南方持续低温冻雨事件预测的前期信号

1960-2008年冬季期间,中国南方发生了23次低温冰冻(冻雨)天气事件,其中满足站日数大于10的事件有11次.2008年初中国南方发生了一场影响巨大的区域持续性低温冻雨天气事件,2011年初再次发生了类似的区域持续性低温冻雨事件.提前5天预报这类极端事件是国内外大气科学面临的难题.利用去逐日气候变化后的逐日850 hPa温度扰动,可以提前3~10天发现中国南方持续低温雨雪冰冻(冻雨)事件发生的信号.2008年初和2011初,影响中国南方的850 hPa冷空气扰动具有源地和路径相似性,它们都来自北非-中东并绕过青藏高原北侧到达中国南方,在对流层大气中形成"冷-暖-冷"的温度垂直结构.通过对欧洲中期天气预报模式产品中850 hPa温度扰动的相似性分析,成功地提前4~9天实际预报出了2011年初的中国南方低温冻雨天气过程.     

伴随冬季北太平洋副热带海洋锋强度变化的大气扰动异常及对中纬度大气平均场的影响

中纬度海洋热力状况异常影响大气主要通过两种途径:非绝热加热的直接强迫作用和大气瞬变涡旋反馈的间接强迫作用,而后者的作用并没有被很好地认识.为了进一步理解间接强迫作用的物理机制,本文利用观测资料分析和区域大气模式模拟,研究了伴随冬季北太平洋副热带海洋锋强度变化的中纬度大气场异常,特别是对流层中高层不同频率的涡旋扰动活动的异常.实际观测和数值试验结果均表明,当北太平洋副热带海表面温度锋偏强时,其上空的中纬度大气经向温度梯度增强;对应此时的大气斜压性增强,且中纬度大气西风急流整层加速;然而增强的大气斜压性并不对应一致性增强的大气涡旋扰动活动.中纬度大气的涡旋扰动根据其生命周期,进一步划分为高频(2~7天)和低频(10~90天)涡旋扰动.研究结果表明偏强的北太平洋副热带海洋锋对应着增强的中纬度大气高频涡旋扰动和减弱的低频涡旋扰动;其中,中纬度大气高频扰动活动的增强,将有利于削弱中纬度大气经向温度梯度,从而减弱中纬度大气斜压性;而高频扰动对纬向风倾向项的正贡献,有利于中纬度急流中心北侧及下游区域的西风加速,形成中纬度西风相当正压结构的增强;大气低频扰动的减弱,对中纬度大气纬向风倾向项产生负贡献,不利于急流的纬向均匀化,而其热力强迫异常则有利于维持中纬度对流层中层大气的经向温度梯度.     

地表拖曳对斜压波地面锋生的影响

利用三维非静力中尺度数值模式MM5模拟了干湿大气条件中纬度典型斜压波及其锋面系统的生成与演变过程, 重点讨论地表拖曳对干、湿大气中地面锋结构、锋生过程的影响作用. 研究结果表明, 在干大气中, 地表拖曳力对地面锋锋生具有双向作用, 一方面是锋消作用, 主要体现在地表拖曳力减慢地面锋锋生、地面斜压波系统发展; 另一方面, 地表拖曳力导致强的非地转流形成, 从而延长了冷锋锋生过程维持时间, 有利于冷锋强度增大. 同时地表拖曳力可以造成边界层内锋面近乎垂直于地面, 导致锋前垂直运动增强, 这些结果进一步推广了谈哲敏和伍荣生的理论结果. 在湿大气中, 地表拖曳过程对锋面雨带分布有重要的影响作用, 地表拖曳力可减缓对流上 升, 从而导致地表能量的耗散减缓. 当大气低层湿度较小时, 对流不是很强, 地表拖曳力可减缓地表水汽、能量的迅速耗散, 且在锋后边界层中产生摩擦辐合上升区, 这些上升区可逐渐东移到冷锋前, 补偿了锋前上升带的强度, 有利于冷锋降水的维持. 当大气低层湿度场很强时, 对流发展比较旺盛, 此时地表拖曳对低层水汽与能量的束缚作用相对较弱, 相应地表拖曳对锋面及其降水系统影响较小.     

中国热浪事件的大气扰动结构及其稳定性分析

利用对流层至平流层大气变量的物理分解,本文发现400 hPa上的天气尺度温度扰动正值和250 hPa上的天气尺度高度扰动正值能够指示地面上的高温和热浪事件.理论和观测分析发现,当扰动静止波中心出现在40°N-45°N时,准静止波波长较长,影响范围大,持续时间久,容易在中国形成区域持续性热浪事件.在江南-华南、长江沿江及河套-华北的区域,干热浪事件静止波的稳定时间在6.5天以上.对流层大气天气尺度扰动波动在垂直方向具有倾斜特征,250 hPa高度上,静止波稳定位置比地面热浪区域中心普遍偏北6~12个纬距.在低纬度(副热带高压带南侧),大气中向西北方向移动的天气尺度扰动,只有到达副高脊线以北的西风带后,才能形成静止波.     

东亚副热带夏季风建立与中国汛期开始时间

采用谐波等分析方法,讨论了季节转化过程中东亚大陆降水和对流层风场时空分布特征、海-陆热力差异以及大气加热与风场和降水之间的季节变化关系,确定了春季中国江南降水的副热带夏季风性质.分析认为,3月份中国江南春雨是东亚副热带夏季风降水的孕育阶段,4月初东西向海陆热力差异在东亚副热带地区最早完成冬夏的季节性反转,时间早于南海夏季风爆发并对应华南前汛期的开始,标志着东亚副热带夏季风的建立和中国汛期降水的开始.东亚副热带夏季风主要活动在东亚100°E以东、20°N以北地区,春季（3~4月份）中南半岛和江南地区大气加热的持续作用可能导致了东亚东西向海陆热力差异在副热带地区完成反转.其中,江南上空大气热源是导致该地区对流层低层西南风、上升运动和降水增强的主要原因.     

“快流形”湿斜压Ertel-Rossby不变量的导出及其在台风中的应用

位涡因在绝热无摩擦大气中具有守恒性而被当作一个较好的示踪物广泛的应用．然而位涡本身,对于大尺度“慢流形”更为有效．因此,需要寻找另外的守恒的不变量来描述速度和气压场等快速变化的强天气过程,比如增长期和成熟的热带气旋．本文将湿大气中的焓和熵引入绝对运动方程来消除气压梯度项,并利用Weber变换和Ertel形式的连续方程,推导了湿大气中的斜压Ertel—Rossby不变量,并证明了其守恒性．推得的湿斜压Ertel-Rossby不变量的表达式除了包含传统的位涡项,它还包括气压梯度、位能和动能梯度项等能反映“快流形”特征的因子,以及干Ertel—Rossby不变量所没有的湿度因子,因此能更完善地描述湿过程中强天气现象快速变化的动力学特征．通过个例分析,与湿位涡和干大气中的Ertel-Rossby不变量相比,这个守恒的不变量对于台风这类真实湿大气中快速变化的强天气过程是一个较好的诊断分析工具,能表征几个共存台风组成的多台风系统的移动和强度变化．湿Ertel-Rossby不变量在真实湿大气中有较为广泛的应用前景．     

基于Cloudsat探测的一次非典型东北冷涡结构及其降水

采用ERA-Interim气象分析资料、云顶亮温TBB资料、Cloudsat云雷达资料、降雨量资料等,对2009年6月10日至12日我国东北地区的一次冷涡天气过程进行研究,重现了该冷涡的精细三维结构和演变过程.分析表明冷涡发生前,东北亚地区处于南北双槽结构之间,随后北槽向赤道发展切断后形成东北冷涡.南槽背景的冷涡热力结构特殊,强冷空气集中在涡内西北象限,暖湿空气在东北象限,南部为相对中性空气,该配置导致北部暖锋强盛,西部冷锋仅在发展初期较强,冷涡过程没有经典挪威学派的气旋锢囚锋出现.冷涡发展初期,狭长冷舌快速入侵南下,冷舌前冷锋对流降水较强,冷舌后部左侧还有暖锋降水;冷涡发展后期,冷锋减弱,冷锋上的高层云停止降水,系统内主要为冷涡北部的暖锋雨层云降水;冷涡成熟后,中心辐合加强,有较强的对流性降水.     

风垂直切变对中尺度地形对流降水影响的研究

针对长江中下游中尺度地形特点以及暴雨过程发生发展期间风垂直切变的主要观测特征,设计了一系列中尺度地形的三维理想数值试验,分析了干大气地形流和重力波特征,探讨了条件不稳定湿大气地形对流降水的模态分布,在此基础上研究了圆形、直线风垂直切变和切变厚度对中尺度地形对流降水强度和模态分布的影响.结果发现:在 F_r≈1的干大气条件下,气流遇到地形后分支、绕流和爬升现象同时存在,地形激发的重力波在水平和垂直方向上传播,其在迎风坡、背风坡、地形上游和下游的振幅不同,并组织出不同强度的垂直上升运动.在F_r > 1的条件不稳定湿大气下,地形对流降水主要存在三种模态,即迎风坡和背风坡准静止对流降水以及地形下游移动性对流降水,地形对流降水的形成与重力波在低层组织的上升运动密切相关.风垂直切变对地形对流降水的强度和模态分布有重要作用,其中圆形风垂直切变(风随高度旋转)不仅影响地形下游对流降水系统的移动方向,而且影响迎风坡和背风坡山脚处对流降水中心的分布和强度;直线风垂直切变(风随高度无旋转)主要影响地形对流降水的移动速度和强度.风随高度自下而上顺(逆)时针旋转,地形对流系统向下游传播时向右(左)偏移.风垂直切变主要通过影响地形重力波的结构和传播以及对流系统的形成、移动方向和速度,来影响地形对流降水的模态分布,其中对流层中低层的风垂直切变对地形对流降水强度和模态分布有重要影响.     

德令哈大气水汽中δ^18 O的时间变化特征——以2005年7月-2006年2月为例

大气水汽中氧稳定同位素是研究气候现代过程的重要手段．根据测得的青藏高原东北部德令哈2005年7月-2006年2月大气水汽中δ^18 O以及观测的气象要素,分析了德令哈大气水汽中δ^18 O的变化特征以及与温度、比湿的关系．研究结果表明,德令哈大气水汽中δ^18 O季节变化显著,夏季值高于冬季值;在取样期间存在较大的波动,波动幅度超过37‰;受温度季节变化影响,德令哈大气水汽中δ^18 O的日变化与日平均温度之间存在着明显的正相关关系;德令哈大气水汽中δ^18 O与大气中水汽含量的关系较复杂,研究发现在季节尺度上,冬季大气水汽中δ^18 O与空气比湿成正相关关系,但在夏季,大气水汽中δ^18 O显著受到降水的影响而与空气比湿显现相反的关系;德令哈大气水汽中δ^18 O值低于当地降水中δ^18 O值,它们之间平均差值△δ^18 O为10．7‰;德令哈大气水汽中δ^18 O值受到降水事件的影响,在7,8月间相对偏低,模拟结果显示,降水事件使德令哈大气水汽中δ^18 O值在7,8月间平均偏低7‰．     

北京城市夏季高温高湿天气过程分析及动力识别

分析了2002年7月30日~8月4日北京地区典型高温高湿天气的环流、温湿特征和水汽输送特征,指出在异常偏西和偏北的副热带高压控制下,下沉气流抑制了低层水汽的抬升,使得水汽积聚在对流层低层,是导致高温高湿天气的直接原因.考虑实际大气非均匀饱和的特性,通过引入广义湿位温的概念及广义湿位涡方程,对这种高温高湿天气进行了广义湿位涡异常的分析,表明高温高湿天气形成时大气低层有广义湿位涡的负异常.此负异常对高温高湿的发生有指示性,因而可利用广义湿位涡的异常来识别高温高湿天气的出现并进行短时预报.