青藏高原夏季旱涝年降水准双周振荡及低频环流特征分析

为了研究青藏高原夏季降水的低频振荡特征,利用1978-2017年高原地区62个气象站日降水资料和ERA5高分辨率逐日再分析资料,采用集合经验模态分解（EEMD）、 Lanczos滤波以及合成分析方法,对青藏高原夏季旱涝年降水的低频振荡特征、气象要素场变化及环流特征进行了深入分析,揭示了高原地区旱涝年降水低频振荡周期特征、环流特征以及低频风场、涡度场等传播特点。结果表明：（1）高原夏季降水存在10～20天的振荡周期;旱涝年的周期频率不同,涝年振荡频率明显高于旱年;涝年显著的振荡为10～20天和30天以上的振荡,而旱年主要以10～20天的振荡为主。（2）涝年在低频降水强位相,高空低频气旋控制高原主体,高空辐散,低空辐合,来自孟加拉湾偏南风的水汽供应充足,低频扰动强,利于降水发生,自西向东存在低频反气旋-低频气旋-低频反气旋的异常环流分布;反之在低频降水弱位相,高空低频反气旋控制高原主体,高空辐合,低空辐散,暖湿的偏南气流较弱,低频扰动偏弱,不利于降水发生。旱年配置有相似的特征,但低频反气旋-低频气旋-低频反气旋的环流形势不明显,整体上振荡强度较涝年偏弱,低频要素场强度也偏弱。（3）低频波动...     

我国东部夏季降水季节内振荡与低频大气环流演变特征分析

利用1979—2017年夏季逐日气象数据,使用经验正交函数（Empirical Orthogonal Function,EOF）分解和超前滞后回归方法分析了我国东部地区夏季降水季节内振荡（Intra-seasonal Oscillation,ISO）的时空特征及其与低纬和北太平洋中高纬度低频大气环流的联系。结果表明：EOF分解的第一模态表现为我国东南部地区ISO降水显著偏多,而我国北方地区偏少的空间型,相应的低频向外长波辐射（Outgoing Long wave Radiation,OLR）场表现为我国东南部地区低频对流异常活跃,而北方地区异常不活跃的南北偶极子型分布。位于南海至副热带西太平洋上空的低频对流异常活跃区与低频上升气流和低频水汽辐合带协同北传和西北传,在我国东南部地区ISO降水异常偏多位相峰值之前一周抵达华南上空,我国东部地区ISO降水开始呈现出南北偶极子空间型;与此同时,200 hPa低频经向风在北太平洋中高纬度表现为一个纬向低频波列形式,并向西传播,当低频波列中的低频南风异常西传到东亚—日本岛上空时,与低纬北传的高层异常北风形成经向对比,造成我国东南部地区上空出现强的低频散度异常。以上低纬度低频信号西北传与北太平洋中高纬度低频波列西传的协同作用,使得异常活跃的对流活动、水汽异常辐合区、异常上升运动和高层异常辐散区均锚定在我国东南部上空,形成该地区ISO降水异常偏多位相。     

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。     

大气自由模与中高纬准双周振荡

用数值方法研究了自由模对强迫耗散系统解的轨线的影响。首先,用变分法得到实际大气自由模,并设计一族解析自由模——理想大气自由模;其次,以两类自由模分别作强迫场,初始场取1993年7月1目的500hPa流函数场,然后应用强迫耗散正压涡度方程的全球谱模式积分300d,得到：(1)以1992年12月27—28日500hPα的实际大气自由模作强迫场时,①α=γ=k≥0．02,强迫、耗散系数相等且足够大时．随着时间演变,大气总是接近自由模态;②强迫系数α=0．1,耗散系数γ=0．02时．中高纬出现局地性准双周振荡。(2)以理想大气自由模作强迫场时,固定耗散系数γ=0．01,强迫系数0．0095≤α≤0．011时,振荡周期与强迫系数呈正相关关系。     

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。     

秋季南海北部持续性强降水和环流异常的准双周振荡特征

基于1998—2011年的TRMM卫星逐日降水资料、NCEP/NCAR大气再分析资料以及向外长波辐射(OLR)资料,利用小波分析、Butterworth带通滤波、EOF分析以及合成分析的方法,对秋季(9—10月)南海北部地区(10°—24°N,100°—120°E)持续性强降水的低频特征进行分析。结果表明,秋季南海北部降水存在显著的准双周振荡特征,主要表现为南海北部地区一致变化型和南海东北部地区和中南半岛沿海地区反相变化型两个模态。其中,第一模态的低频降水主要集中在中南半岛沿岸附近的南海中西部,第二模态则主要集中在南海东北部。进一步对与这两种模态相关联的大气环流和OLR的低频场进行合成分析。结果表明,第一模态的对流层低层准双周低频信号主要来源于南半球近赤道上空,该地区异常强对流活动产生的波列和气旋性环流越赤道进入南海并加强传播至南海北部。而第二模态则来源于南海中南部和吕宋岛东侧西太平洋上空,异常强对流和气旋性环流的合并加强并传播至南海东北部。     

中国冬季大范围持续性低温事件低频特征及其与大气低频振荡的联系

利用1980-2017年国家气象信息中心提供的2481站逐日气温和NCEP/NCAR逐日再分析资料,对比研究了大气低频振荡对中国冬季三类（即：全国类、东北类和东部类）大范围持续性低温事件（以下简称事件）的影响差异。结果表明：20世纪80-90年代初和21世纪00年代后期以来事件偏多,冬季温度均具10～30天显著周期。通过对对流层大气环流场分析发现,在低层三类事件主要受低频西伯利亚高压（Siberian high,SH）影响,SH在全国类最强,东北类最弱;SH范围在全国类最大,南边界可达长江以南,在东北类和东部类中偏东。此外偏西的低频阿留申低压也是影响东北类事件的主要低频系统之一。在中层,全国类和东部类事件均有低频横槽转竖并和东亚大槽合并的过程,横槽在全国类中纬向尺度更大,东北类主要受东北冷涡度的影响。在高层,在全国类事件中温带急流整体持续偏弱,副热带急流整体持续偏强;东北类温带急流西强东弱,副热带急流西弱东强;东部类中温带急流整体持续偏弱,且偏弱程度大于全国类,副热带急流西强东弱。要分别关注低频500 hPa高度场上-12天（全国类）、-9天（东北类）和-10天（东部类）的西部预测信号...     

2014年夏季长江流域降水季节内振荡的环流分析

基于台站降水观测数据和MERRA-2再分析资料,分析了2014年夏季我国长江流域降水的季节内振荡特征,并从位涡角度重点研究了与之相关的环流演变。结果表明：2014年夏季长江流域降水季节内变率以10~20d的准双周振荡为主。在降水准双周振荡的极端湿位相,受对流层高层随中纬度波列东传的正异常位涡和南亚高压东侧西南向传播的正异常位涡的共同影响,南亚高压呈“马鞍型”分布,在长江流域形成高空辐散环流;在对流层中低层,当中纬度波列的异常气旋向东南传播至长江流域以北时,西太平洋异常反气旋延伸至中国东南沿海,二者共同导致长江流域低空水汽辐合加强;在高、低层环流的共同作用下,长江流域持续性降水显著偏多,形成准双周振荡的极端湿位相;同时,长江以北高空位涡正异常导致其下方冷空气下沉,触发长江流域异常上升运动和南海地区异常下沉运动,该经向垂直环流圈的形成有利于长江流域正异常降水的维持。反之则形成极端干相位。     

夏季青藏高原大气热源低频振荡与南亚高压东西振荡的关系

利用1983～2012年NCEP/NCAR逐日再分析资料对夏季青藏高原大气热源和南亚高压东西振荡的低频特征以及两者的关系进行了讨论,发现夏季青藏高原东部大气热源与南亚高压纬向运动的主要低频周期都是10～20 d。在高原东部大气热源10～20 d振荡峰值位相,青藏高原上空被低频气旋控制,高原西部被低频反气旋控制,导致南亚高压主要高压中心向西移动呈伊朗高压模态;在大气热源10～20 d振荡谷值位相,低频环流形势完全相反,青藏高原上空被低频反气旋控制,高原西部被低频气旋控制,致使南亚高压主要高压中心向东移动呈青藏高压模态。高原热力场异常导致其上空暖中心变化从而引起的高层风场变化可以解释南亚高压的东西振荡。     

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。     

西北区东部春季降水及其水汽输送的低频振荡特征

使用1962—2002年逐日降水资料和NCEP/NCAR再分析资料,考察了西北地区东部春季降水及其水汽输送的低频振荡特征。通过定义并计算相对比例系数prpt,并结合统计检验,证实了春季西北地区东部、华北和长江下游地区30~60天周期的相对重要性和显著性。2002年个例分析表明,以银川站为代表的西北地区东部春季降水和水汽通量散度具有显著的20~60天振荡周期,并且在4,5月份季节转换时期显著增强;在降水处于正位相时,低频水汽主要来自东面海上的向西输送和南海北部沿高原东侧的向北输送,低频波表现为明显的向东传播。多年资料分析表明,多雨年季节内振荡较强、反之较弱;主要周期尺度有所不同,低频降水与水汽输送具有很好的对应关系,但也存在一定差异。年代际变化特征突出,表现在从20世纪70~80年代初季节内振荡特征不明显,低频降水与水汽输送之间的一致性相对较差,显示出气候异常对低频振荡的影响。     

我国西北和华北夏季降水的偶极子关系及其环流特征

用全国35年以上资料的672个站,讨论了华北和西北夏季降水关系及其环流特征,结果表明:(1)华北和西北夏季降水存在跷跷板式的偶极子关系,当华北夏季降水偏多时,西北降水偏少,反之亦然。华北夏季降水指数与西北夏季降水指数之间的相关系数为-0.28,超过了0.05显著性水平检验。这两条曲线的10年滑动平均的相关系数达到-0.61;而滤去年代际振荡后,它们的相关系数为-0.23,显著性水平接近0.05。这表明华北与西北夏季降水的偶极子关系主要是由年代际振荡引起的,但年际变化也是一个不可忽略的因素。(2)环流分析表明:华北与西北地区夏季降水的偶极子关系与贝加尔湖南部地区(45°~55°N,80°~110°E之间的8个格点)和西部巴尔喀什湖地区(35°~40°N,70°~90°E之间的5个格点)500 hPa高度距平符号相反有关,由它们之差(G-D)组成的华北和西北夏季降水的偶极子关系的环流指数,能很好地解释华北和西北夏季降水的偶极子关系。     

全国夏季降水区域动态权重集成预报试验

根据全国大范围夏季降水趋势分布预报的特点,设计了一种区域动态权重集成预报方案。以多种预报方法对各区域历史预报技巧得分为依据,尤其注重各方法距起报时刻近期的预报技巧,赋予各区域动态归一化权重系数,在区域集成预报的基础上合成全国大范围降水分布预报。1990 ~1998年9年独立样本的试验预报表明,集成预报的预报技巧优于各预报方法预报技巧的平均水平。集成预报在一定程度上改善了预报技巧的不稳定现象。     

北极涛动年代际变化与华北夏季降水的联系

利用NCEP／NCAR再分析资料和华北夏季降水资料，研究了北极涛动的年代际变化及其与大气环流的关系，进而研究与华北夏季降水异常变化的联系。结果表明，北极涛动具有明显的年代际变化，并在1969年发生了气候突变。北极涛动年代际异常与亚洲中纬度高度场异常、850hPa风场的年代际异常具有很好的一致性。在年代际尺度上，北极涛动与贝加尔湖地区阻塞高压发生频率、东亚夏季风强度和华北夏季降水的关系较为密切。     

内蒙古夏季降水变率的优势模态及其环流特征

本文基于1961～2013年的中国气象局降水资料以及NCEP/NCAR再分析资料,针对内蒙古地区夏季降水,利用经验正交函数分解法（EOF）和合成分析法,考察了年际尺度上内蒙古地区夏季降水分布的不同类型,并分析其前两个模态的典型环流形势以及相关的春夏季节转换特征。内蒙古夏季降水在年际尺度上主要分为整体一致型和东西反向型。整体一致型模态以贝加尔湖北侧和南侧对流层中上层环流的反位相变化、源于伊朗北部-中亚地区的中纬度遥相关型波列以及东亚地区“东高西低”或“西高东低”的环流形势为主要特征。而东西反向型模态以东欧平原-乌拉尔山东侧-内蒙古东部及东北地区为异常中心的波状环流以及东亚沿岸中高纬地区偶极子环流异常（“北高南低”或“北低南高”）为主要特征。这两种夏季降水模态的正负位相分别对应着亚洲中高纬环流春夏季节转换提前和滞后的情形。这些结论有助于进一步认识内蒙古地区夏季降水异常及其典型环流特征,从而为其预测提供参考依据。     

华北汛期日降水特性的变化分析

基于中国740站逐日降水资料, 使用线性倾向估计、 Mann-Kendall突变检验等方法, 分析了华北汛期降水量、 5类汛期降水频率及其贡献率的趋势特征和年代际变化, 揭示出一些比较有意义的新事实, 结果如下: 华北汛期降水量、 5类降水频率及其贡献率都有一定的下降趋势, 华北汛期降水量下降趋势最明显。5类降水频率的下降趋势, 表现出明显的渐变特点, 其中, 小雨频率下降趋势最大, 暴雨频率和大暴雨频率的下降趋势并不显著。5类降水贡献率下降趋势中, 华北暴雨贡献率下降趋势最大。50年来, 华北汛期大雨贡献率最大, 接近于总降水的1/3。华北汛期降水量的多寡主要受其汛期大雨的频率和暴雨的贡献率影响。华北汛期降水量和暴雨贡献率都在1978年前后发生了年代际突变, 华北暴雨贡献率的年代际突变是造成华北汛期降水量发生年代际突变的内在因素。     

华北地区夏季降水日变化的时空分布特征

利用2008~2014年间全国自动站观测降水和CMORPH[CPC（Climate Prediction Center）morphing technique]卫星反演降水资料融合而成的0.1°×0.1°小时降水产品揭示了华北夏季降水的日变化特征,发现华北多数地区夏季降水量和降水频率日变化呈现出明显的双峰特征且存在明显的区域性差异。在太行山以西地区,降水量和降水频率的日峰值出现在傍晚18:00左右（北京时）,规律性最强;而在太行山以东的平原和沿海地区,日峰值一般出现在上午。研究不同持续时间降水对总降水的贡献发现短时降水对傍晚的降水日峰值贡献较大,而长时降水则对凌晨的峰值影响更大。分析不同强度降水对总降水量的贡献结果表明,0.1~10 mm h-1强度降水较其它强度降水对夏季华北地区总降水量贡献更大,随着降水强度的增加降水量日变化的峰值个数增加。     

中国东部夏季降水准两年振荡的主振荡型分析

利用中国160个测站月降水资料和NCEP/NCAR再分析月平均资料,选取中国东部夏季降水准两年振荡(TBO)分量做主振荡型分析(POP)和伴随相关分析(ACP)。结果表明:第一个POP对占东部夏季降水TBO总方差的18.2%,循环周期约为4年。实部为过渡型,振幅在1950年代中期和1980年代初期明显增大,在1980年代中后期到1990年代中期振幅的TBO特征异常显著。虚部为峰值型,在华南东部—长江流域—江淮流域有大范围的正值中心,高值中心位于长江—江淮流域,华南中西部为一负中心。虚部型振幅,1990年代中后期虚部型的振幅有明显加强。海温的伴随相关说明东部夏季降水TBO过渡型与西太平洋海温异常相对应,峰值型与赤道中东太平洋海温异常相对应。850 hPa风场异常、赤道纬向风异常和经向垂直环流异常的伴随相关显示,当POP对处于过渡型(负过渡型)时西太平洋对流旺盛(弱),南海上空有反气旋(气旋)生成。当POP对处于峰值型(负峰值型)时,赤道上Walker环流减弱(加强),经向上Hardly环流位置偏南(北),强度加强(减弱)。总之,中东太平洋海温异常与东部夏季降水TBO的传播有着密切联系,并通过海气相互作用和低纬与中高纬的相互作用来影响中国东部夏季降水TBO的传播,南北半球环流的相互作用也需要进一步探讨。     

热带大气季节内振荡对西南地区东部夏季降水的影响及其可能机制

利用1979~2013年6~8月的西南地区东部20个台站日降水量资料、逐日MJO(Madden-Julian Oscillation)指数、全球OLR(Outgoing Longwave Radiation)逐日格点资料以及NCEP/NCAR再分析日资料,采用合成分析和线性回归等方法,对夏季MJO不同位相活动影响西南地区东部夏季降水的原因及其可能机制进行了初步分析。研究表明,MJO与西南地区东部夏季降水之间存在着显著的关系,当MJO处于第4(第6)位相时,由于西太平洋副高位置偏南(偏北)、向西南地区东部的水汽输送偏多(偏少),在异常上升(下沉)气流影响下,西南地区东部夏季降水偏多(偏少)。MJO影响西南地区东部夏季降水的可能原因是:当MJO处于第4位相时,赤道东印度洋地区上空大气释放凝结潜热,其激发东北向传播的异常波动,进而影响东亚环流,使得西南地区东部出现夏季降水偏多的环流形势,西南地区东部夏季降水增多;但在第6位相时,西太平洋地区上空对流释放的凝结潜热,其激发PJ(太平洋-日本)型Rossby波列,出现不利于西南地区东部夏季降水的环流形势,西南地区东部夏季降水偏少。