两次触发MJO对流事件的物理过程对比研究

用OLR的逐日数据和2002—2003年ERA-Interim的逐日再分析数据集的多个变量q,T,u,v,ω,结合水汽收支分析和多尺度波流相互作用的方法研究了2002年冬季两支东传的MJO对流事件MJO1和MJO2被触发的物理过程发现,MJO1和MJO2的对流分别发生在2002年10月31日和12月8日,对流发生区域均在赤道印度洋,分别为10°S~10°N,50°~80°E和0°~10°N,50°~80°E。水汽距平的正异常和垂直上升运动超前于对流的发生时间,使得二者发生区域边界层的水汽增加,形成了有利于对流发生的上干下湿的对流不稳定条件。在对流发生的前3天,水平湿度平流的正贡献是二者发生区域内水汽增加的主要原因,是由MJO尺度的东风分量把发生区域东侧更大的背景场水汽分量输送到发生区域中的平流过程导致的;二者水汽增长过程的最大区别是MJO1中垂直湿度对流的正贡献几乎为零,MJO2中有较强的垂直湿度对流的正贡献,造成这一巨大差别的主要原因,是MJO2中边界层的MJO尺度的垂直上升运动比MJO1中更强。     

全球变化背景下北半球冬季MJO传播的年代际变化

利用1979~2013年实时多要素MJO（Madden-Julian Oscillation）监测（RMM）指数,美国NOAA逐日长波辐射资料和NCEP/NCAR再分析资料等,分析了全球变化背景下北半球冬季MJO传播的年代际变化特征。从全球平均气温快速增暖期（1985~1997）到变暖趋缓期（2000~2012）,MJO 2~4位相频次减少,5~7位相频次增多,即MJO对流活跃区在热带印度洋地区停留时间缩短、传播速度加快,而在热带西太平洋停留时间加长、传播明显减缓。进一步分析发现,以上MJO的年代际变化特征与全球变化年代际波动有关。当太平洋年代际涛动（PDO）处于负位相时,全球变暖趋缓,热带东印度洋—西太平洋海温异常偏暖,使其上空对流加强,垂直上升运动加强,对流层低层辐合,大气中的水汽含量增多,该区域的湿静力能（MSE）为正异常。当MJO对流活跃区位于热带印度洋地区时,MJO异常环流对季节平均MSE的输送在强对流中心东侧为正、西侧为负,有利于东侧MSE扰动增加,使得MJO对流扰动东移加快;而当MJO对流活跃区在热带西太平洋地区,MJO异常环流对平均MSE的输送形成东负西正的形势,东侧MSE扰动减小,不利于MJO快速东传。因此,全球变化背景下PDO引起的大气中水汽含量及MSE的变化可能是MJO传播年代际变化的重要原因。     

MJO研究新进展

MJO与ENSO的关系、MJO的数值模拟(预报)以及MJO对天气气候的影响是近些年来国内外大气科学研究的重要前沿问题.本文将综合介绍国内有关MJO对天气气候的影响以及MJO的数值模拟(预报)方面的近期研究进展,因为过去已介绍过MJO与ENSO相互作用的研究结果.利用澳大利亚气象局的RMM-MJO指数研究MJO与西北太平洋台风活动的关系,结果表明大气MJO对西北太平洋台风的生成有比较明显的调制作用,在MJO的活跃期与非活跃期西北太平洋生成台风数的比例为2∶1;而在MJO活跃期,对流中心位于赤道东印度洋(即MJO第2、3位相)与对流中心在西太平洋地区(即MJO第5、6位相)时的比例也为2∶1.对大气环流的合成分析显示,在MJO的不同位相西太平洋地区的动力因子和热源分布形势有极其明显不同.在第2、3位相,各种因子均呈现出抑制西太平洋地区对流及台风发展的态势;而在第5、6位相则明显有促进对流发生发展,并为台风生成和发展创造了有利的大尺度环流动力场.对多台风年与少台风年850 hPa的30～60 d低频动能距平的合成分析表明,在多台风年最显著的是低频动能正异常位于菲律宾以东15°N以南的西北太平洋地区,表明那里有强MJO的活动;而少台风年的情况与多台风年相反,菲律宾以东的西北太平洋上与季风槽位置对应区域是低频动能的负距平区,那里MJO偏弱.即赤道西北太平洋上MJO活动的强(弱)年对应西北太平洋的台风偏多(偏少).对应MJO的不同活动位相,无论冬季、春季或夏季,中国东部的降水都将出现特殊的异常形势.在春季,MJO的第2、3位相有利我国东部长江中下游地区多雨、华南地区少雨;MJO的第4、5位相有利我国华南地区多雨而长江中下游地区少雨;在MJO的其它位相,我国东部地区都为降水负异常.在冬季,对应MJO的第1～3位相(特别是第2、3位相)中国华南降水偏多;而对应MJO的第6～8位相(特别是第6、7位相)中国华南降水偏少.在夏季,MJO位于印度洋时,MJO可以通过低层西风急流的波导效应影响到中国东南部地区,造成该地区降水偏多;当MJO位于西太平洋地区时,可以造成经向环流的上升支向北偏移,导致西北太平洋副高的东撤、以及中国东南部地区水汽输送减弱,降水减少.资料分析还表明,在年际变化尺度上,热带中、东印度洋MJO指数的持续异常对云南夏季降水有明显的影响.大气环流和数值模拟都表明,MJO活动不同位相的强对流会在东亚/西北太平洋地区激发产生不同形势的遥响应(Rossby波列),导致在中国不同地区出现有利(或不利)降水的环流形势和条件,是MJO活动影响中国降水的主要机制.用数值模式对MJO进行数值模拟(预报)是尚未很好解决的困难问题,原因也没有完全搞清楚.我们的一系列数值模拟清楚表明,MJO的模拟(预报)效果对模式所用对流参数化方案有很强的依赖关系;模式能否很好描写(再现)热带大气非绝热加热廓线,是极其关键的问题,只有当加热廓线在对流层中低层有最大加热时,模式才能得到同实际观测大体一致的MJO及其活动特征.这些数值模拟结果与我们过去从理论研究得到的结论相吻合,彼此得到应证.     

热带MJO对2009年11月我国东部大范围雨雪天气的可能影响

结合对历史资料的分析,研究了2009年11月热带地区一次强的热带大气季节内振荡（MJO）过程与11月我国东部大范围雨雪天气的可能联系,结果表明2009年11月强的MJO过程是我国东部大范围雨雪天气的一个重要的影响因子。MJO对流11月上中旬在印度洋地区异常活跃,尤其是MJO对流中心在第3位相（印度洋中东部）维持了9天（7—16日）,对应了11月两次最强的降水（雪）过程。对MJO历史事件的合成分析显示,当MJO对流位于印度洋时,我国东部大部地区降水概率明显增加,温度偏低,与2009年11月的实况一致。中高纬地区大气环流的异常有可能受到热带MJO对流强迫的影响,这种影响可能通过遥相关的方式来实现。当MJO对流位于印度洋时,有利于欧亚中高纬环流维持两脊一槽的分布,同时西太平洋副热带高压偏强偏西,东亚东部地区维持一条显著的对流活跃带,这些环流异常形势与2009年11月的实况也较一致,体现了MJO对热带外地区环流异常影响的一般特征。热带地区MJO对流的异常通过对流加热强迫,除引起大尺度纬向环流异常外,同样会引起经向环流异常,从而影响热带外地区环流。当MJO对流位于印度洋时,西太平洋地区为异常的下沉运动控制,东亚东部辐合上升,在热带和中纬度地区之间形成一个异常的经向环流圈,经向环流的存在进一步有利于低层低纬度水汽的向北输送,造成东部降水偏多。利用MJO的发展和演变,对于把握类似2009年11月这样的大范围雨雪气候异常很有帮助。      

ENSO对MJO传播特征演变的影响

利用TRMM降水和ERA-Interim温度、比湿、环流场等再分析资料, 探讨了在1998-2018年冬季年际尺度海温变化对MJO的强度、结构和传播特征的影响。主要结论如下: 通过一种追踪MJO的方法在研究时间范围内共可挑选出50个MJO事件, 其中有14个MJO事件发生在El Ni?o期间, 25个发生在La Ni?a期间, 11个发生在ENSO正常年。El Ni?o年MJO会传播至更远的中东太平洋附近, 而La Ni?a年MJO事件趋于在西太平洋地区消亡, 这主要与东太平洋地区持续的季节内尺度的经向水汽输送有关。此外, 在印度洋和太平洋地区, El Ni?o年的MJO活动更强, 而在海洋性大陆附近, La Ni?a年的MJO活动略强一些。ENSO对MJO强度的影响主要通过影响MJO对流中心东侧水汽的输送, 水汽在异常东风气流的输送下穿过对流中心东边界进入对流中心, 进而造成MJO活动强度的差异。      

MJO活动对广西6月阶段性降水的影响研究

使用1961~2013年广西80个气象观测站的日降水资料和NOAA OLR、NCEP/NCAR风场、高度场再分析资料。结果表明:当MJO第10位相时广西降水偏多,第1位相时偏少,第2位相时偏多,第3位相时大部偏少的周期性分布特征。原因可能为副热带高压随着MJO向东移动而减弱东移,而且影响着中高纬度地区的波列分布和转播,当MJO对流位于第10、2位相时,形成的槽脊位置有利冷空气南下影响广西,使降水发生;在MJO对流所处位相向东移动过程中,当位于印度洋西部时孟加拉湾水汽输送到达广西最强,随着逐渐向东减弱,当位于第2位相以后,广西上空水汽输送来源转为南海地区。从不同位相来看,当MJO对流位相距离广西稍远时,MJO不同位相时哈德莱上升支的主要区别在上升气流高度略有不同和高空的强上升气流区分布范围不同。     

MJO对广东前汛期降水的影响

根据澳大利亚气象局MJO指数、国家气象局753站逐日站点资料、NCEP/NCAR全球再分析资料,通过合成分析研究了MJO活动对广东前汛期降水的影响。结果表明:MJO传播至东印度洋时广东降水为正异常,当其移至西太平洋时广东降水为负异常。MJO通过引起大尺度环流异常和大气垂直运动的异常对降水产生影响。当MJO传播至东印度洋时,副热带高压异常增强,广东为干冷偏北风和暖湿偏南风的交汇区且此时广东上空空气上升运动强烈,有利降水产生;当MJO传播至西太平洋时,副热带高压异常减弱,广东被偏北风控制且此时广东上空空气下沉运动强烈,对降水不利。     

热带印度洋MJO活动异常对四川盆地降水的影响

利用四川省132个气象观测站降水资料和NOAA的逐日向外长波辐射(OLR)资料,分析了主汛期热带东印度洋MJO活动异常年低频对流传播的显著差异,及其影响四川盆地主汛期降水的物理过程。探讨了热带东印度洋MJO活跃年低频振荡向四川盆地传播的路径和源头,以及孟加拉湾西南季风系统、东亚副热带季风系统的低频振荡分别对四川盆地主汛期低频对流活动的影响。结果表明:热带印度洋的低频对流激发了孟加拉湾西南季风ISO进入活跃期,并在西南气流的引导下继续向四川盆地传播;低频对流先从热带印度洋东传至菲律宾群岛南部的热带洋面,并向东亚副热带地区北传,激发了东亚副热带季风ISO的活跃加强,进而向四川盆地西传。热带印度洋MJO活动异常对四川盆地降水的调制,正是通过两支季风系统(孟加拉湾夏季风和东亚副热带夏季风)的共同作用,影响了四川盆地主汛期异常的对流活动以及降水的多寡。      

MJO与北半球高纬地区冬季地表气温异常的联系

基于1979—2016年NCEP-NCAR逐日再分析资料研究了热带季节内振荡(MJO)和北半球冬季高纬地区地表气温(SAT)之间的联系。利用实时多变量MJO(RMM)指数,将MJO分为8个位相,其中位相2(位相6)对应于位于印度洋地区的正(负)对流。不同MJO位相下的SAT合成结果显示MJO第二位相后的5~15 d,北半球高纬地区(60°~90°N、180°~60°W)有明显的负SAT异常;由于热带异常加热信号的改变,在MJO第六位相后的5~15 d该地区则对应于显著的正SAT异常。该地区温度的垂直结构在各个位相下也表现出类似的分布特征。合成的500 hPa位势高度异常场显示,在温度负(正)异常的位相对应有明显的位势高度负(正)异常,这种环流异常主要是由与热带对流异常相联系的向东北方向传播的罗斯贝波列所引起的。通过对波活动通量的计算,推断该东北方向传播的罗斯贝波列很可能是罗斯贝波能量频散的结果。合成的700 hPa比湿异常场和SAT之间在存在着较好的对应关系,考虑到对流层中层的比湿与向下长波辐射之间存在着正相关关系,说明该温度异常也可能与辐射过程相关。上述分析表明与MJO对流相关的大尺度环流异常对高纬地区季节内SAT变率有重要影响,该异常SAT信号可能来自平流输送和辐射过程等。准确把握MJO位相与SAT异常信号的联系也可以为北半球高纬地区SAT的延伸期预报提供一些可靠线索。     

夏季MJO持续异常的主要特征分析

在MJO传播过程中,其活动中心并不总是规律地沿赤道东传。本文通过资料分析发现,夏季MJO的活动中心会出现东传停滞的情况,表现为MJO在赤道太平洋持续异常活跃或者在印度洋持续异常活跃两种形式。为更好描述MJO这种东传不明显的异常特征,本文定义了一个描述MJO持续异常的指数,并据此对夏季MJO持续异常的主要特征进行分析。通过小波分析的方法,发现夏季MJO持续异常时其振荡周期会出现缩短或变弱。通过对MJO持续异常状况下的大气环流进行合成对比分析后发现,夏季MJO的持续异常会对热带大气环流造成显著的影响。具体表现为:MJO夏季在赤道太平洋（印度洋）持续活跃的时候,赤道沃克环流减弱（增强）,西太平洋哈得来环流增强（减弱）,西太平洋副高位置偏北（偏南）,赤道太平洋（印度洋）高层辐散且对流活跃。     

热带大气季内振荡对中国冬季持续低温事件的影响

利用1959—2011年中国522个站点冬季日平均温度资料,选出期间中国发生的持续低温事件,统计了MJO位于各位相时中国各区域发生持续低温事件的概率,并试图从垂直速度以及经向环流异常入手,研究MJO影响中国冬季持续低温事件的机制。统计研究表明,MJO位于2、3位相时,中国大部分地区发生持续低温事件的概率相对更高。中国北方部分地区在MJO位于5、6位相时,也有相对较高的概率触发持续低温事件。而MJO位于7位相时中国南方地区发生持续低温事件的概率较高。从影响机制看,MJO能够激发出西北向传播的Rossby波,引起局地Hadley环流异常,在副热带亚洲地区激发出大气异常显著的垂直运动,影响东亚地区大气环流形势,进而改变冷空气活动的路径或区域,导致中国冬季的持续低温事件发生概率的变化。     

MJO持续异常对ENSO的影响

MJO在夏季会出现在太平洋持续异常活跃和在印度洋持续异常活跃两种形式,用指数定义了这种异常的强度,并发现这种异常表现与秋冬季节ENSO的出现之间有很高的相关性。当夏季MJO在太平洋持续异常活跃时,经常激发当年秋冬季节发生El Nino事件;当夏季MJO在印度洋持续异常活跃时,经常激发当年秋冬季节发生La Nina事件。对大气环流的分析表明,MJO的持续异常活跃会对整个赤道太平洋上空的环流造成影响,引起风应力的异常。异常风应力激发次表层冷/暖海水向东输送。冬季冷/暖海水在东太平洋次表层堆积,最终导致ENSO的形成。     

MJO预报研究进展

热带大气季节内振荡 (Madden-Julian oscillation,MJO) 是次季节-季节时间尺度气候变率的支配模态。它不仅对低纬度地区天气气候产生重要影响,还能够通过经向传播和激发大气遥相关波列对中高纬度地区产生影响,是延伸期尺度最重要的可预报性来源。因此,MJO预报是次季节-季节气候预测中极为重要的部分,近年来受到国际学术界广泛关注。该文回顾了MJO预报发展历史,概述了当前国际上主要科研业务机构的MJO预报发展现状。目前基于统计方法和气候模式的MJO预报研究取得了较大进展,特别是多个耦合气候模式和一种基于时空投影方法的统计模型均能够显著提升MJO预报技巧 (有效预报可达20 d以上)。该文还介绍了中国气象局国家气候中心在MJO预报技术发展和业务系统研制方面的新进展,当前基于第2代大气环流模式的MJO业务预报填补了国内空白,技巧为16~17 d,而耦合气候模式试验的技巧已达到约20 d。总体来看,利用耦合模式预报MJO是未来发展的主要方向,其中,面向MJO的模式初始化和集合预报新方法研究将是关注重点。     

广西冬季降水的低频特征及其与MJO的联系

应用广西壮族自治区国家气象站降水,NCEP/NCAR逐日再分析资料,NOAA逐日向外长波辐射(OLR)等逐日资料,NOAA-CPC热带大气季节内振荡(MJO)指数等,使用经验正交函数分解方法分析了广西冬季降水的气候特征;用功率谱、带通滤波、相关分析和滞后线性回归等方法,以及定义MJO相关降水事件,研究了广西冬季降水异常偏多年的降水低频特征及其与MJO的联系。(1)广西冬季降水特征以全区一致型分布为主;冬季降水异常偏多年份的逐日降水具有14~26 d的低频周期。(2) MJO强对流在赤道印度洋东部发展并东传到西太平洋热带地区时,广西可出现冬季持续强降水。(3)当MJO异常对流在印度洋东部热带地区产生,中南半岛地区到华南地区上空为异常低频偏南和偏西南气流,有利于降水形成;当印度洋东部热带地区为MJO对流抑制区,华南地区上空为异常低频偏东气流控制,不利于降水产生。(4)华南地区上空大气环流的异常是由热带印度洋地区的MJO对流激发的Rossby波列造成。      

MJO对中国春季降水影响的数值模拟研究

利用IAP-AGCM4.0模式,通过多初值集合数值模拟研究了赤道附近的大气季节内振荡(MJO)传播的两个关键位相期对中国东部春季降水的影响.当在赤道中东印度洋及赤道西太平洋引进异常非绝热加热(强MJO活动)强迫时,模式很好地模拟出了中国东部地区春季降水的异常形势,模式模拟与先期所作的诊断分析结果极为相似,即在MJO的第2-3(6-7)位相,中国长江中下游地区多雨(中国东部大部分地区降水偏少).对模式输出的高度场、风场、散度和涡度场以及水汽输送场的分析表明,中国春季降水异常的发生分别与异常非绝热加热在东亚/西北太平洋地区所造成的异常大气环流形势密切相关.对逐日响应场的分析表明,就MJO活动影响中国春季降水的可能物理过程及机制进行的讨论表明,赤道附近的异常对流加热不仅可以在赤道附近激发产生大气的罗斯贝波和开尔文波型响应,而且,还会在大气中激发产生从热带到中高纬度的罗斯贝波列遥响应.但是,由于异常对流加热发生的地区不同,大气遥响应场的形势也会十分不同,它所导致的影响也就很不一样.当异常对流加热发生在赤道中东印度洋(对应MJO的第2-3位相)时,大气的罗斯贝波列遥响应将在东亚/西太平洋地区形成有利于中国东部(尤其是长江中下游地区)春季降水偏多的形势;当异常对流加热发生在赤道西太平洋(对应MJO的第6-7位相)时,大气的罗斯贝波列遥响应将在东亚/西太平洋地区形成不利于中国东部春季降水的形势.     

冬季热带西太平洋MJO活动强弱年的环境场特征

利用1948—2011年NCEP等再分析资料,采用合成分析等方法对比分析了冬季(冬半年)热带西太平洋MJO(Madden-Julian Oscillation)活动强、弱年的环境场特征。结果表明,冬季热带西太平洋MJO的活动具有显著的年际和年代际变化。MJO活动强年,对流层低层在菲律宾以东洋面上空有异常气旋式环流,赤道东太平洋上空为较强的东风距平,赤道印度洋到赤道西太平洋上空是异常西风,西太平洋地区有较强辐合,从而导致热带西太平洋地区积云对流活动显著加强;而MJO活动弱年的环流特征相反。热带MJO以东传为主,有少量西传波动。在MJO活动强年,无论东传还是西传其时空谱值都显著大于MJO活动弱年,其中心频率较MJO活动弱年偏高。MJO活动的异常和海温及东亚冬季风紧密相连,在MJO活动强年,海平面气压和500 hPa位势高度异常场表现为中高纬度的正异常和低纬地区的负异常,东亚冬季风活动偏强,中国大陆中部气温普遍偏低,同时,黄河以南长江以北地区降水偏多,而长江以南地区降水偏少;台湾附近海域受强东亚冬季风影响,海表温度偏低,东太平洋上海温距平呈现La Ni?a型的异常分布,而在MJO活动弱年上述特征基本相反。      

NCEP/CFSR再分析耦合资料中MJO对ENSO的影响研究

基于1979—2008年NCEP/CFSR再分析耦合数据集,研究了冬季MJO对ENSO事件的影响。结果表明,在年际时间尺度以及长期的年代际时间尺度上,热带印度洋MJO活动的强弱性都可以影响热带中东太平洋ENSO事件的发生和发展。在年际时间尺度上,ENSO发生前期征兆的赤道中东太平洋的西风爆发事件(Westerly Wind Burst,WWB),作为MJO影响ENSO的主要途径,存在着显著的次季节时间尺度的变化。相对于气候平均的赤道太平洋西部暖池区上升而东部下沉的Walker环流,MJO正位相东传后的西风异常,减弱了低层东风和赤道东太平洋海水上翻。这一上升海流的减弱导致了中东赤道太平洋的海温升高,从而有利于ENSO暖海温事件的发生。而在年代际时间尺度上,MJO范围和强度在1998年前后出现了明显的转变,1998年之前MJO的东移范围更东,强度更强,从而导致了西太平洋西风爆发区的次季节西风异常事件更加显著,在Bjeknes正反馈机制下对应了年代际时间尺度下的强尼诺事件出现,1998年之后则与之相反。冬季MJO对ENSO影响的这一年代际特征主要体现在晚冬季节,而在早冬伴随着印度洋的增暖,MJO强度一直在逐年增加。     

MJO对华南前汛期降水的影响及其可能机制

利用站点降水资料、实时多变量MJO(Madden-Julian Oscillation)指数、向外长波辐射(OLR)资料和NCEP/NCAR再分析资料,采用合成分析方法研究了MJO对华南前汛期降水的影响,并讨论其可能机制。结果表明,(1)在MJO不同位相,华南前汛期降水异常有明显的差异,并且这种差异随滞后时长而发生变化。第2~3位相和第6~7位相分别是影响华南前汛期降水的典型"湿位相"和"干位相"。(2)华南前汛期降水对MJO的响应需要一定时间,滞后时长约为1~2候。(3)MJO活跃(受抑)对流可通过激发Rossby波影响华南前汛期降水。当MJO活跃(受抑)对流中心位于赤道印度洋附近时,非绝热加热作用激发的Rossby波到达并影响华南地区,华南地区出现水汽供应的增强(减弱),从而促进(抑制)华南前汛期降水。     

MJO对广西汛期降水的影响

利用1979—2012年中国753站地面气象观测站4—9月降水日资料和NCEP/DOE高度场、风场,温度场再分析Ⅱ格点日资料,基于实时多变量MJO指数研究MJO对于广西汛期(4—9月)降水的影响。根据MJO的8个不同位相使用逐日资料进行合成分析,结果表明:MJO对于广西汛期降水有显著影响。当MJO活跃中心位于西印度洋时,副高加强西伸,广西低层西南风增强,大量来自南海和孟加拉湾的水汽在广西上空辐合,广西汛期降水增强;当MJO活跃中心东移靠近西太平洋时,副高减弱东退,偏南暖湿气流向广西输送的水汽减少,其辐合减弱,广西汛期降水减少。     

印度洋偶极子对热带大气季节内振荡传播的可能影响

利用多种大气和海温资料,通过相关、合成分析以及个例对比分析,重点研究了热带印度洋偶极型海温模态对热带大气季节内振荡传播的可能影响。结果表明:东南印度洋30～60天OLR距平及赤道印度洋中部30～60天850 hPa纬向风距平都与偶极子指数显著相关;印度洋正（负）偶极型海温模态对应的东印度洋异常冷（暖）水以及赤道印度洋中部850 hPa东（西）风距平阻碍（促进）了季节内对流活动的持续性东传,使得MJO的传播在赤道东印度洋-西太平洋发生明显的中断（持续）。