中国南方地区盛夏高温类型及其对应的大尺度环流和海温异常

利用中国2374个站点的日最高气温资料、NCEP/NCAR大气环流资料以及NOAA海表温度资料,分析了中国南方盛夏高温的主要类型,比较了各类型高温对应的大尺度环流以及与海表温度异常信号的联系。结果表明:中国南方地区年高温日数有明显的增多趋势,利用聚类分析将中国南方盛夏高温分为江淮型、华南型和华中型3类。江淮型高温中心区域位于江淮地区,该类型高温空间范围大、发生频次高,典型的环流系统为高、低空呈现异常反气旋,西太平洋副热带高压（西太副高）偏强偏西,南北位置略偏北。该类型高温是西太副高直接控制下的高温类型,与前冬到夏季中部型厄尔尼诺衰减和春季赤道大西洋地区海温偏高有关。华南型高温中心区域在江南南部到华南地区,典型的环流系统是东亚副热带急流的位置偏南,西太副高偏强、偏西和脊线偏南,华南型高温也是西太副高直接控制下的高温,且伴随着西南季风的减弱,干热特征明显,该类型高温与东部型厄尔尼诺衰减及其与之相联系的印度洋“电容器”效应密切相关。华中型高温主要位于湖北和湖南两省,对应的环流型为西太副高偏弱、偏东,在中高纬度与北大西洋-欧亚遥相关型类似,是大陆高压控制下的高温,使得水汽条件比另两类高温好。北大西洋-欧亚遥相关型是华中型高温的可能信号源。      

1980—2019年江淮地区夏季气温变化及其异常年环流特征

利用1980—2019年ERA5月平均2 m气温资料、NCEP/NCAR提供的大气环流资料以及NOAA的海表温度资料,分析了江淮地区夏季气温变化及其异常年环流特征。结果表明：江淮地区夏季气温整体呈波动上升趋势,冷暖交替出现,在2000年发生突变,空间分布上表现出整体一致性;气温变化主要受西太平洋副热带高压（简称西太副高）、东亚夏季风及西伯利亚冷空气的影响;高温年江淮地区为大范围的位势高度正距平控制,西太副高整体偏西偏强,江淮地区处于副高脊线附近,高纬度阻塞高压较强,低温年则反之;高温年赤道中东太平洋及西太平洋海温分布具有拉尼娜事件的特征,而低温年赤道中东太平洋及西太平洋海温分布具有厄尔尼诺事件的特征;赤道中东太平洋海温异常偏高年江淮地区气温整体偏低,偏低年反之。     

2013年7月我国南方异常持续高温成因分析

利用2013年7月中国台站逐日观测资料及1981年1月—2013年7月NCEP/NCAR再分析资料,通过统计以及诊断方法,研究分析2013年7月中国南方异常持续高温成因。结果表明,2013年西北太平洋副热带高压（简称西太副高）在5月就表现出异常的前兆,其特征指数表现出明显偏南、偏西、偏强。7月西太副高强度的高值区一直处于我国江南-台湾海峡一带,这一形势有利于我国南方夏季形成高温酷暑天气;欧亚大陆上空对流层温度的异常持续增加,加剧西太副高变强,有利于西太副高异常状态的持续;在20 °S～20 °N,100～140 °E范围内的南风明显减弱,东太平洋海域上北风明显增加的现象,消弱了该区域热带气旋的生成发展,使得西太副高有机会持续稳定,甚至加强控制我国南方地区。5—7月南亚高压整体偏东,1 660 gpdm特征线表现出异常持续偏东的状态,1 676 gpdm特征线从6月4日开始稳定出现,并表现为整体明显偏东的特征;期间,南亚高压与西太副高呈现出“相向而行”与“背向而斥”的东西振荡特征;通过7月2—3日个例明显看出,南亚高压的东进过程对西太副高的加强与西进有明显的影响。      

滤除ENSO信号前后夏季热带印度洋海盆尺度海温距平对西太平洋副热带高压的不同影响

使用NCEP/NCAR再分析资料、哈得来海表温度和中国国家气候中心的西太平洋副热带高压（西太副高）特征指数,对比分析了ENSO背景下的夏季印度洋海盆尺度模（Indian Ocean basin mode,IOBM）与独立于ENSO的纯IOBM（pure Indian Ocean basin mode,IOBM_P）对西太副高的影响机理。结果表明,滤除前期ENSO信号后,西北太平洋上为海温负距平,并在其西北侧强迫出Gill型反气旋。另外,印度洋与海洋性大陆间存在西高东低的海温距平梯度,印度洋正、负海温距平激发出的赤道开尔文波影响至海洋性大陆西部地区,强迫出的异常大气环流关于赤道基本对称。加之此时中国南海至西北太平洋地区降水偏弱,潜热释放偏少,从而非绝热冷却,导致西太副高异常偏强、偏南。而在前期厄尔尼诺的影响下,次年夏季印度洋与海洋性大陆地区均有利于出现海温正距平,开尔文波的影响偏强、偏东,强迫出的异常环流偏向北半球,通过“埃克曼抽吸”和非绝热冷却在对流层低层制造出异常负涡度进而影响西太副高,使其明显偏强、偏西、偏南。由于IOBM_P在2和8年周期上对西太副高的影响最明显,而ENSO信号中主要是3—7 a的短周期振荡,因此,ENSO背景下的印度洋变暖对西太副高的遥强迫实际包含了来自热带中太平洋的3—7 a周期信号的滞后影响和印度洋地区局地变化特别是2和8年周期变化的作用。这些结果为人们深入理解西太副高变化规律和做出有效预报提供了线索。      

2013年南方高温热浪成因分析

利用1975—2013年国家气候中心160站气温资料、逐日的ERSST和NCEP再分析资料等,对2013年7—8月中国南方地区的高温热浪事件的异常环流形势以及成因进行了分析。结果表明:在全球变暖的背景下,南方地区2013年夏季是自1975年以来最热的一年。西太平洋副热带高压加强、西伸且稳定少动是造成高温的主要原因,7月上旬的高温时段对应副高脊线偏北,7月中旬至8月中旬对应副高脊线偏南,其中后一时段副高偏南、西伸、加强且稳定少动对整个夏季的高温起到了重要作用。而造成副高异常的原因主要在于:(1)西太平洋赤道地区热源加强,强烈的异常上升气流通过Hadley环流,造成南方地区的下沉运动加强,副高亦加强;(2)南北半球海温梯度加大,使得海洋性大陆区域的两支越赤道气流减弱,不利于副高的北抬活动,使得副高在南方地区稳定少动。     

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。     

2013年夏季西太平洋副高异常特征及其对湖南高温干旱的影响

利用湖南96个测站的逐日降水、日最高气温和NCEP/NCAR再分析资料、海温资料,分析了2013年夏季西太平洋副热带高压异常活动特征、成因及其对湖南高温干旱的影响。结果表明,2013年夏季西太平洋副高异常偏西、偏强,使得湖南一直处在高压下沉气流控制下,形成持续高温干旱天气。造成副高变异的原因主要有:(1)2012年冬季至2013年春季,赤道东太平洋海表温度持续偏低,印度洋—赤道西太平洋海表温度持续偏高,使得Walker环流和Hadley环流的上升和下沉运动得到加强,西太平洋副高西伸、加强;(2)南亚高压一次次东伸,通过强烈高空负涡度平流的动力强迫,造成西太平洋副高区内的下沉运动,导致副高稳定维持,天气晴热高温;(3)西风急流较常年偏北,纬向环流偏强,导致副热带高压在偏北位置稳定维持,200 h Pa高空辐合增强,辐合中心位于30°N以北,造成500 h Pa副高下沉运动区位置偏北、偏强。     

海陆气协同作用对华北地区夏季高温热浪的影响

通过统计分析并利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式进行多组敏感性试验研究发现,华北地区前期土壤湿度异常与夏季高温热浪的关系受到西太平洋副热带高压（西太副高）强度的影响。当西太副高异常偏强时,其西侧南风携带来自热带海洋的大量水汽至华北地区南部并增加该区域降水,不利于前期土壤湿度干异常的维持,从而限制了前期土壤湿度异常对高温热浪的贡献。相反,当西太副高偏弱时,华北地区前期土壤湿度干异常持续能力较强,有利于局地高温热浪的发展。西太副高强度与热带中东太平洋地区海温有关。当夏季热带太平洋海温异常处于暖位相时,西太副高强度相对较弱且华北地区南部降水偏少,有利于前期较干土壤条件的维持。此类情况下前期土壤湿度异常可以作为高温热浪的预测信号。     

夏季南亚高压与西太平洋副热带高压的相关性分析

利用1951—2010年NCEP/NCAR再分析月平均资料研究夏季南亚高压与西太平洋副热带高压(简称西太副高)的相关性。结果发现,夏季南亚高压与西太副高的联系密切,年际尺度上强度指数之间的显著正相关关系相对稳定,两者同时偏强(简称同强)与同时偏弱(简称同弱)的模态超过70%。当南亚高压与西太副高同强(同弱)时,西风急流偏强(偏弱),高纬度地区大气环流呈经向(纬向)型,太平洋EAP遥相关为正(负)位相。贯穿对流层中上层的中纬度纬向西风与高压强度异常有密切的联系,西风急流可作为中纬度地区连接两者作用的纽带。青藏高原与太平洋地区对流层的温度差异分布对当地的环流系统造成很大影响,高原热力异常和海温异常联系着高压系统的演变。南亚高压、西太副高的异常影响了整体东亚大气环流的配置,是了解不同纬度系统相互作用的又一着眼点。     

西北地区东部夏季降水年际变化特征及其与环流的关系

利用1961-2012年夏季西北地区东部降水站点资料和NCEP/NCAR同期逐月再分析资料,采用"均一化处理"和合成分析等方法分析了西北地区东部夏季降水的年际变化特征及其对应的环流异常。结果表明:(1)西北地区东部的夏季降水异常主要与南边界的水汽异常输送相联系;(2)西北地区东部夏季降水与西北太平洋副热带高压(简称西太副高)的位置及强度密切相联:当西太副高偏强偏西时,西太副高脊线西伸至我国华南地区,对应的西北地区东部上空表现为西南风异常,将大量的水汽从西北地区东部的南边界输入,有利于该地区夏季降水增多;当西太副高偏东偏弱时,西太副高脊线西伸带来的降水影响无法到达西北地区东部,对应着西北地区东部降水偏少。     

ANALYSIS OF THE WESTWARD EXTENSION OFWESTERN PACIFIC SUBTROPICAL HIGH DURING A HEAVY RAIN PERIOD OVERSOUTHERN CHINA IN JUNE 2005

The NCEP/NCAR II daily mean reanalysis data and observed precipitation data are employed to investigate the westward extension of the western Pacific subtropical high (WPSH) during the heavy rain period over the southern China in June 2005. Results show that there may exist a relationship between the east-west shift of the WPSH and the process of a southern China heavy rain. The analysis indicates that the vertical motion in the WPSH area is mainly caused by the latent heat release of monsoon rain belts on its northern and southern sides. The vertical motion could cause the accumulation of air mass in the center and west of the WPSH, which leads to its strengthening. The appearance of the northern and southern monsoon rain belts could not only enhance the WPSH by strengthening the descending draft, but also excite the development of positive vorticity and restrict the WPSH’s movement in the north–south direction. Moreover, the Indian monsoon rainfall to the west of the WPSH may excite the development of anticyclonic vorticity on its eastern side, which leads to the westward extension of the WPSH.     

An Investigation of the Formation of the Heat Wave in Southern China in Summer 2013 and the Relevant Abnormal Subtropical High Activities

In the summer of 2013, an unprecedented heat wave was experienced over a vast area of southern China. The great areal extent, duration, and strength of this high temperature are very rare. For the 2013 hot spell, the major and direct influence mostly came from the anomaly of the western Pacific subtropical high （WPSH）. The abnormally strong and stable WPSH was associated with specific surrounding circulations. The eastward extension of a stronger Qinghai-Xizang high favored the westward extension of the WPSH. The weaker cold air activity from the polar region led to the northward shift of the WPSH and helped it to remain stable. In the tropics, the western segment of the ITCZ was abnormally strong in the period, and supported the maintenance of the WPSH from the south. In addition, the interdecadal variation of the WPSH provided a decadal background for the anomaly variation of the WPSH that summer.     

Intraseasonal Oscillation of the South China Sea Summer Monsoon and Its Influence on Regionally Persistent Heavy Rain over Southern China

The intraseasonal oscillation（ISO） in the South China Sea summer monsoon（SCSSM） and its influence on regionally persistent heavy rain（RPHR） over southern China are examined by using satelhte outgoing long wave radiation,NCEP/NCAR reanalysis,and gridded rainfall station data in China from 1981 to 2010.The most important feature of the ISO in SCSSM,contributing to the modulation of RPHR,is found to be the fluctuation in the western Pacific subtropical high（WPSH）,along with a close link to the Madden-Julian oscillation（MJO）.Southern China is divided into three regions by using rotated empirical orthogonal functions（REOFs）for intraseasonal rainfall,where the incidence rate of RPHR is closely linked to the intraseasonal variation in rainfall.It is found that SCSSM ISOs are the key systems controlling the intraseasonal variability in rainfall and can be described by the leading pair of empirical orthogonal functions（EOFs） for the 850-hPa zonal wind over the SCS and southern China.Composite analyses based on the principal components（PCs） of the EOFs indicate that the ISO process in SCSSM exhibits as the east-west oscillation of the WPSH,which is coupled with the northward-propagating MJO,creating alternating dry and wet phases over southern China with a period of 40 days.The wet phases provide stable and lasting circulation conditions that promote RPHR.However,differences in the ISO structures can be found when RPHR occurs in regions where the WPSH assumes different meridional positions.Further examination of the meridional-phase structure suggests an important role of northward-propagating ISO and regional air-sea interaction in the ISO process in SCSSM.     

Changed Relationships Between the East Asian Summer Monsoon Circulations and the Summer Rainfall in Eastern China

In previous statistical forecast models, prediction of summer precipitation along the Yangtze River valley and in North China relies heavily on its close relationships with the western Pacific subtropical high (WPSH), the blocking high in higher latitudes, and the East Asian summer monsoon (EASM). These relationships were stable before the 1990s but have changed remarkably in the recent two decades. Before the 1990s, precipitation along the Yangtze River had a significant positive correlation with the intensity of the WPSH, but the correlation weakened rapidly after 1990, and the correlation between summer rainfall in North China and the WPSH also changed from weak negative to significantly positive. The changed relationships present a big challenge to the application of traditional statistical seasonal prediction models. Our study indicates that the change could be attributed to expansion of the WPSH after around 1990. Owing to global warming, increased sea surface temperatures in the western Pacific rendered the WPSH stronger and further westward. Under this condition, more moisture was transported from southern to northern China, leading to divergence and reduced (increased) rainfall over the Yangtze River (North China). On the other hand, when the WPSH was weaker, it stayed close to its climatological position (rather than more eastward), and the circulations showed an asymmetrical feature between the stronger and weaker WPSH cases owing to the decadal enhancement of the WPSH. Composite analysis reveals that the maximum difference in the moisture transport before and after 1990 appeared over the western Pacific. This asymmetric influence is possibly the reason why the previous relationships between monsoon circulations and summer rainfall have now changed.     

气候变暖背景下西太平洋副热带高压体形态变异及热力原因

采用美国NCEP/NCAR再分析资料,利用相关、合成分析、大气热源的计算等方法,研究了气候变暖背景下西太平洋副热带高压（副高）空间形态的变异及热力原因。结果表明,气候变暖前、后各层副高形态特征有很大的差异,副高体的空间形态从850—700 hPa开始显著西伸南扩,到500 hPa最为明显。各层副高在冷、暖期的形态差异与其周围大气热源和涡度的变化相对应。随着气候变暖,副高西侧和南侧的大气热源在850—700 hPa上开始有明显的加强,500 hPa热源加强最明显,且副高体南侧热源中心有所南移;同时,其西侧和南侧从对流层低层至中高层有反气旋涡度的增大,西侧的反气旋涡度在850—700 hPa增大最明显,南侧的反气旋涡度在500 hPa增大最明显,且反气旋中心整体南移。表明气候变暖后,副高体西侧和南侧大气热源的加强,导致相应区域反气旋涡度增大,副高体向反气旋涡度增大的方向发展,从而使副高西脊点西伸,南边界南扩,整体南移。      

西太平洋副热带高压双脊线及其对1998年夏季长江流域“二度梅”的影响

利用NCEP/NCAR再分析资料、日本气象厅提供的TBB资料研究了 1 998年 7月西太平洋副热带高压突然偏南的原因。结果表明 ,西太平洋副高脊线突然“南撤”有其一定局限性 ,事实上应是副热带高压脊线在南侧的一次“重建”过程。针对这次重建 ,发现 1 998年 7月上中旬在西太平洋副热带地区存在南北两个高压脊 ,据此本文提出了副热带高压双脊线的概念 ,并着重揭示了这次西太平洋副热带高压双脊线的基本演变特征、环流场和温湿场结构、可能的形成机制及其对 1 998年夏季长江流域“二度梅”的影响。分析表明西太平洋副热带高压双脊线时期具有与单脊线时期明显不同的环流特征和温湿场结构 ,其北侧脊线附近的特征与传统上单脊线副热带高压的特征较一致 ,但南侧脊线附近则更多的具有低纬度系统的特点 ;这次双脊线过程与赤道缓冲带北上并与副热带高压打通合并变性及热带对流云团的演变有密切关系。此外 ,文中还通过中国台站降水资料探讨了副热带高压双脊线的维持对中国东部雨型的影响 ,指出西太平洋副热带高压双脊线的出现改变了原有的水汽输送路径 ,从而在中国东部出现两条雨带 ,呈倒 7字型 ,分别与副热带高压北、南侧脊线相对应。这些结果为西太平洋副热带高压演变规律和机制的研究提供了新的线索     

2018年夏季东北极端高温事件物理机制分析

基于观测资料和再分析资料,研究分析了2018年夏季中国东北地区持续多日出现高温异常事件的形成机理。首先分析了整个夏季该地区观测台站逐日的温度资料,计算了观测台站的超热因子（Excess Heat Factor,EHF）指数,发现东北地区出现高温异常的时段主要是7月和8月,异常高温的发生区域集中在东北南部。在此期间,东亚大气环流形势的异常主要表现为南亚高压和西太平洋副热带高压强度异常增强,作用相互重叠和位置持续偏北。进一步的分析可以注意到,二者的重叠造成研究区域内有负涡度异常增强,使得南亚高压和西太平洋副热带高压在北推的过程中不断带动东北南部上空负涡度异常增强,并伴随有异常下沉气流,下沉绝热增温与晴空辐射增温,这可能是东北南部地表增温的一个重要原因。相关分析证实,在整个夏季东北南部地表气温与其上空300 hPa至500 hPa涡度异常都有显著的负相关关系。因此,南亚高压和西太平洋副热带高压之间的相互叠加组合是导致东北南部在2018年夏季7、8月份出现高温异常的主要原因。进一步的研究发现,夏季副热带西风急流中准定常Rossby波能量的传播与南亚高压和西太平洋副热带高压异常增强有密切联系,同时夏季西太平洋暖池的显著增暖导致了菲律宾地区异常旺盛的对流活动,进而在500 hPa高度场上激发出PJ（太平洋—日本涛动）波列,从另一个路径上促进了西太平洋副热带高压偏强偏北。     

大气加热场影响西太平洋副热带高压短期位置变化的数值模拟

利用江淮2003年和华南1998年夏季持续性强降水典型个例,采用区域气候模式RegCM3模拟了强降水期间江淮、华南及孟加拉湾热源异常分布对西太平洋副热带高压短期位置东西进退及南北变动的影响。模拟证实：西太平洋副热带高压位置的短期变异与大气加热场及其配置有密切的联系。持续性强降水期间,副高西侧较远处孟加拉湾热源是诱导西太平洋副热带高压异常西伸的原因之一;华南强降水期间,华南和孟加拉湾热源的共同存在可使副高在季节性西伸过程中出现短期东撤;江淮强降水期间,江淮和孟加拉湾热源的共同存在会诱导副高异常西伸。但模式在模拟副高位置南北变动上效果并不明显,不能证实华南、江淮热源单独存在时对副高在南北位置变异上的阻碍作用。     

近54年京津冀地区热浪时空变化特征及影响因素

基于1960—2013年京津冀及周边地区34个气象站逐日最高气温和相对湿度资料,利用高温热浪模型,辅以趋势分析、突变检验及相关分析等方法,研究近54年京津冀地区热浪时空变化特征,探讨城市化对热浪变化的影响,并尝试寻找对热浪异常具有稳定指示意义的环流因子。结果表明:1960—2013年京津冀地区热浪变化具有明显的阶段性,以20世纪70年代中期为转折,热浪呈先减少后增加趋势;京津冀地区热浪空间格局变化整体呈南减北增,东南平原区热浪呈下降趋势,北部生态涵养区呈现增加趋势;在区域尺度上,城市化或迁站影响并未改变北京极端热浪变化趋势,主要影响以轻度和中度热浪变化为主;西太平洋副热带高压和青藏高原反气旋环流与京津冀地区热浪异常关系最为显著,对热浪异常是一种稳定且强烈的指示信号。当青藏高原高空反气旋环流异常偏强,西太平洋副热带高压明显偏北,京津冀地区发生超级热浪可能性较大。     

2010年6月中国南方持续性强降水过程：天气系统演变和青藏高原热力作用的影响

2010年6月中国南方发生持续性强降水,其强度与2008年6月相当,超过近年来其他年份。但是,与2008年6月相比,2010年6月对流层中低层低值系统活动在青藏高原至长江中下游地区异常频繁,副热带高压(副高)位置异常偏西、强度偏强,导致低层异常风场辐合区及强降水区域相对偏北。分析2010年6月14—24日中国南方连续出现的4次持续性强降水过程,发现南亚高压、对流层中层的中纬度槽脊和西太平洋副高以及低层切变线和东移低涡是造成持续性强降水的主要天气系统。利用WRF模式对2010年6月强降水过程实施显式对流集合模拟试验,在控制试验重现观测到的地面降水和天气系统特征的基础上,在敏感性试验中将青藏高原的地表短波反照率修改为1.0,对比两组模拟试验的结果表明:控制试验中青藏高原的地表感热加热作用使得高原及其周边地区的大气温度发生变化,相应的热成风平衡调整使得对流层低层至高层大气环流和天气系统特征发生显著变化,增强了中国南方的持续性降水。200 hPa青藏高原西部形成反气旋性环流异常,东部形成气旋性环流异常,青藏高原东部南下的冷空气加强,中国南方辐散增强;500 hPa青藏高原北部的脊加强,中国东部的槽加深,副高西北侧的西南风明显增强,从青藏高原向下游传播的正涡度也显著加强;850 hPa的低涡强烈发展并逐步东移,华南沿海的西南低空急流更为强盛,导致降水区的水汽辐合、上升运动及降水强度都增强。