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。     

延伸期天气过程预报的一种新方法——低频天气图

本文主要介绍低频天气图延伸期预报方法。低频天气图是一种不同于统计学预报方法、数值预报方法和天气学预报方法的延伸期天气过程预报的新方法,可以用于延伸期(10～30 天)天气过程预报。低频天气图的技术要点是大气低频系统(低频气旋和低频反气旋)及其相应的低频气流。低频天气图的天气学意义是能反映造成天气过程的天气系统的生消、维持和移动及其大气环流演变过程。其优越性在于其特性:时间上的周期性(30～50 天)、持续性和空间上的连续性、相似性以及地域上的准定常性,预报天气系统相对容易且时效长。2008～2012 年在上海市气候中心业务应用的结果表明,可以提前15～45 天预报上海地区的强降水过程。     

长三角盛夏—初秋强降水的延伸期过程预报探析

针对长三角汛期强降水过程,根据不同降水类型的特性,提出分时段建立低频模型并给出建模流程。综合分析长三角汛期强降水期的低频特性,将低频气旋及反气旋区分划分7个关键区。重点研究盛夏—初秋时段的强降水特征,在总结强降水期低频特征的基础上,借助EOF分解建立延伸期大—暴雨的预报模型:1区或2区有低频气旋维持并发展;6区、7区或5区存在低频反气旋。并且在7个关键区中1、2区的低频气旋及5、6、7区的低频反气旋为主要低频系统,起决定作用,而3区的低频系统为次要低频系统,起辅助作用。利用该模型提前30 d预报出2012年汛期最强降水过程,并分析本次过程的低频系统演变,给出动态演变模型。     

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.     

湖南省汛期强降水的30~60d低频振荡特征及延伸期预报指数研究

基于1986—2015年湖南逐日降水资料、同期美国气象环境预报中心(NCEP)和美国国家大气研究中心(NCAR)再分析资料,通过分析强低频振荡年的汛期强降水特征和低频环流场演变对强降水的影响,建立了湖南省汛期延伸期强降水过程预报指数。结果表明:(1)汛期33%的强降水过程均发生在具有显著30~60 d低频振荡的年份中,且大多位于低频降水峰值阶段。(2)通过对强低频振荡年进行合成发现,在活跃位相,南亚高压偏强偏东,副热带高压偏西偏强,这种环流配置导致中国南方大部分地区的高层环流为辐散,底层环流为辐合,有利于降水的产生。在中断位相,南亚高压呈东西带状分布且其位置偏西、强度偏弱,副热带高压偏东偏弱,使得向湖南地区输送水汽的西南气流减弱,进入降水中断期。(3)基于低频散度场不同位相的变化特征,选取了与低频降水相关的两个关键区,从而建立延伸期预报指数,该指数对低频降水显著年的强降水回报准确率能够达到73%。(4)前期4月黑潮的海温异常(SSTA)可作为湖南省强低频振荡年的预测指标。     

华南汛期降水与南半球关键系统低频演变特征

利用1960—2008年华南地区71个站逐日降水量和NCEP/NCAR南半球逐日海平面气压 (SLP) 场再分析资料,采用多锥度方法-奇异值分解 (MTM-SVD) 统计诊断方法,重点分析了华南地区4—9月汛期降水及同期南半球关键系统低频演变特征。MTM-SVD的LFV谱分析表明:华南汛期降水具有30~60 d低频振荡和5~7 d的变化特征;南半球澳大利亚高压系统具有30~60 d低频振荡、10~20 d双周振荡及5~7 d和2~3 d的变化特征;马斯克林高压系统则具有30~90 d低频振荡和双周振荡特征; 跟踪华南汛期降水与南半球SLP场的30~60 d低频振荡的时空耦合演变过程显示,南半球马斯克林高压和澳大利亚高压系统由强 (弱) 到弱 (强) 的演变过程对应华南降水的多雨带由西南 (东北) 向东北 (西南) 的转移。华南南部多雨带的变化与马斯克林高压和澳大利亚高压变化趋势及位相一致,而北部多雨带则和马斯克林高压和澳大利亚高压SLP场的变化趋势相反。     

华南汛期持续性降水特征及其与30~90 d大气低频振荡的联系北大核心

利用全国756站逐日降水资料以及NCEP/NCAR再分析资料,研究了1961—2011年我国东部汛期持续性降水30~90 d低频变化特征及其与大气低频振荡的联系。结果表明,华南地区降水偏多型是汛期持续性降水低频变化的主导模态。对流层低层位势高度负异常和气旋型环流异常,以及高层略向北偏移的环流异常为华南汛期持续性降水低频变化提供了大尺度形势场。当西太平洋副热带高压脊线维持在22°N附近时,来自孟加拉湾和南海的水汽输送维持了华南地区汛期持续性降水活跃位相,向东北传播的副热带大气低频振荡系统对华南汛期持续性降水具有调制作用。此外,华南汛期降水低频变化还具有南北迁移的经向演变特征。     

华南持续性强降水期间低频非绝热加热对低频环流的影响

利用站点降水资料和再分析资料针对华南地区5—8月的持续性强降水过程,分析了低频异常非绝热加热的时空分布特征及其对低频大气环流的可能反馈作用。得到如下结论:5—6月和7—8月华南持续性强降水期间10—30 d低频非绝热加热的演变特征有所不同,5—6月持续性强降水发生前低频非绝热加热大值区从30°N(107°—115°E)以北向南传播发展至华南地区,而在7—8月降水前非绝热加热大值区从中国南海中部向西北方向传播,并在降水最强盛期到达华南。异常环流型控制着持续性强降水的强度和位置,从而决定异常凝结潜热的演变特征。异常凝结潜热则是通过影响涡度倾向变化而对大气环流有一个反馈作用。对于发生在华南5—6月和7—8月的这2组持续性强降水过程,当降水处于发展阶段,在低频非绝热加热作用项和低频涡度平流项的共同作用下,华南上空中层存在显著的10—30 d低频正涡度倾向变化,有利于低频气旋式环流的进一步发展。非绝热加热作用项主要由加热率的垂直梯度决定,涡度平流项则与气候背景风场有密切关系。5—6月持续性强降水期间涡度平流项位于非绝热加热项东侧,而7—8月持续性强降水期间涡度平流项位于非绝热加热项北侧。在持续性强降水的衰亡期,由于非绝热加热项和涡度平流项转为负值,华南被负涡度倾向变化控制,低频气旋式环流迅速消亡。     

西北地区东部强降水过程与大气低频振荡关系分析

利用Butterworth带通滤波器对降水量、风场、相对涡度、OLR进行了30~50天滤波处理,分析了西北地区东部强降水低频特征及与大气低频振荡的关系。结果表明,2012年5—9月期间该地区降水主要集中于6月中旬至9月中旬,尤其集中于6、7、8月的月末,降水存在30天左右的周期振荡,强降水均发生在低频滤波曲线的正位相时段。西北地区东部强降水过程均发生在低频偏南气流与低频偏北气流汇合后低频偏南气流时段;正好出现在相对涡度30~50天低频振荡的正位相期及附近;大多发生在对流扰动的负位相区,也就是强对流活动区,其中45°N以南的负位相对流振荡向南传播及该地区西面的负位相对流振荡向东传播到此,共同形成了该地区的强降水过程。应用大气低频振荡方法对西北地区东部强降水过程进行预报,近4年预报准确率在67%以上,预报时效在1 0~30天,有效地衔接了天气与气候预报的时间缝隙。     

华南夏季12—30d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。     

热带气旋影响下浙江省强降水过程延伸期预报研究

利用2000—2011年NCEP/NCAR水平风场逐日再分析资料以及浙江省逐日降水量资料,基于低频天气图工具,识别出3种与浙江省台风强降水过程相对应的典型低频大气环流型。通过合成分析,划分了与C型环流场和C+SN型环流场相适配的天气关键区。进而结合历史个例,研究了台风强降水期间关键区内低频系统的活动特征,初步建立了热带气旋影响下浙江省强降水过程预报模型,并提出依据模型开展延伸期过程预报的基本思路。对2012年的回报结果表明,模型表现出较好的性能,并针对强降水过程延伸期预报中需要解决的问题,提出了若干思考与建议。     

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。     

低频天气图方法在湖南省雨季强降水过程预报中的应用

利用2006—2010年4—6月NCEP/NCAR 500 hPa高度场和700 hPa风场逐日格点资料及湖南省97个地面气象观测站逐日降水观测资料,运用低频天气图方法,确定影响湖南强降水过程天气关键区,分析影响湖南强降水过程的低频天气系统活动周期、变化路径及低频天气系统与强降水过程的配置的基础上,建立了湖南省4—6月延伸期强降水过程预报模型,回报拟合率以4月最高,平均为64.4%;5月次之,平均为54.9%;6月最低,平均为50.7%;10、15、20、25和30 d等不同预报时效的准确率以提前30 d的回报准确率最高。应用于2011年4—6月强降水过程预报,准确率为70%,其中报对7次强降水过程,空报3次,无漏报。     

大气低频振荡与延伸期预报

为了能从大气低频振荡角度研究延伸期降水过程预报问题,引入了一种新的预报方法—低频天气图,并且分析了低频天气图的技术要点和技术方法。在低频天气图上,低频天气系统(低频气旋和低频反气旋),以及它们的活动特性可以被用来定性地确定南、北气流(暖、冷空气)的汇合,引起降水过程。2009年6~10月利用该方法进行上海地区延伸期降水过程预报表明,强降水过程预报效果较好,且预报时效为15~45天,可以在延伸期业务预报中应用。     

辽宁省汛期GPS大气可降水量的特征分析

基于2013、2014年7~8月沈阳和丹东地基GPS水汽监测系统探测的大气可降水量(PWV)资料,对辽宁地区汛期大气可降水量特征进行了分析,利用HYSPLIT后向轨迹模式模拟了沈阳和丹东地区气团轨迹,并通过聚类分析方法将气团进行了分型。结果表明:沈阳和丹东GPS探测的PWV和根据探空数据计算的PWV相关系数均达到0.9,均方根误差分别为4.73 mm和5.21 mm;沈阳和丹东汛期非降水日PWV平均值分别为28.58 mm和30.49 mm,低于华北和西南地区观测值;强降水过程前均存在PWV增加现象,PWV最大增量集中在2~8 mm之间,且一般集中出现在强降水发生前1~3 h内;不同类型强降水过程中PWV特征不同,南方气旋和东北冷涡共同影响的降水个例中PWV最大,局地强对流过程PWV最小;沈阳和丹东站点不同气团中PWV有所不同,西南气团PWV均为最大,更有利于强降水天气的发生。     

2020—2021年沈阳地区4次短时强降水过程的大气可降水量变化对比分析

选取2020—2021年夏季沈阳地区出现的4次短时强降水过程,利用欧洲中心(ECMWF,European Center for Medium-Range Weather Forecasts)ERA5再分析资料、地基GPS(Global Position System)大气可降水量资料和常规观测资料,分析不同天气系统影响下,沈阳地区短时强降水过程中GPS水汽与水汽通量的变化特征。结果表明：短时强降水过程前,水汽累积时间的长短与相应的天气系统关系密切。副热带高压系统外围导致的强降水过程,大气可降水量(Precipitable Water Vapor, PWV)可以一直维持在较高水平,水汽增长速度可达1.1 mm·h^-1。此外,强降水出现时段与PWV峰值阶段相对应,但二者峰值并不完全重合;短时强降水出现时,沈阳站的大气可降水量超过38 mm;强降水结束后,PWV明显减弱。     

中国东南部地区4-6月强降水的低频变化特征

利用全国2 400多台站逐日降水资料,分析了中国东南部地区4—6月10~30 d低频强降水的时空变化特征。结果表明:4—6月10~30 d低频强降水的方差大值区在中国的长江及其以南地区,中心位于江南的中东部,东南部地区4—6月10~30 d低频强降水距平的第一模态反映该区域呈一致变化。功率谱分析表明第一模态时间变化的周期以10~30 d低频分量为主。根据区域强降水及其10~30 d低频强降水、区域强降水正交经验函数(EOF)分析的第一模态时间系数(PC1)及PC1的10~30 d低频分量的年际方差,结合它们两两之间逐年的相关系数,确定了区域强降水10~30 d强振荡典型年份。对典型年降水异常分布的方差分析,表明强振荡年区域总降水量异常主要是由10~30 d强降水的低频变化引起的。     

1997年华南汛期降水异常与大气低频振荡的关系

利用国家气象中心提供的逐日降水资料及NCEP逐日再分析资料,分析了1997年华南地区汛期异常降水低频特征与大气低频振荡的关系。研究表明,1997年华南前汛期和后汛期降水表现为不同的振荡特征;前汛期降水主要以10～20天准双周振荡为主,而后汛期降水的低频特征并不明显。进一步对降水和其它要素的低频振荡特征进行分析发现,该年华南地区前汛期降水和风场的低频振荡现象是普遍存在的;低频纬向风的传播变化与降水的时间分布有较好的对应。并且,高、低纬度低频风场同时向华南地区传输,会产生极强的降水。在对大气低频扰动动能的分析中也发现,华南前汛期降水伴随着低频扰动动能在该地区的集中释放。     

延伸期过程预报预测技术及应用

对自主研发的低频图方法和低频波方法、延伸期过程预测客观检验指标(Zs和Cs评分)、月内重要过程与趋势预测系统(MAPFS 2.1)及其推广应用情况做了介绍。对近4年(2013—2016年)上海地区汛期延伸期强降水过程业务预测和近2年(2015—2016年)冬季延伸期强降温过程业务预测进行了客观检验。结果显示,汛期强降水过程、冬半年强降温过程(强冷空气过程)预测准确率分别为67.3%和43.2%,Zs/Cs评分分别为0.153/0.130、0.139/0.09。低频图方法对各年汛期最强降水过程均给出了较好的预测,说明预测方法具有一定的预测潜力。基于MJO(Madden-Julian Oscillation)活动的上海汛期逐候降水趋势预测方法2年(2014—2015年)的预测结果Ps评分平均达到58分,为汛期延伸期强降水过程预测和入梅、出梅延伸期预测提供了较有价值的预测背景信息。