BCC_CSM1.1(m)模式对初夏东北冷涡的模拟及应用

利用1991-2017年BCC_CSM1.1（m）模式模拟数据和NCEP/NCAR逐月再分析资料,评估了BCC_CSM1.1（m）对初夏东北冷涡的模拟能力。结果表明：BCC_CSM1.1（m）模式可以对500 hPa位势高度场气候态进行模拟,均方根误差显示该模式对中国东北南部地区500 hPa位势高度场的模拟要优于东北北部地区。EOF第一模态结果显示,该模式可以较好地模拟出500 hPa位势高度场的主要时空变化特征。BCC_CSM1.1（m）模式能够模拟出近27 a东北冷涡指数的上升趋势和年际变化,但模拟的上升趋势较实况偏强,年际变率较实况偏弱。BCC_CSM1.1（m）模式能够模拟出东北冷涡指数的年代际突变,但是对突变开始时间的模拟较实况偏晚。BCC_CSM1.1（m）模式能够模拟出东北冷涡指数和500 hPa位势高度场在东北及其附近地区的显著正相关,不能模拟出东北冷涡指数与东北初夏降水之间的显著负相关。此外,模式东北冷涡指数对东北初夏降水的预测能力十分有限。     

东北冷涡降水集中期的客观识别研究

基于区域关键天气过程客观化识别和监测的需求及东北雨季应包括冷涡降水的事实,采用东北三省及内蒙古东四盟共147站逐日降水量资料,通过对东北区域多年平均5点平滑处理的逐日降水量序列的综合分析及对历年逐日滑动平均雨量的对比试验,确定了判别东北冷涡降水集中期开始日期的阈值及持续时间,进而研制了东北冷涡降水集中期开始日期的客观识别方法。基于该方法的客观识别,得到1981-2010年气候平均态的东北冷涡降水集中期的开始日期为每年的5月26日。同时,定义盛夏降水集中期开始日的前一日为冷涡降水集中期的结束日期,发现冷涡降水集中期的结束日期为6月25日。在此基础上,采用NCEP/NCAR逐日再分析的风场、位势高度场资料,通过对东北冷涡降水集中期前、中和后期各层大气环流场及各系统的逐日变化特征的对比分析,验证了该客观识别方法的合理性。     

东北冷涡强度定义及特征分析

利用NCEP 1°×1°格点再分析资料,根据东北冷涡温度场有冷中心及高度场是闭合环状环流的特征,同时选取位势高度差和温度差两个指标,制定东北冷涡逐日强度定义方法,并分析了按此定义划分的不同强度东北冷涡的变化特征。结果表明：中等强度冷涡的出现频次最多,占全年冷涡出现日数的50%以上,其次是弱冷涡,超强冷涡出现日数最少;弱冷涡生命史约为3 d左右;超强冷涡活动期间中心位移变化较大,且生命史长,影响范围更为广泛。     

三类高空冷涡的划分及其动态合成分析

结合地理分布将中国北方高空冷涡划分为东北冷涡(120°—145°E,35°—60°N),华北冷涡(100°—130°E,30°—45°N)以及东蒙冷涡(100°—130°E,40°—55°N)三类,根据2000—2018年NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料和日降水资料对19 a冷涡个例进行筛选对比,统计分析三类冷涡的活动规律,利用动态合成分析方法分析三类冷涡的结构和降水特征。结果表明:在490例高空冷涡个例中,遗漏的冷涡个例有2个,重复的个例有13个,剩下475例个例都能较好的被选出和归类,给出的三类冷涡定义较为合理。东北冷涡和东蒙冷涡在全年皆可生成,而华北冷涡在12月和2月没有发现。东北冷涡在4、5月生成最多,在3月和8月生成较少。华北冷涡在5月生成最多,冬季生成较少。东蒙冷涡在5、6、9三个月生成较多,在2、3和11月生成较少。对三类冷涡的动态合成分析表明:在结构方面,考察位势高度、温度、涡度、和等熵位涡分布,得到东北冷涡平均强度最强,东蒙冷涡次之,华北冷涡最弱;在降水方面,冷涡强度最强的时段,冷涡降水主要出现在高空急流出口区以北,对应有强的高层辐散。由于低层湿度分布以及水汽输送强度的不同,三类冷涡的降水大值中心位置有所差别,并且华北冷涡平均降水强度最大,东北冷涡次之,东蒙冷涡相对较小。     

5—6月东北冷涡持续活动及强度特征

利用1960—2012年5—6月NCEP/NCAR逐日再分析资料,基于冷涡经典定义,采取客观识别方法检索东北冷涡活动过程,根据东北冷涡活动时空变化特征给出东北冷涡持续活动过程标准, 通过冷涡强度指数进行定量化分析,该指数对冷涡持续活动过程具有较好表征意义。冷涡活动强对应5月乌拉尔山阻塞高压、贝加尔湖阻塞高压和6月鄂霍次克海阻塞高压活动频繁。通过强弱指数年合成,得到6月强指数年冷涡系统较深厚,集中于对流层中高层,冷心结构明显,具有一定大气斜压特征; 高层存在冷中心,低层有冷空气活动,中高层西风带呈明显的上游分流和下游汇合特征,分汇流之间呈东北高、西南低的偶极子阻塞形势;弱指数年冷涡系统较浅薄,主要集中在对流层中低层,冷心结构不明显,不存在阻塞形势。     

东北冷涡特征及其关键区的计算机识别

根据东北冷涡的定义及其在等压面上高度的变化特征，利用计算机在等压面网格点高度上自动识别东北冷涡的中心经纬度、中心高度和半径，确定东北冷涡的位置、强度和面积。还给出了在任意形状关键区中自动识别是否存在冷涡的方法。业务应用的实践证明，该方法对东北冷涡特征的识别准确，简便可靠，对观测错误具有较强的识别、处理能力。     

近50年东北冷涡异常特征及其与前汛期华南降水的关系分析

利用中国气象局国家气象信息中心提供的1951～2004年中国160站华南前汛期 (5～6月) 月平均降水、气温资料、欧洲中心提供的ERA-40再分析资料和Reynolds海温资料, 对东北冷涡与华南前汛期降水进行了统计分析, 定义了一个前汛期东北冷涡强度指数 (NECVI), 并研究了前汛期东北冷涡异常年同期东亚季风、西太平洋副高、对流层低层的垂直运动异常特征和前期全球海表温度 (SST) 的先兆信号, 结果表明: 前汛期东北冷涡强度与华南降水存在显著的正相关, 东北冷涡强年, 前期东亚冬季风偏弱, 同期东亚夏季风异常爆发提前且偏强, 西太平洋副高位置偏南, 华南地区低层上升运动发展, 降水偏多; 东北冷涡偏弱年, 前期东亚冬季风偏弱, 同期东亚夏季风爆发推迟且偏弱, 西太平洋副高位置偏北, 华南地区低层下沉运动发展, 降水偏少; 前汛期东北冷涡与前期中国近海海温存在显著的负相关关系, 前汛期东北冷涡异常强年, 前期对应着La Nia的成熟阶段或发展阶段, 而前汛期东北冷涡异常弱年则对应着El Nio的成熟阶段或发展阶段.     

冬季东北冷涡的时空变化特征

基于1967—2017年美国环境预报中心和国家大气研究中心(NCEP/NCAR)的逐日再分析资料及英国气象局哈德来中心(Hadley Centre)的海温资料,通过计算冬季东北冷涡结构的特征指数并利用经验正交函数分解等方法,研究了冬季东北冷涡的时空变化特征及其与环流和海温变化的联系。结果表明:(1)冬季东北冷涡具有显著的年际变化与年代际变化特征,各指数年际分量的方差贡献率较大;冷涡强度与经、纬度呈正相关,且经、纬度之间呈正相关;(2)年际尺度第一模态反映了冬季东北冷涡气候平均位置以南为正(负)异常而以北为负(正)异常的南北反位相变化特征,第二模态反映了冬季东北冷涡在气候平均位置附近强度一致增强(强弱)的变化特征,而年代际尺度主要反映在第一模态,即冬季东北冷涡在气候平均位置附近强度一致增强(强弱)的变化特征;(3)北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation, NAO)和西大西洋遥相关型(Western Atlantic, WA)的位相转换可能与年代际尺度冬季东北冷涡的强度强弱变化有关。     

北半球环状模和东北冷涡与我国东北夏季降水关系分析

利用国家气象信息中心提供的1951～2004年全国160个测站月平均降水资料和欧洲中心提供的ERA-40再分析资料,对近50多年东北地区夏季降水、东北冷涡与前期北半球环状模和海温的关系进行了统计分析,定义了一个夏季(6～8月)东北冷涡强度指数(NECVI)。结果表明:NECVI能够较好表征东北低涡的气候效应;夏季东北冷涡强度与降水存在显著的正相关,东北冷涡强年,降水偏多,前期2月北半球环状模(NAM)偏弱;东北冷涡偏弱年,降水偏少,前期2月NAM偏强。此外,夏季东北冷涡与前期的中国近海海温存在显著的负相关,前期NAM和中国近海海温的异常可以作为夏季东北冷涡异常的一个前兆信号,进而为东北地区夏季降水异常的预测提供参考依据。     

东北冷涡的特征、影响及其可能机制的研究

对东北冷涡的天气气候特征及其影响和可能机制进行了回顾与综述。关于东北冷涡的研究主要经历了三个阶段:天气学分析阶段、诊断分析和数值模拟阶段以及东北冷涡的气候效应研究阶段。为了研究东北冷涡的变化及其对我国天气气候的影响,定量表征东北冷涡是一项重要的基础性工作。提出可以利用计算机自动识别东北冷涡过程的持续时间、中心强度(高度场、温度场)及活动区域等特征参数,并由此建立冷涡综合指数,以便更加客观、全面地表征东北冷涡,有利于在实际工作中应用。     

L波段雷达探空高度评估及其质量标识

以美国NCEP FNL分析数据和我国GRAPES_GFS预报数据为背景场,对2016年7月1日-2017年6月30日北京探空站的L波段秒级探空位势高度（探空高度）从观测余差、平均偏差、标准偏差、概率密度分布、峰度系数、偏度系数、相关系数和均方根误差等参数进行误差分析。根据分析结果对探空高度进行质量标识,并根据质量标识的结果再次求解参数,评估质量标识效果。结果表明:探空高度质量较好,无论是基于NCEP FNL还是GRA-PES_GFS,探空高度的误差基本在±5 dagpm以内。探测高层的观测余差平均偏差和标准偏差表明基于GRAPES_GFS的评估优于NCEP FNL的评估。单一个例选取的可疑点和错误点阈值具有误差特征、自适应的特点。     

冬季北太平洋风暴轴指数的评估及其改进

首先对风暴轴的定义及其强度和位置表征方法进行了归纳总结, 然后利用1958～2001年44年冬季ERA40位势高度场资料重新评估了几种不同的风暴轴特征指数, 分析得到: 这些不同的定义方法在表征风暴轴强度变化方面具有一致性, 但在描述风暴轴的位置变动方面有较大差异。根据冬季北太平洋风暴轴主体的强度和位置变化特征, 提出了一组更为恰当的动态定量的表征方法, 即取北太平洋及其周边区域 (30°N～60°N, 120°E～120°W) 冬季500 hPa位势高度天气尺度滤波方差大于20 dagpm2的所有格点滤波方差的平均值, 以及满足上述条件所有格点的经度平均和纬度平均分别作为冬季北太平洋风暴轴的强度指数 (NII)、经度指数 (NXI) 和纬度指数 (NYI)。通过比较分析, 证明了新定义的指数更能反映风暴轴实际的变动特征。继而利用新指数分析了冬季北太平洋风暴轴的强度和位置的长期变化, 得到以下结论:44年中, 冬季北太平洋风暴轴的强度微弱增加, 且在1970年代中期以前北太平洋风暴轴的强度和位置的年代际变化关系复杂; 1970年代中期以后北太平洋风暴轴的强度和位置的年代际变化具有准协同一致性, 表现为偏弱期位置偏西偏南, 偏强期位置偏东偏北。而且, 这种长期变化与太平洋海气系统成员的低频变化有相关性, 其变化成因是复杂的。     

南半球环状模事件的准地转调整过程分析

本文利用NCEP/NCAR逐日再分析资料,分析了南半球环状模（SAM）事件生命过程中的准地转调整过程.由于SAM沿纬圈的水平尺度远远大于临界尺度罗斯贝变形半径,因此要求纬向风场在地转调整过程向气压场适应以达到地转平衡.研究结果表明,在纬向平均环流中,异常Ferrel环流强度的变化超前于SAM强度变化约2/16位相,异常Ferrel环流能够通过超前的整层大气质量的经向输运,改变中高纬度的质量分布装状况,导致中、高纬度地区间的位势高度梯度异常变化,而中、高纬度地区间的位势高度梯度异常发生变化就意味着SAM强度和位相发生变化;而当SAM强度和位相发生改变后,即中、高纬度地区南北方向上的位势高度梯度发生变化后,可破坏中纬度地区纬向风场与位势高度场之间的地转平衡,产生地转偏差;地转偏差产生后,又可驱动经向散度风场,造成Ferrel环流异常的变化,由此形成一个自我内部循环调整过程.     

59型与L波段探空仪温度和位势高度记录对比

利用全国探空系统换型时获取的70个高空台站的对比观测数据,计算了59型探空仪和L波段探空仪温度和位势高度的差异,分析了探空仪换型对于探空数据一致性的影响。结果表明:就全国平均而言,在100 hPa特别是在400 hPa以下高度,两套系统提供的温度和位势高度观测值没有明显的系统差异;但在70 hPa以上高空,59型探空仪测定的规定等压面温度比L波段探空仪低0.1～0.7℃,导致位势高度在20 hPa高度时偏低达30 m左右,换型前后变化明显。系统差异的产生与59型探空仪的生产厂家、施放地区和季节关系较大,进一步分析表明:太原厂生产的探空仪测得的温度在对流层偏高,在平流层偏低,位势高度在对流层偏高,在平流层逐步转为偏低;上海厂生产的探空仪测得的温度全程偏低,引起位势高度也全程偏低,因此两个厂家的59型探空仪相对于L波段的温度和位势高度系统差也有明显不同。用户在使用局部地区高空站59型探空仪的观测数据时需了解该59型探空仪的生产厂家。     

Significant enhancement in atmospheric biweekly disturbance over Northeast Asia during the recent warming hiatus

Based on daily 500-hPa geopotential height from ERA-Interim reanalysis data, this study analyzed the day-to-day circulation variance in cold season (October–March) by composite and correlation analysis. Two same-length time periods were compared, namely, the hiatus period (1999–2013) and the rapid warming period (1984–1998). Spectral analysis revealed that over the mid–high latitudes of the Northern Hemisphere, the most outstanding peak in the daily 500-hPa geopotential height variance was of quasi-biweekly timescale (about 10–20 days), accounting for about 32% of the total variance. During the warming hiatus, quasibiweekly disturbance (QBD) changed remarkably in Northeast Asia. On average, within the domain 42°–50 °N, 128°–142 °E, the QBD variance changed from 1860 m² in the rapid warming period to 2475 m² in the hiatus period, increasing by about 33% and statistically significant at the 95% confidence level. Lead–lag analysis showed that the QBD signal could be traced back by about 14 days, with an origin around the Ural Mountains. Then, the signal developed and propogated southeastward, with its location about 10 days prior to its peak in West Siberia, and about 6 days prior to its peak in the Sayan Mountains, and finally moving to Northeast Asia. By comparing the propagation process between the two periods, we found that the propagation paths were basically the same, but there were evident differences in the intensity of the signals. The intensification of QBD may have been related to the increased energy conversion from mean flow to QBD transients. The frequency of low-temperature extremes in negative QBD phases was much higher than under normal conditions or in positive phases. Associated with the enhanced QBD, the probability of extreme low temperature increased from 19% during the rapid warming period to 27% during the warming hiatus.     

冬季各月北太平洋涛动的年际变化及其与我国降水异常的联系

利用ERA-Interim的海平面气压(Sea Level Pressure,SLP)再分析资料和中国160站的降水观测资料,分析了冬季各月(当年12月、次年1月和2月)北太平洋涛动(North Pacific Oscillation,NPO)的年际变化特征,及其与我国同期降水异常之间的联系。结果表明:1)冬季各月NPO指数的年际变化较为显著,但各月NPO指数年际变化之间的相关性较差,1979—2012年冬季12月与1月NPO指数年际变化之间的相关系数为0.09,而1月与2月NPO指数的相关系数仅为-0.003,均没有通过信度检验。2)1月和12月NPO指数年际变化与同期我国黄淮流域降水异常之间存在明显的正相关,而2月NPO指数年际变化与同期我国华北降水异常之间为明显的负相关。3)当1月(12月)NPO指数增加1个标准差时,我国黄淮流域降水量比多年平均值增加约50%(40%);而当2月NPO指数增加1个标准差时,我国华北降水量比多年平均值减少约30%。     

动力延伸预报产品在广西月降水预报中的应用

利用1958—2005年NCEP/NCAR再分析资料和2003—2005年国家气候中心的动力延伸预报产品, 运用自然正交函数展开 (EOF) 求取预报关键区内的空间特征向量及其时间系数, 结合相似离度方法查找与预报月份相似的个例, 进而作出广西月降水量预报。独立样本试验证明, 利用动力延伸预报产品制作的区域月降水预报比利用前期实况高度距平场相关区域制作的预报效果更好。     

预测川渝地区汛期降水量的一种物理统计模型

应用川渝地区20个测站汛期(6～8月)降水距平百分率资料,分析了四川盆地汛期降水分布型及其形成的前期信号,提出了四川盆地汛期降水主要存在"东西振荡"、"一致分布"和"南北振荡"三类分布型.针对这三类典型的降水分布型,得到了川渝地区主汛期降水及其预测强信号的关系:春季西太平洋暖池强度偏强或上年秋冬季青藏高原位势高度场偏高时,当年川渝地区主汛期降水表现为西多东少,反之,则表现为西少东多.即出现了"东西振荡型";1～3月西风带极锋锋区位置偏北或上年冬春季青藏高原地区100hPa位势高度场偏低时,当年川渝地区主汛期降水偏多,反之,则降水偏少.即出现了"一致分布型".上年夏季西风环流强度指数偏强时,当年川渝地区主汛期降水表现为南多北少,反之,则表现为南少北多.即出现了"南北振荡型".利用这些强信号作因子场,在引入"方差权重"思想的基础上,建立了预测川渝地区主汛期降水的一种物理统计模型.通过对1996～2001年共6年的实际业务预报,预测效果令人满意.     

基于T213集合预报的延伸期产品释用方法及初步试验

基于T213集合预报系统2008年1月中国及附近区域500 hPa高度和850 hPa温度的1~15 d预报资料,构建延伸期产品释用方法,通过对逐日11~15 d预报资料做集合平均和后向衰减权重系数滑动平均,进而得到延伸期(11~15 d)候平均和候距平预报,并对预报效果进行检验,结果表明:对11~15 d预报场做集合平均和后向衰减权重系数滑动平均均能降低预报误差,改善整体预报效果。由此得到的500 hPa高度场和850 hPa温度场11~1 5 d候平均预报误差与逐日控制预报第5d的水平相当,候距平相关系数均接近0.6,整体而言效果较好,具备一定的应用价值。500 hPa高度场和850 hPa温度场11~15 d候距平预报在中国大陆地区位相准确率均较高,东南沿海和东北部分地区稍差,且850 hPa温度场的位相准确率整体高于500 hPa高度场。候距平预报对延伸期(11~15 d)的大范围持续性异常距平具有较强的捕捉能力,对异常距平出现的范围和分布、强距平中心的位置的预报均较好,但强度整体偏弱。     

基于TIGGE资料的预报跳跃性特征

利用2011年3月—2013年2月TIGGE资料中ECMWF,NCEP及CMA 3个中心的500 hPa位势高度场、850 hPa温度场和海平面气压场的集合预报资料,采用Jumpiness指数同时结合单点跳跃、异号两点跳跃等预报跳跃相关概念,研究了集合控制预报和集合平均预报的预报跳跃特征问题,并进行对比分析。结果表明:平均而言,短时效预报之间的跳跃性低于长时效预报之间的跳跃性。集合平均预报的结果之间较其相应的控制预报具有更好的一致性。在预报跳跃的频率统计方面,集合平均预报结果总体上明显低于集合控制预报,两者在长时效的预报跳跃情况差别较大。该文研究了预报跳跃对不同区域、时间和变量的敏感性,结果表明:时间平均的预报跳跃性对区域和变量很敏感。不同预报跳跃类型出现的频率及集合控制预报和集合平均预报在预报跳跃性方面的差异对区域、时间和变量的敏感性有限。