中国冬半年区域持续性低温事件的前期信号

大气变量物理分解的方法应用于寻找中国区域持续性低温事件的前期信号。1960～2008年的冬半年期间, 总数115次强的区域持续性低温事件的对流层低层出现了天气尺度温度的负值扰动, 而在对流层中高层至平流层出现了天气尺度位势高度的负值扰动。其中, 112次事件分别在850 hPa和300 hPa上出现了温度扰动负值中心和位势高度扰动负值中心。追踪850 hPa层的温度扰动能够提前5～9天预示中国区域持续性低温事件的出现。     

大气变量物理分解原理及其在区域暴雨分析中的应用

观测的全球大气变量可以物理分解为4个部分:纬圈平均的对称气候、非对称气候、纬圈平均的瞬变对称扰动和非对称扰动。文章用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)ERA Interim全球再分析资料(0.75°×0.75°)介绍大气瞬变扰动量中的扰动风提取方法及其在区域暴雨分析中的应用。结果表明:用欧洲高分辨率再分析资料物理分解得到的扰动气流能够较好地反映暴雨的落区和风与雨之间的关系,如暴雨带位于低层大气扰动气流的辐合线上和稳定的暴雨带两侧扰动气流多呈对峙的辐合状态。     

我国南方冬季低温雨雪冰冻事件的大气扰动信号分析

利用中国549个站点的温度和降水资料确定了1960～2008年发生在我国南方冬季的23次低温雨雪冰冻事件。对全球大气变量再分析资料做物理分解得到天气尺度扰动分量用于这些事件的早期信号分析。结果表明,在低温事件发生时,南方地区上空300 hPa对应有最大负高度扰动,850 hPa有负温度扰动。这些扰动的传播特性可以作为低温事件发生的早期信号。在低温雨雪站日数大于10的11次事件中,它们的扰动信号平均可提前11.2天追踪到。     

1998年长江中下游地区暴雨过程大气低频扰动场分析

利用Morlet小波变换和Lanczos带通滤波对1998年长江中下游地区逐日降水和经大气变量物理分解后的NCEP/NCAR再分析资料进行分析,研究1998年长江流域中下游地区强降水期间大气低频扰动场的显著特征。结果表明:1998年长江中下游地区8月前为降水多发期,更是暴雨频发期,强降水主要存在两种低频振荡,1—4月主要以12—24d低频振荡为主,6—8月以30—60d低频振荡为主;850hPa自青藏高原东部四川盆地附近东移的12—24d低频扰动气旋或反气旋与1—4月长江中下游地区的强降水有关,而自日本本岛南部海面西移的30—60d低频扰动气旋或反气旋与长江中下游地区5—8月的强降水有关。12—24d的低频扰动位势高度场垂直结构具有斜压性,中心轴线向西倾斜;而30—60d的低频扰动位势高度场垂直结构与其不同,具有正压模态。引发长江中下游地区1—4月强降水的大气低频扰动最强信号位于925—850hPa附近,分别来自于青藏高原东侧和中高纬地区;而引发5—8月强降水的大气低频扰动最强信号多位于850—500hPa附近,分别来自太平洋中东部和赤道附近。     

ENSO 年冬季北半球平流层大气环流异常特征分析

利用1957-2002年欧洲中心的再分析资料和Hadley气候预测和研究中心的全球海表温度资料,对ENSO年冬季的平流层环流进行了合成分析,分别从暖事件和冷事件年的温度场、高度场和风场,分析研究了平流层大气环流的异常特征.分析结果表明,对应El Ni(n)o年冬季,在赤道东太平洋的温度场、高度场和纬向风场都有由大气低层的正距平转变为平流层负距平的特征;与之相反,在El Ni(n)a年冬季,赤道东太平洋大气低层的负距平到了高层变为正距平.同时,在纬向平均垂直剖面图中, El Ni(n)o年冬季北半球高纬地区从对流层顶到平流层温度场和高度场为正距平,而La Ni(n)na年出现相反的情况.在热带平流层,El Ni(n)o年冬季高空纬向风场在50 hPa到15 hPa左右为负距平,从15 hPa到1 hPa为正距平;而El Ni(n)a年则相反.在El Ni(n)o年冬季100 hPa以上的北半球高纬度地区存在一个类偶极子结构的异常高度场和风场,El Ni(n)o年在极区主要为正距平,El Ni(n)a年在极区主要为负距平.     

中国东部7类暴雨异常环流型

近年来的研究发现,瞬变扰动天气图上的扰动场天气系统对区域暴雨的落区指示能力强于传统天气图上的总场天气系统。为供预报员在业务预报中参考,本文划分1998年发生在中国东部地区的41日次区域暴雨为7类扰动场天气系统。与区域暴雨相联系的7类异常环流型分别是:华南切变线、华南涡旋、华南倒槽、长江切变线与槽、沿江涡旋、华北涡旋和东北涡旋。无论是在对流层的垂直剖面上,还是在850 hPa水平分布上,扰动天气图上位势高度低值和风扰动辐合处并配合大的水汽扰动对应有区域暴雨,而传统天气图上的低值系统和高水汽区与暴雨之间存在位置上的偏移。由此建议,用实况大气变量和中期数值模式产品绘制扰动天气图有助于预报员确定区域暴雨落区。     

中尺度斜交不稳定的波动性质及其数值模拟

使用三维中小尺度扰动动力学方程组,讨论了一类与基本气流方向成任意夹角的纬向线状扰动的斜交不稳定问题,其主要分析结论如下:(1)在基本气流的切变为线性切变的情况下,可以发生斜交不稳定。但是发生斜交不稳定必须要求沿着线状扰动方向的基本气流存在切变或者垂直于线状扰动方向的基本气流存在切变。此时,斜交不稳定的波动性质是重力惯性内波,而不存在涡旋Rossby波。(2)对于基本气流具有非线性二阶切变的情形,此时斜交型不稳定中的扰动除了包含重力惯性内波之外,还包含了涡旋Rossby波。对于本文所讨论的纬向线状扰动来说,涡旋Rossby波产生的物理根源是基本流场的经向风速V二次切变(β*=Vzz≠0),该涡旋Rossby波相对于基本气流V0是单向传播的。在中尺度斜交不稳定中,涡旋Rossby波的产生主要是由于在与线状扰动相垂直的方向上存在基本气流的二阶切变,而与线状扰动相平行的方向上基本气流是否存在二阶切变无关。(3)对于通常讨论的纬向线状扰动的情况,在基本流场的南北风速V存在二次切变(β*=Vzz≠0)时,即与线状扰动相垂直的方向上存在基本气流的二阶切变,则斜交不稳定有可能是混合的涡旋Rossby—重力惯性内波的不稳定。最后采用WRF模式,对2006年6月的一次福建闽江暴雨过程进行了数值模拟,部分验证了上述结论。通过分析6月6日13时降水区域平均的东西方向风速U随高度变化的曲线,发现在950—100 hPa的大气中,纬向风速U随高度的变化具有二次切变,在对流层低层以及高层附近纬向风速较小,而在对流层中层400 hPa附近的纬向风速则较大。在这种情况下,平均纬向风速随高度变化的二阶导数不为零,因此激发产生沿着纬向传播的涡旋Rossby波,这对于暴雨区域中β中尺度雨团的移动起到比较重要的作用。再分析6月5日23时和6月6日13时的850 hPa以及500hPa降水区域平均纬向风随南北方向的变化,发现在6月5日23时和6月6日13时的850 hPa层次上,都显示出平均纬向风速在南北方向具有二次切变;而在这两个时次的500 hPa层次上,平均纬向风速在南北方向不具有二次切变,只具有线性切变。说明在垂直方向上,对流层低层涡旋Rossby波容易被激发产生;而在对流层中层以上,由于不具备产生涡旋Rossby波的条件,因此不容易激发产生涡旋Rossby波,波动只是具有重力惯性内波的特征。     

低频扰动增量法在华南冬季低温延伸期预报中的应用研究

通过扰动物理量分解方法和增量预报方法,提出低频扰动增量的定义,分析冬季大气低频扰动信号与华南低温事件的可能联系,构建基于低频扰动增量的华南冬季低温延伸期预报模型,为低温延伸期预报提供科学参考依据。分析表明:(1)东半球500 hPa高度场低频扰动变化显著区域主要位于中高纬度45°×80°N地区,尤其在乌拉尔山脉附近及其以西的东欧地区和贝加尔湖以北的中西伯利亚地区;(2)500 hPa中高纬高度场和风场低频扰动增量的前两个EOF模态反映了周期为20 d左右低频振荡的传播型模态,EOF1反映的是导致中高纬度两槽一脊型的环流形势得以维持的低频扰动特征,EOF2反映的是中高纬度高空槽东移后出现的低频扰动特征,研究揭示了华南最低气温低频扰动增量与该低频传播模态的关系十分密切;(3)基于低频扰动增量的延伸期预报准确率明显优于直接应用原始场的延伸期预报,重点抓住大尺度环流的低频扰动增量及由其引起的预报量的扰动增量,可以提高延伸期预报的准确率。     

江淮地区夏季高温事件与北极冷异常的动力联系

利用NCEP/NCAR再分析资料,通过合成分析和相关分析,研究了2010年、2013年及2016年夏季江淮地区高温事件发生时,大气环流异常的主要特征及其与北极冷异常的可能联系。结果表明:这3年江淮地区夏季高温事件发生频次明显偏高,期间江淮地区500 hPa位势高度为正异常,对流层中低层平均温度为暖异常,整个对流层和平流层纬向风减弱;而北极500 hPa高度为负异常,对流层中低层平均温度异常偏冷,纬向风明显加强。因此,江淮地区高温事件与对流层纬向风存在密切联系,在东亚中低纬度地区呈负相关,而在北极呈正相关。东亚中低纬度地区对流层西风减弱抑制对流活动,地面吸收太阳短波辐射增加,进而有利于高温事件发生。     

不同资料大气扰动分量对2010年台风鲇鱼强度变化的描述

基于模式分析和再分析资料绘制的天气图是诊断和预报极端天气事件的常用方法。近年来的研究表明,这些资料中的气象变量分解为瞬变气候和扰动两个分量后,其中的扰动分量不但能够很好地指示地面上发生的暴雨落区、热浪与低温的位置,也能指示极端天气事件的异常强度。本文以近年来研究者们广为关注的2010年台风鲇鱼为例,首先分析四家气象机构对台风强度估计的不一致性,并比较不同分析与再分析资料中大气变量对台风强度的描述;然后描述欧洲再分析资料分解的高度扰动和温度扰动之间存在的静力平衡关系,得到大气扰动分量可以直接指示台风强度随时间的相对变化。本文研究指出,各家发布的路径资料以及再分析资料对台风的定强都有差异,但大气变量分解后的扰动分量对台风强度变化有一定指示意义,可为诊断和预报提供参考。     

大连地区冬季气温异常与前期印度洋海温的关系

利用近40a全球海温、500hPa高度场、300hPa纬向风场和海平面气压场月平均资料以及大连地区冬季的气温资料,分析了大连地区冬季气温异常的变化特征,探讨了大连地区冬季气温异常与前期印度洋海温异常的相互联系。结果发现:影响大连地区冬季气温的海温异常关键区位于5°S~5°N、60°~75°E,关键影响时段为当年的4~7月;长时间的海气相互作用使前期的海温异常影响了后期的大气环流,在关键海区冷、暖水年,海平面气压距平场、500hPa高度距平场、300hPa纬向风距平场都存在着显著的差异;其中西伯利亚高压、极涡的位置、东亚大槽的强弱、极锋急流都差异显著,从而导致大连地区冬季气温的异常。     

中国东北南部冬季气温异常及其大气环流特征变化

该文在对东北冬季气温异常的时空变化特征进行分析的基础之上，利用NCEP/NCAR再分析资料，探讨了影响其异常的同期因子——该地区上空大尺度环流异常特征。发现:东北冬季气温20世纪80年代中期以前处于冷期，60年代达到低谷，80年代中期以后一直处于暖期，90年代为49年来最暖期，1986年是由冷转暖的明显突变点；气温异常存在3～4年、8～9年的年际周期及16～18年的年代际周期；东北地区冬季气温异常与黄河以北地区一致性非常好，是49年全国增暖最显著的地区之一；冷、暖冬年，欧亚中高纬度大气环流异常存在显著的差异，西伯利亚高压、亚洲极涡、贝加尔湖高压脊、东亚大槽及极锋急流是影响其异常的同期重要因子。     

山西夏季气温异常特征分析

首先分析了山西夏季气温异常的时空变化特征,并利用NCEP再分析资料和北太平洋海温资料,探讨了影响山西夏季气温异常的同期、前期因子。结果表明:近46年来,山西夏季气温的变化趋势不显著,上升趋势仅为0.04℃/10a。夏季气温的年代际变化特征明显,20世纪60年代至70年代中期是偏暖期,70年代后期至80年代末则为偏冷期,90年代后期进入偏暖时期。夏季气温变化趋势区域差别较大,北部、中部是增暖趋势,南部的大部分地区则是变冷趋势。冷、暖夏年同期和前期的大气环流形势差异显著,极涡、高纬地区的阻高和副高是影响山西省夏季气温异常的关键系统。前期冬、春季的LaNina事件可作为山西夏季气温异常的前兆信号。     

2008年海洋和大气环流异常及对中国气候的影响

2008年,尽管总体来看,全国天气气候的持续异常较弱,未发生大范围持续干旱和严重洪涝灾害,但依然出现了非常显著的天气气候异常特征,如全国平均年降水量比常年偏多,为近10年来降水最多的年份;夏季华南降水异常偏多,黄淮降水偏多;年平均气温偏高,但冬季气温偏低,年初南方遭遇罕见低温雨雪冰冻灾害;在南海和西太平洋生成的台风个数明显偏少,但是登陆台风偏多,初台异常偏早.分析发现,2008年赤道中东太平洋总体处在冷水位相,受海洋异常强迫和海气相互作用的影响,北半球大气环流表现出的主要特征是:500hPa西太平洋副高强度和位置变化较大;冬夏季风均偏强;冬春季西太平洋暖池区热带对流活动偏强,夏秋季则偏弱;1月份,亚洲中高纬度经向环流异常发展,2至4月份则以纬向环流为主,春季后期至秋季,经纬向环流的转换较快,环流的持续性较弱.这些环流异常是影响2008年中国气候异常的主要原因.     

发展与不发展南海扰动的能量收支与转换特征

利用多年逐月海温距平和区风应力距平观测资料,运用线性回归和ＥＯＦ分析方法,分析了ＥＮＳＯ相联系的热带太平洋典型风应力异常场结构。结果显示,与ＥＮＳＯ线性相关的风应力异常场在时间尺度上表现为低频变化,在水平结构上主要表现为四个典型分布。     

近赤道太平洋表层和斜温层海温的变化与ENSO

用ＮＭＣ１９８２～１９９３年海洋再分析资料集,分析近赤道太平洋（１０°Ｓ～１０°Ｎ）海洋上层（０～４００ｍ）温度的季节和年际变化特征。分析揭示,上层海温的年际变化比季节变化大。在ＥＮＳＯ年或反ＥＮＳＯ年,由于斜温层深度变化大,斜温层附近的海温异常比海表还大,无论在西太平洋暖水区,还是东太平洋冷水区,斜温层附近温度距平都可达±７°℃以上,而且西太平洋暖水区的最大异常出现在赤道两侧４°～９°区域。     

1951～2007年南疆地区气温异常的时空变化特征

采用1951～2007年南疆地区站点月平均气温资料和NCAR/NCEP气候月平均资料,运用二项式系数加权平均法、Morlet小波变换等方法分析了南疆地区冬季和夏季气温的季节—年际气候变化特征,及气温异常的时空变化特征.结论如下:南疆地区冬季和夏季气温在气候态上差异明显,1980年代以前的冬季主要为气温负异常,1980年代以后呈现气温异常升高,到2000年以后又开始出现偏冷趋势;夏季气温偏差小于冬季,57 a间南疆夏季气温大致出现两波振荡,异常偏热期大致处于1950年代、1970年代后期和21世纪初,呈20～25 a振荡.冷冬年的频次多于暖冬年,热夏年的频次多于凉夏年.偏冷年在57a时间段内所占比例最多,气温异常低的幅度大于气温异常高的幅度.南疆冬季气温存在2个显著振荡:6～10 a的年际周期和18～20 a的年代际周期;夏季气温有1个最显著的振荡,稳定的20 a为中心的周期.不同的年代和季节气温及气温偏差分布各不相同.从气温长期演变趋势来看不论冬夏南疆北部(天山山脉以南)气温升高,塔里木盆地以及南疆南部地区气温降低.冬季升温区的升温幅度比夏季升温区大,夏季降温区的降温幅度比冬季降温区大.     

长江中下游盛夏持续性高温干旱对短期降水影响的数值试验

应用IAP 2-L AGCM模式,并考虑了下垫面异常,模拟了长江中下游盛夏不同强度的持续性地表高温干旱对短期天气的影响。结果表明,这种持续性高温干旱对长江中下游及我国东南沿海短期降水有十分明显的影响,持续高温干旱的强度不同,其影响结果不同。持续性适度高温和严重干旱造成短期降水减少,高温干旱仍继续维持达1个月的正反馈过程。在此持续过程中,土壤湿度变化起主导作用,而土壤热力状况的影响相对较小。     

与ENSO相联系的热带太平洋典型风应力异常场结构

利用多年逐月海温距平和风应力距平观测资料,运用线性回归和EOF分析方法,分析了与ENSO相联系的热带太平洋典型风应力异常场结构。结果显示,与ENSO线性相关的风应力异常场在时间尺度上表现为低频变化,在水平结构上主要表现为四个典型分布。其中,分布型1主要表现为日界线以东赤道地区东风异常和赤道风应力场辐散;分布型2主要表现为日界线以东赤道地区西风异常和经向异常风应力向赤道气流;分布型3主要表现为日界线以东赤道偏南地区西风异常和风应力场辐合,日界线以西为东风异常;分布型4主要表现为160°W以东的弱东风异常和160°W以西的西风异常。与ENSO线性无关的风应力场主要表现为高频过程,在水平空间结构上其典型场主要位于赤道外地区。还用与ENSO有关的那部分回归风应力异常场强迫海洋距平模式,成功地再现了ENSO的主要信号。这表现观测揭示的典型风应力异常型对于El Nino的产生是根本性的。      

TYPICAL ANOMALOUS WIND STRESS PATTERNS IN TROPICAL PACIFIC ASSOCIATED WITH EL NINO/SOUTHERN OSCILLATION

Based on years of month-to-month observations of sea surface temperature anomaly (SSTA) and wind stress anomaly, typical wind stress patterns in the tropical Pacific associated with ENSO are Studied with the techniques of linear regression and EOF analysis. The anomalous field, which is linearly correlated with ENSO, is found to be varying at low frequencies on the temporal scale and to be in four typical patterns of distribution horizontally.Pattern 1 is of the easterly anomaly and wind stress divergence in the equatorial region east of the date line. Pattern 2 is of the westerly anomaly and wind sttess convergence in the equatorial region east of the date line. Pattern 3 is of the westerly anomaly and wind stress convergence south of the Equator but east of the data line, with the easterly anomaly west of it. Pattern 4 is of the weak easerly anomaly east 160°W and the westerly anomaly west of 160°W. Wind stress fields linearly independent of ENSO are of a high-frequency process with a typical pattern off the Equator that has a large horizontal amplitude. Using an ocean anomaly-forcing model with the regressed wind stress anomaly field that is associated with ENSO, principal signals of ENSO are reproduced. It indicates the fundamental nature of the typical wind field anomaly patterns revealed for the genesis of El Nino.