中国东部区域性持续性强降水的低频特征及其海洋热力背景

基于1961-2010年夏半年(4-10月)中国逐日降水观测资料和NCEP/NCAR大气再分析资料,运用Butterworth滤波方法分析了中国低频降水特征、夏半年中国东部不同区域区域性持续性强降水与低频降水的关系,研究了海温对低频降水的影响。结果表明:低频降水贡献大值区位于中国东南部区域,某些年份,10~50天低频降水最大贡献达到40%,多年的平均贡献达到24%;在持续性强降水事件发生年,江淮和江南区域的20~50天的低频降水贡献显著增加,江淮和江南区域持续性强降水发生季节热带西北太平洋海表面温度呈现异常偏高,夏季热带西北太平洋海温异常增暖可能通过影响低频环流导致江淮和江南区域20~50天低频降水贡献的增加,进而增加持续性强降水事件发生的可能性。     

江淮流域梅雨期持续性强降水及其10～30d低频环流特征

利用1961—2010年中国556站的逐日降水资料和NCEP/NCAR逐日再分析资料,采用合成分析等方法探讨了江淮流域梅雨期持续性强降水的低频振荡特征及其发生前后低频大气环流场的演变特征。结果表明,江淮梅雨持续性强降水存在显著的10~30 d低频振荡特征。持续性强降水发生时,江淮流域对流层高层受东海低频反气旋西北部的偏西气流控制,使得南亚高压位置偏东,加强了高层的辐散型流场;对流层中层,中高纬度地区存在"+、-、+"的低频位势高度中心,蒙古低频低压使得极地冷空气易于南侵;对流层低层,江淮流域受低频P-J波列西段的台湾岛低频反气旋影响,并伴随强烈的对流活动,此反气旋使得西太平洋副热带高压向更西的位置伸展;因此低层辐合、高层辐散使得江淮流域表现为强烈的低频上升运动,同时低频水汽从孟加拉湾-南海一带输送到江淮流域,为持续性强降水的发生提供了有利的低频环流条件。另外,在持续性强降水发生前后,低层低频正涡度向北、向西传播,高层低频负涡度向南、向东传播,高低层斜压结构明显,共同作用于江淮流域,维持持续性强降水过程。     

江淮流域夏季持续性强降水的低频特征分析

利用1979-2009年夏季(6-8月)中国气象观测站点逐日降水资料、NCEP/NCAR的再分析资料以及向外长波辐射资料等,选取低频降水事件来表征江淮流域夏季持续性强降水,然后分析其基本特征及伴随的低频大气环流形势,利用位相合成的方法对该低频信号的来源和传播特征进行研究.结果表明:江淮流域夏季持续性强降水在6-7月份发生次数较多;在持续性强降水期间,江淮流域低层受低频气旋控制,南海至菲律宾海一带则是很强的低频反气旋,该低频反气旋西侧,向北的低频水汽输送将水汽不断送至江淮流域形成辐合;与持续性强降水相关联的850 hPa上的低频信号,来源于黄河河套地区低频振荡的东南向传播和西北太平洋上空低频振荡的西北向传播;在高层,当持续性强降水发生时,江淮流域的西北侧(37.5°N,80 ～100°E)附近为强烈的低频气旋式环流,紧邻该环流的西北侧,则是一个低频反气旋,两者同南海—菲律宾海一带的低频反气旋构成了一个西北—东南向的低频波列;西太平洋副热带高压和南亚高压在持续性强降水期间表现出了显著的相向而行、相背而去的特征.     

基于低频振荡特征的夏季江淮持续性降水延伸期预报方法

本文利用1981~2008年我国南方地区200站逐日降水量、NCEP再分析资料和NCEP气候预报系统 (CFS) 的模式回算数据, 针对降水低频信号, 分析了江淮地区夏季降水的延伸期可预报性, 并选取对江淮持续性强降水有显著影响的东亚环流指数作为预报因子, 以降水20~50天低频分量作为预报量, 进行了针对江淮地区夏季持续性强降水过程的延伸期预报试验。结果表明, 江淮地区夏季降水具有明显的20~50天周期的低频振荡特征。降水的20~50天低频振荡, 尤其是峰谷值位相的变化与实际降水集中期和中断期的交替有较好的关系, 研究20~50天降水低频分量的延伸预报, 对于江淮地区夏季持续性强降水过程的延伸预报有一定的指示意义。本文尝试提出一种基于大气环流低频信号和数值模式预报产品的动力与统计相结合的预报方法, 以期为江淮地区夏季持续性降水过程的延伸期预报提供参考。     

大范围持续性强降水过程与30～60 d低频降水的联系及其预报指数

研究低频振荡是目前开展强降水过程延伸期预报的有效途径。利用1981—2010年中国753站逐日的降水观测资料、NCEP/NCAR第二套再分析资料及实况天气图等资料,分析大范围持续性强降水过程与30～60 d低频降水的联系,并根据前期低频信号构造强降水过程预报指数。研究表明,(1) 大范围持续性强降水过程与低频降水紧密相联,低频降水对强降水过程有显著贡献。在30～60 d低频降水显著年,强降水过程均发生在低频降水峰值阶段;但对于低频降水而言,仅有56%的峰值阶段发生强降水过程。(2) 当低频降水峰值阶段发生强降水过程时,来自东北亚和南海的低频位势高度低值系统在长江中下游汇合,“南北高、中间低”的低频位势高度分布有利于低频气流强烈辐合,并在经向上形成两个完整的反向低频垂直环流圈,促进了上升运动发展,导致强降水过程发生;而对于低频降水峰值未发生强降水过程的情况,北方冷空气南下较弱,高纬度低频影响系统位置偏北,长江中下游附近表现为“南高北低”的低频位势高度分布和单圈垂直环流,不利于低频气流强烈辐合。(3) 综合高、中、低纬的前期低频信号构造了强降水过程预报指数,对延伸期(10～25 d)长江中下游大范围强降水过程预报具有参考价值。      

2003年江淮流域强降水过程与30—70d天低频振荡的联系

利用NCEP／NCAR再分析和地面观测站的逐日降水资料,研究了2003年夏季江淮流域强降水过程与低频振荡的联系。结果显示,主周期为30～70d的低频振荡对2003年江淮流域暴雨的形成具有重要贡献：低频涡旋在江淮地区降水期的对流层高、低层呈负、正配置,具有斜压结构,利于降水发生;850hPa上正涡度系统的传播具有明显的北传和西传特征;存在于西太平洋、西北太平洋及其以东地区的低频波列（P—J）的活动过程影响了我国2003年江淮低频强降水的形成;整层低频水汽通量显示来自副热带高压外围的西南季风对水汽输送的贡献较显著,且2003年江淮地区30-70d时间尺度上降水的水汽来源为南海而非孟加拉湾或西太平洋。     

江淮流域梅雨期降水与10～30 d低频振荡的联系

利用1961—2010年中国756站逐日降水资料和NCEP/NCAR逐日再分析资料,分析了江淮流域梅雨期降水与10～30 d低频振荡的关系。结果表明,梅雨偏多年降水具有明显的10～30 d的周期变化,低频振荡经向上的北传和纬向上的西传与江淮流域梅雨期降水的活跃及中断关系密切。在梅雨偏多年,低层10～30 d振荡主要通过南海低频反气旋和日本海低频气旋对江淮流域降水产生影响,并调控着西太平洋副热带高压的西进、东退,进而影响输送到江淮流域的水汽强度及冷暖空气在江淮流域的汇合;而高层,亚洲大陆中纬度地区东西向的低频气旋和反气旋影响着南亚高压的位置,从而形成江淮流域低频降水的强弱变化。     

江淮流域梅雨期降水与10—30d低频振荡的联系

利用1961--2010年中国756站逐日降水资料和NCEP／NCAR逐日再分析资料,分析了江淮流域梅雨期降水与10～30d低频振荡的关系。结果表明,梅雨偏多年降水具有明显的10～30d的周期变化,低频振荡经向上的北传和纬向上的西传与江淮流域梅雨期降水的活跃及中断关系密切。在梅雨偏多年,低层10～30d振荡主要通过南海低频反气旋和日本海低频气旋对江淮流域降水产生影响,并调控着西太平洋副热带高压的西进、东退,进而影响输送到江淮流域的水汽强度及冷暖空气在江淮流域的汇合;而高层,亚洲大陆中纬度地区东西向的低频气旋和反气旋影响着南亚高压的位置,从而形成江淮流域低频降水的强弱变化。     

汛期强降水过程与月内低频降水的联系及其可能机制

利用1981 2010年中国753站逐日降水观测资料、NCEP/NCAR第二套逐日再分析资料及实况天气图等,选取长江中下游32次大范围持续性强降水过程,分析了该类强降水过程与月内(10~30天)低频降水的联系,并重点讨论了形成该类强降水过程的可能机制。结果表明:(1)长江中下游夏季降水具有显著的月内低频振荡周期。大范围持续性强降水过程基本位于降水低频振荡的峰值阶段。(2)梅汛期(6 7月)月内低频降水峰值位相前期,西太平洋副热带高压(下称西太副高)西伸北进,高低空急流发展加强。在强降水过程发生期,高中低层配置出现垂直方向上的最佳耦合;而台汛期(89月)低频降水峰值位相前期,西太副高东退南撤,低空急流逐渐南落至长江中下游东南部,与高空急流相配合,为强降水过程的发生提供了有利条件。(3)梅汛期东北亚低频位势高度低值区南下,与中纬太平洋西传的低频波列在长江中下游汇合。同时西太副高发展加强,造成了长江中下游降水峰值位相南高北低的低频位势高度分布,有利于强降水过程的发生;台汛期伴随从热带西太平洋到日本海低频波列的西北向移动,菲律宾东北部的低频气旋及其北侧低频反气旋的降水峰值位相分别移至长江中下游和东北亚地区,导致暖湿、干冷气流在长江流域交汇,进而造成强降水过程。(4)菲律宾以东洋面低频强对流可作为梅汛期和台汛期强降水过程发生的前期热带信号,提前低频降水峰值位相10天左右。     

江苏省汛期强降水过程的延伸期预报试验

针对汛期延伸期降水预报问题,根据大气低频振荡特性,运用低频天气图预报方法,通过分析关键区低频天气系统(低频气旋和低频反气旋)的活动特征,建立低频系统与强降水过程间的对应关系,通过低频系统的活动特征来预报降水过程.在2011年7-9月江苏省延伸期强降水过程预报试验中,低频天气图预报方法的预报效果较好,且预报时效为10 ～30 d,可以在延伸期业务预报中加以应用.此外,还运用模式统计降尺度方法预报降水落区,为强降水过程的发生提供背景依据和参考信息,具有一定的实用意义.     

Low-Frequency Oscillations of the East Asia-Pacific Teleconnection Pattern and Their Impacts on Persistent Heavy Precipitation in the Yangtze-Huai River Valley

Based on the daily reanalysis data from NCEP NCAR and daily precipitation data from the China National Meteorological Information Center,an ensemble empirical mode decomposition method is employed to extract the predominant oscillation modes of the East Asia Pacific(EAP) teleconnection pattern.The influences of these low-frequency modes on persistent heavy precipitation in the Yangtze Huai River(YHR)valley are investigated.The results indicate that the EAP pattern and rainfall in YHR valley both exhibit remarkable 10 30- and 30 60-day oscillations.The impacts of the EAP pattern on the YHR persistent heavy precipitation can be found on both the 10 30- and 30 60-day timescales the 10 30-day scale for most cases.Composite analysis indicates that,on the 10 30-day timescale,formation of the EAP pattern in the lower and middle troposphere is determined by convective systems near the tropical western Pacific;whereas in the middle troposphere,the phase transition is jointly contributed by both the dispersion of zonal wave energies at higher latitudes and convective systems over the South China Sea.In the context of the10 30-day EAP pattern,the anomalously abundant moisture is transported by an anomalous subtropical anticyclone system,and strong moisture convergence results from that anomalous anticyclone system and a cyclonic system in the midlatitude East Asia.Such a combination of systems persists for at least three days,contributing to the formation of persistent heavy precipitation in the YHR valley.     

Low-frequency oscillations of the East Asia–Pacific teleconnection pattern and their impacts on persistent heavy precipitation in the Yangtze–Huai River valley

Based on the daily reanalysis data from NCEP NCAR and daily precipitation data from the China National Meteorological Information Center,an ensemble empirical mode decomposition method is employed to extract the predominant oscillation modes of the East Asia Pacific(EAP) teleconnection pattern.The influences of these low-frequency modes on persistent heavy precipitation in the Yangtze Huai River(YHR)valley are investigated.The results indicate that the EAP pattern and rainfall in YHR valley both exhibit remarkable 10 30- and 30 60-day oscillations.The impacts of the EAP pattern on the YHR persistent heavy precipitation can be found on both the 10 30- and 30 60-day timescales the 10 30-day scale for most cases.Composite analysis indicates that,on the 10 30-day timescale,formation of the EAP pattern in the lower and middle troposphere is determined by convective systems near the tropical western Pacific;whereas in the middle troposphere,the phase transition is jointly contributed by both the dispersion of zonal wave energies at higher latitudes and convective systems over the South China Sea.In the context of the10 30-day EAP pattern,the anomalously abundant moisture is transported by an anomalous subtropical anticyclone system,and strong moisture convergence results from that anomalous anticyclone system and a cyclonic system in the midlatitude East Asia.Such a combination of systems persists for at least three days,contributing to the formation of persistent heavy precipitation in the YHR valley.     

江淮梅雨期强降水和大气不同时间尺度波动的关系

中国的江淮梅雨具有多时间尺度特征,利用1979-2017年欧洲中期预报中心逐日再分析资料(ERA-interim)和台站逐日降水观测数据,采用滤波和合成分析等统计方法,分析了江淮梅雨期间不同时间尺度强降雨过程的特征,对比研究了不同时间尺度强降水对应的大气环流系统波动的演变特征.研究表明江淮梅雨降水集中期开始前1～9天和...     

福建前汛期持续性强降水的大气低频特征分析

本文采用福建1979—2010年66个气象站逐日降水资料和NCEP再分析资料和OLR资料,揭示了福建前汛期降水的低频特征,分析了福建前汛期持续性强降水同期的大气低频特征以及前期低频信号的演变特征,结果表明:(1)福建前汛期降水存在显著的低频周期,出现频率较高的前三个低频周期分别为:10~20、30~60和20~30 d;约63%的年份出现两种以上显著的低频周期;10~90 d低频变化占前汛期降水总方差的20%~30%;(2)前汛期总雨量与降水低频信号的强度呈显著正相关关系,持续性强降水的强度和持续时间与降水的低频特征关系密切,以BWO(ISO)为主的年份,持续性强降水的持续时间较短(长)。(3)福建前汛期持续性强降水期间日本以东、索马里以东和南海三个关键区皆为低频反气旋,日本至渤海湾南下的冷空气与索马里越赤道气流、南海南部越赤道气流在福建上空持续相遇形成低频气旋,导致福建上空低层低频辐合、高层低频辐散,对流活跃。(4)福建前汛期持续性强降水与热带及副热带大气低频变化密切相关,热带MJO的东传以及东亚西北太平洋地区低频信号的北传对福建持续性强降水过程的延伸期预报具有一定的指示意义。     

江淮流域夏季降水异常与西北太平洋副热带30～60天振荡强度年际变化的联系

利用1978～2007年NCEP/NCAR再分析资料和地面观测站降水资料, 研究了夏季江淮流域降水多寡与30～60天振荡 (ISO) 强度年际变化的联系。结果表明: 江淮流域夏季降水异常与台湾海峡地区及西北太平洋低频能量变化相关显著。定义了ISO强度指数, 对ISO强度指数高低年夏季低频降水以及低频环流的位相合成表明: 高指数年主要通过存在于南海—西北太平洋地区的低频气旋、 反气旋系统的交替活动来影响副热带高压的进退, 从而引起江淮流域夏季降水异常; 低指数年江淮流域夏季降水主要受西太平洋副热带高压位置及强度变化的影响, 降水异常区主要位于江南地区。进一步研究表明, 非30～60天低频降水扰动与低频振荡强度也有很好的相关。低频环流对双周以及天气时间尺度环流变化可能存在调制作用, 这种作用对江淮流域夏季降水的年际异常起到非常重要的作用。     

2002年夏季东亚地区环流20—30 d主振荡型延伸期预报研究

用2002年3-9月逐日东亚地区850 hPa经向风场资料建立主振荡预测模型(POP),对影响长江下游地区强降水过程的主要低频经向风场(20-30 d时间尺度)的时空变化进行10-30 d延伸期独立预报试验.试验结果表明,在夏半年135次预测中提前20 d预报的相关预报技巧在0.50以上,很好地预报了夏季3次强降水过程对应的经向风的低频变化过程.对20-30 d振荡显著的多年资料预报试验表明,这些预测模型是预报低频环流时空演变的有效工具,对于提高未来3-4周长江下游强降水过程的预报准确率有重要意义.     

Impact of multi-scale oscillations at high and low latitudes on two persistent heavy rainfall events in the middle and lower reaches of the Yangtze River

To investigate the multi-scale features in two persistent heavy rainfall (PHR) events in the middle and lower reaches of the Yangtze River (MLRYR) in June of 1982 and 1998, this study examines the impact of multi-scale oscillations in the north and south of 30°N on the PHR events by performing sensitivity experiments with the Weather Research and Forecast (WRF) model. It is found that the 60-day lowpass perturbation made a trivial contribution to the MLRYR precipitation during the PHR event in 1982. This PHR event resulted mainly from the combined effects of 30–60-day oscillation at low latitudes and 10–30-day oscillation at both high and low latitudes. The southwesterly anomalies associated with the 30–60-day anticyclonic anomaly over the northwestern Pacific facilitated moisture transport from the ocean to the MLRYR and enhanced the low-level convergence and ascending motion in the MLRYR. This similarly occurred in the 10–30-day oscillation as well. Moreover, the 10–30-day anomalies at high latitudes played a role in strengthening the large-scale low-level convergence over the MLRYR. The PHR event in 1998 was mainly related to the 60-day oscillation at both high and low latitudes and 30–60-day oscillation at low latitudes. The 60-day low-pass filtered anomalous cyclone at high latitudes in the north of 30°N contributed to the development of low-level convergence and ascending motion in northern MLRYR while the anomalous anticyclone at low latitudes in the south of 30°N not only increased the moisture in the MLRYR but also preconditioned the dynamical factors favorable for PHR over the whole area. The 30–60-day perturbations located north and south of 30°N worked together producing positive moisture anomaly in the MLRYR. In addition, the anomalous circulation in the south of 30°N tended to favor the development of ascending motion and low-level convergence in the MLRYR.     

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。     

海陆分布对海气相互作用的调控和副热带高压的形成

首先回顾了近年来关于副热带高压形成和变异研究的若干动力学进展,阐明夏季副热带“四叶型”LOS-ECOD加热分布型的内涵。在此基础上研究海陆分布对海气相互作用的调控,揭示了“四叶型”加热形成的物理基础,并进一步阐明“四叶型”加热拼图及其与副热带高压形成和变异的联系。 文章还回顾了关于副热带高压中短期变异的动力研究的最新进展。给出了影响中国江淮流域持续性降水的副热带高压三维结构的空间分布型;指出东西风带扰动的传播和高／低纬扰动的正压发展是影响副热带高压变异和中国夏季降水的一种可能机制,最后证明青藏高原夏季的强加热能激发纬向非对称不稳定发展,产生南亚高压的东／西部型双模态及准双周振荡。还证明初夏低纬的强对流降水／台风也能激发纬向非对称不稳定发展,影响西太平洋副热带高压异常和中国淮河流域的持续性降水。     

2007年夏季江淮强降水过程中10~30d低频变化及其与对流层上层波包活动的联系

利用NCEP/NCAR再分析和全国740站逐日降水资料,运用一点滞后相关等方法,对2007年夏季江淮流域强降水期间低频振荡的波动活动特征及其与降水低频变化的联系进行了分析。结果表明,在2007年夏季降水中,降水低频分量起着重要作用。降水的低频振荡主周期为10~30d,降水距平时间序列与10~30d低频分量具有较好的对应关系。低频扰动在对流层上层和低层都呈现波列状分布,且在降水活跃位相时,低频环流在高、低层具有斜压结构。在对流层上层,低频扰动有缓慢的东移倾向,相速度为每天2~3个经度。西风带中存在多次移动性波列向下游的传播,且在120°E以西以每天14经度的群速度向下游频散能量,表明10~30d低频波动具有明显的下游发展特征。在强降水开始5d前,低频波动与能量可起源于高纬的乌拉尔山附近,沿着西北-东南向的路径向下游传播。下游发展的低频波动为江淮流域带来了能量,为强降水的发生提供了条件。这些结果加深了人们对低频波动在江淮流域强降水过程中所起作用的认识,可为寻找江淮流域强降水过程预报线索提供科学依据。