湿有效能量及其饱和能差在单站降水(暴雨)预报中的应用

我们在以多种物理量诊断分析大尺度环境场有利于产生暴雨的基础上,采用本站地面湿有效能量A_(mk)及其饱和能差A_(mk)~3—A_(mk),进行点面结合预报本站降水(暴雨)。结果发现,饱和能差逐日演变给判别未来降水的有无与估计降水起讫时间提供了参考依据,饱和能差演变曲线峰谷点位相一般要超前于能量演变曲线,两者配合分析,对由晴转雨的转折性暴雨具有明显的预示性,经业务使用,效果较好。     

湿有效位能在强降水预报中的应用

一、湿有效位能A_(mk)与暴雨的关系 从大气能量学的观点看,暴雨的孕育、产生和结束也就是能量的积累、爆发和转换的过程。通过对1983年汛期暴雨过程的分析,我们发现:(1)暴雨发生前12—24小时,已有大量不稳定能量和充沛的水汽在暴雨区聚集,这就是暴雨前期出现的增能效应。(2)在不同的影响系统和流场条件下,暴雨前期能量及其变化的时空分布特征有较大的差异,尤其在垂直方向更加明显。(3)降水的性质、时间和强度与能量场的配置有关。由此,我们又进一步分析了湿有效位能Amk与暴雨的关系。现分述如下: 1.A_(mk)能量场:经普查分析看出,在暴雨前12—24小时,发生暴雨的地区受自南向北伸出的A_(mk)高能舌(带)控制。高能舌一般来自云贵高原和西藏高原西南部,并随高度增加逐渐向北倾斜。     

Nino3区海温的变化对黄河流域夏季降水的影响

利用1961—2011年NCEP/NCAR再分析资料和黄河流域45站降水资料,定义了4月和上年10月的Nino3区海温差（ΔISST3）指数,分析ΔISST3指数与夏季海温的关系以及大气环流和夏季黄河流域降水与ΔISST3指数的相关情况,得到如下结果：(1)ΔISST3升高（降低）时,夏季赤道中东太平洋海温易偏暖（冷）,而我国南海到菲律宾半岛海区易偏冷（暖）。（2）500 hPa高度场上,ΔISST3与100°E~80°W范围的热带和副热带地区高度呈显著的负相关关系;ΔISST3正负异常差值场显示,ΔISST3升高（降低）时,夏季热带和太平洋副热带地区的500 hPa高度偏低（高）,赤道北侧850 hPa西风（东风）距平异常,西太平洋副热带高压明显偏弱（强）,我国东部沿海大陆盛行偏北（南）气流,暖湿气流不活跃（活跃）,季风偏弱（强）,而中高纬度上,蒙古北部气旋（反气旋）发展,致使河套地区处在反气旋性（气旋性）环流中。（3）ΔISST3指数与黄河流域夏季降水呈显著的负相关关系,相关系数为-0.51,当ΔISST3正异常时,黄河流域夏季降水易偏少;ΔISST3负异常时,黄河流域夏季降水易偏多,且负异常对黄河流域夏季降水的影响更显著。     

车贝雪夫系数与我国温度、降水关系的初步探讨

本文用车贝雪夫多项式分解了15—65°N、75—155°E范围内,1954—1975年逐候500毫巴等压面位势场。求出车贝雪夫的一些主要系数,讨论了这些系数的物理意义及其与我国温度、降水的关系。主要结果有: 1.表示大气经、纬向环流的车贝雪夫系数A_(10)、A_(01)与我国温度等级十年滑动平均和各地月平均温度存在相关关系。此关系的存在为温度趋势预报提供了可能性。 2.表示平均高度的A_(00)系数冬季12月的值和A_(10)系数冬季1月的值,两者组合成的复相关表为长江中、下游汛期(5—8月)降水趋势预报提供了可能性。用复相关表的结果,有三年做过长江中、下游汛期降水趋势预报,其结果与实况基本一致。     

假相当位温的新算法及其应用

本文引入以气压、温度、水汽压(或相对湿度百分数)为参数的假相当位温新算法和计算程序来计算地面假相当位温的θ_(se),θ_d,θ_(sed)和θ_r[‰]等物理量。并以θ_r[‰]时间剖面图简例说明其在气象站大降水预报中的可能应用。     

对流涡度矢量和湿涡度矢量在暴雨诊断分析中的应用研究

利用对流涡度矢量(CVV, (ζa×θe)/ρ)和湿涡度矢量(MVV, (ζa×θv)/ρ)对华北地区一次大范围的大到暴雨天气过程进行了诊断研究.结果表明,CVV和MVV垂直分量与云和降水密切相关,暴雨区区域平均和垂直积分的CVV和MVV垂直分量与云中水凝物混合比的相关系数分别为0.92和0.95,与降水率的相关系数分别为0.71和0.47.云中水凝物分为液态水凝物和固态水凝物,虽然同态水凝物的含量相对较少,但它在云的变化中起着更重要的作用.滞后相关分析表明,降水率的峰值到来之前4-5 h云中水凝物含晕最少,降水率的峰值到来之后1-2 h,云中水凝物含量最多.云中水凝物与降水率的滞后相关系数主要是由液态水凝物与降水率的滞后相关系数决定的,只有约1/4的滞后相关系数是由固态水凝物与降水率的滞后相关系数贡献的.CVV和MVV的垂直分量与云中水凝物具有非常好的相关性(同时及滞后),与降水率的相关也较好,可以代表云和对流系统的发展.CVV和MVV垂直分量的局地变化超前降水率3 h左右,可以作为降水发生的先兆,对降水的预报有潜在的意义.CVV垂直分量的局地变化与降水率的相关系数大于MVV垂直分量的局地变化与降水率的相关系数,因此在实际预报中可以利用CVV垂直分量的局地变化来估计未来降水的变化.     

东亚中纬度干旱/半干旱区降水年际变化及其可能成因

基于NOAA的全球陆地降水资料(PREC/L)1948～2003年56年的月平均降水资料、NCEP/NCAR月平均再分析资料以及英国气象局哈德莱中心的海温(Sea Surface Temperature,SST)资料,并根据多年降水平均图选定了东亚中纬度干旱/半干旱区,对该区域夏季(6～8月)降水进行了经验正交分解(Empirical Orthogonal Function,EOF)。EOF第一模态呈现出全区一致的变化类型,第二模态则呈现出以100°E为界东西相反的分布类型。通过分析干旱/半干旱区以及以100°E为界的东西两部分降水异常年的环流形势和海温并加以对比,结果表明:在环流场上,对应于东亚中纬度干旱/半干旱区降水偏多年,对流层中下层环流异常在中高纬度呈现为一个东西向波列,乌拉尔山东侧为正的高度异常,贝加尔湖附近乃至以东地区为低压槽所控制;不同的是,对应于100°E以西的干旱/半干旱区夏季降水偏多年,波列有所东移,并且西太平洋副热带高压有显著北抬;而对应于100°E以东干旱/半干旱区夏季降水偏多年,环流形势异常基本与整个干旱/半干旱区降水偏多年一致,只是在里海附近有一高度负异常。在200hPa纬向风场上可以看到,当西亚副热带急流偏南加强时,对应于100°E以西的干旱/半干旱区降水偏多;而当东亚、西亚风急流都有显著北抬且加强时,对应于100°E以东干旱/半干旱区的夏季降水偏多,这可能与急流所激发的次级环流有关。进一步对SST的分析表明,海温与100°E以东或以西干旱/半干旱区降水异常的关系也不一样。当前冬、前春赤道中东太平洋都有正的海温异常,而到夏季转换为负的海温异常,且南太平洋在前冬和前春呈现显著负海温异常时,整个干旱/半干旱区夏季降水偏多;当赤道中东太平洋海温在前冬、前春有正的海温异常并一直减弱,但能维持到夏季,并且北印度洋海温也存在类似的海温异常时,100°E以西的干旱/半干旱区夏季降水偏多;而当前冬中东太平洋海温较暖但其南部海域偏冷,到了前春这些异常维持,并发展到同期为大范围弱的异常冷海温时,有利于100°E以东的干旱/半干旱区夏季降水偏多。比较的结果还揭示出,对应于干旱/半干旱区以及100°E以东干旱/半干旱区的降水异常年,海温异常分布大致是一致的;而对应于100°E以西干旱/半干旱区的降水异常年,海温异常分布及时间演变则有较大差异。     

本世紀近六十年我国大范围降水異常年的初步分析

本文利用1901—1960年全国86个站的降水量資料制作了逐月降水量等級图,据此对我国大范围降水异常年份的分布出現的規律及其与太阳黑子沃尔夫(Wolf)指数之間的关联作了初步的分析。結果表明:我国大范围降水的特征目前仍处在負异常占优势的周期中。近年来大范围降水异常总頻次急剧增加的气候反常現象,可能与最近一个周期太阳活动的强烈发展有关。     

2012年6月25-28日巴彦淖尔市暴雨成因分析

利用Micaps常规气象观测资料、GDAS资料和HYSPLIT模式气团后向轨迹追踪模式,对内蒙古巴彦淖尔市2012年6月25—28日的暴雨天气过程成因进行了天气动力学诊断分析,结果表明:(1)此次降水过程,位势不稳定层结的建立机制主要与中低层增湿和高层变干的湿度差动平流有关,而温度差动平流作用微弱,中低层增湿和高层变干的不稳定层结与中低层、高层风向关系密切。(2)降水前36h内,单站V-3θ图中θ曲线总体向右倾斜,中、低层向左倾,中、高层的3条θ曲线趋于一致或重合;对流层中、低层θsed,θ*曲线左倾并准平行,与T轴成钝角,且θsed与θ*线距离15K左右,3条θ曲线同时向左折拐,折拐高度不断提高,大约提至500hPa高度处,预示该站将有暴雨发生。(3)暴雨过程中,巴彦淖尔市始终有充足、稳定的水汽输送。中低层输送通道为此次暴雨过程带来充沛的水汽,分别来自黄海、日本海、新疆境内和南海水汽的转向输送以及局地水汽输送。     

淮河流域夏季降水异常与北太平洋海温异常的关系

研究淮河流域降水异常与北太平洋海温异常的相关关系,初步探讨北太平洋海温异常对淮河流域降水的可能影响机制。结果表明:淮河流域夏季降水与上年8-10月北太平洋中部关键海区(162．5~177．5°W,36．5~41．5°N)的SSTA存在持续高的正相关关系;淮河流域夏季降水异常对应着一种大范围的海温异常分布型,而关键海区正好位子其相关最显著地区;正是由于北太平洋大范围持续的海温异常引起了次年夏季大气环流的异常,导致了淮河流域夏季降水异常,这也正是海温与降水具有很好相关的内在原因。     

贺兰山东麓两次局地暴雨过程的湿位涡诊断分析

利用自动气象站雨量资料、MICAPS4调阅资料以及NCEP再分析资料,对比分析了2016年8月21日和2018年7月22日宁夏贺兰山东麓两次局地暴雨过程的降水特征、环流形势等,重点对两次过程的湿位涡场进行了诊断分析。结果表明:两次暴雨过程第一阶段均为暖区降水,表现出降水范围小、时间短、强度大,相对第一阶段降水,第二阶段降水范围较大、雨强较小。两次过程强降水均发生在假相当位温(θse)等值线密集区,并沿低空急流轴呈长条状分布,强降水时段与θse最大值出现时间相一致。暴雨区位于位涡(PV)负值中心区附近,暴雨发生发展过程与PV负值中心的移动和变化较为一致,PV负值中心的加强和减弱以及移动方向对局地暴雨的预报有很好的指示意义。对流层500 hPa以上湿位涡正压项(MPV1)正的大值区对应700 hPa以下负的大值区,正负中心区垂直叠加的配置有利于暴雨发生发展。垂直剖面图上600 hPa都存在湿位涡斜压项(MPV2)负极值中心,对流层中低层MPV2负极值中心的强度和维持时间以及变化对局地暴雨的预报有一定的指示作用。     

包含冻结过程的广义位温及位涡特征分析

为了对比分析降水过程中不同表达形式热力学变量和位涡时空分布特点,本文针对2017年7月13～14日吉林省强降水过程,利用模式输出资料对常规位温（θ）、相当位温（θ_e）、包含凝结概率函数的广义位温（θ_Gao）、包含冻结概率函数的广义位温（θ_Wang）和同时涵盖凝结过程与冻结过程（θ_Gu）五种不同形式位温进行计算,并分析五种对应位涡[PV(θ)、PV(θ_e)、PV(θ_Gao)、PV(θ_Wang)、PV(θ_Gu)]与降水的关系。结果表明,引入冻结概率函数的广义位温（θ_Wang）和对应的广义湿位涡PV(θ_Wang)与强降水的对应性更好。θ_Wang与θ_Gao差异集中在降水区对流层中高层5～11 km,前者始终高于后者,最大差异达2.5 K,说明冻结概率函数的引入扩大了广义位温的适用范围,更适合描述降水区湿大气非均匀饱和热力状态。五种位涡的差异主要在降水区上空12 km以下,由θ_Gao和θ_Wang定义的位涡PV(θ_Gao)和PV(θ_Wang)的正负异常中心更为明显。相比于PV(θ_Gao)和PV(θ_Wang)异常值更大,差异可达±0.2 PVU,这主要是由于冻结概率函数的引入增大降水区上空广义位温,促使冻结区的湿位涡异常增强。     

中高纬度与热带大气的共同作用对江南4—6月低频降水的影响

基于中国国家气象观测站的逐日降水资料、NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)提供的逐日向外长波辐射资料和NCEP(National Centers for Environmental Prediction)/NCAR(National Center for Atmospheric Research)逐日全球再分析资料,采用非滤波法提取10—30 d低频降水及低频环流因子,分析了1979—2013年江南地区4—6月低频降水及其关联的大气环流特征,着重讨论了中高纬度与热带共同作用对低频降水的影响及可能机理。结果表明:(1)江南4—6月降水的第1模态呈现全区一致的变化趋势,其10—30 d低频降水方差贡献率在江南南部较大,部分区域可达20%。(2)降水的低频异常不仅与热带对流有关,还与中高纬度大气环流的变化显著相关。当东印度洋及印度尼西亚一带对流旺盛,中国上游欧洲至西伯利亚地区高纬度位势高度表现为显著的正异常,江南上空为负异常时,有利于江南低频降水。(3)中高纬度大气环流与热带对流共同作用影响江南4—6月低频降水:当热带对流旺盛区(抑制区)位于东印度洋及印度尼西亚海洋性大陆一带时,热带热源的非绝热加热引起显著的上升(下沉)运动,并激发经向罗斯贝波北传;同时高纬度欧洲至西伯利亚地区的位势高度负异常(正异常)向东向南传播,两者在江南上游叠加,低压(高压)底前部的西南风(东北风)有利于孟加拉湾对江南的水汽输送加强(减弱),对应江南地区整层水汽通量辐合(辐散),低频降水偏多(偏少)。     

中高纬度与热带大气的共同作用对江南4-6月低频降水的影响

基于中国国家气象观测站的逐日降水资料、NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration)提供的逐日向外长波辐射资料和NCEP(National Centers for Environmental Prediction)/NCAR(National Center for Atmospheric Research)逐日全球再分析资料,采用非滤波法提取10-30 d低频降水及低频环流因子,分析了1979-2013年江南地区4-6月低频降水及其关联的大气环流特征,着重讨论了中高纬度与热带共同作用对低频降水的影响及可能机理。结果表明:(1)江南4-6月降水的第1模态呈现全区一致的变化趋势,其10-30 d低频降水方差贡献率在江南南部较大,部分区域可达20%。(2)降水的低频异常不仅与热带对流有关,还与中高纬度大气环流的变化显著相关。当东印度洋及印度尼西亚一带对流旺盛,中国上游欧洲至西伯利亚地区高纬度位势高度表现为显著的正异常,江南上空为负异常时,有利于江南低频降水。(3)中高纬度大气环流与热带对流共同作用影响江南4-6月低频降水:当热带对流旺盛区(抑制区)位于东印度洋及印度尼西亚海洋性大陆一带时,热带热源的非绝热加热引起显著的上升(下沉)运动,并激发经向罗斯贝波北传;同时高纬度欧洲至西伯利亚地区的位势高度负异常(正异常)向东向南传播,两者在江南上游叠加,低压(高压)底前部的西南风(东北风)有利于孟加拉湾对江南的水汽输送加强(减弱),对应江南地区整层水汽通量辐合(辐散),低频降水偏多(偏少)。     

厄尔尼诺/南方涛动与我国秋季气候异常

利用1951—1999年我国秋季(9—11月)降水、温度和南方涛动指数(SOI)1935—2000年资料研究ENS0与我国秋季气候异常的关系，结果表明，秋季降水与ENS0的关系远比夏季降水与ENS0的关系好。E1Nino年我国秋季降水出现南多北少的分布型(S型)的频率增加近20％，而La Nina年出现S型的频率减少20％。反之，当我国秋季降水距平出现大尺度南北降水异常时，往往表示当时有ENS0现象发生。E1 Nino和La Nina年我国秋季降水距平的分布有显著差异，且这种显著差异主要表现在长江南北、西北和河套地区。不同时段SOI对秋季气候异常的影响不同，当年4—10月SOI值与秋季降水EOF分解第二时间系数(反映大尺度南北旱涝异常特征的权重系数)之间为较明显的正相关，其中8月最显著。上一年7—9月和同年1—3月的SOI值同秋季气温EOF分解的第二时间系数的正相关较明显。可根据前期5—8月的月平均SOI值，预报秋季大尺度降水异常，当年5—8月的SOI平均值偏高时，长江以南(北)地区的降水将有减少(增加)的可能，反之亦然。     

赤道中印度洋夏季变温对中国夏季降水影响的数值模拟

利用大气环流模式模拟了赤道中印度洋海区夏季变温与海温本身异常对中国夏季降水的影响.结果表明:当该海区夏季正(负)海温距平值呈递增(递减)变化时,激发出的降水场的正(负)异常幅度比正(负)海温距平强迫下相应的降水场的正(负)异常幅度大;但当正(负)海温距平呈递减(递增)趋势变化时,激发出的降水异常场与正(负)海温距平强迫下相应的降水异常场的分布形势类似(不同),异常幅度也有所差异.夏季中印度洋不同类型的海温异常对大气加热的不同,导致东亚季风和印度季风的不同变异,暖海温异常下引起东亚季风的明显偏强,而冷海温异常下引起印度季风的明显偏强.     

海洋性大陆西部夏季降水异常:独立和联系于IOD的模态

采用1979—2013年的NCEP/NCAR、GPCP和GODAS月平均再分析资料,通过回归分析等方法,研究了海洋性大陆(Maritime Continent,MC)地区偏印度洋一侧降水的区域性特征及其与热带、东亚地区环流变化的联系。结果表明:MC西部,爪洼岛以西洋面(A区)与苏门答腊海以西赤道洋面(B区)降水存在一定程度相关的同时,还存在较大差异。两个区域夏季降水正异常时,来自赤道印度洋、赤道太平洋、南海及孟加拉湾地区的水汽输送偏强。A区降水与IOD(Indian Ocean Diapole)现象密切相关,B区降水则与季风活动的变化联系密切。A区降水异常偏多时,混合层的暖海水向A区汇合,A区的海温异常偏高得以维持,对流层低层在A区及其西南部出现气旋性环流,产生气流辐合,有利于上升运动的发生,降水增多。当B区降水正异常时,对流层低层环流与A区降水正异常时较为相似,但气旋性环流范围偏小、偏西。B区暖海温的维持主要与海洋中的垂直运动有关。这些研究结果有利于深刻认识MC区域气候变动特征及亚洲夏季风环流异常的成因。     

南亚高压和西太副高位置与中国盛夏降水异常

用全国160站降水资料及ECMWF逐月再分析资料,采用合成分析方法,讨论了年际变化尺度上南亚高压与西太副高纬向位置异常与盛夏降水的关系。结果表明,当南亚高压与西太副高纬向异常重叠(分离)时,长江中下游流域存在异常上升(下沉)运动,江南的广大地区存在异常下沉(上升)运动。且当两个高压纬向异常重叠时,来自北印度洋及西太平洋的水汽,在长江中下游流域异常辐合,降水偏多。此时,江南地区水汽通量异常辐散,降水偏少。当两个高压纬向异常分离时,水汽主要来自北印度洋的西南风输送,长江流域降水偏少,江南地区降水偏多。     

近50年华东地区夏季异常降水空间分型及与其相联系的遥相关

利用中国华东地区91个站点1961～2007年夏季 (6～8月) 逐日降水资料和NCEP/NACR再分析资料, 用旋转经验正交函数 (REOF) 方法将华东地区夏季降水场分为5个区域, 即I区 (闽赣地区)、II区 (江南)、III区 (长江中下游地区)、IV区 (江淮) 和V区 (黄淮)。这5个区域的夏季降水周期显著不同, 当I区降水的年际周期性强 (弱) 时, II、III、IV、V区降水年际周期性弱 (强)。I～V区夏季降水的年代际及年际变率的年代际变化显著, 且在年代际降水较少或由多变少或由少变多的转换时段, 容易发生较大的年际变化。各区降水异常形成的局地成因有所差别。其中, 江南南部、江南、沿江 (长江中下游) 受低层异常反气旋控制, 该异常反气旋使得这些地区出现水汽辐散, 与异常的非绝热冷却结合, 造成异常下沉气流, 导致干旱发生。对于江淮之间的地区, 由南侧异常气旋性环流和北侧反气旋环流的西部辐散气流控制, 造成水汽向南北两侧辐散, 导致降水偏少; 对于黄淮地区干旱, 可归因于位于蒙古高原上的反气旋异常和位于西太平洋上的气旋性异常之间的异常偏北气流造成该地区水汽的异常辐散所致。华东5个区域的夏季降水和不同类型的遥相关有关。闽赣地区降水受欧亚-太平洋型 (EUP) 遥相关影响; 江南地区降水则可能受东亚-太平洋型 (EAP)/太平洋-日本型 (PJ) 影响, 亦与太平洋-北美型 (PNA) 存在可能的联系; 长江流域则可能受东大西洋型 (EA) 和EAP型影响; 江淮地区降水则明显地受EA/EUP和PJ/EAP的共同影响, 而黄淮降水则与源于地中海地区向东北传播且通过北极涛动 (AO) 产生影响的波列存在联系。这5个区域的夏季降水异常还和东亚地区位涡、 南海夏季风、 Niño3、Niño4区海温、西太平洋副高变动等因子有关。     

湖南省夏季极端降水异常时空特征及其成因分析

利用湖南省88站常规观测资料、NCEP全球再分析资料,采用EOF分解和合成分析方法研究了湖南省1961—2014年极端降水的年际变化异常和时空特征,以及极端降水异常的环流成因。并主要分析了由EOF方法分析得出的第一类极端降水形态(一致偏多或偏少型)与环流异常之间的联系。结果表明,湖南省夏季极端降水分布有较大的空间差异,且湖南省极端降水呈明显增强的趋势。由于极端降水的变化周期与大尺度环流固有的2～4 a周期相同,因此大尺度环流的变化是湖南省极端降水异常的主要成因。大尺度环流的变异引起中国东部经向排列的环流异常分布,使得高度场和风场等气候场产生变异,从而引起湖南省极端降水的异常。从极端降水偏多年与偏少年大气环流的差值场可以看出:湖南省处于显著差异区,湖南省极端降水偏多(偏少)主要是由于北方的偏北风加强(减弱)和经西太平洋—南海进入湖南地区的西南风加强(减弱)并在湖南地区产生辐合(辐散)。当夏季东亚副热带西风急流偏南时,湖南正处在偏南较强西风急流的南侧,较强西风急流所产生的抽吸现象使得上层空气辐散,增加了湖南省极端降水的强度。副热带高压强度偏强、位置偏南、偏西,使得东亚夏季风偏弱,导致气流辐合稳定在湖南省,造成极端降水偏强。前冬中东太平洋海温偏暖(EI Ni1o)/偏冷(La Ni1a),湖南地区的极端降水容易一致偏多/偏少。同时黑潮暖流区也是影响湖南极端降水变化的可能原因。