共振,与中高纬大尺度环流也存在周期1~3年的共变信号,其中准一年共变信号体现了SST锋和NAO之间的对应关系。进一步诊断分析表明,SST锋上空的近表层大气斜压性和经向温度梯度随着SST锋的增强而增强,经向热通量的向北输送导致涡动有效位能的增加;海洋的非绝热加热产生更强的垂直热量通量,这有利于涡动有效位能释放成为涡动动能,从而表现为该区域的风暴轴加强,并进一步影响风暴轴中的天气尺度扰动与下游大尺度环流异常的相互作用过程。     

西南地区夏季高温热浪时空分布特征及其成因

利用98个测站逐日最高气温资料和ERA-interim再分析数据集,对1979~2018年西南地区夏季高温热浪的时空分布特征及其年际变化异常成因进行研究。结果表明:(1)气候平均西南地区夏季高温热浪频次从东南向西北减少,空间差异显著。近几十年来,西南地区高温热浪总体上显著增多,并表现出明显的年际和年代际变化特征。(2)EOF分解第1模态主要表现为全区一致型,可以反映西南地区夏季高温热浪变化的主要特征。第2模态空间分布大致呈现出南正北负的反相变化特征。(3)西南地区高温热浪偏多可能与对流层中层青藏高原以东至朝鲜半岛的明显高压异常相联系。在这个高压异常的控制下,西太平洋副热带高压向西移动,这有利于西南地区降水减少,云量减少,到达地表的太阳短波辐射增加。同时,东亚西风急流位置北移,可以阻止来自中高纬的冷空气入侵西南地区,引起这里降水减少干旱频发。最终,异常干燥和炎热的地表条件,与有利的大气环流背景相配合,从而造成西南地区夏季高温热浪事件的发生。