冬半年副热带西风南支槽结构和演变特征研究

南支槽是冬半年副热带南支西风气流在高原南侧孟加拉湾地区产生的半永久性低压槽, 本文从气候学角度探讨其结构和演变特征。结果表明: (1) 南支槽10月在孟加拉湾北部建立, 冬季 (11～2月) 加强, 春季 (3～5月) 活跃, 6月消失并转换为孟加拉湾槽; 10月南支槽建立表明北半球大气环流由夏季型转变成冬季型, 6月南支槽消失同时孟加拉湾槽建立是南亚夏季风爆发的重要标志之一。 (2) 南支槽在700 hPa表现明显, 其槽前干暖平流的输送有利于昆明准静止锋形成和维持, 槽后冷湿平流也与孟加拉湾冷涌关系密切。 (3) 冬季辐散环流下沉支抑制了南支槽前上升运动的发展, 这时低层辐合, 中层辐散, 南支槽前上升运动一般只伸展到对流层中层600 hPa左右。春季随着辐散环流减弱, 东亚急流入口区南侧辐散中心的出现使得垂直运动向上迅速伸展。 (4) 从气候平均看冬季水汽输送较弱, 上升运动浅薄, 无强对流活动, 南支槽前降水不明显, 雨区主要位于高原东南侧昆明准静止锋至华南一带。春季南支槽水汽输送增大, 同时副高外围暖湿水汽输送加强, 上升运动发展和对流增强, 南支槽造成的降水显著增加, 因此春季是南支槽最活跃的时期。     

冬半年副热带南支西风槽结构和演变特征研究

南支槽是冬半年副热带南支西风气流在高原南侧孟加拉湾地区产生的半永久性低压槽,本文从气候学角度探讨其结构和演变特征。结果表明：（1）南支槽10月在孟加拉湾北部建立,冬季（11-2月）加强,春季（3-5月）活跃,6月消失并转换为孟加拉湾槽;10月南支槽建立表明北半球大气环流由夏季型转变成冬季型,6月南支槽消失同时孟加拉湾槽建立是南亚夏季风爆发的重要标志之一。（2）南支槽在700 hPa表现明显,其槽前干暖平流的输送有利于昆明准静止锋形成和维持,槽后冷湿平流也与孟加拉湾冷涌关系密切。（3）冬季辐散环流下沉支抑制了南支槽前上升运动的发展,这时低层辐合,中层辐散,南支槽前上升运动一般只伸展到对流层中层600 hPa左右。春季随着辐散环流减弱,东亚急流入口区南侧辐散中心的出现使得垂直运动向上迅速伸展。（4）从气候平均看冬季水汽输送较弱,上升运动浅薄,无强对流活动,南支槽前降水不明显,雨区主要位于高原东南侧昆明准静止锋至华南一带。春季南支槽水汽输送增大,同时副高外围暖湿水汽输送加强,上升运动发展和对流增强,南支槽造成的降水显著增加,因此春季是南支槽最活跃的时期。     

涡旋Rossby波传播的不同特征

用一个柱坐标系涡度正压方程的半谱模式，实施了4组试验，研究了不同初始扰动涡旋分布条件下，涡旋Rossby波的传播特征问题。结果指出：正值、负值相间的沿方向角二波分布的初始场，与只有正值涡旋的初始场相比，其后涡旋Rossby波的传播有明显的差别，即前者向内传播的涡量比后者衰减得快，而且前者是单峰传播，后者是双峰传播。     

冬半年南支槽与乌江流域汛期径流的关系探讨

基于1954—2014年乌江流域站点的逐月径流与NCEP/NCAR的逐月位势高度、风矢量资料、比湿及垂直速度资料,采用相关分析、回归分析、合成分析等方法,研究了冬半年南支槽与汛期乌江流域径流的关系,并探讨了其对乌江流域径流影响的可能机制。结果表明,冬半年各月南支槽强度指数(Southern Branch Trough Index,SBTI)与5月乌江流域径流有着稳定且显著的负相关关系,且基于冬半年月份SBTI构建的线性回归模型可以很好地预测5月径流;因此,冬半年南支槽指数可以作为乌江流域5月径流的预报因子。合成分析表明,南支槽强年,青藏高原南侧西风带波动强烈,且槽前风场差值呈气旋性异常,伴随着乌江流域的南风矢量,为槽前暖湿气流向乌江流域的输送提供了水平动力;副热带高压强度的减弱可能使得来自西太平洋的水汽流向乌江流域,强化了水汽向乌江的输送;南支槽强年乌江流域低层到高层水汽含量显著增加,垂直上升运动可持续到300 h Pa,加强了乌江流域的水汽辐合和对流运动,有利于该流域降水的产生,进而使得径流量显著增加。     

夏季沿亚洲副热带西风急流Rossby波传播及其与我国降水异常的联系

利用1960—2015年夏季(6—8月)NCEP 2.5°×2.5°全球逐日再分析资料,采用涡度源方程和Eliassen-Palm通量,对夏季沿亚洲副热带西风急流Rossby波活动的波源、能量传播及其与我国降水异常的关系进行了分析和研究。结果表明:夏季200 hPa大气准静止行星波产生的源地主要集中在地中海地区,亚洲副热带西风急流(ASWJ)中的准静止Rossby波在此激发并沿急流向东传播,东传过程中在急流轴南侧波流相互作用相对活跃。波作用通量的辐合辐散中心沿副热带西风急流交替分布,波流相互作用是ASWJ上西风强弱交替变化的动力机制。沿ASWJ交替分布的五个波作用通量辐合辐散关键区散度具有较强的关联性,表现为同一Rossby波列的不同部分,其中波源处Rossby波动能量的传播对其下游ASWJ的强弱影响最大,而急流关键区内纬向风的大小也与波作用通量散度场的强弱和分布密切相关。波源处以及位于我国青藏高原东部至黄土高原上空的波作用通量散度指数WFD-Ⅰ和WFC-Ⅱ与我国南、北方降水相关性较为显著,在WFD-Ⅰ为正异常年时,对应南方关键区降水偏多年份占比为62.5%,在WFD-Ⅰ为负异常年时,对应北方关键区降水偏多年份占比为80%;在WFC-Ⅱ为正异常年时,对应南方关键区降水偏少年份占比为66.7%,在WFC-Ⅱ为负异常年时,对应北方关键区降水偏少年份占比为81.8%。研究夏季波源处WFD-Ⅰ异常年导致我国降水异常的环流成因发现,WFD-Ⅰ为正异常年时,由上游波源地区激发的Rossby波向下游地区的能量频散偏强,位置偏南,波流相互作用导致我国南方上空高空急流加强,高低空辐散辐合配置加强,垂直上升运动增强,易造成我国南方地区降水异常偏多。WFD-Ⅰ为负异常年时,Rossby波能量的经向传播较强而纬向传播较弱,北方降水关键区受波通量辐散控制,高空西风急流加强,高低空辐散辐合配置和垂直上升运动增强,有利于我国北方地区降水的发展。     

涡旋Rossby波传播和台风切向风速变化的数值研究

设计了一个高分辨率f平面准地转正压涡度方程半谱模式，用以研究非线性对台风切向风速变化，以及不同初始异常条件下台风环流内涡旋Rossby波传播和台风切向风速变化特征。6类(14组)试验的数值结果表明：非线性使台风切向风速的增强减弱，可能使最大风速半径收缩。初始扰动中心位置对涡旋Rossby波传播和台风切向风速变化的影响明显。扰动中心在最大风速半径附近时，台风最大切向风速增强最多；异常中心在台风外区时，使最大切向风速减小。初始异常尺度(范围)减小对台风最大切向风速变化的影响减弱。双涡分布条件下，台风环流外区的涡旋使内区或近眼壁区对流涡旋对台风最大切向风速的影响减弱。     

2020年长江中下游地区梅汛期强降水特征及其与对流层上层斜压Rossby波的关系

2020年梅汛期（6～7月）长江中下游地区发生了严峻的汛情。2020年梅雨期长度和强度均远超历史平均水平。本文利用逐日NCEP/NCAR再分析资料和全球降水量网格数据集,研究了本次梅汛期降水特征及其与对流层上层斜压波动活动的联系。结果表明:本次梅汛期,长江中下游地区的总降水量和降水异常大值区位于安徽南部,共有7次连续的降水过程发生。长江中下游地区在对流层中低层辐合、高层辐散,且该地区上空有强的异常上升运动,有利于异常强降水的发生发展。同时,水汽自孟加拉湾和中国南海地区输送至长江中下游地区,为强降水的发生提供了充足水汽。利用小波分析研究该地区的逐日降水标准化时间序列时,发现其存在2～4天和6～14天的显著周期。高频（2～14天）扰动所显示的Rossby波动在对流层上层表现出向下游频散的特征,波动源于贝加尔湖附近。波扰动能量和通量所显示的波动向下游的传播过程与波包的传播过程较为一致,分别源于地中海和贝加尔湖附近的波扰能向东或向东南频散至长江中下游地区,有利于该地区扰动加强并进而有利于强降水的发生和维持。以上结果加深了人们对2020年超长“暴力梅”成因的认识并可为有效预测类似事件提供线索。     

夏季东亚西风急流Rossby波扰动异常与中国降水

利用1958～2003年NCAR/NCEP再分析和中国160 站月降水资料,探讨沿东亚西风急流Rossby波扰动动能异常对东亚夏季风环流和中国夏季（6～8月）降水的影响及其响应机理。研究发现:（1）夏季东亚西风急流Rossby波扰动动能加强（减弱), 东亚西风急流位置偏南（北)、强度偏强（弱）。（2）该扰动动能具有显著的年际和年代际变化特征, 1958～1978年处于年代际偏弱阶段,1979～1998年处于年代际偏强阶段。（3）该扰动动能加强（减弱), 200 hPa 辐合区位于30?N以南（以北）西太平洋地区,此时,500 hPa 西太平洋副热带高压位于30?N以南（以北), 850 hPa 反气旋性距平环流出现在东亚30?N以南（以北）地区,而30?N以北（以南）为气旋性距平环流,东亚热带季风环流加强（减弱), 梅雨锋加强（减弱), 夏季中国东部降水中间多、南北少（中间少、南北多）。（4）东亚高、中、低层大气环流对高层东亚西风急流Rossby波扰动动能强弱响应由对流层上层散度场及垂直速度场变化完成。     

辐散风作用下低频Rossby波的能量传播

文中研究了热力强迫所激发的辐散风对低频Rossby波能量传播的影响 ,推导出辐散风作用下的Rossby波的频散关系和群速度表达式。理论分析表明 :如果扰动流函数与速度势的位相差α∈ (0 ,π) ,那么辐散风将减小Ross by波的圆频率 ,增大群速度的纬向分量 ,加速Rossby波在纬向方向上的传播 ;辐散风对经向群速度的影响是比较复杂的。波射线的分析表明 ,在纬向基本气流为常数的情况下 ,辐散风作用下的低频Rossby波从初始位置到反射纬度的传播路径表现为一段光滑的大弧 ;对于周期为 30d、纬向波数k =3,4的Rossby波 ,当辐散风减弱时 ,波能量经向传播距离和纬向传播距离都增大。对于k =3的Rossby波 ,当辐散风减弱时 ,Rossby波的经向传播范围增大 ,但振幅强度减小。     

夏季欧亚中高纬环流持续异常事件的Rossby波传播特征

利用西风波导结构以及波作用通量, 探讨了夏季欧亚一类中高纬持续异常环流所对应的Rossby波的能量频散特征。中高纬度对流层上层存在结构较为复杂的弱波导, Rossby波能量频散过程基本上与该弱波导结构一致。Rossby波传播特征在不同时期以及两种环流型 （E型和C型) 之间存在显著差异: (1) 在梅雨前期, 与E型环流对应, Rossby波从南欧气旋式异常环流中心传播到乌拉尔山正高度异常中心, 并且波作用通量在乌拉尔山西侧辐合, 形成该地区正高度异常环流。乌拉尔山持续异常中心东侧重新激发出Rossby波, 并传播至贝加尔湖和鄂霍次克海地区, 维持对应的异常环流。与C型异常环流对应, Rossby波活动非常活跃。该型三个活动中心呈现高纬－中纬－高纬的分布特征, 这与波导结构密切相关。 (2) 在梅雨期, Rossby波的传播对两类持续异常环流的作用更加明显, 其传播路径基本上在处于极区和偏向中纬度一侧的两个“波障碍区”之间的带状西风波导区中。Rossby波从乌拉尔山活动中心向东传播, 最终形成贝加尔湖和鄂霍次克海地区的持续异常环流。在C型维持过程中则还存在另一种强迫因子。在C型中, Rossby波从乌拉尔山活动中心向中纬度传播, 并在亚洲急流中向东传播至东亚地区。 (3) 在后汛期, 在欧亚大陆上纬向“波障碍区”的增加使得Rossby波活动减弱。E型异常环流型的鄂霍次克海活动中心向东扩展到北太平洋, 但来自上游的Rossby波传播只作用于该活动中心的西北侧部分。C型中Rossby波的传播在乌拉尔山活动中心地区变弱。在夏季各个时期, E和C型持续异常环流对应着不同位相的EAP (或PJ) 型, 但并没有Rossby波从中纬度向北传播至鄂霍次克海地区的现象。     

西风带南支槽对云南天气的影响

利用1980-2008年近30年逐日地面、高空观测资料,统计了影响云南的西风带南支槽个例,并分析了南支槽的时空分布和对云南降水的影响。结果表明,影响云南的南支槽平均每年出现18.76次,11月-次年5月平均每月出现次数相当(6-10月西风带北撤,转换为孟加拉湾槽);约5.88%的南支槽过程对云南产生大到暴雨天气,54.83%的南支槽产生小到中雨,另有17.28%的南支槽产生冰雹天气过程。南支槽的进退与西风带环流形势、副热带高压位置和高原大地形等关系密切,南支槽位置、水汽输送、湿度锋区、低空急流和冷空气强弱等条件的不同决定了降水的强弱或是否有强对流天气出现。     

南支槽与孟加拉湾风暴结合对一次高原暴雪过程的影响

利用NCEP/NcAR逐6 h 1°×1°。再分析资料与常规和非常规观测资料,对2007年11月云南德钦高原暴雪产生的原因进行了研究,探讨南支槽与孟加拉湾风暴结合对高原东南部强烈天气的影响过程。结果表明:(1)在南支槽和孟加拉湾风暴结合的天气尺度条件下,槽前偏南风低空急流受高原大地形阻挡产生的高原切变线是高原暴雪的直接影响系统;(2)由于地形和冷空气的作用,上升运动向北倾斜使高原对流层中上层首先出现上升运动,整层上升运动在高原切变线和次级环流上升支的共同作用下强烈发展。孟加拉湾风暴北上与南支槽结合、高原切变线北移和风暴低压临近使德钦上升运动出现三次增强;(3)南支槽前偏南风低空急流向北输送水汽,部分水汽被抬升到高空,部分水汽绕过高原东南角向下游输送。高空水汽经高原上空沿着高空西风急流向下游远距离输送。高、低空水汽通道不重合往往会影响高原及其下游强降水落区的预报。受高空水汽输送影响,高原东南部纵向岭谷区具有高层大气最先增湿的特征,近地层水汽通量长时间强烈辐合有利于高原暴雪的形成;(4)上游冷空气沿南支西风到达孟加拉湾,促使南支槽加深和维持有利于引导盂加拉湾风暴北上,南支槽前偏南风低空急流把暖湿空气输送上高原,同时横槽转竖冷空气从高原南下,冷暖空气在德钦交汇形成强锋区也是暴雪产生的一个有利条件。(5)高原暴雪的锋区结构具有中纬度锋面天气特征,在暴雪发生的锋区附近,满足倾斜位涡发展和条件性对称不稳定。     

南支槽影响下西藏高原南部3次暴雪天气特征分析

利用NCEP/NCAR再分析资料和常规观测资料,对2013年1-2月西藏高原南部3次暴雪天气的环流形势、动力、水汽条件等进行诊断对比分析。结果表明:3次暴雪天气中高纬度均以经向型环流形势为主,从长波槽脊配置可分为长波槽型和横槽型两大类;西太平洋副热带高压偏西偏强、伊朗高压东北发展对南支槽加深和缓慢东移起到关键作用。南支槽区560 dagpm线在30°N以南,并东移至70°E附近或以东时西藏高原南部开始出现暴雪天气;暴雪区附近涡度场变化反映了南支槽强度特征,中高层强辐散对南支槽发展起到重要作用;水汽主要源于阿拉伯海,孟加拉湾水汽对东部降雪起到补充作用,南支槽前高空西南急流对水汽输送起关键作用,同时喜马拉雅山脉的大地形抬升,有利于上升运动和水汽凝结成云;水汽通量、水汽通量散度等变化及中心的移动方向,对降雪的强度、落区和时段具有较好的预报指示意义。     

南支槽的客观识别方法及其气候特征

基于槽的客观识别方法,提出南支槽强度定义,利用NCEP/NCAR再分析资料500 h Pa高度场识别了1953 2012年冬半年逐日南支槽分布,利用线性趋势、Mann-Kendall突变检测和小波分析等分析了近60年南支槽的气候及其变化特征。结果表明:南支槽年平均活动频次为46.4次,活动最频繁区位于青藏高原中部南侧(90°E 92.5°E),强度自西向东减弱;1月和5月的活动频次最高,1月和2月的强度最大;近60年南支槽活动频次有增加趋势,每年平均增加0.12次,在1960年前后发生突变,之前年平均为39.8次,之后年平均为47.5次;最显著周期为7年。对南支槽不同位置的整层水汽输送通量合成分析表明,南支槽前为水汽输送异常大值区,该水汽输送大值区随南支槽东移而东移。     

Wave Sources, Energy Propagation and Conversion for Anomalous Rossby Wave Activities Along the West Asian Jet Stream

Characteristics of the wave sources, energy propagation and conversion for anomalous Rossby wave activities （RWAs） along the West Asian jet stream （WAJS） in summer are examined based on the NCEP/NCAR （National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research） reanalysis data from 1958 to 2003, using the vorticity source equation, the Eliassen-Palm （EP） flux, and the wave energy equation under diabatic heating. The study aims to find the dynamical causes for RWA anomalies along the WAJS and to improve the understanding of mid-high latitude circulation anomalies. The results show that the negative vorticity source and the strong EP flux divergence over the Mediterranean Sea and the North Atlantic Scandinavian Peninsula area act as the wave sources for RWA anomalies along the WAJS. When the intensity and position of the wave sources are anomalous, the excited eastward-propagating RWA along the WAJS also behaves anomalously. In strong （weak） years of RWA, Rossby waves excited by the strong divergence of EP fluxes over the Iceland Scandinavian Peninsula area （east to the Scandinavian Peninsula） propagate eastward and southeastward. The eastward propagating waves become strengthened （weakened） after turning southeastward near the Ural Mountains and then entering the Asian subtropical westerly jet stream （ASWJS） over the Caspian Sea-Aral Sea-Xinjiang. The southeastward propagating waves also strengthen （weaken） after directly entering the ASWJS over the eastern Mediterranean-the Black Sea. Furthermore, the divergence of EP fluxes over the Mediterranean also strengthens （weakens） in the strong （weak） years, so they jointly bring about the strong （weak） RWA along the WAJS. Finally, the perturbation available potential energy （PAPE） along the WAJS （15°- 60°E） produced by diabatic heating, is far greater than the conversion from the kinetic energy of the basic flow into the perturbation kinetic energy and from the available potential energy of the basic flow into PAPE. The RWA along the WAJS looks stronger （weaker） than normal when the PAPEs produced by diabatic heating over the Iranian Plateau and West Asia significantly strengthen （weaken）, and therefore they are also the energy sources of RWA anomalies.     

The Propagation of Wave Packets and Its Relationship with the Subtropical Jet over Southern China in January 2008

The propagation of wave packets and its relationship with the subtropical jet was investigated for the period 26-29 January 2008 over southern China using ECMWF Interim re-analysis data.Wave packets propagated from the north to the south side of an upper front with eastward development along the upper front during this period.Due to the eastward development of propagation,the acceleration of geostrophic westerly winds shifted eastward along the front.There were two primary sources of the propagation of wave packets at around 30 N.The first was the temperature inversion layer below 500 hPa,and the second was baroclinic zones located along the polarward flank of the subtropical jet in the middle and upper troposphere.Most wave packets propagated horizontally from the baroclinic zones and then converged on the zero meridional gradients of zonal winds.     

低纬高原地区南支槽强降水中尺度MCS系统的模拟与分析

选取2002年5月11～13日云南地区的一次南支槽强降水过程，利用MM5非静力中尺度数值模式对这次降水过程进行了数值模拟，利用模式高分辨率的输出结果分析了这次强降水中尺度对流系统的结构特征。分析结果表明：强对流系统的低层环境风场为西南和东南气流辐合，高层则为一致的槽前西南气流。低层强正涡度暖湿气流辐合上升区紧邻辐合线的西南侧，槽前西南暖湿气流在辐合线附近冷空气的作用下辐合上升，形成强降水，强降水落区位于低层700hPa强正涡度暖湿气流辐合上升区的西南侧。对物理量要素的时间演变分析表明：在对流发展初期，沿辐合线的正负涡度、辐合辐散、上升与下沉运动在垂直方向和水平方向上相间分布，呈多个模态；当对流发展较强时演变为单一模态分布，即辐合线附近低层为正涡度辐合气流上升区，而高层为负涡度辐散气流下沉区。其中低层辐合较为浅薄，位于地面到600hPa高度，而正涡度和垂直速度较为深厚，可以从地面向上分别伸展到400hPa和200hPa高度。研究还揭示了低纬高原地区中尺度对流辐合系统的垂直轴线随高度向辐合区东北侧（高纬度地区）倾斜的特征，这是低纬高原地区南支槽强降水中尺度对流系统与其它切变线、准静止锋和低涡等中尺度对流系统不同的最主要特征之一。