时空投影法在上海地区梅汛期降水延伸期预报中的应用

本文基于2001—2010年上海市11个基本气象站的逐日降水量和澳大利亚气象局的逐日大气低频振荡(MaddenJulian Oscillation,MJO)指数(包括RMM1和RMM2)资料,选取MJO指数作为预报因子,上海地区梅汛期降水量作为预报对象,建立了基于时空投影法(spatial-temporal projection model,STPM)的上海地区梅汛期降水延伸期预报模型。利用该模型对近6年(2011—2016年)的梅汛期降水进行回报试验,其预报技巧评估结果表明:该模型对未来10～25 d的降水具有较好预报效果,可较准确地预报出梅汛期3/4左右的降水量级和降水发生时段。其中,预报时效为10～20 d的预报技巧较高,而提前21～25 d的预报技巧略有下降。总体而言,基于MJO活动的STPM预报模型在上海地区梅汛期延伸期降水预报中具有较好的参考价值。     

近30 a福建省前汛期极端降水事件特征及其成因

利用1981—2010年前汛期(5—6月)福建地区台站逐日降水观测资料及NCEP/NCAR再分析逐日资料,对福建地区极端降水事件发生规律及环流异常进行了分析。结果表明:近30 a福建地区前汛期各站极端降水事件的发生频次在40~62次之间,沿海台站发生次数明显少于内陆台站。区域性极端降水发生频次亦呈显著增加趋势,增幅为0.06次/a,且在1994年后,前汛期极端降水事件的发生频次明显增多。区域性极端降水86次事件平均的降水分布显示在闽西中部降水量最大,并由此向外围逐渐减小。极端降水事件对前汛期降水贡献较大,约占前汛期总降水量的两成以上。极端降水事件的发生与大气环流异常存在密切关系,对深刻认识福建地区极端降水事件的形成机制和变化规律具有重要意义。     

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。     

马斯克林高压对江淮地区梅汛期降水的影响

利用1951-2002年NCEP/NCAR再分析资料和中国160站月降水资料,分析了马斯克林高压对江淮梅雨期降水的影响.结果表明:当年4-5月马斯克林高压对6-7月江淮梅汛期降水的影响最大,江淮地区梅雨与前期春季马斯克林高压存在显著正相关关系,梅汛期的大气环流与春季马斯克林高压联系紧密,春季马斯克林高压偏强,则东亚夏季风偏强、副热带高压偏强、副高西脊点偏西、副高北界偏南,有利于江淮地区梅汛期降水增加;反之亦然.研究还表明,马斯克林高压对江淮南部地区梅汛期降水影响较大,对江淮北部不明显.     

江西省永修地区盛夏气温和汛期降水变化特征及其预测模型

利用逐日气温和降水资料,对江西省永修地区1961—2015年盛夏(7—8月)气温和汛期(4—6月)降水的变化规律进行分析。结果表明,永修地区盛夏气温和汛期降水均存在25—30 a的变化周期,但在全球变暖的大背景下,两者自1961年以后均未表现出明显的长期变化趋势。通过相关性分析从大气环流指数和外强迫指数中筛选影响永修地区降水和气温的显著相关因子,并采用逐步回归法构建永修地区盛夏气温预测模型和汛期降水预测模型。模拟和预测试验结果表明,气温、降水预测模型不仅能较好地模拟出1961—2010年永修地区盛夏气温和汛期降水的变化,还能很好地分别预报出2011—2015年永修地区盛夏气温和汛期降水。     

两广地区前、后汛期降水异常反位相现象及可能机理

利用1961—2018年中国地面气象台站2 400站中广东省和广西壮族自治区(两广地区)134站逐日降水资料、英国Hadley中心逐月海表温度资料、NCEP/NCAR逐月再分析资料,筛选了两广地区前汛期降水正(负)异常、后汛期降水负(正)异常的年份,即前、后汛期降水异常反位相年份。结果表明,近60 a来,两广地区前、后汛期降水反位相现象与热带西太平洋海温异常存在密切联系。前汛期期间,当热带西太平洋海温为负异常时,大气对该冷源的Rossby波响应引起西北太平洋反气旋环流异常,且水汽由热带西太平洋向两广地区输送并辐合,同时两广地区为水汽的湿平流区域、风场异常辐合区域,其上空受异常上升运动控制,这样的环流配置有利于两广前汛期期间降水正异常。热带西太平洋海温负异常可持续至后汛期期间,大气的Rossby波响应所致的西太平洋反气旋较前汛期偏西北,两广地区为水汽异常辐散区域,同时水汽干平流且风场异常辐散,受异常下沉运动控制,不利于两广地区降水的产生。反之亦然。     

2010年华南前汛期持续性降水异常与准双周振荡

利用中国台站逐日降水资料以及NCEP-DOE逐日再分析资料,分析了2010年华南汛期降水异常的低频特征及大气环流的影响。结果表明,2010年华南汛期降水异常呈显著的低频振荡特征,其中前汛期以10~20天振荡(准双周振荡)为主,后汛期以20~50天振荡(季节内振荡)为主。重点讨论了准双周尺度上前汛期持续性降水异常与中高纬和热带地区大气低频振荡的关系。中高纬地区的低频环流可通过Rossby波能量沿着低频遥相关波列的频散影响华南低频环流的变化。波活动通量分析显示,西西伯利亚作为Rossby波源,其波能量沿着横跨欧亚大陆的低频遥相关波列向我国东部地区频散,引起该地扰动加强,从而引起华南低频环流及垂直运动的变化进而造成华南降水的异常。热带东印度洋的准双周振荡是影响华南前汛期降水的另一低频来源。当赤道东印度洋对流旺盛(抑制),其上空为强上升(下沉)气流,低层辐合(辐散)高层辐散(辐合),而华南上空盛行下沉(上升)运动,不利于(有利于)华南降水。来自中高纬和低纬的低频信号的叠加并配合低频水汽输送共同影响了华南环流异常的低频变化,从而引起华南的低频降水异常,有利于华南持续性降水异常的发生。     

昌都地区汛期降水与ENSO事件的关系

利用昌都地区7站1980~2010年逐日、逐月降水资料与NCEP再分析资料,对昌都地区汛期(5~9月)降水进行分析,分析结果表明:昌都地区汛期降水在厄尔尼诺-南方涛动(NESO)事件的不同阶段存在显著差异,在ENSO发展阶段昌都地区汛期降水除八宿县外,各地均偏少。影响逐月降水的原因在于降水日数的变化,降水偏多月份中雨与大雨的降水日数增多,大雨日数增加明显;降水偏少月份,中雨与小雨降水日数偏少。对ENSO发展阶段和常年的大气环流对比得出,南亚高压偏东是影响汛期降水偏少的主要原因。     

2006年广东汛期大气环流场的低频特征

利用2006年NCEP/NCAR再分析资料和广东省86个测站的逐日降水资料,分析了广东汛期降水的大气环流低频特征.结果表明,华南汛期的降水主要有7～20天和60天左右的周期振荡,广东汛期的明显降水过程主要出现在60天左右低频振荡的正位相中,当7～20天振荡与60天左右的低频振荡正位相同相叠加时,广东降水明显增强.前汛期...     

中国西北东部汛期降水对青藏高原东部春季感热在准3a周期上的响应

利用1960—2010年中国西北东部地区39个气象站的逐日降水资料和NCEP/NCAR月平均地表感热通量再分析资料以及大气环流各要素场资料,通过多锥度-奇异值分解(MTM-SVD)等方法,分析了中国西北东部汛期降水、青藏高原东部春季感热的周期振荡特征以及它们在准周期循环上的协同耦合关系。结果表明,感热与降水均存在显著的准3 a周期,其耦合场在准3 a周期上表现也最为明显。当青藏高原东部春季感热在青藏高原主体上偏强(弱)时,对应中国西北东部汛期降水的异常偏多(少)。该准3 a周期循环上的协同关系在1960—1982年表现最为显著,1983—1990年为调整阶段,90年代之后又逐渐明显。青藏高原东部春季感热对大气环流的持续加热过程影响西北东部汛期降水,且主要体现在8月。     

2016年和1998年长江中下游梅雨季风环流异同点及物理机制对比分析

利用海温和多种大气环流再分析资料以及中国逐日降水站点观测数据,通过滤波、合成等方法对2016和2020年江淮流域梅雨期降水的准双周振荡特征进行了对比分析。结果表明,这两年江淮流域准双周振荡降水均异常偏多,但2016年的降水准双周振荡强度及低频异常降水较2020年更为显著。中国南海和西太平洋对流层低层向西北方向移动的低频反气旋以及中高纬度对流层中高层随西风急流向东南方向传播的低频气旋是引起2016年江淮流域降水准双周振荡的主要原因。2020年江淮流域降水的准双周振荡受到日本南部向西南方向移动的低频气旋、菲律宾海向西北方向移动的低频反气旋以及中高纬度地区随极涡西向旋转而西移的低频气旋的共同影响。中国南海和热带西太平洋以及热带印度洋的持续海温正异常通过海-气相互作用激发并维持了2016年中国南海与西太平洋上空异常对流活动以及大气环流系统的准双周振荡。2020年黑潮及其延伸区和西北太平洋海温正异常通过海-气相互作用激发了该区域异常低频气旋反气旋交替生成和移出,调控西北太平洋副热带高压的进退,进而影响江淮流域降水的准双周振荡。在2016和2020年,对流层低层异常反气旋有利于海温的升高,海温正异常进一步激发大气低层异常气旋性环流,而异常气旋性环流会导致洋面变冷出现海温负异常,海温负异常又会促进异常反气旋环流的发展,通过这种准双周尺度上的海-气相互作用,对流层低层的大气准双周振荡信号可持续地向江淮地区传播,从而影响江淮流域梅雨期降水的准双周振荡。     

Intraseasonal variations of the Yangtze rainfall and its related atmospheric circulation features during the 1991 summer

The intraseasonal variations of the Yangtze rainfall over eastern China and its related atmospheric circulation characteristics during the 1991 summer are examined based on the gauge-observed rainfall and the NCEP/NCAR reanalysis data. Wavelet analysis shows that during the 1991 summer, the active and break sequences of rainfall over the middle and lower Yangtze Basin are mainly regulated by an oscillatory mode with a period of 15–35 days. An investigation of the circulation features suggests that the 15–35-day oscillation is associated with an anomalous low-level cyclone (anticyclone) appearing alternatively over the northern South China Sea (SCS) and the Philippine Sea, and related to a northeastward (southwestward) shift of the western Pacific subtropical anticyclone over the SCS, leading to a lower tropospheric divergence (convergence) over the Yangtze Basin. In the upper troposphere, the 15–35-day oscillation exhibits a dipole anomaly characterized by an anomalous cyclone (anticyclone) over eastern China and an anomalous anticyclone (cyclone) over the northern Tibetan Plateau, resulting in a southwestward shrinking (northeastward extending) of the South Asian anticyclone, and forming a convergence (divergence) over eastern China. Such a coupled anomalous flow pattern between the lower and upper troposphere favors large-scale descending (ascending) motion, and hence reduced (enhanced) rainfall over the Yangtze Basin. Dynamically, the intraseasonal variations in the Yangtze rainfall are mainly determined by the coupling between the low-level relative vorticity and the upper-level divergence. In the middle troposphere, the 15–35-day oscillation of the subtropical high is originated over the central North Pacific north of Hawaii, then propagates westward to the SCS-Philippine Sea, and finally modulates the intraseasonal variations of the Yangtze rainfall.     

1991年江淮梅雨与副热带高压的低频振荡

利用NCEP/NCAR再分析资料和观测的台站降水资料研究了1991年梅雨期间江淮洪涝区降水的季节内振荡及其环流特征,着重考察了不同层次副热带高压的低频变化与降水的关系。小波分析表明1991年江淮梅雨期间降水低频振荡的主周期是15~35 d。在低空,15~35 d振荡以异常反气旋(气旋)的形式在中国东南沿海地区交替出现,调控着西太平洋副热带高压进入(退出)南海。低空的这种低频环流型与高空的偶极型涡旋对相耦合,偶极型涡旋对使得南亚高压东伸(西退),形成有利(不利)江淮流域降水的环流形势。江淮流域降水的低频振荡与500hPa北太平洋副热带高压的低频变化及其传播密切相关。当北太平洋西部的位势高度偏高、中部位势高度偏低时,江淮流域降水偏多;反之偏少。这种低频振荡可能起源于北太平洋中部夏威夷群岛附近,然后沿着副热带高压脊线附近向西传播到中国东南沿海。     

2002年夏季中高纬大气准双周振荡对华南降水的影响

利用JRA55大气再分析资料和TRMM卫星降水资料,分析了2002年夏季（5~8月）华南地区降水的低频振荡特征,重点揭示了对其影响显著的中高纬大气季节内振荡的环流结构及演变。小波和功率谱分析表明,2002年夏季华南降水表现为主周期为10~30 d的准双周低频振荡。典型低频降水事件及合成分析指出,准双周降水的强（弱）变化除了受低空西北太平洋副热带高压西伸进入（东移退出）南海的影响以外,还显著地依赖于中高纬地区高空大气环流的季节内振荡。在对流层高层,中高纬度地区存在一支自大西洋经欧亚大陆的气旋—反气旋相间排列的低频波列。该波列在欧亚大陆地区向东南传播,当异常反气旋和气旋分别位于青藏高原和华北上空时,这种偶极型环流之间的高空辐散场有利于华南地区上升运动的发展,因而华南降水偏强;反之,华南降水偏弱。研究还表明,低频波列南移造成了对流层异常温度平流和副热带高层异常绝对涡度的变化,使得华南地区上升与下沉运动交替出现以及相应的经向环流圈反转,从而导致华南准双周振荡干湿位相的转换。局地异常感热加热对干湿位相转换也起一定作用。时滞相关分析发现,当青藏高原地区500 hPa位势高度异常场超前于华南异常降水4 d（即位相差为1/4周期）时,二者出现显著正相关,表明青藏高原地区500 hPa位势高度异常对预测华南地区季节内降水变化有潜在的应用价值。     

南海周边越赤道气流的多时间尺度变化特征及其与环流和降水的联系

利用NCAR/NCEP-1再分析资料、NOAA的OLR资料以及GPCP降水资料等,通过功率谱分析、超前滞后回归等方法,对夏季南海周边105 °E、125 °E以及150 °E三支越赤道气流进行了多尺度特征分析,重点探讨三支越赤道气流季节内振荡与热带大气环流异常及南海周边降水的联系。结果表明,在季节内时间尺度上,105 °E与125 °E越赤道气流均具有10~20 d以及30~60 d低频振荡显著周期,而150 °E越赤道气流则以10~20 d周期为主。在年际尺度上,105 °E、125 °E、150 °E越赤道气流分别具有2~4年、2~3年、2~6年振荡周期。无论是季内还是年际变化,皆以105 °E与125 °E这两支越赤道气流之间关系较密切。南亚-南海-西太平洋地区对流层低层10~20 d振荡的气旋(对流加强)和反气旋(对流减弱)的环流活动变化,决定着105 °E及125 °E越赤道气流的10~20 d振荡的演变。这两支越赤道气流之30~60 d振荡所伴随的异常变化与热带夏季季节内振荡(BSISO)的演变过程非常相似,而150 °E越赤道气流之30~60 d振荡所伴随的异常低频环流则与南半球热带辐合带关系密切。105 °E及125 °E越赤道气流的季节内振荡及年际异常均与南海周边降水异常密切相关。      

东亚梅雨系统的天气-气候学研究

利用NCEP/NCAR逐日再分析资料、上海观测站降水资料,对上海2020年超强梅雨特征及成因进行了分析,并对基于大气低频特征的延伸期预报效果进行了评估。结果表明：（1）2020年上海梅雨量为2000年以来最多。（2）受夏季赤道中东太平洋冷水位相和热带印度洋海温异常偏暖的影响,西北太平洋异常反气旋强盛且稳定少动,其西侧转向的水汽输送偏强加之中高纬地区Rossby波列的传播引起中低层天气系统（槽、脊等）的变化,引发冷空气活动,也对副高的北抬起到了抑制作用,造成梅雨期偏长,雨量偏多。（3）2020年梅雨期降水过程表现出明显的准双周振荡特征,4次强降水过程均对应低频降水的峰值。沿Rossby波低频活动通量方向移动的低频波列南下,并与低频反气旋对峙于长江流域,导致多轮强降水。基于大气低频特征研发的延伸期预报方法较为准确地预报出2020年上海入梅首场强降水过程。

     

中国南方降水及其极端事件的动力-统计相结合延伸期预报

延伸期预报是无缝隙预测系统中的薄弱环节,如何提高灾害天气过程的延伸期预报技巧是国际热点及前沿问题。本研究基于2005年12月—2014年8月的观测/再分析资料,通过奇异值分解方法,揭示了与中国南方低频降水变化高度耦合的热带对流和中纬度波列信号。利用中国气象局参加国际次季节至季节预报计划模式（BCC-CPS-S2Sv2模式,简称BCC S2S模式）的回报数据,对中国南方低频降水异常场进行统计降尺度,构建了一套动力-统计相结合的延伸期降水预测模型。独立预测时段（2014年12月—2019年8月）的结果表明,BCC S2S模式可以提前10—15 d预报中国南方大部分区域的异常降水;提前15—20 d以上预报时,动力-统计结合预报模型对冬季（夏季）华南沿海地区（长江以北地区）的降水时间演变、降水空间分布及极端强降水事件的预报技巧均优于BCC S2S模式。文中提出的思路和方法可广泛应用于其他区域气象要素和极端天气事件的延伸期预报。     

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...     

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。