2007/2008和2008/2009冬季平流层强、弱极涡事件对应的行星波活动的对比分析

在对逐日气象资料进行纬向谐波分析的基础上, 对比和讨论了2007/2008年冬季强极涡期间和2008/2009冬季弱极涡期间平流层和对流层不同波数的行星波的变化特征, 特别关注强极涡或弱极涡发生之后, 500 hPa 沿60°N和30°N行星波1波和2波振幅和位相的差异, 以及相应的500 hPa位势场的差异, 进而讨论为什么不同的平流层极涡异常会对东亚有不同的影响, 特别讨论为什么同一种极涡异常, 对我国南北方近地面气温的影响会不同。结果表明:平流层极涡发生异常时, 平流层行星波活动有明显的异常。随着极涡异常的下传, 对流层行星波的振幅和位相也有明显的变化, 而且, 对于不同的纬度带, 其变化又有不同, 表现为:2008年1月强极涡发生之后, 500 hPa行星波1波和2波的扰动都向南伸, 而2009年1月的弱极涡(SSW)期间和之后, 1波和2波的扰动都偏北; 在对流层, 强极涡和弱极涡发生之后不但行星波1波和2波的振幅有所差异, 其位相也有明显的不同。特别是, 其位相的差异还随纬度而变化。就同一年(或者说对于同是强极涡或者同是弱极涡)而言, 无论是1波还是2波, 在60°N和30°N附近的扰动相比, 几乎反位相。这样就使得它们的500 hPa 位势场也有明显不同:在东半球, 主要表现为乌拉尔高压和东亚大槽的强度和位置不同。2008年1月强极涡发生之后, 乌拉尔高压和东亚大槽东移, 不利于冷空气向欧亚大陆北部(包括我国北方)的输送, 使这些地区的温度偏高;而2009年1月弱极涡之后, 东亚大槽西退, 利于冷空气向欧亚大陆北部输送, 导致这些地区较冷。对于同一种极涡异常(如2008强极涡或者2009弱极涡)由于南方和北方行星波扰动的位相不同, 对南方和北方冷暖空气的输送也就不一样。所以同一种极涡异常对(我国)南北地区的温度影响是不同的。     

平流层强、弱极涡事件的演变过程及其对我国冬季天气的影响

本文利用1979～2010年的NCEP再分析资料,通过北半球环状模NAM指数挑选出的强、弱极涡个例,分析了北半球平流层异常变化过程中行星波的演变以及与之相联系的我国天气的变化特征。结果表明,在强极涡事件前,行星波1波会被反射回对流层,极地波导减弱,低纬波导增强,中高纬地区的E-P通量矢量有着从平流层传播到对流层的趋势;强极涡事件后,极地波导增强,低纬波导减弱。在弱极涡事件前,中、高纬度行星波1波沿着极地波导的传播明显增强;弱极涡事件后,极地波导明显减弱。与此对应的我国天气也有明显变化,在强极涡事件前,我国大部分地区温度偏低,南方地区偏湿而新疆西北部和云南西部地区偏干;在强极涡事件后,东亚冬季风进一步增强,冷空气加强南下,南方地区可降水量减少,新疆西北部仍然偏干,而云南大部分地区可将水量增加。在弱极涡事件前,东亚冬季风显著增强,使我国气温偏冷,降水减少,而弱极涡事件后,我国气温明显回升,中、东部地区和新疆西北部地区降水明显增加。     

热带加热异常影响冬季平流层极涡强度的数值模拟

本文利用大气环流模式SAMIL/LASG,通过选择两种对流参数化方案,研究了热带加热异常对热带外平流层模拟的影响。结果表明,因不同对流参数化方案引起的热带对流加热状况的差异,可显著影响模式对北半球冬季平流层极涡强度的模拟偏差。与采用Manabe对流参数化方案相比,采用Tiedtke参数化方案可以显著改善对平流层极涡强度的模拟,使平流层极涡“过强”及极区“过冷”的模拟偏差得到明显改善。研究其中的影响过程发现,由于Manabe方案最大凝结潜热加热高度过低,在对流层中低层;而Tiedtke方案的最大凝结潜热加热位置在对流层中上层,因而Tiedtke(Manabe)方案时热带大气温度在对流层中上层较为偏暖(偏冷),在平流层低层较为偏冷(偏暖)。自秋季开始,与热带对流层高层温度的暖偏差相联系,热带外对流层高层以及热带平流层低层出现伴随的温度冷偏差;与之对应,平流层中纬度从秋季开始也出现持续的温度暖偏差。另外,随着秋冬季节平流层行星波活动的出现,Tiedtke方案时热带外地区行星波1波的强度也明显强于Manabe方案,使得秋冬季节涡动引起的向极热通量在Tiedtke方案时明显偏强,从而造成了冬季平流层极区温度偏暖、极涡强度偏弱。     

北疆冬季气温季节内变化及其环流特征

基于新疆北部区域(简称北疆)37个代表气象站1961—2019年逐月平均气温资料和NCEP/NCAR再分析环流资料,通过经验正交函数(EOF)分解和相关分析方法,研究北疆近58 a冬季气温季节内变化的时空演变特征及其对应的大气环流特征。结果表明:(1)北疆前冬和后冬气温EOF分解的前两个模态在空间上均表现为全区一致变化型和偏西偏北地区与中东部反相变化型。前冬和后冬气温全区一致型的时间系数与同期500 hPa位势高度场呈显著负相关关系区域位于乌拉尔山附近,气温反相变化型的时间系数与同期500 hPa位势高度场呈显著正相关关系区域位于波罗的海附近。(2)北疆冬季气温季节内主要有前后距平一致和前后距平相反两种特征。在北疆冬季气温前后距平相反年份",前冷后暖"时的500 hPa乌拉尔山高压脊减弱消失,欧洲槽东移加深,东亚大槽强度减弱";前暖后冷"时,500 hPa欧洲槽减弱西退,乌拉尔山地区高度场抬升,东亚大槽加深。(3)前冬偏冷时,后冬偏暖的主要原因来自于500 hPa极涡增强,欧洲槽加深;前冬偏暖时,后冬偏冷的大部分原因是受500 hPa欧亚大陆大片的负变高区影响。     

2021年2月北美极端低温暴雪的卫星遥感监测

利用气象卫星数据和欧洲中期天气预报中心ERA5再分析数据,在开展卫星数据误差分析的基础上,研究2021年2月北美冬季风暴乌里发生的气候背景、发展演变、极涡活动对乌里的触发作用及造成极端低温和降雪的大气影响因子等。结果表明:与ERA5温度相比,FY-3D/VASS温度在北美地区100,400 hPa和850 hPa的平均绝对偏差分别为1.14℃,1.44℃和2.63℃,可满足冬季极端冷事件监测服务需求;2021年2月北美大陆冷空气活动关键区(50°～80°N,50°～150°W)西部温度较历史同期偏低4～8℃,2月上旬冷空气强度最强,温度距平百分比达70%;在东北太平洋暖高压脊引导下,极涡加强南下,极涡中心西侧横槽转竖过程中冷空气向南爆发,对流层中高层高位涡异常南伸为乌里的生成提供了高层动力强迫,低层冷空气南下和墨西哥湾沿副热带高压西侧向北输送的暖湿气流在美国南部交汇,触发了乌里低层低涡及云系的快速发展;造成强降雪的风暴乌里云系具有对流特征,冷锋云带和头部云顶亮温大部分低于-40℃,部分低于-52℃,闪电活跃。     

中国东部冬季气温异常的主模态与大气环流的关系

利用中国东部季风区375个测站,1961-2006年历年平均地面气温资料,采用EOF、SVD、相关分析等方法,分析了中国东部季风区冬季气温与500hPa高度场异常变化的关系。结果表明:影响冬季气温的关键区有两个,皆为显著正相关;SVD分析表明:乌山脊弱,东亚槽浅,纬向环流偏强,经向环流偏弱,极涡面积偏小,使南下冷空气偏少,冬季气温易偏高。上年7月北大西洋高压异常偏强(偏弱),次年冬季气温将会异常偏暖(偏冷),北大西洋前期高度场与气温普遍有密切的关系,主要影响长江流域及其以北的季风中北部区;建立了气温距平与北大西洋关键区上年7月高度距平的关系,并建立了均生函数模型,预测了未来20 a的气温变化趋势。     

热带东风急流显著偏强和偏弱期平流层绕极反气旋及波动的差异

首先采用150～100 hPa气层20 °W～180 °,15 °S～35 °N区域的平均东风和单位面积东风贡献的动能两种办法定义了热带东风急流(TEJ)指数,并分析了1948—2010年TEJ随时间的变化。然后利用谐波分析方法分析了急流显著偏强和偏弱期平流层10 hPa绕极反气旋和波动的差异。分析表明,在急流显著偏强期平流层10 hPa 40 °N以北的绕极反气旋偏弱,而急流显著偏弱期则偏强,差值约为100～150位势米。45 °N以北1波占绝对优势,1波从春到夏的季节转换与TEJ的快速发展紧密相连,急流显著偏强期1波的季节性调整早于显著偏弱期。急流显著偏强和偏弱期相比,极区65～85 °N 1波平均槽脊位置有较大差异。45～60 °N纬带1波在急流显著偏强期振幅明显加强,变化相对稳定,而急流显著偏弱期1波振幅和位相的变化要强烈得多。      

平流层极涡偏移对我国冬季降水的影响

利用1970—2010年NCEP/NCAR再分析资料、我国160站月平均降水资料分析了平流层极涡向欧亚大陆偏移与我国冬季降水的关系。结果表明:1月极涡偏欧亚大陆强度指数与同期1月降水的显著正相关区域主要分布在我国中部大面积地区及新疆西南部的少数地区,显著负相关区域主要分布在新疆中部;相对1月而言,与后期2月显著正相关区域仍然主要分布在我国的中部地区但向西北方向延伸,使得华中北部、华北南部相对减少,而华北西部、西北东部等地区增大。对流层环流形势显示出在欧亚型强极涡年的1月,东亚冬季风和东亚大槽异常减弱,我国内陆中东部东南风距平显著,而贝加尔湖北部北风距平显著,南下的冷空气与暖湿气流交汇地区较常年偏北,同时我国中部地区低层水汽向上传播也明显增强,存在显著的水汽强辐合中心。     

2009年秋至2010年春我国西南地区严重干旱的成因分析

我国西南地区从2009年秋季到2010年春季发生了严重干旱,这次干旱无论持续时间和发生区域或降水减少程度都是近50年来所罕见的,因而本文利用ERA-40再分析资料和海温资料从热带西太平洋和热带印度洋热力异常对热带西太平洋和南亚上空大气环流的影响来分析了这次西南地区干旱发生的成因。分析结果表明:从2009年秋到2010年春季,热带西太平洋和热带印度洋处于升温状态,它使得热带西太平洋上空产生反气旋异常环流,造成了西南气流异常在我国东南沿海加强,而华南和华中地区上空处于低槽控制,因而在高原东部为槽后西北气流和下沉气流所控制,造成了从孟加拉湾来的水汽很难到达云贵高原,从而引起了此区域降水长期偏少。并且,分析结果还表明了中高纬度地区的环流异常对此次严重干旱也有重要影响。由于从2009年冬季到2010年春季中高纬度准定常行星波传播的极地波导偏强,而低纬波导偏弱,这导致波的E-P通量在60°N附近对流层和平流层为辐合,而在35°N附近对流层中、上层为辐散,从而引起纬向平均西风在60°N附近对流层和平流层减弱,而在35°N附近对流层中、上层加强,造成了北极涛动(AO)为很大的负值。由于AO为负值,东亚冬季冷空气活动强且路径偏东,使得到达西南地区冷空气偏弱,从而引起西南地区持续性严重干旱的发生。     

欧亚大陆春季植被状况与东亚夏季大气环流的显著联系

地表植被覆盖的变化能通过改变陆面参数,以及生地化循环过程,对区域和全球气候产生重要影响.文中利用1982-2002年欧亚大陆春季归一化植被指数(NDVI)和欧洲中期数值天气预报中心再分析资料,采用奇异值分解分析方法,研究欧亚大陆春季植被状况与东亚夏季大气环流的关系.结果表明,贝加尔湖以西区域(55°-65°N,60°-100°E)春季植被状况与东亚夏季大气环流存在显著联系.当春季该区植被指数偏高时,在对流层高层从巴尔喀什湖、贝加尔湖至日本北部,以及中国华南和中南半岛上空存在显著的纬向风正异常,中国华北地区和江淮地区以北为显著负异常,异常中心自北向南依次为"正-负-正"分布,说明东亚夏季200 hPa西风急流轴偏南;相应的在对流层中层15°-25°N地区西风偏强,伴随偏强上升气流,而在25°-42°N地区西风偏弱,并且在32°N附近存在显著下沉气流;在对流层低层,中国江淮流域以北、华北及贝加尔湖以东地区存在明显的反气旋型风场异常,而华南存在东北风异常.这种环流特征说明东亚夏季风偏弱,雨带偏南,并且使得中国华南降水偏多,华南以北大部分地区降水偏少,同时中国东南以及青藏高原东南部温度偏低,而中国北方以及江淮流域温度偏高.欧亚大陆春季植被状况与东亚夏季风的显著关系为东亚夏季风预测提供了有用的帮助.     

2018年一次非典型梅雨锋暴雨过程诊断分析

利用常规地面气象观测资料、NCEP/NCAR FNL 1°×1°网格点逐6 h再分析资料,对2018年6月20日浙江省一次暴雨过程的主要环流系统、等熵位涡、垂直螺旋度等进行了天气动力学诊断分析。结果表明：850 hPa低涡切变、对流层中层冷空气、200 hPa南亚高压、副热带高压是此次暴雨过程发生的主要影响系统;700 hPa上的正垂直螺旋度中心对暴雨的发生有良好的指示意义;等熵位涡的演变和形态对冷空气活动有较好的视踪作用,等熵位涡中心两侧气流辐合,有利于低压系统发展,高层等熵位涡与冷空气活动有较好的对应关系,等熵位涡大值区偏南侧的移动与强降水落区有较好的对应关系。     

1999—2008年夏季华北冷涡的异常特征

利用1999—2008年5—8月中国160站月平均气温资料、每日2次的MICAPS资料及每日4次的NCEP 1°×1°资料,通过定义一个夏季华北冷涡强度指数(NCCVI),研究了夏季华北冷涡异常年西太平洋副高、东亚季风、高空急流及低层垂直运动的异常特征。结果表明：夏季NCCVI异常强年500 hPa上贝加尔湖地区有气旋性环流发展,从贝加尔湖至我国华北地区为一显著的高空槽所控制,冷空气较活跃并随槽后引导气流扩散南下影响华北地区。对流层各层偏暖湿,200 hPa上高空急流偏强,700 hPa上高纬冷涡后部偏北气流加强,低纬偏南气流加强,冷暖空气在华北交汇,华北和东北地区低层上升运动发展。同期副热带高压偏强,位置略偏南;东亚夏季风偏强, 加强了水汽输送。夏季NCCVI异常弱年相反。     

贵州一次严重冰冻雨雪过程环境场分析

2008年1月10日至2月2日,我国南方发生了大范围的持续冰雪灾害,贵州是受灾最严重的省份之一。通过对高度场、温度、降水量、流场、涡度等要素场的分析,重点探讨此次极端气象事件对贵州影响最明显的第3次过程,以及形成严重冰冻雨雪天气和温度异常偏低的主要环流特征。结果表明,在强拉尼娜的背景下,稳定在乌拉尔山以东的阻塞高压持续存在、极涡异常偏强偏东、西太平洋副高偏西偏强、南支槽较常年活跃等,是造成这次过程的主要原因。主要特征是850 hPa以下出现温度低于0℃的冷空气层,在700 hPa附近是相对较暖的气层,其上层是较冷的冰晶层,西南低空急流及槽前正的相对涡度平流明显,急流带来的暖湿平流提供了充足的水汽,并保证了融化层中源源不断的热量供应,上下层涡度平流的差异有利于上升运动的发展,为贵州第3次雨雪过程的发生提供了条件。     

一次寒潮降温过程的等熵位涡和热力学分析

通过等熵位涡和热力学能量方程的各项诊断对2018年1月上旬我国东部一次寒潮天气过程进行分析,重点给出垂直运动在寒潮降温中的作用。结果表明：此次寒潮天气过程主要受蒙古国南部的横槽转竖影响,巴尔喀什湖东部和西伯利亚地区及其北部为引起这次寒潮的主要冷空气源地。欧亚大陆北部和极区对流层高层和平流层低层的高位涡强冷空气沿着等熵面向南向下平流,引导强冷空气侵袭我国东部。等熵位涡大值区的东侧对应上升运动区,有利于降水的产生。寒潮期间风场平流引起的850 hPa强降温区主要位于东南沿海地区,降温幅度最高可达6×10^-4 K·s^-1,而东北地区在整个寒潮期间冷平流强度较弱,最大降温幅度仅约为1×10^-4 K·s^-1。通过计算东南沿海和东北地区区域平均风场平流和垂直运动引起850 hPa温度变化,得出寒潮期间两地的温度总降幅约为1×10^-4 K·s^-1。东南沿海地区的寒潮主要由风场的冷平流引起,而东北地区则是由冷平流和垂直上升运动的共同作用引起。垂直方向上,东北地区冷空气能影响的高度要远高于东南沿海地区。     

2009年深冬辽宁雨转暴雪和大雪过程对比分析

针对辽宁2009年2月中旬旬初雨转暴雪过程和旬末大雪过程,利用常规观测资料和NCEP 10×10 逐6 h分析资料,从环流形势、影响系统、水汽和动力条件及热力结构等方面入手,对这两次过程进行对比分析。结果表明：这两次过程在许多方面显著不同。两次过程均发生在乌山阻高稳定的形势下,均受中纬度东移的中尺度低值系统影响,但雨转暴雪过程中高纬度为两脊一槽型,中纬度短槽与南支低槽结合携强冷空气东移,与低空急流在辽宁上空交汇。大雪过程为东低西高型,中纬度气旋性波动东移,切变线北抬过程中与西南暖湿气流作用影响辽宁。两次过程均发生在600 hPa以下相对湿度为80%以上的大气中,均具有低层辐合高层辐散的特征和深厚的上升运动,但雨转暴雪过程水汽含量更高,辐合层更深厚、强度更强,垂直速度较大雪过程大一个量级;两次过程都有明显的风垂直切变特征,但雨转暴雪过程发生在风垂直切变迅速增大的条件下,大雪过程风垂直切变相对稳定;雨转暴雪过程降水随湿位涡的发展而增强,两者有较好的对应关系,而大雪过程湿位涡表现微弱;雨转暴雪过程槽前0 ℃层达到850 hPa,槽后各层温度迅速下降至0 ℃以下,而大雪过程整层温度始终在0 ℃以下。     

2012年夏季四川东部一次大暴雨过程分析

本文使用常规观测资料、四川省自动站降水资料、0.1°×0.1°的FY－2E云顶亮温资料和1°×1°的NCEP再分析格点资料对2012年7月20～23日四川东部强降水过程的主要影响系统、水汽源地、动力、热力条件等进行诊断分析,结果表明:(1)本次暴雨过程中伴有500hPa高空槽东移至四川并向南加深发展,槽后冷空气与槽前暖湿气流在四川汇合,低层有低涡发展,配以高低空急流耦合的有利形势;(2)暴雨前期水汽主要来源于孟加拉湾,随着南海台风西进,其外围偏东气流向西输送增强,西南暖湿气流北上受到抑制,使得雨带南压;(3)降水以对流性降水为主,暴雨期间水汽凝结潜热在对流层中低层起主要作用,强上升运动将低层的潜热加热向上输送,形成高空的热源中心,强降水期间大气的加热是与大气的垂直上升运动密切相关的;在本次暴雨过程垂直输送项是视热源Q1和视水汽汇Q2的主要贡献者,尤其是在强降水阶段;(4)在低涡在发展阶段,低层正涡度局地变化项首先得到发展,在低涡减弱阶段,正涡度局地变化项的峰值中心由低层向中低层抬升;(5)中尺度对流系统与小时降水分布一致,MCS的发展是触发降水的重要因素之一。      

冷空气对夏季高原涡移出高原后长久与短期活动影响的对比分析

本文利用NCEP/NCAR-FNL再分析资料、历史天气图和青藏高原低涡切变线年鉴,通过分析1998~2016年高原涡活动情况,对在高原以东活动时间大于96 h的高原涡（长持续涡）和在高原以东活动时间不大于30 h的高原涡（短持续涡）,进行了环流与冷空气活动特征与位涡诊断的对比分析,得出了长、短持续涡的环境场、冷空气活动特征,揭示了冷空气活动、高空锋区对长、短持续涡的影响。结果表明:（1）长持续涡移出高原后是在受较明显冷空气影响情况下加强并持续的,短持续涡则没有明显受冷空气影响。长持续涡所处的低槽较深,槽后的冷温度槽较明显,副热带高压（简称副高）偏南;短持续涡处在分裂槽中,有冷舌,副高偏北;说明影响低涡活动的天气系统强,槽后的冷温度槽明显,副高偏南是低涡能较长时间持续的重要环流条件。（2）长持续涡不仅受到较强冷平流的影响,还处在有狭长的干冷与暖湿空气相遇的地带,使涡区极易产生对流不稳定和低涡扰动,利于低涡加强并持续,短持续涡则远不及长持续涡。（3）长持续涡移出高原后受两个不同方向冷空气影响,涡区内一般伴有两个高位涡中心区,而短持续涡的只有一个高位涡中心区,且位涡值比长持续涡小,长持续涡活动过程中的斜压性也比短持续涡强。另外,长持续涡活动过程中相应的高空急流较强,在增强、东伸、南压作用下,造成200 hPa高空有高位涡下传到低涡,而短持续涡所伴的西风急流平直、弱,造成了短持续涡只受到400 hPa高位涡下传的影响。（4）冷空气影响高原涡维持的作用有:使影响高原涡活动的天气系统加强;使高原涡斜压性增强、对流不稳定增强;使高空有高位涡下传至低涡附近层次,造成低涡区域正位涡异常,垂直涡度发展,低涡加强。     

中尺度低涡发展时高层流场特征及能量学研究

本文通过对一次长江中游中尺度低涡的分析发现,在这类斜压性低涡发展时,低涡西侧冷区对流顶明显下降,在低涡区发生折叠现象.与大位涡值相联系的平流层空气从该处下沉至对流层,对流顶下陷比对流活动区对流顶高度变化要早且明显.中尺度涡旋发展所需要之动能主要取自辐散风动能,在对流层高层和低层这种正向转换最为清晰,而整个气柱中位能向辐散风动能转换,以支持它在涡旋发展过程中之消耗.但高层与低层的情况不同.在100hPa高空辐散风动能既支持了涡旋动能,又向总位能转换.分析表明,高层对流层流场在中尺度系统发展过程中是十分活跃的,必须引起足够的重视.     

Potential vorticity diagnosis of tropical cyclone Usagi (2001) genesis induced by a mid-level vortex over the South China Sea

In this study, we first show that tropical cyclone (TC) Usagi evolved from a mid-level vortex over the South China Sea (SCS) in August 2001. The initial disturbance of TC Usagi had a maximum potential vorticity (PV) near 500 hPa, and an anticyclonic circulation with a cold core near the surface. The cyclonic circulation and its warm core of the mid-level vortex developed gradually downward toward the surface when environmental easterly and dry air intruded from the upper troposphere; finally, the mid-level vortex evolved into TC Usagi under favorable environment conditions such as weak vertical wind shear, deep moist layer, etc. To investigate the dynamic and thermodynamic processes during TC Usagi genesis, the technique of piecewise PV inversion is employed. The results show that the actions of upper-layer PV and potential temperature anomalies were not important in TC Usagi genesis. Surface-layer thermal anomalies mainly produced negative disturbances of temperature at the vortex center below 800 hPa, which was unfavorable to the genesis of a cyclonic circulation near the surface. Middle-to-lower-layer latent heat played a key role in TC Usagi genesis and downward development of dynamic and thermodynamic processes. The actions of dry air intrusion from the upper troposphere, environmental westerly changing into easterly in the middle and lower troposphere, and baroclinic structure of the vortex were also important. The cyclonic circulation of the mid-level vortex could develop downward quickly from the middle troposphere toward the surface. However, whether the warm core of the vortex developed near the surface depended on the combined actions of surface-layer thermal anomaly and middle-to-lower-layer latent heat. Finally, we present a conceptual model of TC Usagi genesis induced by a mid-level vortex over the SCS.