华北地区“16·7”极端强降水事件之环流及扰动能量变化特征

2016年7月18—22日在华北地区发生了一次极端强降水事件，其中19—20日降水较为集中，20日降水最强。本文利用NCEP/NCAR再分析逐日风场资料和国家级地面气象站基本气象要素日值数据集，研究了本次事件的Rossby波活动及能量变化，结果表明：本次极端强降水事件持续时间约5 d，雨带呈西南—东北走向。华北地区受对流层中低层的气旋性异常环流和对流层上层反气旋性异常环流的控制，水汽则主要源于孟加拉湾和中国南海地区。发生极端降水期间，波扰动能量在对流层低层主要呈经向传播而在对流层上层呈纬向传播，对流层低层的波扰动能量对华北地区的影响比上层更为明显。涡动动能在华北地区的增强和维持主要是涡动非地转位势通量散度项、涡动有效位能和涡动动能的斜压转换项以及其他剩余部分与摩擦耗散引起的能量损耗之和的共同作用，涡动动能在19日增强、20日维持，随后减弱。涡动热量通量变化显示低层有暖湿空气向北输送，高层有干冷空气向南输送，支持了正压和斜压转换，而华北地区上空涡动动量通量的变化则使得基本气流中的涡动动能增强，这些变化影响到极端降水事件的发生发展。     

2020/2021年冬季大范围低温寒潮过程中一种典型的平流层—对流层耦合演变模态

平流层爆发性增温（SSW）超前于对流层环流异常,是延长冬季寒潮低温预报时效的重要途径之一。然而强SSW事件前后地面温度响应的区域和时间存在不确定性,其中涉及的平流层—对流层耦合过程和机理也不十分清楚。本文采用1979～2021年ERA5再分析数据集,研究了2020/2021年冬季“偏心型”强SSW事件前后中高纬度地区地面温度异常的演变特征,并分析了其与等熵大气经向质量环流平流层—对流层分支的耦合演变模态的动力联系。结果表明,伴随此次强SSW事件,亚洲和北美中纬度地区的寒潮低温事件分别在绕极西风反转为东风之前和再次恢复为西风之后发生。SSW前后大气经向质量环流的平流层向极地暖支与对流层高层向极暖支、低层向赤道冷支之间呈现出三个阶段的耦合演变模态: 同位相“加强—加强”、反位相“加强—减弱”以及反位相“减弱—加强”。加强的质量环流对流层向赤道冷支是SSW前后寒潮低温事件的主要原因,而加强的向极地平流层暖支是SSW发生及其伴随的北极涛动负位相持续加强的主要原因。大气经向质量环流不同的垂直耦合模态取决于行星波槽脊在对流层顶和对流层中低层两个关键等熵面上的西倾角异常。西倾角异常表征大气波动的斜压性,主要通过影响关键等熵面以上向极地的净质量输送和其下向赤道的净质量输送进行调控。尤其在SSW发生后的极涡恢复期,对流层顶处异常偏弱的斜压性会加强对流层向极地暖支,进而加强向赤道冷支,有利于寒潮低温的发生。本次SSW事件前后大气经向质量环流三支的耦合演变模态,与历年平流层北半球环状模（NAM）负事件中极区平流层温度异常信号下传滞后的平流层—对流层耦合演变类型相一致,其在波动尺度方面也存在共同特征,即SSW事件或NAM负事件前期对流层一波加强且上传,后期对流层二波加强但较难上传。     

华南冬末春初降水变异关联主模态及机理

基于1951—2018年再分析资料和观测的降水量资料,采用联合经验正交函数分解的方法,分析了华南冬末春初(2、3月)降水年际变异特征,并讨论了相应的环流背景及物理机制。华南2、3月降水变异的第一关联主模态反映出全区2、3月同相变化,第二模态呈现反相变化。第一模态的降水异常与ENSO关联的热带海温异常分布有关,其导致的西太平洋异常反气旋的维持使得2、3月的降水持续出现同相异常。第二模态的降水异常与中高纬度的大气环流异常有关：2月表现为欧亚遥相关型,3月则表现为北极涛动型。第二模态2、3月位势高度异常型的转变分别与北大西洋的热通量的异常变化及平流层极涡信号的下传有关：当2月北大西洋热通量正异常显著时,500 hPa高度场呈现欧亚遥相关(EU)负位相的分布;平流层极涡异常信号在3月下传达到对流层低层,使得3月对流层极涡增强,有利于北极涛动(AO)正位相的形成。2、3月欧亚大陆上空分别在EU遥相关型和AO型环流异常的影响下,导致了华南地区上空的大气环流的辐合辐散异常,并最终造成2、3月华南的降水量反相异常的出现。     

球面斜压大气中上传行星波与纬向平均气流的相互作用

本文指出在球面斜压大气中的行星尺度扰动与纬向平均气流相互作用中必须考虑非地转风分量对位涡度南北方向输送的作用,从而证明了球面大气中行星尺度运动的波作用守恒,并求得球面大气中的行星尺度扰动与纬向平均气流相互作用的欧拉平均运动方程组。 本义利用1979年2月的实际天气观测资料分析了北半球一次对流层阻塞形势建立与平流层爆发性增温过程的行星波与纬向平均气流的相互作用。从分析结果可以看到:由于行星波向上传播,使得在高纬度对流层中、上层出现行星波的波作用通量(也称E-P通量)辐合,使得西风气流减速,因而在高纬度对流层中、上层形成阻塞形势。并且,随着行星波的继续向上传播,使得平流层下、中层的基本气流相继减速并出现东风,因而在平流层下、中层出现爆发性增温。然而,由于高纬度对流层低层出现东风,行星波不能往上传播,在上层波的E-P通量矢量变成辐散,气流由东风又变成西风。     

2011～2012年冬季欧亚大陆低温严寒事件与平流层北极涛动异常下传的影响

利用NCEP-NCAR 再分析资料分析了2011～2012 年冬季发生在欧亚大陆的一次异常低温严寒事件的大气环流演变过程以及可能的成因。这次低温事件,主要出现在2012 年1 月下旬至2 月上旬,持续大约3 周左右,非常强的低温异常覆盖了几乎整个欧洲以及东亚的西伯利亚、蒙古国和我国东北、华北等地。这次低温事件的演变与对流层北极涛动(AO)由正位相转变为负位相的时间相匹配,意味着AO 可能发挥重要作用。进一步分析表明,前期行星波的异常上传导致平流层发生爆发性增温现象,极夜急流减弱,AO 位相首先在平流层由正变负;在2～3 周左右的时间内,平流层AO 异常信号逐渐下传,使得对流层AO 也转为负位相;随后,乌拉尔山阻塞高压异常发展,极区的冷空气不断向南爆发,先后在东亚和欧洲造成剧烈的降温,导致低温严寒事件。因此,考虑平流层环流的异常可能有助于提高欧亚大陆冬季低温严寒事件的预测能力。     

冬季西伯利亚高压动力结构的研究

本文研究了冬季西伯利亚高压建立时期的动力结构。研究得到,在高压建立前期,对流层中以正涡度为主。低层和高层有弱的辐合,中层是辐散;相应在700hPa以下是上升,以上是下沉。但当反气旋发展时,高层为正涡度和辐合气流,低层为负涡度和辐散气流,整层为下沉运动。这表明对流层中、上层的强质量辐合是导致西伯利亚高压发展的一个重要因子。涡度方程的诊断表明,西伯利亚高压区负涡度的出现和加强是对流层中、上层负涡度平流和低层散度项的作用。 另外,西伯利亚高压热平衡计算表明,对流层有深厚的冷却层(热汇)。这种非绝热冷却将在对流层中导致深厚的下沉运动,从而引起中高层的辐合,低层的辐散,有利于高压的加强。因而西伯利亚高压是在动力和热力因子共同作用下形成的。     

中高纬Rossby波活动对盛夏东亚/太平洋事件中期演变过程的影响

在中期时间尺度上探讨了Rossby波活动对盛夏东亚太平洋(EAP)事件的影响。正负EAP事件的形成过程不是简单的反位相过程, 但这一时期的气候平均流波导结构决定了两者在Rossby波能量频散特征上有许多相似之处。在对流层中上层, 源自上游东北大西洋或东欧平原的Rossby波能量经巴尔喀什湖附近向东北方向频散, 它对东北亚异常中心的形成和维持起重要作用。由于盛夏东亚急流位置偏北, 我国华北[CD*2]东北地区成为波导区, Rossby波能量从贝加尔湖附近向该波导区频散, 形成了EAP事件的东亚中纬度异常中心。在EAP事件的三个异常中心中, 东北亚异常中心最先形成, 西太平洋副热带异常中心则最后出现。在对流层上下层波导结构有明显差异, 它导致了Rossby波能量在东亚沿岸中高纬地区的反向经向传播特征。在负事件的对流层低层, 西太平洋副热带异常中心和中纬度两个异常中心间的经向Rossby波链接较为明显。在东亚地区, 盛夏月平均尺度上EAP型的Rossby能量频散特征与中期EAP事件基本一致。     

2014年11月上旬西北太平洋一次极端强度爆发气旋的数值模拟和分片位涡反演分析

基于NCEP 6 h一次,0.5°（纬度）×0.5°（经度）水平分辨率的GFS（Global Forecasting System）再分析数据,利用数值模式WRF（Weather Research and Forecasting）,对2014年11月上旬西北太平洋一次极端强度的爆发气旋事件进行了模拟。在成功复制爆发气旋主要特征的基础上,较详细的分析了本次爆发气旋快速发展的有利环境条件,并利用分片位涡反演的方法,对此次爆发气旋的快速发展过程进行了研究,主要结论如下:（1）本次爆发气旋的爆发性发展阶段维持了约27 h,其最大加深率约为3.98 Bergeron（气旋加深率单位）,最低中心气压约为919.2 hPa。（2）爆发气旋的快速发展与对流层高层高空急流对热量的输送,对流层中层西风带短波槽槽前暖平流和正涡度平流的有利准地转强迫,以及对流层低层暖锋伴随的暖平流过程密切相关。（3）分片位涡反演的结果表明,对流层顶皱褶对应的平流层大值位涡下传和降水凝结潜热过程造成的正位涡异常是本次爆发气旋快速发展的主导因子,而对流层低层的斜压过程贡献相对较小。在气旋爆发期的前期和强盛期,降水凝结潜热释放是爆发气旋发展的最重要因子,而在爆发期后期,随着降水的减弱和爆发气旋的东北向移动,对流层顶皱褶作用所造成的正位涡异常成为维持气旋快速发展的最有利因子。     

一次引发川东暴雨的西南涡特征分析

利用NCEP再分析格点资料、常规观测资料、自动站降水资料、0.1°×0.1°的FY-2E云顶亮温资料,对2013年6月29日至7月1日发生在四川东部的大暴雨过程进行分析,结合涡度收支方程重点分析了引发这次大暴雨的西南涡结构。结果表明：在西南低涡发生发展过程中,对低涡发展起直接作用的是水平辐合辐散项和水平平流项,低涡形成前水平辐合辐散项起主要贡献,低涡形成后水平平流项贡献增大,并在对流层中低层以正贡献为主,扭转项贡献最小,而垂直输送项在低涡形成前期以正贡献为主,低涡减弱阶段以负贡献为主;在西南低涡形成前期,对流层高层有位涡大值区向下传输至中层,中高层正位涡叠加在低层负位涡之上,有利于低层低涡的发展及不稳定能量的存储与释放,是低涡维持发展的重要因素。     

夏季热带大气准双周振荡对西北太平洋台风生成的影响

利用美国海洋大气局（National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA）逐日对外长波辐射（Outgoing Longwave Radiation,OLR)资料、欧洲中期天气预报中心ERA-Interim再分析资料和美国联合台风预警中心（Joint Typhoon Warning Center,JTWC）台风路径最佳资料,考察了热带大气夏季准双周振荡（Quasi-biweekly Oscillation,QBWO）对西北太平洋台风生成的影响,揭示了QBWO对西北太平洋台风生成位置、频数和发生概率的显著影响。结果表明:（1）伴随QBWO对流活跃中心的西北方向的传播,西北太平洋台风生成位置也呈现相应移动;（2）QBWO对流活跃位相期间,台风频数偏多,发生概率偏高,而在QBWO对流抑制位相,台风频数偏少,发生概率偏低;（3）台风生成潜在指数（Genesis Potential Index, GPI）收支分析指出了对流层低层绝对涡度和中层相对湿度是调制整个海域台风生成的两个重要的大尺度环境因子;（4）GPI的收支分析还表明了大尺度环境因子对台风生成的影响对QBWO的位相与区域具有显著的依赖性。在QBWO对流活跃位相期间,南海中北部区域低层涡度对GPI正异常贡献最为显著;在菲律宾以东海域,对流层中层相对湿度对GPI正异常贡献最为显著;在关岛附近海域,主要的贡献来自于低层绝对涡度与非线性项,且它们对GPI负异常的贡献相当。在QBWO对流抑制位相,南海中北部区域GPI的负异常贡献主要来自于低层绝对涡度;在菲律宾以东海域GPI负异常贡献主要来自中层相对湿度;关岛附近海域的GPI正异常的主要贡献来自于垂直风切变和非线性项。      

中高纬度Rossby波活动对华南前汛期EAP事件中期演变过程的影响

文中从中期过程的角度探讨了Rossby波活动在华南前汛期东亚-太平洋遥相关型事件的形成、成熟和衰减过程中的作用,并得出如下结果：（1）正负东亚-太平洋遥相关型事件的形成过程有相似之处：在对流层中上层,源自东北大西洋或欧洲的Rossby波在欧亚大陆中高纬弱波导区中不断地向下游频散,最终在东亚地区形成东亚-太平洋遥相关型事件的3个异常中心。在东亚-太平洋遥相关型事件的3个异常中心之间,Rossby波能量从高纬度向中纬度和副热带地区频散。东亚 太平洋遥相关型事件副热带异常中心的形成归因于东亚副热带急流波导的存在以及上游中高纬度地区Rossby波能量的注入。在对流层低层,Rossby波则从亚洲副热带地区向东亚中纬度地区频散。（2）东亚-太平洋遥相关型事件的3个异常中心在对流层中上层中,西太平洋副热带地区异常中心最后形成。（3）正负东亚-太平洋遥相关型事件也并不是简单的反位相演变过程：在对流层中上层,在正事件成熟阶段,斯堪的纳维亚半岛上的正异常环流基本维持了其中心强度和位置,它不断地向下游东亚地区频散能量,使正事件的持续时间较长;在负事件中,由于中高纬度盛行纬向型环流,波能量的频散较快,因而负事件成熟阶段的持续时间比正事件短。（4）在这一时期,东亚-太平洋遥相关型事件对中国长江以南地区的降水形势具有显著的影响。正（负）东亚-太平洋遥相关型事件易引起长江以南降水异常偏多（少）。     

Two Types of Arctic Oscillation and Their Associated Dynamic Features

In this paper,the dynamical evolutions of two types of Arctic Oscillation (AO),the stratospheric (S) and tropospheric (T) types,have been investigated on an intermediate time scale in terms of transient eddy feedback forcing and three-dimensional Rossby wave propagation.S-Type (T-type) events are characterized by an anomalous stratospheric polar vortex that is in phase (out of phase) with its tropospheric counterpart.Approximately onethird of AO events,both positive and negative,are T-type events.For the positive phase of a T-type event,the formation and maintenance of stratospheric positive anomalies over the polar cap are associated with an upward propagation of Rossby wave packets originating from the near-tropopause altitude over northeastern Asia.However,such upward propagating features are not found for S-type events.In the troposphere,transient eddy feedback forcing is primarily responsible for the meridional seesaw structure of both the S-and T-type events,with an additional contribution from Rossby wave propagation.     

MAINTENANCE MECHANISMS OF THE STATIONARY WAVE ANOMALY TELECONNECTION PATTERNS IN THE UPPER TROPOSPHERE

The spatial structure and temporal variations of the stationary wave anomalies in the uppertroposphere during the Northern Hemisphere winter are studied with the ECMWF data of 1980—1988 and PCA(principal component analysis)method.The vorticity source anomalies of the mainteleconnection patterns are analyzed,and their roles in the maintenance of the stationary waveanomaly teleconnection patterns are investigated with the harotropic model.The results show thatthe anomalies of transient vorticity flux convergences tend to cancel the anomaly of vorticitysources generated by divergent winds.The stationary wave anomaly patterns caused by divergentwind anomalies only are very different from observations.However,if the anomalous transientvorticity flux convergences are also included in the vorticity sources,the simulated patterns will begreatly improved.     

瞬变天气涡旋对北大西洋涛动的增强效应

使用NCEP/NCAR再分析资料计算了冬季北大西洋瞬变涡旋活动强度与北大西洋涛动(NAO)逐日指数的时间序列,结果发现:当涡旋活动强度出现峰值后会伴随NAO模态增强现象;而随着NAO的增强,涡旋能量同落.为了判断是否涡流相互作用将天气尺度的能量转换为低频尺度的能量,使用瞬变涡度通量来研究涡度与能量的传输.通过分析瞬变涡...     

北极海冰对2008年1月乌拉尔高压异常的影响

2008年1月我国南方发生了大范围的雨雪冰冻灾害天气,造成此次灾害的一个重要原因是乌拉尔高压异常的长期维持,而作为下垫面的海洋,2007/2008冬季环北欧海海冰异常偏少。观测资料合成分析表明,乌拉尔山地区出现高压异常与巴伦支海和喀拉海的海冰偏少存在密切对应关系。利用大气环流模式试验研究了(90°W~60°E)区域海冰异常对大气的影响,模拟结果显示海冰对乌拉尔高压异常有正的贡献,线性模式诊断表明天气尺度瞬变波是海冰影响乌拉尔高压异常的一种重要机制。     

Three-dimensional dynamic features of two arctic oscillation types

We investigated the differences between stratospheric (S-type) and tropospheric (T-type) Arctic Oscillation (AO) events on the intraseasonal time scale, in terms of their influences on surface air temperature (SAT) over the Northern Hemisphere and the dynamic features associated with their spatial structures. S-type AO events showed a stratosphere-troposphere coupled structure, while T-type events exhibited a stratosphere-troposphere uncoupled structure. The annular SAT anomalies over the Northern Hemisphere were found to be associated with S-type AO events, whereas such an annular feature was substantially destructed in T-type AO events. The different horizontal structures in the troposphere of the two types could mainly be attributed to transient eddy feedback forcing. As for the vertically uncoupled structure of Ttype events, the underlying dynamical features that differentiate them from S-type events lie in the vertical propagation of zonally confined Rossby waves. In T-type events, the zonally confined Rossby wave packets can emanate from the significant height anomalies over Northeast Asia, where one vertical waveguide exists, and then propagate upward into the stratosphere. In contrast, such a vertical propagation was not evident for S-type events. The stratospheric anomalies associated with the upward injection of the zonally confined Rossby waves from the troposphere in T-type events can further induce the anomalous vertical propagation of planetary waves (PWs) through the interference between the climatological-mean PWs and anomalous PWs, leading to the final stratosphere-troposphere uncoupled structure of T-type events.     

月内尺度上与冬季北太平洋大范围海温暖异常相联系的海气相互作用特征

本文采用1985～2015年美国气象环境预报中心及能源部（NCEP/DOE）再分析以及美国国家海洋大气管理局（NOAA）海温（SST）等资料,基于大范围SST异常的确定规则,在北太平洋区域选取了8个暖事件,采用跟随SST异常中心的动态合成方法,研究分析了冬季北太平洋生命史为50天左右的大范围SST暖异常在其盛期前后的月内尺度海气结构特征。结果表明：（1）大范围SST暖异常前期主要表现为大气对海洋的强迫作用,后期则主要表现为海洋对大气的强迫作用。（2）SST暖异常伴随的大气结构在前后期发生了明显的转变,前期SST暖异常上空伴随着相当正压的偶极型气压异常（即东北侧为异常高压而西南侧为异常低压）,对应大气偏东风异常。后期SST暖异常区北侧上空伴随着相当正压的低压异常,南侧为弱高压异常,对应大气偏西风异常。（3）在SST暖异常后期大气出现了气旋式环流异常响应,这主要是因为高频瞬变涡旋反馈强迫在起关键作用,且瞬变涡度的强迫作用是主要贡献因子。（4）海流结构在前后期也发生了明显的转变,前期海洋动力过程不利于维持SST暖异常,后期异常暖平流和异常下沉流均有助于维持SST暖异常及其对大气的影响。     

1998年夏第二阶段梅雨期乌拉尔山阻塞形势的维持

１９９８年夏季长江流域发生了近５０年来最严重的洪水。洪水形成最直接、最主要的原因是梅雨异常。异常梅雨的形成与东亚夏季风偏弱及热带外环流持续异常有关，其中一个明显特征是乌拉尔山地区长时间维持阻塞形势。本文结合诊断分析和数值试验，从瞬变对基本流的强迫（大气内部强迫）及热带热源强迫（外源强迫）两方面，分析了与第二段梅雨相对应的乌拉尔长时间阻塞的维持机制。利用共轭敏感性分析方法，计算了最有利于乌拉尔阻塞发展和维持的敏感扰动，发现扰动的分布位置，刚好与观测到的，从东大西洋到欧洲区域的异常增强的瞬变活动区相重叠。Ｅ矢量及斜压线性静止波模式的诊断进一步表明，异常期间的增强瞬变活动有利于乌拉尔出现正高度异常。计算了持续异常期间的高空急流及大气加热场，发现北美到大西洋的高空急流及热带加热都出现明显异常。中期天气预报模式 ＩＡＰ Ｔ４２Ｌ９的集合预报试验表明，热带地区的加热异常，尤其是热带中西太平洋和大西洋的加热异常，有利于乌拉尔正高度异常的形成。最后，提出了一种热带异常热源驱动下，瞬变波与定常波双向相互作用的阻塞形成与自维持的可能机制。     

Transformed eddy-PV flux and positive synoptic eddy feedback onto low-frequency flow

Interaction between synoptic eddy and low-frequency flow (SELF) has been the subject of many studies. In this study, we further examine the interaction by introducing a transformed eddy-potential-vorticity (TEPV) flux that is obtained from eddy-potential-vorticity flux through a quasi-geostrophic potential-vorticity inversion. The main advantage of using the TEPV flux is that it combines the effects of the eddy-vorticity and heat fluxes into the net acceleration of the low-frequency flow in such a way that the TEPV flux tends to be analogous to the eddy-vorticity fluxes in the barotropic framework. We show that the anomalous TEPV fluxes are preferentially directed to the left-hand side of the low-frequency flow in all vertical levels throughout the troposphere for monthly flow anomalies and for climate modes such as the Arctic Oscillation (AO). Furthermore, this left-hand preference of the TEPV flux direction is a convenient three-dimensional indicator of the positive reinforcement of the low-frequency flow by net eddy-induced acceleration. By projecting the eddy-induced net accelerations onto the low-frequency flow anomalies, we estimate the eddy-induced growth rates for the low frequency flow anomalies. This positive eddy-induced growth rate is larger (smaller) in the lower (upper) troposphere. The stronger positive eddy feedback in the lower troposphere may play an important role in maintaining an equivalent barotropic structure of the low-frequency atmospheric flow by balancing some of the strong damping effect of surface friction.     

Mid-latitude atmospheric responses to heat and vorticity forcing using a linear baroclinic model

Based on diagnostic analysis of reanalysis data for 58-year, the distribution characteristics of decadal variability in diabatic heating, transient eddy heating and transient eddy vorticity forcing related to the sea surface temperature (SST) anomalies over the North Pacific, as well as their relationship with anomalous atmospheric circulation have been investigated in this paper. A linear baroclinic model(LBM) was used to investigate atmospheric responses to idealized and realistic heat and vorticity forcing anomalies, and then to compare relative roles of different kinds of forcing in terms of geopotential height responses. The results illustrate that the responses of atmospheric height fields to the mid-latitude heating can be either baroclinic or barotropic. The response structure is sensitive to the relative horizontal location of heating with respect to the background jet flow, as well as to the vertical profile of heating. The response to the idealized deep heating over the eastern North Pacific, mimicking the observed heating anomaly, is baroclinic. The atmospheric response to the mid-latitude vorticity forcing is always barotropic, resulting in a geopotential low that is in phase with the forcing. The atmospheric responses to the realistic heat and vorticity forcing show the similar results, suggesting that diabatic heating, transient eddy heating and transient eddy vorticity forcing can all cause atmospheric anomalies and that the vorticity forcing plays a relatively more important role in maintaining the equivalent-barotropic structure of geopotential height anomalies.