相空间中划分大尺度异常雨型的初步研究

文中针对以往雨型研究中的不足 ,从动力学角度将相空间引入到大尺度异常雨型的划分 ,通过估计EOF相平面上的概率密度函数、并确定局部极大值区域来划分主要雨型。分析表明 ,新雨型不仅再现了传统的 3类雨型特征 ,还得到了其他分型 ,并且能够反映出异常降水分布的季节内低频变化 ;分别采用 10和 2 0d低通滤波数据划分的雨型形态比较接近 ,但其种类、持续性和季节内分布等特征存在一定差异 ;雨型的气候分布与季风雨带有一定对应关系 ,其形成与夏季风异常关系密切。通过对简单直观的二维相平面问题的探讨 ,不仅证实了在相空间中划分大尺度雨型的可行性 ,也为进一步在高维空间中讨论雨型问题提供了依据。     

中国南方夏季低频雨型特征及其年代际变化研究

为了揭示南方低频降水的季节内及年代际变化规律,利用1961—2011年夏季中国南方逐日降水资料和大气环流再分析资料,运用经验正交函数分解(EOF)与聚类分析相结合方法,将南方地区10 d以上的低频尺度降水划分为5个异常雨型.分析表明,各雨型具有较好的持续性,与同期的环流场有很好的对应关系,彼此间水汽异常输送特征有明显差别.通过对雨型的统计特征进行分析,指出不同于以往的季节平均雨型,低频雨型可在季节内交替出现,反映了大尺度异常降水的低频演变特征.进一步研究发现,近50年来各低频雨型的多项统计特征存在显著的年代际变化:20世纪80—90年代各多雨型均相继出现峰值,进入21世纪偏旱型的各项统计特征存在明显上升趋势,而大部分低频多雨型出现次数减少,这可能预示着中国南方地区正在进入一个季节内尺度降水减少的阶段.     

华南汛期持续性降水特征及其与30~90 d大气低频振荡的联系北大核心

利用全国756站逐日降水资料以及NCEP/NCAR再分析资料,研究了1961—2011年我国东部汛期持续性降水30~90 d低频变化特征及其与大气低频振荡的联系。结果表明,华南地区降水偏多型是汛期持续性降水低频变化的主导模态。对流层低层位势高度负异常和气旋型环流异常,以及高层略向北偏移的环流异常为华南汛期持续性降水低频变化提供了大尺度形势场。当西太平洋副热带高压脊线维持在22°N附近时,来自孟加拉湾和南海的水汽输送维持了华南地区汛期持续性降水活跃位相,向东北传播的副热带大气低频振荡系统对华南汛期持续性降水具有调制作用。此外,华南汛期降水低频变化还具有南北迁移的经向演变特征。     

考虑不同背景场低频降水的延伸期预测

基于中国国家气象观测站的逐日降水资料、NCEP逐日全球再分析资料和NOAA逐日向外长波辐射资料,选取与10—30 d低频降水相关显著的热带、中高纬环流作为影响因子,针对1979—2013年江南4—6月延伸期低频降水,依照不同背景场下低频降水与影响因子之间的相关性,进行了预测试验。结果表明:江南4—6月降水以10—30 d的低频周期最为显著。印度洋、印尼附近的热带对流和欧亚高纬度地区的大气环流共同影响着我国江南4—6月低频降水,可作为延伸期降水的预测因子。当欧洲及西西伯利亚地区位势高度出现负距平、北美及贝湖以西附近位势高度正距平,且热带对流异常偏弱时,对应江南低频降水异常偏少,异常中心主要位于长江中下游地区; 30 d以上的大尺度500 h Pa低频位势高度场主要表现为3种空间分布型,根据这3种分布型可将逐日降水个例的大尺度背景场划分为3类,每种背景场下低频降水与热带、中高纬度环流因子在前期30 d内的相关特征均不同; 30 d以上时间尺度的500 h Pa低频环流可为10—30 d延伸期变化提供相对稳定的大尺度背景场,不同背景场下区域低频降水与相应低频环流之间的关系演变不同。考虑不同背景,其相关性增强,且显著相关超前的时间更长。     

1998年夏季我国东部降水与大气环流异常及其低频特征

东亚夏季风环流的异常对该地区降水异常有重要影响, 而低频降水又是季风活动的一个主要特征。研究揭示了1998年降水异常及其低频变化等观测事实，分析讨论了大尺度环流的4个异常特征。结果表明:1998年汛期长江流域出现二度梅，10~20 d低频振荡具有普遍性，而30~50 d的地域性较为明显；西太平洋副热带高压位置的异常、欧亚大陆中高纬度持续阻塞高压、高空西风带急流轴线活动异常及二次季风涌的出现及其相互配合是长江流域降水异常的主要影响系统。     

东亚梅雨季节内振荡的气候特征

影响中国、日本、朝鲜半岛的东亚梅雨是夏季风向北推进过程中的特有雨季。利用NCEP/NCAR逐日再分析资料、CMAP降水资料,将夏季风影响及夏季风降水的季节转换相结合,定义东亚梅雨的入、出梅指标;进而采用集合经验模态分解信号提取方法对东亚梅雨区降水季节内振荡及其大尺度环流条件的气候特征进行了详细分析;并对东亚梅雨季节内振荡对降水事件的指示作用进行讨论,为东亚梅雨区降水的延伸预报提供依据和参考。研究结果表明:(1)采用标准化候降水量的空间覆盖率,同时兼顾夏季风影响等条件确定的东亚梅雨入、出梅划分指标可较好地反映东亚梅雨的气候特征及东亚梅雨期的大尺度环流形势。(2)东亚梅雨全年降水量存在三峰型分布特征,峰值分别位于第27、36及47候。该三峰型特征主要受10—20及30—60d的低频振荡影响。比较而言,30—60d振荡对梅雨区降水三峰型的贡献较10—20d振荡大。(3)东亚梅雨区峰值降水与热带环流及北方高位涡冷空气输送的低频演变密切关联。在梅雨区北侧,中高纬度里海附近冷空气(高位涡)低频波列的东传及鄂霍次克海高位涡的西南向输送共同影响东亚梅雨区。在梅雨区南侧,通过热带低频异常强对流的激发作用,热带西太平洋至中国东北—鄂霍次克海地区形成沿经向分布的低层气旋-反气旋-气旋-反气旋波列,进而导致梅雨区低层形成低频偏北风和偏南风的辐合;而印度西海岸和阿拉伯海地区异常对流活动产生的波列向东北方向传播,亦对梅雨区低频峰值降水产生影响。对于低频谷值降水的大气低频演变,情况与上述基本相反。(4)东亚梅雨区降水不同位相下出现极端降水事件的概率有明显差异。梅雨区降水低频峰(谷)值位相下出现异常多(少)降水量的概率约为30%。因此,上述梅雨区降水低频振荡演变相关的大气低频振荡特征对梅雨区降水事件的延伸预报具有参考价值。     

我国南方夏季低频降水与热带大气季节内振荡传播的关系研究

为综合考察我国南方夏季低频降水与热带大气季节内振荡（ISO）传播的关系,利用1981—2011年再分析资料系统性地研究了我国南方夏季五类大尺度低频雨型分别对应的前期和同期热带ISO信号的传播特征。结果表明,我国南方夏季各类低频降水型与热带ISO信号的经向传播关系极为密切。热带湿ISO信号主要来源于我国东南方向的热带海洋,并大体向西北方向传播,最终对我国南方各地区低频降水事件产生影响。其中,东南型低频降水前期湿ISO信号自赤道中太平洋地区向西北方向传播,到达我国东南沿海;长江型和江南型低频降水前期湿ISO信号均产生于南海北部,北传至长江地区后西传,并表现出湿ISO信号低纬度北传与中纬度南传相互配合影响降水的特征;华南型低频降水前期湿ISO信号产生于菲律宾群岛附近,西北向传播特征明显,并以北传为主;同时也发现,对于南方少雨型,总体而言我国南方为干ISO位相控制且无明显传播特征相对应。研究结果可为开展我国南方地区夏季延伸期降水预报提供参考和依据。     

海河下游延伸期降水过程的低频预测方法

本文对海河下游地区强降水过程与大气低频信号进行了诊断分析,结果表明雨日的低频涡度场在我国存在显著的偶极子型异常分布。根据这一异常分布特征构造了一对低频预报指数Dcurl35和Dcurl12以及相应的延伸期强降水过程的低频预报方法。进一步使用该低频预报方法进行了历史降水过程的回报检验和2014年强降水过程的预报试验,结果证明该方法对海河下游延伸期强降水过程有较好的预报能力,可以实际应用于海河下游延伸期强降水过程预报业务。      

江苏近40a夏季降水异常及其成因分析

利用1961-2000年江苏省60个台站的月降水量资料，研究了江苏夏季(6、7、8月)降水量的异常空间分布特征和时间演变规律，分析了与江苏夏季降水有关的大气环流异常的基本特征及引起江苏降水异常的原因。结果表明：(1)江苏夏季降水异常主要表现出两种最为典型的空间分布。其中，第一类雨型反映了全省降水的一致性变化，表现出整体偏多或偏少的情形；而第二类雨型则反映了降水异常的南北反相分布，对应的降水分布为南多北少或南少北多的形势；(2)两类雨型均存在明显的年际变化，两类雨型均与西太平洋副热带高压的南北异常有密切关系，但二者的大气环流背景场又存在显著的不同；(3)不同区域、不同季节的SSTA与两类降水异常存在一定的相关关系，是造成江苏降水年际异常的可能原因之一。前冬北太平洋SSTA偏暖(冷)通常与江苏夏季降水的整体偏多(少)有关；而前期冬季南印度洋、春季热带印度洋、南海及我国东部沿海地区出现的SSTA大范围的冷(暖)异常，通常对应江苏夏季降水南少(多)北多(少)。     

近45年山东夏季降水时空分布及变化趋势分析

利用1961-2005年山东省26个观测站逐日降水资料,对山东夏季(6～8月)降水总量、雨日和暴雨日数进行时空分析,研究夏季降水气候变化成因,并划分了夏季降水旱涝年.结果表明,山东夏季降水大部分地区为减少趋势,暴雨日降雨强度的变化与夏季降水量的减少关系更为密切;夏季降水量、暴雨日降雨强度和旱涝年有明显的年代际变化特征.最后用500 hPa位势高度和环流特征量分析了夏季旱涝异常的大尺度环流背景及气候变化原因.     

Further Study on Identifying Anomalous Large-Scale Rainfall Regimes in Phase Space

Using a 40-yr daily precipitation dataset including 134 stations from 1962 to 2001, the large-scale distribution patterns of precipitation anomalies over East China are investigated in the present paper. In the phase space spanned by the first 8 EOFs generated from the 20-day low-pass filtered data, the six rainfall regimes (RRs) are identified by applying a cluster analysis method, namely, the northeastern China regime, Yellow River regime, Qinling Mountain-Huaihe River regime, Yangtze River with its south regime, South China regime, and rainless regime. Analyses show that the new RRs exhibit good persistence and evident physical sense, and excellently represent both of countrywide and regional features, which also demonstrate the inhomogeneity of multi-dimensional phase space. Furthermore, it is more important that the new RRs can describe intraseasonal dynamic characteristics of large-scale rainfall anomalies, which is the most significant difference between the new RRs and the conventional seasonal mean rainfall patterns. On the other hand, the climatic characteristics of daily distributions of the RRs events, as well as the 40-year panorama of the RRs occurring are also investigated, which further document rationality and objectivity of the RRs with intraseasonal variability, and are likely to present more helpful information for short-term climate prediction, compared with other previous classical rainfall patterns.     

北半球夏季热带季节内振荡影响我国夏季降水的规律和预测方法

利用1979—2018年夏季逐日观测和再分析数据,对北半球夏季热带季节内振荡影响我国夏季降水的规律和预测方法开展了研究。首先,利用非传统滤波即异常相对倾向（Anomalous Relative Tendency,ART）方法获取了气象要素的次季节变化分量,并采用EOF分析方法提取了北半球夏季热带主要季节内振荡信号,结果表明向外长波辐射（Outgoing Longwave Radiation,OLR）异常相对倾向EOF前两个模态共同反映了北半球夏季起源于印度洋并向东和向北传播的、具有30~60 d周期的季节内振荡（Boreal Summer Intraseasonal Oscillation,BSISO）信号。回归分析表明,该季节内振荡信号能够导致当地及其北面地区低层风场和位势高度场异常,影响该地区及其北面地区的水汽辐合辐散,从而能引起我国尤其是我国南方地区季节内旱涝变化,并一定程度上反映了我国异常雨带的向北推进过程。而后,将提取的热带主要季节内振荡信号作为预测因子,将降水异常相对倾向作为先行预板对象,利用多元线性回归方法构建了我国夏季旬降水异常相对倾向的预报模型,将预报的旬降水异常相对倾向加上观测已知的降水近期背景距平,从而得到旬降水距平的预报结果。通过历史回报和交叉检验,评估了该模型对梅雨期我国江淮流域降水（包括2020年梅汛期异常降水）的次季节预测能力。     

江淮流域夏季降水异常与西北太平洋副热带30～60天振荡强度年际变化的联系

利用1978～2007年NCEP/NCAR再分析资料和地面观测站降水资料, 研究了夏季江淮流域降水多寡与30～60天振荡 (ISO) 强度年际变化的联系。结果表明: 江淮流域夏季降水异常与台湾海峡地区及西北太平洋低频能量变化相关显著。定义了ISO强度指数, 对ISO强度指数高低年夏季低频降水以及低频环流的位相合成表明: 高指数年主要通过存在于南海—西北太平洋地区的低频气旋、 反气旋系统的交替活动来影响副热带高压的进退, 从而引起江淮流域夏季降水异常; 低指数年江淮流域夏季降水主要受西太平洋副热带高压位置及强度变化的影响, 降水异常区主要位于江南地区。进一步研究表明, 非30～60天低频降水扰动与低频振荡强度也有很好的相关。低频环流对双周以及天气时间尺度环流变化可能存在调制作用, 这种作用对江淮流域夏季降水的年际异常起到非常重要的作用。     

热带大气季节内振荡对华南前汛期降水的影响

本文基于实时的热带大气季节内振荡(MJO)指数和中国台站降水资料,研究了MJO对中国华南前汛期(4～6月)降水的影响.结果表明,随着MJO的活跃中心从印度洋进入西太平洋,华南地区的降水由偏多转为偏少.最显著的降水正负异常分别位于第4位相和第7位相,其区域平均的最大正负异常值相对于气候平均值的变化约为17%和11%.与降...     

长江中游和下游夏季降水季节内振荡的差异

利用1979~2013年中国站点逐日降水资料和NCEP/NCAR再分析资料,对长江中下游夏季降水的季节内振荡最显著周期进行了分析研究。结果表明长江中游最显著周期为10~30天,长江下游最显著周期为30~60天。为了揭示这种差异产生的物理原因,进一步利用位相合成的方法对这两个区域不同周期的季节内振荡降水、高低空风场和高度场以及垂直结构和水汽等循环过程的演变特征进行分析。在200 hPa环流场上,长江中游的降水主要受到高纬度自西向东传播的波列影响,而长江下游的降水与鄂霍次克海的高度场的变化相关。在风场的垂直涡度和散度的位相结构演变过程中,10~30天的垂直涡度和散度有自北向南的移动,30~60天的垂直涡度和散度在长江以南地区有自南向北的传播。水汽输送的位相发展过程表明,长江中游的水汽分别来自于南海的向北输送和长江以北地区向南的水汽输送;长江下游地区的水汽则主要来自于热带东印度洋经孟加拉湾的向东输送并在南海的北向输送,以及西太平洋水汽向西输送到南海再向长江下游的输送。从高层大尺度环流场和整层积分的水汽通量输送上解释了长江中游10~30天降水的自北向南移动,和长江下游30~60天降水自南向北传播的原因。     

1998年夏季长江流域大气季节内振荡的结构演变及其对降水的影响

利用中国逐日降水格点资料和NCAR/NCEP再分析资料,对1998年发生在我国东部长江中下游流域的夏季持续性强降水过程中显著的大气季节内振荡(ISO)的三维结构演变等活动特征进行了分析。1998年夏季长江及江南地区的异常强降水对应着该地区强的ISO活动。利用位相合成方法,对长江流域两个典型的季节内循环周期的ISO降水、850 hPa水平风场以及水汽和垂直速度等循环过程的时空分布特征进行了诊断分析。在低频环流场上,对流层低层的低频气旋和反气旋环流表现出交替在热带西北太平洋增强并向西偏北方向移动发展的特征,当异常气旋环流移动到长江流域上空时,长江流域正好位于气旋环流西南侧的东北风异常和西北太平洋上向西移动的反气旋环流西北侧的西南风异常环流汇合处的下方,引起该地区强降水的发生。在强降水阶段的ISO的垂直结构上,上升运动和水汽表现出从华南到长江流域自南向北移动的特征,强烈的垂直上升运动以及来自南方充足的水汽为增强长江流域地区的降水起到了重要作用。     

青藏高原春季500 hPa纬向风季节内振荡特征及其与我国南方降水的关系

利用NCEP/NCAR日平均再分析资料及中国753个测站日降水资料,采用带通滤波、小波功率谱、合成分析等方法研究了青藏高原春季500 hPa纬向风季节内振荡特征及其与我国南方降水的关系.结果表明,青藏高原春季500 hPa纬向风存在明显的10~30 d季节内振荡特征,该低频振荡主要表现为自西向东和自北向南的传播特征.通过位相合成分析发现,这种季节内振荡对我国南方春季降水有重要影响.当高原500 hPa纬向风季节内振荡处于2~3位相时(即高原上盛行西风异常),对应于我国南方地区春季降水明显偏多;反之,当季节内振荡处于相反位相时(6~7位相,即高原上盛行东风异常),对应于我国南方春季降水明显偏少.南方春季最大正(负)异常降水的出现滞后于高原季节内振荡的峰值(谷值)位相,其滞后时间为2 d.分析结果还表明,高原上空纬向风的季节内振荡活动主要通过中纬度大尺度环流异常对我国南方春季降水产生影响.     

西北太平洋夏季风对中国长江流域夏季降水的影响

利用1979～2005年NCEP/NCAR的环流场再分析资料和降水资料, 通过对季风期降水、 大气环流、 水汽输送及低频振荡等方面的分析, 分别从时间和空间上分析了西北太平洋夏季风与中国长江流域夏季降水的联系。结果表明:(1) 西北太平洋夏季风与中国长江流域夏季降水存在显著的负相关关系, 在西北太平洋夏季风强盛时, 副热带高压异常偏北, 其西侧的偏南气流异常偏弱, 使得我国长江流域形成低层异常环流及水汽输送的辐散区, 从而造成长江流域夏季降水偏少; 而在西北太平洋夏季风减弱的年份, 西太平洋副高异常偏南偏西, 在长江流域以南地区形成异常偏强的偏南风水汽输送, 使得长江流域成为南、 北距平风的汇合区, 其上空对流活动异常活跃, 非常有利于长江流域的降水。 (2) 东亚局地Hadley垂直环流在强、 弱季风年也显著不同, 在强季风年里, Hadley局地环流异常偏弱, 长江流域上空出现的下沉运动距平, 使得该地区降水减弱, 而弱季风年则正好相反。 (3) 西北太平洋夏季风存在显著的气候平均的大气季节内振荡 (CISO), 在西北太平洋夏季风减弱时期, 长江流域降水同时受到源自热带西北太平洋西传CISO和源自热带印度洋东传CISO的共同影响, 可能造成了某种锁相关系, 从而造成降水偏多; 而在强季风年里长江流域只受由西太平洋西传的CISO的影响, 不容易激发降水。     

INVESTIGATIONS ON MOISTURE TRANSPORTS, BUDGETS AND SOURCES RESPONSIBLE FOR THE DECADAL VARIABILITY OF PRECIPITATION IN SOUTHERN CHINA

In the context of global warming, apparent decdal-interdecdal variabilities can be detected in summer precipitation in southern China. Especially around the 1990s, precipitation in South China experienced a phase transition from a deficiency regime to an abundance regime in the early 1990s, while the Yangtze River Valley witnessed a phase shift of summer precipitation from abundance to deficiency in the late 1990s. Pertinent analyses reveal a close relationship between such decadal precipitation shifts and moisture budgets, which is mainly modulated by the meridional component. This relationship can be attributed to large-scale moisture transport anomalies. Further, the HYSPLIT model is utilized to quantitatively evaluate relative moisture contributions from diverse sources during different regimes. It can be found that during the period with abundant precipitation in South China, the moisture contribution from the source of Indochina Peninsula-South China Sea increased significantly, while during the deficient precipitation regime in the Yangtze River Valley, moisture from local source, western Pacific and Indochina Peninsula-South China Sea contributed less to precipitation. It means some new features of relative moisture contributions from diverse sources to precipitation anomaly in southern China took shape after 1990s.