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。     

基于低频振荡的西南雨季降水的延伸期预报

采用西南地区站点逐日降水数据和欧洲中心再分析数据,通过滤波、分位相合成等方法,分析了西南地区降水的低频特征及与之相联系的低频环流场演变特征,并采用基于降水自身低频信号和基于降水低频影响因子两种方法建立预报模型进行延伸期预报试验,结果表明：西南地区雨量存在10～20 d和30～60 d的低频变化;低频降水与低频OLR场正、负值区的顺次北移,印度洋北侧850 hPa低频纬向风的转变,500 hPa环流场槽脊的配置以及200 hPa低频气旋、反气旋的交替影响有关;基于降水序列自身低频信号的预报模型可以提前半个月左右给出较为准确的预报结果,而基于低频影响因子的预报模型可以提前20 d左右给出具有一定参考价值的结论,两个模型对于降水偏多年的预报效果好于降水偏少年。     

大气低频振荡与延伸期预报

为了能从大气低频振荡角度研究延伸期降水过程预报问题,引入了一种新的预报方法—低频天气图,并且分析了低频天气图的技术要点和技术方法。在低频天气图上,低频天气系统(低频气旋和低频反气旋),以及它们的活动特性可以被用来定性地确定南、北气流(暖、冷空气)的汇合,引起降水过程。2009年6~10月利用该方法进行上海地区延伸期降水过程预报表明,强降水过程预报效果较好,且预报时效为15~45天,可以在延伸期业务预报中应用。     

中国冬季大范围持续性低温事件低频特征及其与大气低频振荡的联系

利用1980-2017年国家气象信息中心提供的2481站逐日气温和NCEP/NCAR逐日再分析资料,对比研究了大气低频振荡对中国冬季三类（即：全国类、东北类和东部类）大范围持续性低温事件（以下简称事件）的影响差异。结果表明：20世纪80-90年代初和21世纪00年代后期以来事件偏多,冬季温度均具10～30天显著周期。通过对对流层大气环流场分析发现,在低层三类事件主要受低频西伯利亚高压（Siberian high,SH）影响,SH在全国类最强,东北类最弱;SH范围在全国类最大,南边界可达长江以南,在东北类和东部类中偏东。此外偏西的低频阿留申低压也是影响东北类事件的主要低频系统之一。在中层,全国类和东部类事件均有低频横槽转竖并和东亚大槽合并的过程,横槽在全国类中纬向尺度更大,东北类主要受东北冷涡度的影响。在高层,在全国类事件中温带急流整体持续偏弱,副热带急流整体持续偏强;东北类温带急流西强东弱,副热带急流西弱东强;东部类中温带急流整体持续偏弱,且偏弱程度大于全国类,副热带急流西强东弱。要分别关注低频500 hPa高度场上-12天（全国类）、-9天（东北类）和-10天（东部类）的西部预测信号...     

广西一次持续性暴雨过程的延伸期预报及模式应用检验

2019年5月25—30日广西出现了持续性暴雨过程,引发洪涝和衍生灾害。利用国家气候中心大气监测资料和第二代月动力延伸预测模式业务系统(DERF2.0)预报资料,研究了这次持续性暴雨的背景特征,并对这次暴雨过程的延伸期预报效果进行评估。结果表明:(1)此次持续性暴雨发生在一次MJO对流活跃区东传的背景下。(2)DERF2.0模式提前10-30d预报出广西5月第6侯降雨偏多的趋势,并在4月30日、5月10日分别预测出这次暴雨过程出现前后有强降雨,但有1-3d的误差,且对过程强度的预测不够精准。     

上海梅汛期候降水异常的低频信号及延伸期预报

提高汛期降水过程的延伸期预报能力是目前天气预报和气候预测发展的重要方向。本文以上海梅汛期降水为例,利用非传统滤波方法提取多变量季节内分量,分析了梅汛期季节内候降水异常及其相联系的延伸期关键低频信号,进一步综合多变量低频信号建立了梅汛期候降水异常延伸期预报方法,并开展了多年的回报和试报检验。结果表明:①梅汛期候降水异常季节内分量具有显著的40～60d低频振荡周期,与降水异常实况具有显著的正相关和较高的符号一致率;②梅汛期季节内候降水异常与超前10～35d的热带及中高纬低频信号有关,主要包括:热带MJO(Madden Julian Oscillation)自阿拉伯海的向东传播、西太平洋副热带高压季节内活动的西北向传播、PNA(Pacific-North American)遥相关型的季节内位相转换以及东北亚冷空气的持续性异常影响;③综合上述多变量低频信号建立了延伸期候降水异常预报模型,对提前10～35d的延伸期候降水异常的季节内分量具有预报技巧,也能较好地预报实际的候降水异常趋势。     

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。     

冬季长江下游地区气温低频振荡和低温天气的延伸期预报研究

用1979/1980～2017/2018年冬季逐日长江下游气温资料研究长江下游冬季低温日数与温度低频振荡的联系.结果表明,冬季长江下游逐日气温存在较显著的季节内振荡周期(15～25 d、25～40 d和50～70 d振荡),其中与12～2月低温日数关系最密切的是25～40 d振荡.基于2001～2018年逐日长江下游实...     

2011年江西汛期降水低频分量的延伸期预报试验

利用2011年2-8月逐日降水量序列及东亚地区850hPa经向风场资料建立多变量时滞回归(multivariable lagged regression, MLR)模型,对5-7月江西降水10-30d和50-70d低频分量分别进行延伸期逐日预报实验。结果表明：2011年江西降水存在显著的10-30d和50-70d的振荡周期。降水50-70d低频分量延伸期预报技巧明显优于10-30d低频分量延伸期预报技巧,平均预报技巧高达0.86。降水50-70d低频分量延伸期预报可准确预报降水低频位相的正负转换,能为江西延伸期强降水过程发生的时段预测提供预报信号。     

华北平原夏季降水准双周振荡与低频环流演变特征

利用华北地区夏季日降水资料和NCEP/NCAR再分析环流资料,采用功率谱分析、Butterworth带通滤波等方法,对华北地区夏季降水低频特征与大气低频环流演变进行了综合分析。结果表明:(1)华北地区夏季降水存在低频特征,主要以准双周振荡为主。(2)500 h Pa高度场大气低频环流表现为闭合的高、低压系统;850 h Pa低频流场演变要复杂一些,但它们伴随高层低频系统移动会发生有规律的变化。500 h Pa高度场上,在35°N以北,低频系统向东移动,有时也从鄂霍次克海附近向西的扩展;在35°N以南,低频系统表现为由西北太平洋向西北移动,然后再向西移动。华北夏季降水主要是直接受中高纬度低频系统影响,低纬度低频系统很难直接影响华北地区,但它们可以通过偏南偏北气流的变化影响向华北地区的水汽输送或冷空气活动,进而加强或减弱华北地区的降水强度。(3)当500h Pa 40°N-60°N范围内有低频低压从西向东移近华北地区,并诱发850 h Pa气旋或切变线生成,从而在华北地区出现明显的降水过程;当500 h Pa低频低压向东移出而后部低频高压移来时,华北地区低层850 h Pa流场就会转为辐散气流或为一致的偏北气流,降水过程结束。(4)华北地区降水发生时,高、低空低频环流有较好的配合。     

华北地区冬季持续性异常低温事件与大气低频振荡活动的关系

采用1959—2009年日平均气温观测资料和NCEP/NCAR逐日再分析资料,对华北地区冬季持续性异常低温事件进行了定义,并在此基础上统计分析了该区近50 a来冬季持续性异常低温事件的发生规律及环流特征,然后对华北地区持续性异常低温事件与大气低频振荡之间的关系进行了研究。研究表明,近50 a来华北地区共出现26次持续性异常低温事件;环流场上持续性异常低温过程对应的是乌拉尔山高压脊的建立、发展、消亡以及东亚大槽的维持、加深、减弱过程;同时,分析发现低频波动与持续性异常低温事件密切相关,10~20 d低频环流场上华北、东北地区上空的低频气旋、中西伯利亚的低频反气旋,及30~60 d低频环流场上西西伯利亚附近的低频反气旋及日本海附近的低频气旋是造成持续性异常低温事件的重要低频影响因子,进一步分析发现对流层高层到低层的低频信号主要是由中高纬向低纬且自西向东传播,来影响我国华北地区的。     

2002年夏季东亚地区环流20—30 d主振荡型延伸期预报研究

用2002年3-9月逐日东亚地区850 hPa经向风场资料建立主振荡预测模型(POP),对影响长江下游地区强降水过程的主要低频经向风场(20-30 d时间尺度)的时空变化进行10-30 d延伸期独立预报试验.试验结果表明,在夏半年135次预测中提前20 d预报的相关预报技巧在0.50以上,很好地预报了夏季3次强降水过程对应的经向风的低频变化过程.对20-30 d振荡显著的多年资料预报试验表明,这些预测模型是预报低频环流时空演变的有效工具,对于提高未来3-4周长江下游强降水过程的预报准确率有重要意义.     

近50年我国持续性暴雨的统计分析及其大尺度环流背景

利用中国气象局发布的《区域性重要过程检测和评价业务规定》中对省级区域性暴雨过程的统计数据,NOAA 气候预测中心降水、向外长波辐射（OLR）资料以及ERA-Interim再分析资料,探讨了10—20 d和30—60 d两类低频振荡对华南前汛期持续性暴雨的相对重要性,并基于尺度分离的水汽方程和垂直速度方程诊断了相关物理机制。结果表明,10—20 d准双周振荡对暴雨强度的影响较为显著,而30—60 d季节内振荡与暴雨持续时间相关较高,表明持续性暴雨事件与低频降水的发生和演变关系密切。通过对低频降水的热力和动力过程诊断,发现10—20 d低频降水的水汽来源主要为水汽平流过程,而导致水汽平流正距平的主要原因是10—20 d风场和背景水汽场的相互作用;而对于30—60 d低频降水而言,水汽平流和水汽辐合均为扰动水汽的累积做正贡献,但其中水汽平流更加重要,其主要来源于平均风场和30—60 d水汽场的相互作用。有利于两类低频降水发生的动力条件,即垂直上升运动,其主要源于平均风场和扰动涡度场相互作用引发的垂直涡度平流梯度。以上结果显示,提高模式中低频振荡与季节平均状态尺度相互作用的刻画能力,是改进预报持续性暴雨的关键。

     

中国东北冬季极端低温的年代际变化及其成因

利用JRA-55再分析资料和中国824站日最低气温数据,分析了1961—2013年冬季中国东北地区极端低温的年代际变化及其动力成因。结果表明:东北冬季极端低温1980s中期前频发,1980s后期到2000s初少发,2000s后恢复多发。这与贝加尔湖阻塞高压频次偏多—偏少—偏多的同步年代际变化直接相关,与北极涛动(Arctic Oscillation,AO)和准定常行星波活动的年代际振荡相联系。相比于1980s中期前,1988—1999年期间行星波沿极地波导向平流层的传播减弱,引起高纬度平流层下层E-P通量辐合变弱;而行星波沿低纬波导往副热带对流层上层的传播增强,造成副热带对流层中上层E-P通量辐合增强。行星波E-P通量散度的异常由于波—流相互作用,分别导致了极夜急流加强、副热带急流减弱,因而AO增强,不利于贝湖阻高建立和环流经向型发展,极端低温减少。2000—2013年,行星波活动相反,导致AO减弱,贝湖阻高多发,极端低温恢复增多。     

长江下游地区降水50-80d低频分量的次季节预测研究

用1979-2000年逐日长江下游降水的50-80 d低频分量和全球850 hPa低频纬向风主成分,构建了长江下游降水低频分量的次季节预测的扩展复数自回归模型（ECAR）。这种基于数据驱动建模的气候预测方法,不仅能在复数空间上反映全球环流主要低频主分量和长江下游降水低频分量之间的时滞变化信息,而且能更好地描述气候系统的主要分量在低维空间中的变化规律。对2001-2014年长江下游降水低频分量进行次季节逐日变化回报试验的结果表明,50-80 d时间尺度的长江下游低频降水分量的预测时效可达52 d左右,预报能力明显优于自回归模型（AR）,而且6-8月的预报技巧最高。基于全球环流主要50-80 d振荡型的发展和变化以及与长江下游低频降水相关的时间演变,对于提前50-60 d预报长江下游地区持续多（少）雨过程很有帮助（尤其是夏季）,其中,东亚经向三极子型（EAT）是影响长江下游地区季节内降水变化的最主要的环流因子之一。     

我国南方西南和中东部区域两次持续性低温雨雪过程与关键环流系统的关系研究

利用NCEP再分析资料和国家气象信息中心提供的753站逐日气温和降水资料,对比分析了我国南方西南和中东部区域两次持续10 d以上的低温雨雪过程,结果表明:(1)两次过程中欧亚大陆中高纬东亚大槽均加深,但环流形势有差异。西南过程呈现"北高南低"形势,关键脊区在贝加尔湖,而中东部区域过程"北高南低"和"西高东低"形势共存,关键脊区从乌拉尔山延伸至贝加尔湖。两次过程异常的环流与北大西洋向东传播的波列有关。(2)西南过程关键脊区提前过程3 d发展并东移至贝加尔湖,形成稳定形势;而中东部区域过程关键脊区提前过程一周发展,在开始日达最强。两次过程均伴随蒙古高压东移南压使地面降温,500 hPa关键脊区超前蒙古高压2 d变化。西南过程降温主要受到冷平流和绝热冷却影响,而中东部区域过程主要受到冷平流的影响。(3)西南过程水汽来自孟加拉湾,只受南支槽支配。中东部区域过程水汽来自孟加拉湾、南海和西太平洋,由南支槽和西太平副热带高压的共同影响。两次过程水汽正收支主要来自南边界。     

基于再分析资料与观测资料的中国低温阈值变化特征研究

采用1979—2013年中国192站逐日最低温度观测资料和NCEP/NCAR、NCEP/DOE、JRA-55、ERA-Interim再分析资料及1979—2004年均一化资料,分别计算低温阈值并对比分析其气候态、年际和年代际变化、长期趋势等特征。结果表明:与观测结果相比,均一化资料阈值在东北、内蒙古西部和两广等地偏低,在青藏高原东侧、新疆北部和黄河中下游偏高,线性趋势则相反;再分析资料阈值在南方偏低、东北偏高,在东部的可信度高于西部;再分析资料能显示内蒙古中西部的降温趋势和青藏高原的增温趋势,但在数值和范围上有差异,且均低估了观测资料反映的华北地区的显著升温现象;再分析资料能体现观测资料阈值的全区一致性、东北与其他地区反相的空间分布及其年际变化特征,仅JRA-55和ERA-Interim可再现低温阈值的年代际变化特征。     

前冬北半球环状模对春季中国东部北方地区极端低温的影响

对1959—2008年前冬(12—3月)北半球环状模与春季(3—5月)中国东部北方地区极端低温事件的关系进行诊断分析,发现前冬北半球环状模与春季中国东部北方地区极端低温事件存在显著负相关。当前冬北半球环状模偏强时,春季中国东部北方地区上空对流层高、低层分别出现位势高度的负、正异常,对应异常的下沉增温,东北冷涡偏弱,极端低温事件发生频次偏少,强度偏弱;反之,当前冬北半球环状模偏弱时,春季该地区极端低温事件发生的频次偏多,强度偏强。进一步研究表明,欧亚雪盖在前冬北半球环状模对春季中国东部北方地区极端低温的影响中起到潜在的桥梁作用,当前冬北半球环状模偏强(偏弱)时,同期欧亚大陆中高纬度地区偏暖(偏冷),欧亚雪盖面积较小(较大)。另外,欧亚雪盖面积异常具有较强的持续性,可以从前冬持续到春季。因此,当前冬欧亚雪盖面积较小时,春季欧亚雪盖面积也偏小,且对应春季东北冷涡强度偏弱,中国东部北方地区地表气温偏高,极端低温事件发生的频次偏少,强度偏弱;反之亦然。前冬北半球环状模与春季中国东部北方地区极端低温事件的负相关关系为预测中国东部北方地区春季极端低温事件的变化提供了一个潜在的前期信号。