ROLE OF A WARM AND WET TRANSPORT CONVEYOR OF ASIAN SUMMER MONSOON IN A BEIJING HEAVY RAINSTORM ON JULY 21, 2012

A heavy rainstorm named Beijing “7.21” heavy rainstorm hit Beijing on 21 to 22 July 2012, which is recorded as the most severe rainstorm since 1951. The daily precipitation amount in many stations in Beijing has broken the history record. Based on the NCAR/NCEP reanalysis data and precipitation observation,the large-scale conditions which caused the “7.21” heavy rainstorm are investigated, with the emphasis on the relationship between it and an equatorial convergence zone, Asian summer monsoon as well as the tropical cyclone over the ocean from the Philippines to the South China Sea (SCS). The results indicated that a great deal of southerly warm and wet moisture carried by northward migrating Asian summer monsoon provided plenty of moisture supplying for the “7.21” heavy rainstorm. When the warm and wet moisture met with the strong cold temperature advection induced by cold troughs or vortexes, an obviously unstable stratification formed, thus leading to the occurrence of heavy precipitation. Without this kind of intense moisture transport, the rainstorm only relying on the role of the cold air from mid- and higher- latitudes could not reach the record-breaking intensity. Further research suggested that the northward movement of an Asian monsoonal warm and wet moisture transport conveyor (MWWTC) was closely related with the active phase of a 30-60 day intra-seasonal oscillation of the Asian summer monsoon. During this time, the monsoon surge triggered and maintained the northward movement of the MWWTC. In addition, compared with another heavy rainstorm named “63.8” heavy rainstorm, which occurred over the Huaihe River Basin in the mid-August 1963 and seriously affected North China, a similar MWWTC was also observed. It was just the intense interaction of the MWWTC with strong cold air from the north that caused this severe rain storm.     

论东亚夏季风的特征、驱动力与年代际变化

本文是以新的资料和研究结果对东亚夏季风的基本特征、驱动力和年代际变化所作的重新分析与评估。内容包括四个部分:（1）东亚夏季风的基本特征;（2）东亚夏季风的驱动力;（3）东亚夏季风的年代际变率与原因;（4）东亚夏季风与全球季风的关系。结果表明:东亚夏季风是亚洲夏季风的一个重要有机部分,主要由来源于热带的季风气流组成,并随季节由南向北呈阶段性推进,它是形成夏季东亚天气与气候的主要环流和降水系统。驱动夏季风的主要强迫有三部分:外部强迫、耦合强迫与内部变率,其中人类活动引起的外强迫（气候变暖、城市化、气溶胶增加等）是新出现的外强迫,它正不断改变着东亚夏季风的特征与演变趋势。海洋与陆面耦合强迫作为自然因子是引起东亚夏季风年际和年代际变化的主要原因,其中太平洋年代尺度振荡（PDO）与北大西洋多年代尺度振荡（AMO）的协同作用是造成东亚夏季风30~40年周期振荡的主要原因。1960年代以后,东亚夏季风经历了强—弱—强的年代际变化,相应的中国东部夏季降水型出现了“北多南少”向“南涝北旱”以及“北方渐增”的转变。最近的研究表明,上述东亚夏季风年代际变化与整个亚非夏季风系统的变化趋势是一致的。在本世纪主要受气候变暖的影响,夏季风雨带将持续北移,中国北方和西部地区出现持续性多雨的格局。最后本文指出,亚非夏季风系统相比于其他区域季风系统更适合全球季风的概念。     

云南雨季开始期东亚副热带西风急流变化和冷空气活动

利用1961—2010年NCEP/NCAR逐日再分析资料和云南站点降水资料,通过数理统计和动力诊断方法分析了东亚副热带西风急流(东亚急流)的低频变化特征、形成机理及其与云南雨季开始的关系。研究显示,东亚急流南移增强是云南雨季开始的重要触发因子,即伴随云南雨季开始东亚急流明显南移且强度增强,急流入口区的垂直环流也随之南移增强,而云南正好处于垂直环流上升支的影响范围;与此同时,东亚中纬度冷空气活跃,急流入口区的垂直环流下沉支为干冷气流,十分有利于对流层中低层冷暖空气在云南交汇形成降水。上述过程与欧亚大陆中高纬10～30天低频波列(EU型)的传播密切相关,当波列上的冷性气旋在东亚上空向东南方向移动时即可造成副热带西风急流的增强南移和冷空气的活跃南下。分析还显示EU型波列对4—7月的云南降水也有显著影响,并且波列的年际异常及其与夏季风的相互作用是影响云南雨季开始早晚的重要原因。      

气候模式中云辐射反馈过程机理的评述

云对地气系统的辐射收支具有十分重要的作用,云辐射参数化是目前气候模式中不确定性的主要来源。云可以通过多种途径对辐射产生影响,形成不同符号、不同量值的反馈机制。研究表明,模式气候对不同的云辐射参数化方案十分敏感。预报云水含量方案的引入,改进了对云辐射过程的模拟,但与观测资料相比仍有差距。一般说来,模式中引入云水的相变和相互作用的云粒子大小产生负反馈,而光学厚度和云量产生的是正反馈。云辐射反馈的净作用其大小和符号因模式而异。云辐射与大尺度天气气候背景之间有着紧密的联系,尤其是海温对辐射平衡有显著影响。最后总结了当前云辐射研究中存在的主要问题,并提出了改进的途径。     

副高外围对流雨带中的对流—对称不稳定及锋生的诊断分析

对2009年8月25日西太平洋副热带高压(简称副高)西北外围对流雨带的云图特征进行了分析,利用WRF3.3中尺度模式对对流雨带的发生发展进行了数值模拟,在模拟较成功的基础上,利用模式输出结果分析了对流雨带发生时的对称不稳定、对流不稳定、惯性不稳定以及锋生等。结果表明:副高外围对流雨带由若干具有一定间隔的对流单体构成,单体在随对流层中层气流的移动中逐渐发展直至消亡。对流雨带的西北侧为宽广的带状斜压云系,东南侧为副高控制的晴空区。对流雨带发生于对流层低层(700 hPa以下)的对称不稳定区,700~500 hPa存在对流不稳定和弱的惯性不稳定。随着对流的发展,700~500 hPa的对流不稳定度明显减弱,而惯性不稳定明显加强。对流层低层为倾斜上升区,中高层为垂直上升区,左侧对应下沉气流,呈现明显的倾斜对流和垂直对流的混和特征,体现了对流—对称不稳定的作用。对流层低层(750 hPa以下)锋生的存在提供了对流—对称不稳定能量释放的有利条件。对流雨带与500~800 hPa等厚度线基本平行,而与500 hPa等高线存在明显的交角,雨带中的对流单体随环境气流移动,雨带符合与对称不稳定相联系的带状降水特征。上述结论对实际预报副高外围对流雨带的位置和走向具有指示意义。     

华北汛期大尺度降水条件的年代际变化

利用中国740站逐日降水资料和NCEP/NCAR逐日再分析资料,使用合成分析等方法,分析了华北汛期大尺度降水条件的年代际变化。结果表明：以1978年为界,华北汛期异常水汽先由南边界和西边界供应,后改变为由北边界和东边界供应;水汽收支由异常辐合和盈余,改变为辐散和亏损;先前能够到达华北北部甚至接近华北最北边界的暖湿气团,改变为后来只能抵达黄河南岸;并且沿着太行山走向的冷暖空气的相互作用也由强变弱;华北上空由异常上升运动,改变为异常下沉运动;区域平均的对流层涡度的垂直分布,由先前的两层结构（低层正涡度、高层负涡度）改变为后来的三层结构（对流层中低层负涡度、中高层正涡度和高层负涡度）,整层涡度效应值也由大变小。尽管华北区域平均的散度和垂直速度,在垂直方向上的结构没有发生明显的年代际变化,但是整层散度效应值和垂直速度值均由大变小。     

夏季亚洲极涡的长期变化对东亚环流和水汽收支的影响

主要分析了1951～2004年夏季亚洲极涡强度和面积的长期变化趋势及其对东亚夏季环流,水汽输送和降水量的影响,发现1951～2004年,夏季亚洲极涡表现出了明显的强度减弱,面积缩小的变化趋势,并以面积缩小更为显著,这正对应于北极涛动（AO）指数在该时段的显著升高.在这种北半球中高纬大尺度环流变化的影响下,东亚夏季高空西风急流在近54年显著南移,冷空气活动的南侵程度明显增强,从而造成低空偏北风显著增强而偏南风减弱.与此相应,近54年整个中国区域内低空纬向风速呈明显的减小趋势.总的来看,东亚夏季风环流发生了明显减弱.同时,流经中国的中纬度西风水汽输送在近54年也表现出一致减弱的趋势,而南风水汽输送大致以110°E为界,以东的夏季风区呈显著的减弱趋势而以西则有明显的增加趋势.这种水汽输送的变化影响了中国不同区域内水汽输送通量散度的改变,进而使得夏季降水量发生变化.分析表明,夏季亚洲极涡的面积和强度与东北、华北和西北东部的水汽输送通量散度和夏季降水呈正相关,而与长江中下游、华南、西南、青藏高原和西北西部呈显著负相关,夏季亚洲极涡在近几十年的面积缩小和强度减弱是中国夏季降水长期变化的一个可能原因.     

未来百年东亚夏季降水和季风预测的研究

利用最新一代气候模式结果对政府间气候变化委员会0PCC）SRESA1B情景（中等排放情景）下的东亚夏季降水和季风环流未来演变特征进行了预测．结果表明,东亚地区的降水在未来将会增加,在21世纪40年代末（2040s年代末）出现阶段性变化,在此之前降水的增加量较小（～1％）,并有较明显的振荡特征,而在2040s年代末之后降水明显增加（～9％）,中国东部地区进入全面的多雨期．这种变化以华北最为明显,华南和长江中下游地区次之．而气候模式对未来中国东部夏季降水型预测的EOF分析表明,未来百年中国东部的雨型将以多雨型为主,相应的时间系数在2040s年代末后进入正位相的高值期,而其它降水型的方差贡献较小,无明显变化趋势．相应,未来东亚地区的夏季风环流将会加强,在低层这主要是由于西北太平洋地区的副热带反气旋西北侧西南气流加强的结果;而在高层主要是由于南亚上空异常反气旋东侧东北气流加强的结果．这一季风环流的加强在中国东部也呈现出阶段性的变化特征,在2040s年代末之后东亚夏季风得到全面加强．同时,未来东亚大气中的水汽含量将会逐渐增加,进入中国东部地区的西南水汽输送在2040s年代末也出现阶段性的增强．这说明,在全球气候变化的背景下,东亚地区的水循环和环流场对全球变暖的响应基本一致,即降水和水汽的增加对应着季风环流的加强,降水的变化是气候变暖条件下动力和热力学因子共同作用的结果．     

ENSO发生前与发展初期赤道西太平洋西风异常的爆发问题

利用 NCEP/NCAR再分析资料 ,通过对 El Nino与 La Nina发生前与发展初期低层风场的合成分析 ,发现在赤道中东太平洋增暖当年的春季与夏季 ,赤道西太平洋存在两次显著的西风局地 ( 1 40°E～ 1 80 )增强过程。其原因并不仅仅在于印度洋的西风异常东移 ,更在于南北半球的经向风在该地区强烈辐合 ,造成局地气压梯度增强 ,促进西风加强并向东爆发 ;同时由于地球自转效应的作用 ,来自北半球的东北风到达赤道附近后转西北风 ,南半球的东南风转西南风 ,直接加强了西风的强度。对比分析南北半球经向风的作用表明 ,南半球东南风的强度与位置更稳定 ,对赤道西风两次增幅过程的贡献更大。这支南半球的经向气流来自高纬极区 ,与中高纬度气压场异常有直接的关系。     

与季节内振荡-超级云团系统相关的赤道波的识别

文中重点研究与热带季节内振荡－超级云团系统相关联的赤道波的识别。考虑到赤道波的本质为截获在赤道地区的一般的气候平衡场附近的线性动力过程的固有模态,首先从原理上阐明了ＰＯＰｓ分析技术对于分离各类赤道波动的有效性,以后利用这种分析方法对日本静止气象卫星所观测到的黑体红外辐射温度资料进行了ＰＯＰｓ分析。结果表明,在热带季节内振荡－超级云团系统中,对应于４０ｄ振荡的模态基本表现为Ｋｅｌｖｉｎ波的结构;对应于１０ｄ左右的模态,亦为Ｋｅｌｖｉｎ波,而在２ｄ尺度上,则分别存在经向模态序号ｎ＝１和ｎ＝２的西进和东进惯性重力波。分析中还发现了西进的混合Ｒｏｓｓｂｙ重力波的存在。