西北东部夏季极端干旱事件机理分析

利用国家气候中心提供的1951—2012年逐日降水、温度、综合气象干旱指数、逐月NCEP/NCAR再分析资料等,采用REOF分析、动力诊断、相关分析以及合成分析等方法,从大气环流异常特征、高空急流与季风异常等方面揭示西北东部夏季极端干旱事件的可能机理。研究发现西北东部夏季发生极端干旱时,副热带急流轴"倾斜",且急流与东亚夏季风强度均处于相对偏弱阶段。极端干旱的成因研究表明:急流轴"倾斜"及其强度减弱导致西北东部地区高层大范围的异常辐合;该地区为水汽源区,对流层整层水汽收支显著亏损;此外,该地区低层盛行来自内陆干旱区的异常西南风,东亚夏季风强度偏弱,高低层配置及大尺度环流形势不利于降水产生。     

2000年后中国北方东部地区夏季极端降水减少及水汽输送特征

本文研究了1961～2016年中国北方东部地区夏季极端降水日数和极端降水贡献率的年代际变化特征,并进一步分析了该地区极端降水和普通降水的大气环流和水汽输送的差异。主要的研究结果表明:1961～2016年中国北方东部地区夏季极端降水日数和极端降水贡献率在2000年前后发生显著年代际变化,2000年后夏季极端降水天数和极端降水贡献率显著减少。与1984～1999年相比,2000～2016年在对流层高层从欧洲大陆、中亚到东北—蒙古地区,位势高度异常呈现出“正—负—正”的大气波列,从而造成北方东部地区上空为正压的位势高度正异常控制,伴随着下沉运动,大气层结趋于稳定,这些环流条件不利于极端降水发生。2000年后负位相的太平洋年代际振荡（PDO）和正位相的北大西洋多年代际振荡（AMO）共同加强了北方东部地区上空的正位势高度异常。进一步研究表明,极端降水与普通降水的水汽输送和收支以及关键的局地大气系统存在着显著差异,较普通降水而言,极端降水在南北向水汽输送和收支上更强;北方东部地区低空为较强的闭合低压控制,并不断受到高层高位涡空气下传的影响。     

夏季副热带行星波动振幅变化与我国极端降水的关系

围绕夏季副热带行星波动的振幅异常,分析其与我国极端降水的关系,并探讨可能的影响机制。结果表明,北半球夏季行星波振幅强、弱年的差异主要表现在北太平洋副高和北大西洋副高的增强,并伴随着欧亚大陆的低压加深,即表现为海陆热力差异的增加和东亚夏季风环流的加强。在振幅强年,极端降水强度在我国北部明显加强,极端降水雨带异常偏北,而我国长江中下游流域极端降水则减弱,弱年则相反。伴随着增强的季风环流,在振幅强年水汽输送到达我国北部明显增强。同时,在大气低层我国绝大部分地区对流不稳定加剧;而在对流层中高层,我国北方地区斜压不稳定加剧,这都有利于振幅强年我国偏北部地区的极端降水偏强      

华中地区夏季区域性极端日降水事件变化特征及环流异常

利用1961—2010年夏季(6—8月)华中区域239个中国国家级气象台站逐日降水观测资料及NCEP/NCAR再分析资料集,对华中地区夏季区域性极端日降水事件及环流异常进行了分析,结果表明:华中地区夏季区域性极端日降水量的99百分位阈值为23.585 mm/d,20世纪80年代中期以后的极端日降水事件明显偏多,且6月下旬至7月中旬为华中地区极端降水多发期。极端日降水事件由具有从低层到高层呈斜压结构的异常环流控制,其南侧的水汽通过孟加拉湾与中国南海地区的异常反气旋外围呈阶梯状输送至华中地区。位于青藏高原东北侧的波作用量通量向华中地区的辐合有利于华中地区上空波动扰动的产生和维持,同时极端日降水事件的发生亦与华中地区的大气净加热及华中周边大范围区域中的净冷却形成的加热场梯度有关。这些结果表明华中地区夏季区域性极端日降水事件有显著的年际和年代际变化,且极端事件的发生与华中地区气旋性环流异常、青藏高原东北侧地形强迫、以及华中地区与周边非绝热加热梯度异常关系密切。     

青藏高原夏季降水的区域特征及其与周边地区水汽条件的配置

使用青藏高原地区97个测站1961-2005年6～8月降水总量及同期NCEP/NCAR月平均 u, v风、比湿和300 hPa位势高度等再分析资料, 首先使用旋转经验正交函数分解方法得到青藏高原夏季降水的4种主要分布类型, 之后利用相关分析方法, 分析了与4种降水类型匹配的水汽输送以及相应的环流背景, 最后使用合成分析对高原异常旱涝年的水汽输送和环流形势的差异进行了分析.结果表明, 青藏高原夏季降水的主要气候特征是南部与北部降水异常呈现相反分布的特征, 其水汽输送和环流形势配置差异显著.如果孟加拉湾海区向北的水汽输送和东部海洋向西的水汽输送加强, 同时乌拉尔山阻高强盛, 东亚从低纬至高纬呈现 " - "位势高度环流形势时, 有利于西南水汽输送并与来自东部海洋的水汽形成辐合, 造成高原夏季降水偏多, 反之降水则偏少.     

中国东部夏季极端降水时空分布及环流背景

基于中国测站的降水资料和NCEP/NCAR逐日再分析资料,取第95百分位数作为极端降水阈值,通过经验正交函数分解(EOF)方法将中国东部分为华南、长江中下游、华北和东北三个地区,定义极端降水事件,并对中国东部夏季极端降水时空分布及环流背景进行研究。结果表明,极端降水事件随日期的变化与中国东部夏季雨带的南北移动相吻合。近54年来,华南极端降水事件频数在1991年左右突增,长江中下游地区有两次突变,1991年左右突增,2000年左右突减。华北和东北地区在1999年左右突减。发生极端降水事件时,低层850 hPa出现局地异常气旋环流,位势高度异常降低,对应低空异常辐合;中层500 hPa,西太副高位置异常偏南有利于华南极端降水的发生,副高西伸有利于长江中下游的极端降水,位置偏北易造成华北和东北极端降水;高层200 hPa,发生极端事件时降水关键区位于西风急流轴右侧,对应异常反气旋环流,这种高层辐散低层辐合的环流配置为极端降水提供动力条件。极端降水的气候平均态水汽主要来源于南半球和西北太平洋。副高的位置异常影响我国东部水汽输送异常,造成不同地区的极端降水。      

秋行夏令:2021年10月初北方致灾性持续暴雨及水汽极端性分析

2021年10月3—6日,我国北方地区经历了历史罕见的持续性极端强降水过程,暴雨中心稳定维持在陕西中部、山西、京津冀、辽宁等地南部和山东北部,给上述地区造成了巨大的经济损失和严重的人员伤亡。基于台站观测降水、NCEP/NCAR和ERA5再分析资料诊断了本次降水过程的极端性。结果表明,本次暴雨过程无论是降水强度、持续时长还是经向水汽输送均表现出典型北方夏季暴雨和大气环流配置特征。上述五省二市区域平均的过程累计雨量强度远远超过秋季其他暴雨个例,即使在夏季也位列第二。本次过程的极端性与强降水中心稳定在上述地区密切相关。上述五省二市区域平均降水连续4日均超过15 mm,这在秋季历史上从未出现过。除过程的极端性强外,9月山西等地降水异常偏多对10月初秋涝也起到了叠加作用。本次秋涝对应的大气环流呈现出典型的北方夏季主雨季环流型,表现为西太平洋副热带高压（副高）偏西偏北,副高西侧的经向水汽输送异常强盛,同时10月4—6日北方地区发生一次强冷空气过程,冷暖气流交汇在上述地区。水汽收支计算表明,本次过程的经向水汽输送强度为秋季历史之最,甚至超过了盛夏时期北方大部分暴雨过程水汽输送强度。上述分析结果表明,即使在仲秋时节亦可产生有利于北方极端持续暴雨的环流形势和水汽输送,并导致秋涝发生。     

夏季长江中下游流域性极端日降水事件的环流异常特征及其与非极端事件的比较

利用1979—2008年夏季(6—8月)的NCEP/NCAR再分析逐日资料与中国743测站的逐日降水资料,对长江中下游地区流域性极端降水(99百分位,也称为极端强降水)、85～90百分位、75～80百分位降水事件进行合成分析,比较了不同百分位降水事件的环流异常特征。结果表明:长江中下游地区流域性极端日降水量的99百分位阈值为25 mm/d。各类降水事件在梅雨汛期出现频率较高。1990年代以后的极端日降水事件明显偏多。在各百分位降水事件中,在对流层中、低层,长江中下游地区均受气旋性异常环流控制,但对流层高层异常环流特征明显不同。无论在低层还是高层,极端事件的异常环流比非极端事件的异常环流强。不同百分位降水事件的水汽主要来源亦有所不同。极端降水事件中,由孟加拉湾直接辐散至长江流域的水汽较强,而在非极端降水事件中,则是来自南海地区的水汽明显偏强。非绝热加热率、与-的异常分布在各百分位降水事件中的分布较为一致,但强度随降水强度的减小而明显减小。另外,极端日降水事件与85～90百分位的降水事件在太平洋上都存在着北负南正的海温分布,但极端降水事件相应的海温异常明显偏强。而在75～80百分位降水事件中,海温并未出现明显异常。说明极端日降水事件的形成与较强的局地环流异常、与中纬度和热带西太平洋-南海区域的环流异常直接相关,与太平洋海温异常存在可能的密切联系,而非极端事件则主要与局地性异常环流有关。这些结果有利于人们认识和预测极端日降水事件的发生。     

中亚和南亚热力差异对塔里木盆地夏季降水的影响

利用美国国家环境预测中心/美国国家大气研究中心(NCEP/NCAR)再分析月平均资料和新疆83站降水资料,分析了1961~2010年南亚和中亚对流层中低层热力差异对塔里木盆地夏季降水的可能影响机制。研究结果表明,塔里木盆地夏季降水与中亚和南亚对流层中低层温度密切相关。当南亚对流层中低层偏暖,中亚偏冷时,500 h Pa中亚上空和蒙古上空分别为异常气旋和反气旋环流,在二者共同作用下,塔里木盆地上空盛行异常的偏南气流,有利于低纬海洋的暖湿气流北上,形成有利于降水的环流条件。同时阿拉伯海上空为异常反气旋环流,中亚上空为异常气旋环流,形成塔里木盆地夏季降水水汽的两步型输送,阿拉伯海水汽被输送至中亚和新疆地区。中亚对流层中低层温度变化主要影响500 h Pa环流,南亚对流层中低层温度变化在低纬水汽向北输送过程中扮演主要角色。青藏高原夏季风偏强时,600 h Pa高原北侧对应异常反气旋环流,异常偏北风引导高纬度冷空气南下,导致中亚区域对流层中低层偏冷,而南亚对流层中低层偏暖则与热带印度洋显著增暖密切相关。     

1960—2009年中国夏季极端降水事件与气温的变化及其环流特征北大核心CSCD

使用1960—2009年中国610个气象站逐日降水和气温资料及NCEP再分析资料,采用奇异值分解方法研究了近50年中国夏季平均气温与极端降水事件频数的关系,并对比分析了两者变化相应的大气环流差异。结果表明,我国的西北和长江以南地区极端降水事件频数与气温呈正相关关系,而东北—西南走向一带为负相关关系。夏季气温和极端降水事件均在1992年左右发生突变。突变前850hPa风场存在一个中心位于内蒙古的异常大陆气旋环流,而突变后变为异常大陆反气旋环流,这个异常气旋(反气旋)会增强(削弱)冷空气南侵入我国,从而导致我国气温突变后高于突变前。突变前,西部和长江以南地区分别为异常西风水汽输送和异常西南水汽输送,水汽均为异常辐散,极端降水事件偏少;东北—西南一带为异常西南水汽输送,水汽异常辐合,极端降水事件偏多;突变后,反之。     

2021年京津冀秋季降水10～20 d低频振荡特征

研究京津冀地区的降水异常特征对提高秋季延伸期降水的认识和预测能力具有重要作用。近年来京津冀地区“夏雨秋下”现象频繁发生,表现出秋季降水强度增强、极端降水增多特征。2021年京津冀地区秋季降水为1981年以来最多的一年,10月降水量多站突破历史极值。利用京津冀地区秋季逐日降水资料和NCEP/NCAR再分析资料,采用Morlet小波分析和Lanczos滤波等方法,对京津冀地区2021年秋季降水的低频振荡周期与大气低频环流特征演变进行分析以探究其异常特征。结果表明,2021年京津冀地区秋季降水的主要低频振荡周期为10～20 d,低频振荡方差达44%。低频降水活跃期500 hPa大气低频环流表现为低压异常前存在辐合运动,有利于低层异常气旋发展加强和上升运动加强;低频降水活跃期850 hPa有异常气旋自南向北移动至京津冀上空,有利于南方暖湿气流向京津冀地区输送。水汽输送强度会影响降水过程的强度,水汽输送强度越强,降水强度越大。     

青藏高原地区5月热力差异和后期夏季北疆降水的联系

基于美国国家环境预测中心/美国国家大气研究中心(NCEP/NCAR)再分析月平均资料和新疆70站降水资料,分析了1961~2010年5月青藏高原地区地表热力异常差异和新疆夏季降水的联系。奇异值分解(SVD)分析发现,当5月青藏高原视热源偏弱,高原西北部地区偏强时,北疆夏季降水偏多。定义了一个热力差异指数来表征两个区域热力异常的对比程度,发现考虑这种大尺度热力差异对比要比单一地区与区域气候有更为密切的联系。当热力差异指数为负时,即5月青藏高原视热源偏弱,其西北部视热源偏强时:(1)西亚副热带西风急流位置偏南;(2)500 h Pa中亚上空和贝加尔湖上空分别对应异常气旋和反气旋环流,在二者共同作用下,北疆上空盛行异常的偏南气流,有利于低纬度的暖湿气流北上,形成有利于降水的环流形势;(3)印度半岛上空为异常反气旋环流,中亚上空为异常气旋环流,形成北疆夏季降水水汽的两步型输送,阿拉伯海水汽被输送至中亚和新疆地区。偏相关分析发现,青藏高原热力异常主要影响对流层中高层大气环流和水汽输送的第二步环流条件,高原西北部热力异常则影响水汽输送的第一步环流条件。     

淮河流域夏季极端降水频次空间分布的客观分类及其形成机理

本文基于1961～2016年淮河流域四省（江苏、安徽、河南、山东）逐日降水观测资料及全球大气再分析资料,利用K均值聚类、旋转经验正交函数分解对淮河流域夏季极端降水频次分布进行了客观分类,利用统计诊断和数值模拟的手段讨论了其相关环流异常和形成机理。结果表明:（1）淮河流域夏季极端降水频次的空间分布可客观分为以极端降水主要发生在淮河流域33°N以南地区的南部型,主要发生在32°～36°N之间的中部型,和主要发生在34°N以北的北部型这三种分布类型;（2）南部型极端降水频次分布与西北太平洋副热带高压异常偏西偏南有关,西北太平洋异常反气旋北侧的异常气旋性环流使得水汽输送停留在淮河流域南部,导致南部极端降水频次偏多。中部型对应淮河流域受鞍型场环流结构控制,导致中部极端降水频次偏多。北部型极端降水频次分布时,淮河流域处于反气旋性环流异常西南侧,偏南风将水汽输送至淮河流域北部,导致北部极端降水频次偏多;（3）南部型和北部型的极端降水频次分布相关环流异常分别受厄尔尼诺和拉尼娜相关海表温度异常所影响,而中部型极端降水频次分布的相关环流异常是巴伦支海/喀拉海海冰异常在欧亚大陆上空激发的自西北向东南传播的准定常罗斯贝波所导致的。     

华北夏季大气水汽输送特征及其与夏季旱涝的关系

本文利用ECMWF再分析资料ERA40和中国160站的降水资料,分析了我国华北地区1958年-2002年夏季的大气水汽含量和水汽输送的基本气候特征,研究了华北夏季旱涝年的大气水汽含量和水汽输送异常情况,最后利用线性回归的方法探讨了该地区大气水汽含量和水汽输送的变化趋势.结果表明:华北地区夏季降水的大气水汽来源主要有3支:来自孟加拉湾的水汽、来自我国南海和西太平洋的水汽以及中高纬西风带的水汽输送.华北地区对流层低层以经向水汽输送通量为主,到了中高层则以纬向输送通量为主;与华北地区夏季旱涝密切相关的异常水汽输送主要是南海和西太平洋以及西风带水汽输送异常,华北地区南边界水汽输入异常和东边界水汽输出异常是造成华北夏季旱涝年水汽收支异常的主要原因;近半个世纪以来,伴随着华北干旱化的加剧,华北地区南边界输入的大气水汽呈现显著的减少趋势.     

2021年8月西南地区东部降水异常偏多的水汽条件分析

2021年8月西南地区东部降水量为1961年以来同期第2多,比历史最多的1998年仅差0.9 mm,极为异常。利用西南地区东部118个气象台站1961—2021年夏季8月逐日降水资料及ERA5逐月高度场、纬向风、经向风、比湿和水汽场等再分析资料,采用拉格朗日水汽轨迹模式和现代统计诊断方法,分析了2021年8月西南地区东部降水出现异常偏多的主要水汽输送条件和水汽来源、造成降水异常的大气环流特征等。结果表明：2021年8月西南地区东部水汽的净流入主要来自于对流层中、低层,以低层的水汽贡献最大;2021年8月水汽输送路径有一定的独特性,以低层来自于我国东部地区的水汽路径的轨迹数量最多,与以往水汽主要轨迹和贡献来自南部路径的特征有所不同。2021年8月西南地区东部降水异常偏多与大气环流异常紧密相关,主是体现在500 hPa高度场上乌拉尔山附近和鄂霍次克海阻高异常偏强、中纬度低值系统(东北低涡等)异常活跃、印度低压偏弱和和西太副高异常西伸且强度偏强;大气环流系统引导下有利的水汽输送造成了西南地区东部降水的异常偏多。印度洋海温的持续偏暖可能是维持2021年8月西太副高持续偏强、偏西的重要外强迫因子...     

基于多年卫星遥感的江苏省夏季城市热岛特征分析

利用2003—2020年的MODIS土地覆盖类型和地表温度等数据,从地表温度、气温和城市化的角度分析了江苏省夏季城市热岛强度和面积的时空分布和变化趋势。结果表明：近20 a快速的城市化导致了江苏省夏季热岛强度(0.07℃·a^-1)和热岛面积(529 km²·a^-1)整体均呈增加趋势;其中热岛强度前期受城区升温影响,呈明显增强(0.18℃·a^-1),后期受郊区升温影响,呈明显减弱(-0.14℃·a^-1);热岛面积变化主要由弱热岛面积(297 km²·a^-1)和较强热岛面积(192 km²·a^-1)的增长趋势主导,强热岛面积呈前期增长(133 km²·a^-1)和后期减少(185 km²·a^-1)的变化趋势;高温对整个城区的热岛效应影响有限,但对城市核心区的热岛效应影响明显,对应的强热岛面积增加和热岛强度增强。     

1991和1994年南京夏季降水异常与副热带东北太平洋海温异常的联系及成因

利用1979-2015年降水观测资料、海表温度资料及NCEP/NCAR再分析资料,研究了南京夏季降水的时间变化规律,发现南京夏季降水具有明显的年际和年代际变化特征,且总体呈增多趋势。1991年南京夏季降水为极端正异常年份,距平为343.92 mm;1994年南京夏季降水为负异常年份,距平为-273.78 mm。南京夏季降水与副热带东北太平洋（美国加利福尼亚地区西海岸）海温异常存在显著的负相关关系,1991年副热带东北太平洋海温负异常,1994年副热带东北太平洋海温无显著异常。1991年副热带东北太平洋海温负异常,引起该地区上空低层辐散、高层辐合,热带中东太平洋上空低层辐合、高层辐散,这样的环流异常引起中东太平洋上空存在异常上升运动,该异常上升运动则通过纬向垂直环流引起菲律宾附近产生下沉运动并抑制该地区对流活动,激发出负位相的EAP/PJ型遥相关波列,引起了包括南京在内的长江流域降水正异常;同时,水汽由菲律宾地区向南京地区输送并辐合,有利于南京地区1991年夏季降水偏多。1994年副热带东北太平洋海温无显著异常,菲律宾附近对流活动活跃,激发出正异常的EAP/PJ型遥相关波列;同时,水汽由黑潮延伸区经日本列岛向西输送,南京地区为水汽辐散区域,使得1994年南京夏季降水负异常。     

山东夏季空中水汽分布和水汽输送特征

利用山东省气象站的降水量资料和JRA-55、NCEP/NCAR再分析资料,分析了1962-2016年山东夏季整层大气可降水量、降水转化率、水汽通量及输送路径的分布特征和变化规律,探讨了夏季降水与水汽通量及其散度的相关性和多雨年的水汽来源。结果表明:从常年值来看,山东平均夏季降水量为401.2 mm,大气可降水量为3478.8 mm,降水转化率为11.5%。降水转化率和降水量的时空演变特征更加一致,经向水汽输送和局地水汽通量散度与地面有效降水的关系更加密切,当大气可降水量充沛、外部水汽输送充足并出现局地水汽辐合时,更加有利于山东南部地区降水的发生发展,从而形成夏季降水量和降水转化率气候特征表现出东南地区大于西北地区的空间分布型态。西北太平洋、南海、孟加拉湾和鄂霍茨克海至日本海是造成山东夏季降水异常偏多的重要水汽源地,巴尔喀什湖至贝加尔湖地区是重要的冷空气输送区域;当山东上游盛行偏西风时,自新疆和青藏高原至内蒙古的狭长带出现异常水汽扰动并发展,是由水汽异常引起的水汽通量异常对山东局地降水异常贡献的主要条件。     

2013年夏季内蒙古地区降水异常分析

利用1961—2013年内蒙古地区102个气象台站的观测数据和NCEP再分析资料,分析了内蒙古地区2013年夏季降水特征和降水异常的成因。结果表明:内蒙古夏季降水的整体特点是雨带偏北,6、7月全区大部降水偏多,8月降水强度、范围减弱、减小。大气环流特征为东亚夏季风强度偏强,西北太平洋副热带高压偏强偏北,北太平洋涛动处于负位相,鄂霍次克海阻塞高压稳定维持。受鄂霍次克海阻塞高压阻挡,西北冷空气在内蒙古东北地区堆积,而西北太平洋的反气旋环流又将水汽源源不断的输送到此地,冷暖气流交汇造成该地区降水极端异常。     

江西省夏季降水年际变化的机理研究

通过对观测资料和大气再分析资料的诊断分析,研究了影响江西省夏季降水变率的物理机制。结果表明江西省夏季降水存在显著的年际变率。极端条件下,降水偏多的夏季可达降水偏少的夏季的降水量的三倍。中纬度地区的准静止波列和热带关键海区的海温异常是造成江西夏季降水异常的主要原因。当江西省夏季降水偏多时,欧亚大陆地区存在"正—负—正"的准正压Rossby波列结构,位于贝加尔湖的正活动中心能引导干冷空气南下,从而有利于江南地区的锋生和江西降水的增加。此外,当江西省夏季降水偏多时,前期冬季中东太平洋地区有El Ni1o事件的活动,并能通过大气桥在夏季印度洋地区形成正海温异常。通过"印度洋电容器"机制,印度洋的暖海温能激发向东传播的Kelvin波,引起菲律宾地区降水的减少。菲律宾地区抑制的降水能激发向北传播的EAP/PJ波列,使得西太平洋副热带高压西伸增强,从而有利于水汽向江南地区的输送,并造成江西夏季的降水增加。