汛期强降水过程与月内低频降水的联系及其可能机制

利用1981 2010年中国753站逐日降水观测资料、NCEP/NCAR第二套逐日再分析资料及实况天气图等,选取长江中下游32次大范围持续性强降水过程,分析了该类强降水过程与月内(10~30天)低频降水的联系,并重点讨论了形成该类强降水过程的可能机制。结果表明:(1)长江中下游夏季降水具有显著的月内低频振荡周期。大范围持续性强降水过程基本位于降水低频振荡的峰值阶段。(2)梅汛期(6 7月)月内低频降水峰值位相前期,西太平洋副热带高压(下称西太副高)西伸北进,高低空急流发展加强。在强降水过程发生期,高中低层配置出现垂直方向上的最佳耦合;而台汛期(89月)低频降水峰值位相前期,西太副高东退南撤,低空急流逐渐南落至长江中下游东南部,与高空急流相配合,为强降水过程的发生提供了有利条件。(3)梅汛期东北亚低频位势高度低值区南下,与中纬太平洋西传的低频波列在长江中下游汇合。同时西太副高发展加强,造成了长江中下游降水峰值位相南高北低的低频位势高度分布,有利于强降水过程的发生;台汛期伴随从热带西太平洋到日本海低频波列的西北向移动,菲律宾东北部的低频气旋及其北侧低频反气旋的降水峰值位相分别移至长江中下游和东北亚地区,导致暖湿、干冷气流在长江流域交汇,进而造成强降水过程。(4)菲律宾以东洋面低频强对流可作为梅汛期和台汛期强降水过程发生的前期热带信号,提前低频降水峰值位相10天左右。     

湖南涝年主汛期降水低频振荡特征分析

本文基于1986—2015年湖南逐日降水数据以及同期NCEP/NCAR再分析资料,分析旱涝年主汛期(5—7月)降水低频振荡特征,并利用位相合成方法研究涝年主汛期20～50 d低频环流演变特征。结果发现,湖南地区20～50 d和10～20 d的低频降水方差贡献比都具有南高北低的分布特征,10～20 d的低频振荡在旱涝年中皆较普遍存在,而20～50 d的低频振荡只在涝年普遍存在,20～50 d低频振荡对涝年有一定的指示意义。对涝年主汛期20～50 d低频降水进行位相合成发现,在活跃位相(中断位相),夏季南亚高压和西太平洋副热带高压(简称西太副高)纬向异常接近或者重叠(分离),湖南地区降水偏多(偏少),且两个高压的强度、范围、以及脊线位置和湖南地区主汛期降水关系较密切。南海反气旋(气旋)、河套地区槽(脊)系统以及湖南地区的垂直速度和比湿配合度高,且随位相变化存在明显的周期振荡,其中南海反气旋(气旋)和河套地区槽脊系统配置与湖南低频降水有着高度的时间一致性,湖南地区的低频垂直速度和低频比湿较低频降水有一个位相的超前滞后关系。此外,随着位相的演变,低频南北风高值区皆有明显的北传特征。     

中国东部区域性持续性强降水的低频特征及其海洋热力背景

基于1961-2010年夏半年(4-10月)中国逐日降水观测资料和NCEP/NCAR大气再分析资料,运用Butterworth滤波方法分析了中国低频降水特征、夏半年中国东部不同区域区域性持续性强降水与低频降水的关系,研究了海温对低频降水的影响。结果表明:低频降水贡献大值区位于中国东南部区域,某些年份,10~50天低频降水最大贡献达到40%,多年的平均贡献达到24%;在持续性强降水事件发生年,江淮和江南区域的20~50天的低频降水贡献显著增加,江淮和江南区域持续性强降水发生季节热带西北太平洋海表面温度呈现异常偏高,夏季热带西北太平洋海温异常增暖可能通过影响低频环流导致江淮和江南区域20~50天低频降水贡献的增加,进而增加持续性强降水事件发生的可能性。     

基于低频振荡特征的夏季江淮持续性降水延伸期预报方法

本文利用1981~2008年我国南方地区200站逐日降水量、NCEP再分析资料和NCEP气候预报系统 (CFS) 的模式回算数据, 针对降水低频信号, 分析了江淮地区夏季降水的延伸期可预报性, 并选取对江淮持续性强降水有显著影响的东亚环流指数作为预报因子, 以降水20~50天低频分量作为预报量, 进行了针对江淮地区夏季持续性强降水过程的延伸期预报试验。结果表明, 江淮地区夏季降水具有明显的20~50天周期的低频振荡特征。降水的20~50天低频振荡, 尤其是峰谷值位相的变化与实际降水集中期和中断期的交替有较好的关系, 研究20~50天降水低频分量的延伸预报, 对于江淮地区夏季持续性强降水过程的延伸预报有一定的指示意义。本文尝试提出一种基于大气环流低频信号和数值模式预报产品的动力与统计相结合的预报方法, 以期为江淮地区夏季持续性降水过程的延伸期预报提供参考。     

西北地区东部强降水过程与大气低频振荡关系分析

利用Butterworth带通滤波器对降水量、风场、相对涡度、OLR进行了30~50天滤波处理,分析了西北地区东部强降水低频特征及与大气低频振荡的关系。结果表明,2012年5—9月期间该地区降水主要集中于6月中旬至9月中旬,尤其集中于6、7、8月的月末,降水存在30天左右的周期振荡,强降水均发生在低频滤波曲线的正位相时段。西北地区东部强降水过程均发生在低频偏南气流与低频偏北气流汇合后低频偏南气流时段;正好出现在相对涡度30~50天低频振荡的正位相期及附近;大多发生在对流扰动的负位相区,也就是强对流活动区,其中45°N以南的负位相对流振荡向南传播及该地区西面的负位相对流振荡向东传播到此,共同形成了该地区的强降水过程。应用大气低频振荡方法对西北地区东部强降水过程进行预报,近4年预报准确率在67%以上,预报时效在1 0~30天,有效地衔接了天气与气候预报的时间缝隙。     

热带大气季节内振荡对西南地区东部夏季降水的影响及其可能机制

利用1979~2013年6~8月的西南地区东部20个台站日降水量资料、逐日MJO(Madden-Julian Oscillation)指数、全球OLR(Outgoing Longwave Radiation)逐日格点资料以及NCEP/NCAR再分析日资料,采用合成分析和线性回归等方法,对夏季MJO不同位相活动影响西南地区东部夏季降水的原因及其可能机制进行了初步分析。研究表明,MJO与西南地区东部夏季降水之间存在着显著的关系,当MJO处于第4(第6)位相时,由于西太平洋副高位置偏南(偏北)、向西南地区东部的水汽输送偏多(偏少),在异常上升(下沉)气流影响下,西南地区东部夏季降水偏多(偏少)。MJO影响西南地区东部夏季降水的可能原因是:当MJO处于第4位相时,赤道东印度洋地区上空大气释放凝结潜热,其激发东北向传播的异常波动,进而影响东亚环流,使得西南地区东部出现夏季降水偏多的环流形势,西南地区东部夏季降水增多;但在第6位相时,西太平洋地区上空对流释放的凝结潜热,其激发PJ(太平洋-日本)型Rossby波列,出现不利于西南地区东部夏季降水的环流形势,西南地区东部夏季降水偏少。     

1981-2010年江淮地区持续性强降水低频特征分析

基于1981-2010年国家气象信息中心提供的全国756站逐日降水数据建立江淮地区降水指数,选取6-7月江淮地区持续性强降水事件共26例,利用集合经验模态分解方法分析江淮地区的持续性强降水的低频性质。结果表明江淮流域夏季降水呈现随振荡周期增大方差贡献减小的趋势,根据江淮流域夏季持续性强降水的低频性质可以分成三类,其中10-30天低频振荡主导的事件占全部事件的50%,其低频成分的贡献达45.9%;10-30天和30-60天低频振荡共同主导的事件占全部事件的34.6%,10-30天低频成分的贡献达39.9%,30-60天低频成分的贡献达20.9%。在10-30天低频尺度上,事件发生前期自副高系统产生向极的波动能量的传播进而形成中纬度位势高度负异常,30-60天低频尺度上的位势高度异常稳定维持在利于持续性强降水发生的位相,为10-30天关键低频系统的形成提供一个有利的背景场,两个时间尺度上的低频活动在事件发生期间索相。在低频尺度上导致江淮地区持续性强降水的主要原因是位于南海至菲律宾北部的低频反气旋系统携带大量暖湿水汽沿西南东北向不断输送至江淮地区,低频反气旋与中纬度低频气旋系统在江淮地区强烈辐合导致持续性强降水的发生。     

北京降水特征与西太副高关系的若干统计

利用北京地区20个测站1975—2004年降水资料,以及国家气候中心定义的西太平洋副热带高压(下称西太副高)各指数资料,对北京地区降水的时空分布特征以及与西太副高的统计特征等进行了分析,结果表明:(1)北京地区降水分布不均匀,降水量大值区主要位于怀柔、平谷等中部山区,呈现东部和南部降水多,西部和北部降水少的分布形势。其夏季降水占年降水量的72.5%,其中,北京东部和南部的降水季节性特征比西部和北部更显著。(2)北京地区各站每年平均大雨以上的降水日数在3~8天之内;北京区域平均年降水量与中雨以上的各量级降水日数都为显著正相关关系,尤其是大雨日数降水的贡献,其次是暴雨日数。(3)北京地区年降水有连枯、连丰、枯丰交替的年际变化特征;其夏季降水有弱的准2年的周期振荡。(4)近30年来,随着年代演变,西太副高对北京地区夏季降水的作用有增强趋势。(5)北京区域性强降水日主要出现在7、8月份,约占总区域强降水日数的72%。其中有45.5%的区域强降水日与西太副高影响有关,特别是西太副高与西风槽共同作用的形势约占94.8%。(6)当西太副高平均脊线位于31.6°N,120°E处,西伸脊点位于110.6°E处,副高5880 gpm等高线北界位于37.1°N,120°E处,以及西风槽中点位于108.8°E,40°N,槽线北端位于46.6°N,槽底位于34.8°N时,最有利于北京出现区域强降水。     

南亚高压季节内变化与热带季节内振荡之间的关系

采用观测分析和数值试验等方法,分析夏季南亚高压与热带季节内振荡(ISO)之间的关系,并对两者之间的相互作用进行量化诊断,探讨其物理过程.主要结果表明:南亚高压ISO与热带ISO活动关系密切,当热带ISO处于印度洋位相(第1、2、3位相),则南亚高压东脊点位置偏西,当ISO处于太平洋位相(第5、6、7位相),则南亚高压东...     

西太平洋副热带高压不同特征指数与贵州夏季降水的关系

利用贵州85个气象观测站1979—2015年6—8月逐月降水资料、2011—2015逐日降水资料、国家气候中心副高指数及NCEP第二套再分析资料对西太平洋副热带高压与贵州夏季降水的关系进行了分析,并对副高位置发生变化时贵州暴雨带的变化进行了对比,结果表明:(1)贵州夏季大部分区域的降水与副高面积指数、强度指数为正相关,与脊线位置、西伸脊点为负相关;当副高面积增大或强度增强时,对应贵州夏季降水偏多;降水偏多时,6—8月副高的位置偏西或接近平均年份;降水偏少年,副高位置偏东或接近平均年份,且无论偏多(少)年均具有逐步北推东退的趋势。(2)面积指数、强度指数与降水在2~4 a较为显著的凝聚共振关系,二者基本为同位相变化;副高脊线位置、西伸脊点与降水具有2 a的凝聚共振关系,二者与降水均呈反位相变化,脊线位置(西伸脊点)的变化明显超前于降水的变化。(3)贵州6—8月出现暴雨天气时,副高脊线的平均位置具有逐步北推的趋势,且贵州暴雨日数先增加后减少,西伸脊点具有逐步西进的趋势,且贵州暴雨日数逐步增加;当脊线位置位于25°—29°N或西伸脊点位于90°—100°E时贵州暴雨日数最多。     

热带大气季节内振荡对江西5月降水的影响

利用实时的热带大气季节内振荡(MJO)指数和江西省83个台站降水资料,通过位相合成方法分析了MJO对江西5月降水的影响。(1) 在强MJO第4～5位相(MJO活动中心位于赤道印度洋东部印尼群岛附近)江西降水为正异常,在第6～8位相(MJO活动中心位于西太平洋以东)和第1～3位相(MJO活动中心位于赤道印度洋)为负异常,其中以第4位相的正异常和第7位相的负异常最明显。(2) 当MJO对流中心位于印尼群岛附近时,副高西伸脊点偏西,处于异常西南风控制,从西太平洋副热带地区向江西输送的水汽加强,位于水汽辐合区内,受上升运动控制,有利于江西出现降水。当MJO传播至西太平洋地区时,江西转为受异常偏北风控制,水汽输送减弱,为水汽辐散区,受下沉运动控制,不利于江西出现降水。      

太平洋年代际涛动对中国东部季风区夏季降水的影响

利用1951-2013年全国160个基准气象观测台站夏季(6-8月)月降水资料和太平洋年代际涛动(PDO)指数等资料,分析中国东部季风区夏季降水的时空分布及其与太平洋年代际涛动(PDO)的关系。结果表明,中国东部季风区夏季降水的空间分布模态是南、北部与中部的降水呈明显的相反趋势,且太平洋年代际涛动(PDO)与中国东部季风区夏季降水的时空分布关系密切。太平洋年代际涛动(PDO)处于暖位相时,东部季风区北部(华北、西北地区)、南部(华南、东南地区)降水量异常偏少,而中部(华东、长江中下游地区)降水量异常偏多;太平洋年代际涛动(PDO)处于冷位相时,则与上述情况相反。     

热带东风急流的气候学和中期振荡

本文用13年夏半年(5—10月)月平均风场和两年逐日风场资料研究了200hPa南亚热带东风急流的气候学特征和中期振荡过程。研究表明,南亚夏季热带东风急流显著的非季节性变动和年际差异与低纬对流层高层大尺度环流变化和南亚夏季风活动密切相关,相对于多年平均而言,存在5类异常的东风急流。 各种分析表明,热带东风带存在三种主要的中期振荡。准50天周期振荡与夏季南亚对流层上部大尺度散度场的变化相关联,表现为十分显著的向南的位相传播。准50天和25天振荡均存在显著的年际变化。准50天周期振荡系统性不强的年份,准25天周期振荡是低纬行星波的主要振荡,在东风急流区除表现为系统性向西传播外也表现为向南的位相传播。准双周振荡在东风带一般向西传播。      

Combined impact of in-phase and out-of-phase variation between the northern East Asian low and western North Pacific subtropical high on East Asian summer rainfall

东亚夏季降水受到对流层低层的东北亚陆地低压和西北太平洋副热带高压(西太副高)的影响。本文采用NCEP/NCAR再分析资料,考察了东北亚低压和西太副高同位相变化及反位相变化对东亚夏季降水的影响。研究发现与环流系统同位相和反位相对应,东亚夏季降水呈现不同的变化特征。当东北亚低压和西太副高同位相变化时,东亚地区降水异常为偶极子型,表现为长江南北降水变化相反;而当两环流系统处于反位相变化时,降水异常主要集中在长江流域。     

基于TRMM PR探测资料的青藏高原东坡降水结构特征分析

利用热带测雨卫星(TRMM)探测资料和ERA5再分析资料,研究了2006年7月6日发生在青藏高原东坡的一次强降水过程,并在此基础上分析了青藏高原东坡夏季(6—8月)的降水结构特征。研究结果表明：青藏高原东坡较强降水个例发生在低层辐合、高层辐散的降水环境背景场中,雨带呈东北-西南分布,最大降水强度超过20 mm·h-1。对流降水回波顶高超过17 km,层状降水回波顶高低于15 km,6.5 km高度存在亮带,且外形也似非高原地区的层状降水垂直结构。统计分析表明在高原东部偏南区、高原东部与四川盆地交界区南部的夏季降水频次高,而在高原东部偏北及四川盆地的降水频次、对流和层状降水频次均比上述地区小;多年夏季的日均降水量分布大体与降水频次分布类似。降水反射率因子的垂直结构具有地域性特点,高原东部偏南和偏北区的回波垂直结构相似,因受到地形高度的压缩,其降水垂直结构与非高原地区的不同;而高原东部与四川盆地交接区的降水垂直结构外形,介于高原与非高原之间;四川盆地的对流降水和层状降水垂直结构与中国东部平原及热带副热带洋面的相近,但层状降水的亮带高度高出1 km。     

MJO活动轨迹对贵州区域强降水过程延伸期预报的影响分析北大核心

通过对贵州省主汛期季节内振荡(Intra-Seasonal Oscillation,ISO)活跃年进行低频对流场和降水的合成分析,确定了影响贵州主汛期ISO和降水的热带印度洋(Indian Ocean,IO)低频对流关键区和南海(South China Sea,SCS)低频对流关键区,并利用MJO活动轨迹对贵州区域强降水过程开展了延伸期预报试验。将贵州省主汛期ISO位相划分为发展、峰值、减弱、抑制、谷值和恢复6个位相,发现贵州主汛期ISO活跃年的降水与本地区低频对流具有较好的对应关系,即在峰值位相时低频对流最强、降水正异常强度最强;在谷值位相时低频对流最弱、降水负异常强度最强。同时,热带和副热带低频对流场在贵州主汛期ISO波动的第1、4位相、第2、5位相及第3、6位相均呈反位相特征。在热带印度洋低频对流发展、并东传的过程中,有两条传播路径分别激发了孟加拉湾西南季风ISO活跃和南海热带季风ISO活跃共同影响贵州主汛期降水;在贵州主汛期有3个低频对流活跃期,IO关键区和SCS关键区ISO都有3次提前的低频对流加强。基于上述研究,分析MJO活动轨迹对贵州主汛期区域强降水过程的影响,发现热带印度洋MJO活动中心强度在贵州区域强降水过程发生前15 d~前3 d具有较好的持续性预报信号,提前9 d时正相关性最好。与延伸期预报业务规定的预报时段(未来11~30 d)相结合,通过确定贵州典型区域强降水过程发生前(提前量为10 d)至过程结束时段的MJO活动轨迹在历年中的最相似时段,发现MJO活动中心轨迹和强度对贵州区域强降水过程的趋势预报具有较好的指示意义。     

湖南省汛期强降水的30~60d低频振荡特征及延伸期预报指数研究

基于1986—2015年湖南逐日降水资料、同期美国气象环境预报中心(NCEP)和美国国家大气研究中心(NCAR)再分析资料,通过分析强低频振荡年的汛期强降水特征和低频环流场演变对强降水的影响,建立了湖南省汛期延伸期强降水过程预报指数。结果表明:(1)汛期33%的强降水过程均发生在具有显著30~60 d低频振荡的年份中,且大多位于低频降水峰值阶段。(2)通过对强低频振荡年进行合成发现,在活跃位相,南亚高压偏强偏东,副热带高压偏西偏强,这种环流配置导致中国南方大部分地区的高层环流为辐散,底层环流为辐合,有利于降水的产生。在中断位相,南亚高压呈东西带状分布且其位置偏西、强度偏弱,副热带高压偏东偏弱,使得向湖南地区输送水汽的西南气流减弱,进入降水中断期。(3)基于低频散度场不同位相的变化特征,选取了与低频降水相关的两个关键区,从而建立延伸期预报指数,该指数对低频降水显著年的强降水回报准确率能够达到73%。(4)前期4月黑潮的海温异常(SSTA)可作为湖南省强低频振荡年的预测指标。     

南亚高压与西太平洋副热带高压经纬向位置配置对中国东部夏季降水的影响

利用1951—2016年逐月中国160站降水资料、NCEP/NCAR全球大气再分析资料和NOAA_ERSST_V4海表温度资料,分析了南亚高压与西太平洋副热带高压(西太平洋副高)经、纬向位置的关系及其位置配置对中国东部夏季降水的影响,结果表明:(1)南亚高压与西太平洋副高在纬向上的东西进退存在明显的反相关系,在经向上主要存在一致变化的特征,并依此定义了纬向、经向位置指数。纬向位置指数大(小)表示南亚高压与西太平洋副高纬向上距离远(近),经向位置指数大(小)表示两高压经向位置均趋于偏北(南);(2)纬向位置指数与我国华北、华南沿海地区降水呈显著正相关,而与长江中下游、东北北部地区降水呈显著负相关;经向位置指数与我国华北、东北南部地区降水呈显著正相关,而与我国江南、华南地区降水呈显著负相关;(3)南亚高压与西太平洋副高的经向、纬向位置指数与关键海区的前期春季、同期夏季海表温度均有显著的相关,热带太平洋-印度洋、北印度洋、中东太平洋前期春季、同期夏季海表温度与南亚高压东脊点呈显著正相关,与南亚高压脊线及西太平洋副高西脊点均呈显著负相关,而北太平洋海表温度主要与西太平洋副高脊线呈显著正相关。      

三江源地区春夏季降水与太平洋海温的关系

从预测三江源地区春季、夏季降水趋势的需要出发,利用聚类分析法将三江源地区春、夏季降水场分为3个区域。通过对3个区春、夏季降水指数与前期太平洋海温相关普查,定义了与3个区春、夏季降水指数相关的海温分布型指数。冬季西太平洋海温偏低(偏高),赤道中、东部太平洋海温偏高(偏低)的海温分布型造成三江源1区、3区春季降水减少(增加);冬季赤道太平洋中部、加利福尼亚海域海温偏高(偏低)的海温分布型造成2区、3区夏季降水减少(增加)。对冬季太平洋海温分布型与后期春、夏季500 hPa北半球高度场的相关分析结果表明:当冬季西太平洋海温综合指数高(低)时,春季高度场印度高压、中西伯利亚槽及阿留申低槽加强(减弱),三江源地区春季降水偏少(偏多);而当冬季太平洋中部、加利福尼亚海域海温综合指数高(低)时,夏季高度场伊朗高压、中西伯利亚高脊加强(减弱)及西太平洋副高位置偏南(偏北),夏季降水偏少(偏多)。     

热带印度洋MJO活动对孟加拉湾西南夏季风季节内振荡的影响

通过对1979—2008年热带太平洋30—60 d振荡(Madden-Julian Oscillation,MJO)指数、美国国家环境预报中心再分析资料和日本气象厅降水资料的分析,发现热带东印度洋MJO强度和传播状况影响孟加拉湾西南夏季风季节内振荡及相关低频环流、对流和降水分布。当热带东印度洋MJO在春末夏初较活跃时,孟加拉湾西南季风季节内振荡活动在4—8月比其不活跃时提前约20 d(约1/2个周期),其对于孟加拉湾西南季风季节内振荡的影响可持续整个季风期,使西南季风的季节内振荡不仅酝酿期和活跃期提前发生,季风期有所延长,季节内振荡也更强。西南季风季节内振荡具有明显的北传和东传特征,北传沿孟加拉湾通道从赤道向副热带推进,而东传则沿10°—20°N从孟加拉湾向东传至南海地区。春末夏初时热带东印度洋MJO的异常状况,正是通过对西南季风季节内振荡东传和北传的影响,进而对孟加拉湾西南季风季节内振荡在季风期的酝酿、维持和活跃产生作用,这种作用同时体现在强度和时间上。孟加拉湾西南夏季风季节内振荡强度与热带东印度洋MJO在4月21日—5月5日的活动呈现显著负相关,当热带东印度洋MJO在春末夏初较活跃时,孟加拉湾西南夏季风季节内振荡的强度较大,在5—8月经历3次季节内振荡波动,低频对流场和环流场在1—3位相(孟加拉湾西南夏季风季节内振荡为正位相)和4—6位相(负位相)时呈反位相特征,这是由MJO低频对流的东传及在孟加拉湾和南海这两个通道上的北传引起的。从印度半岛到菲律宾群岛的降水在1—3位相和4—6位相上分别为正异常和负异常,其中,在第2位相(孟加拉湾西南季风季节内振荡波峰)和第5位相(孟加拉湾西南季风季节内振荡波谷)时分别为降水最大正异常和最大负异常。反之,在热带印度洋MJO在春末夏初不活跃年时,孟加拉湾西南夏季风季节内振荡活动较弱,强度偏弱且振荡也不规律。