青藏高原夏季大气边界层高度与地表能量输送变化特征分析

利用NCEP-FNL大气边界层高度资料和NCEP/DOE(NECP2)的地面感热、潜热通量再分析格点资料,分析了2000-2016年夏季青藏高原(下称高原)地区的大气边界层高度及感热、潜热的基本气候特征、年际变化及空间分布,地表能量输送对大气边界层高度的影响机理,并分析了影响大气边界层高度与地表能量输送的主要影响因子。结果表明:夏季高原整体呈大气边界层高度显著下降,潜热通量显著上升,感热通量先增后降的变化趋势。2009年是高原大气边界层高度的气候突变时间点,其他物理量的变化趋势也在2009年发生了转折变化。大气边界层高度和地表能量输送的线性变化趋势分布具有明显的区域差异,以91°E为界将高原分为东、西两部分,东部与西部地区的变化特征明显不同;东部、西部地区的变化特征2009年前后也有很大差异。影响西部地区大气边界层高度和地表热通量的主要因子是0～10 cm土壤含水率和10 m风速;影响东部地区大气边界层高度和地表热通量的主要因子则是云量。在2009年气候突变时间前、后,各影响因子的影响程度有很大变化。夏季高原低层热低压辐合、高层南亚高压辐散的环流形式,为地表能量输送影响高原大气边界层发展提供了动力条件,有利于上升运动。上升运动的气流能将水汽相变中释放的凝结潜热输送至对流层上层,有利于形成潜热通量和南亚高压的正反馈。     

利用COSMIC掩星资料研究青藏高原地区大气边界层高度

以往关于青藏高原边界层的研究都是基于个别站点的常规观测,对青藏高原边界层的整体性认识受限。GPS掩星资料具有测量精度高和垂直分辨率高的特性,其廓线中含有大量有价值的边界层信息。利用2007—2013年COSMIC掩星资料,通过计算大气折射率最小梯度来确定边界层高度,并用无线电探空资料对结果进行了检验。在此基础上,对青藏高原地区边界层高度的特征及其形成机制展开了研究,比较了COSMIC掩星确定的边界层高度和ERA-Int的差别,讨论了最小梯度法用于边界层研究的不确定性。结果表明:青藏高原上COSMIC掩星和无线电探空数据检测的边界层高度相关系数为0.786,平均值偏差为0.049 km,均方根误差为0.363 km,COSMIC掩星数据检测的边界层高度和无线电探空的结果非常接近。青藏高原上边界层高度呈现西高东低的分布特征,高原中西部边界层高度主要为1.8—2.3 km,而高原东部边界层为1.4—1.8 km,最大值在高原西南部。青藏高原地区边界层有明显的季节差异,冬季高原上大部分地区边界层高度超过2.0 km;春季大部分地区高度降低,但在受印度季风影响的高原南部有明显的抬升,最大值可超过3.0 km;夏季高原上边界层高度开始升高,大部分地区超过1.8 km;秋季又开始回落。青藏高原以北塔克拉玛干沙漠和高原以南印度季风活动区是两个高值区,北部的沙漠地区边界层高度在夏季最高,南部印度季风活动区在季风爆发前（4月）达到全年最大值。青藏高原中西部地区有水平风辐合以及广泛的上升运动,为边界层的发展提供了动力条件,而东部的下沉运动对边界层的发展有抑制作用。青藏高原边界层各个季节的空间分布与地表感热通量分布一致。COSMIC掩星资料确定的边界层高度和ERA-Int相比,空间分布基本一致但ERA-Int边界层高度明显偏低。当有系统性强逆温存在的时候,或者云中液态水或冰水含量较大时,用最小梯度法检测的边界层高度不确定性增加。      

青藏高原大气热源和冬春积雪与中国东部降水的年代际变化关系

利用NCEP 1950—2004年逐日再分析资料,采用倒算法,对青藏高原大气热源的长期变化进行了计算,结果发现,青藏高原及附近地区上空大气春夏季热源在过去50年里,尤其是最近20年,表现为持续减弱的趋势。而1960—2004年青藏高原50站的冬春雪深却出现了增加,尤其是春季雪深在1977年出现了由少到多的突变。用SVD方法对高原积雪和高原大气热源关系的分析表明,二者存在非常显著的反相关关系,即高原冬春积雪偏多,高原大气春夏季热源偏弱。高原大气春夏季热源和中国160站降水的SVD分析表明,高原大气春夏季热源和夏季长江中下游降水呈反相关,与华南和华北降水呈正相关;而高原冬春积雪和中国160站降水的SVD分析显示,高原冬春积雪和夏季长江流域降水呈显著正相关,与华南和华北降水呈反相关。在年代际尺度上,青藏高原大气热源和冬春积雪与中国东部降水型的年代际变化(南涝北旱)有很好的相关。最后讨论了青藏高原大气热源影响中国东部降水的机制。青藏高原春夏季热源减弱,使得海陆热力差异减小,致使东亚夏季风强度减弱,输送到华北的水汽减少,而到达长江流域的水汽却增加;同时,高原热源减弱,使得副热带高压偏西,夏季雨带在长江流域维持更长时间。导致近20年来长江流域降水偏多,华北偏少,形成"南涝北旱"雨型。高原冬春积雪的增加,降低了地表温度,减弱了地面热源,并进而使得青藏高原及附近地区大气热源减弱。     

青藏高原上空环流变化与其东侧 旱涝异常分析

应用奇异值分解（SVD）技术研究了青藏高原上空100 hPa高度场与高原东侧地区夏季降水场的时空结构及相互关系。结果表明: 第一模态代表了两场间的主要耦合特征,具有高度的时空相关;前期10～12月、1～4月青藏高原上空100 hPa高度场与高原东侧地区6～8月降水场具有显著的联系,前期高度场变化引起后期南亚高压状况异常,导致高原东侧地区旱涝灾害;高原东侧地区严重干旱（洪涝）年,其上空100 hPa高度场为负（正）距平控制; 高度场与降水场的这种非同步联系,时空相关显著,时间间隔长,物理意义明确,是高原东侧地区夏季旱涝异常的一种预测信号。     

利用探空资料估算青藏高原及下游地区大气边界层高度

利用三个时段的探空加密试验资料,分别采用气块法和Richardson数法来估算青藏高原及下游地区的对流边界层和稳定边界层的高度特征。结果显示:(1)高原中部对流边界层结构的出现概率高于高原东侧及下游地区,而四川盆地稳定边界层结构的出现概率远高于高原和长江中游。(2)高原中部和东侧的对流边界层高度春季高而夏季低,其中高原中部的对流边界层高度高于高原东侧;四川盆地和长江中游的对流边界层高度冬季低、夏季高,而高原东侧的对流边界层高度的变化趋势则相反;四川盆地的对流边界层高度低于长江中游。(3)高原的稳定边界层高度春季高而夏季低;冬季四川盆地的稳定边界层高度高于高原东侧和长江中游,而夏季长江中游的稳定边界层高度高于高原东侧和四川盆地,冬夏差异导致的稳定边界层高度的变化幅度在长江中游最明显,四川盆地次之,而高原东侧最小。(4)高原东侧及下游地区的平均边界层高度的日变化具有相似的演变特征,平均边界层高度在白天高夜间低,而高原中部的平均边界层高度在日出左右较低,之后随时间逐渐增高,并在晚上达到最大值;高原的平均边界层高度的日变化振幅大于下游地区,且其日变化振幅随站点海拔高度的增加而增大。     

青藏高原地面加热及上空环流场与东侧旱涝预测的关系

应用奇异值分解(SVD)技术研究了青藏高原地面加热场与高原上空100 hPa高度场及其东侧川渝地区夏季降水场的时空联系和旱涝预测的关系.结果表明:地面加热场与高度场的第一模态代表了两场间的主要耦合特征,具有高度的时空相关;前期青藏高原地面加热场通过影响后期高原上空100 hPa高度场,导致未来高原东侧川渝地区夏季降水异常;加热场-高度场-降水场之间的这种非同步关系,反映了川渝地区旱涝灾害的影响因子和物理成因; 前期高原地面加热场与前期100 hPa高度场SVD第一模态的变化,是高原东侧地区未来夏季旱涝异常的预测信号.并由此提出了一种基于SVD技术的旱涝预测思路.     

青藏高原东部与其北侧热力差异与高原季风及长江流域夏季降水的关系

利用1961—2011年NCEP/NCAR逐月再分析资料及中国584个地面观测站的逐日降水资料,分析了夏季青藏高原及其附近地区大气热源对青藏高原夏季风及中国夏季降水的影响。结果表明,夏季青藏高原主体东部与其以北地区存在明显的热力差异,对青藏高原夏季风有显著的影响,由此定义了一个青藏高原东部与其北侧热力差异指数。当青藏高原东部与其北侧热力差异指数偏大时,青藏高原夏季风偏强,长江流域的夏季降水偏多;反之,当指数偏小时,青藏高原季风偏弱,长江流域的夏季降水偏少;进一步研究发现,当指数偏大时,南北气流在长江流域辐合,使得来自太平洋上的暖湿水汽与来自高纬度地区的干冷空气在长江流域汇合,增大了该地区的水汽含量,同时由于辐合上升运动加强,导致长江流域降水偏多;当指数偏小时,长江流域上空低层西南风增强,来自印度洋与太平洋上的暖湿水汽更多地往华北地区输送,长江流域的水汽含量减少,而该地区的辐合上升运动也明显减弱,降水随之减少。     

高原夏季风对中国夏季极端降水的影响研究

利用NCEP/NCAR月平均再分析资料和571站逐日降水资料,探讨了高原夏季风对中国夏季极端降水的影响机制。结果表明:(1)高原夏季风强(弱),东北、黄河河套、华南和四川西部地区夏季极端降水偏少(多),长江流域、南疆、青藏高原东侧边缘地区夏季极端降水偏多(少)。(2)中国东部从北向南呈现出明显纬向带状的"-+-"遥相关型相关分布。(3)中高层环流系统特征、中低层风场特征、水汽输送特征和湿位涡特征是高原夏季风对夏季极端降水影响的物理机制。     

1998年青藏高原降水特征及大气LFO对长江流域低频降水的影响

本文使用美国NCAR—NCEP再分析的逐日资料，研究了1998年夏季青藏高原降水特征及大气准45d低频振荡(LFO)对长江流域低频降水的影响。研究表明，6月19日左右青藏高原雨季开始，青藏高原是水汽输送的汇区，青藏高原影响了我国东部的降水天气过程，使长江流域降水不均匀;青藏高原的大气低频振荡对东部地区低频降水也产生了影响，使低频降水带在青藏高原的东坡出现不连续现象。     

青藏高原夏季大气视热源与中国东部降水的关系的年代际变化

基于1979～2017年欧洲中期天气预报中心（ECMWF）提供的ERA-Interim逐日再分析资料和热力学方程,本研究估算了大气视热源,分析研究了青藏高原夏季大气视热源的异常与中国东部降水关系的年代际变化,以及青藏高原大气视热源影响我国东部夏季降水的物理机制。结果表明:（1）高原热源东、西部反相变化模态的重要性发生了年代际转变,表现为由1994年之前方差贡献相对小的第二变异模态变为1994之后方差贡献明显增大而成为第一主导变异模态。（2）青藏高原夏季大气视热源的东、西反相变化模态与中国东部降水的关系存在年代际变化。1993年之前和2008年之后,高原大气视热源的异常分别仅与长江下游降水和长江中游降水异常存在密切的联系;而在1994～2007年,其对长江流域及附近区域和华南地区的夏季降水的影响显著,具体表现为,当高原夏季大气视热源异常表现为东强西弱（东弱西强）时,长江中上游、江淮地区的降水偏多（少）,华南地区降水偏少（多）。（3）高原大气视热源显著影响我国东部夏季降水主要是通过经高原上空发展加强的天气系统东移过程影响长江流域及附近地区的降水,以及通过垂直环流影响华南地区的降水。     

季风梅雨带水汽输送与动力强迫源结构

对长江流域季风梅雨水汽输送特征、长江流域夏季旱涝过程与强信号强迫源(青藏高原与低纬海洋)遥相关动力结构以及季风梅雨过程水汽输送源汇结构等有关研究成果及观点进行综述，给出季风梅雨水汽输送流型与强迫源遥相关物理图像，即由青藏高原动力强迫效应形成的低纬海洋-高原-长江流域远距离水汽输送流型，以及海洋强信号区(南海、西太平洋暖池、赤道东太平洋等区域)热力异常构成长江流域梅雨期洪涝、暴雨等灾害性气候异常特征。研究结果揭示了长江流域洪涝及其暴雨形成过程二维Rossby波列或低频波传播能量的动力机制。     

春季青藏高原感热对中国东部夏季降水的影响和预测作用

利用1980-2012年青藏高原中、东部71个站点观测资料、全中国756站的月降水资料、哈得来中心提供的HadISST v1.1海温资料以及ERA-Interim再分析资料,综合青藏高原的感热加热以及全球海温,研究了春季青藏高原感热对中国东部夏季降水的影响,并建立预报方程,探讨了青藏高原春季感热对中国降水的预报作用。结果表明,青藏高原春季感热与中国东部降水关系密切,青藏高原春季感热异常增强伴随着长江流域中下游同期降水增多,后期夏季长江流域整流域降水也持续偏多,华南东部降水偏少。春季青藏高原感热的增强与环北半球中高纬度的罗斯贝波列密切相关,扰动在北太平洋形成的反气旋环流向西南方向延伸至西北太平洋,为长江流域输送大量的水汽,有利于降水的发生。夏季,伴随着前期青藏高原感热的增强,南亚高压位置偏东,西北太平洋副热带高压（西太副高）位置偏西偏南,西太副高北侧为气旋式环流异常。在西太副高的控制下,华南东部降水减少;西太副高西侧的偏南气流为长江流域带来大量水汽,并与来自北部气旋式环流异常西侧的偏北风发生辐合,降水增多。青藏高原春季感热异常是华南和长江流域夏季降水异常的重要前兆信号。加入青藏高原春季感热后,利用海温预报的华南、长江流域夏季降水量与观测值的相关系数有所提高,预报方程对区域降水的解释方差提高约15%。      

Contrasts of Atmospheric Circulation and Associated Tropical Convection between Huaihe River Valley and Yangtze River Valley Mei-yu Flooding

The significant differences of atmospheric circulation between flooding in the Huaihe and Yangtze River valleys during early mei-yu(i.e.,the East Asian rainy season in June) and the related tropical convection were investigated.During the both flooding cases,although the geopotential height anomalies always exhibit equivalent barotropic structures in middle to high latitudes at middle and upper troposphere,the phase of the Rossby wave train is different over Eurasian continent.During flooding in the Huaihe River valley,only one single blocking anticyclone is located over Baikal Lake.In contrast,during flooding in the Yangtze River valley,there are two blocking anticyclones.One is over the Ural Mountains and the other is over Northeast Asia.In the lower troposphere a positive geopotential height anomaly is located at the western ridge of subtropical anticyclone over Western Pacific(SAWP) in both flooding cases,but the location of the height anomaly is much farther north and west during the Huaihe River mei-yu flooding.Furthermore,abnormal rainfall in the Huaihe River valley and the regions north of it in China is closely linked with the latent heating anomaly over the Arabian Sea and Indian peninsula.However,the rainfall in the Yangtze River valley and the regions to its south in China is strongly related to the convection over the western tropical Pacific.Numerical experiments demonstrated that the enhanced latent heating over the Arabian Sea and Indian peninsula causes water vapor convergence in the region south of Tibetan Plateau and in the Huaihe River valley extending to Japan Sea with enhanced precipitation;and vapor divergence over the Yangtze River valley and the regions to its south with deficient precipitation.While the weakened convection in the tropical West Pacific results in moisture converging over the Yangtze River and the region to its south,along with abundant rainfall.     

春季南半球环状模与长江流域夏季降水的关系：Ⅰ 基本事实

利用统计方法对春季(4~5月)南半球环状模(SAM)与夏季(6~8月)中国降水的关系作了分析,发现春季南半球环状模指数(SAMI)与夏季长江中下游降水之间存在显著的正相关关系。春季SAM偏强的同期对流层下层在欧亚大陆存在一以蒙古高原和天山山脉为中心的异常反气旋对,从中国东北到华南中纬度地区均为异常的偏北气流控制。这种环流异常形式可以持续到夏季并加强,致使东亚夏季风减弱;春季SAM偏强,夏季西太平洋副热带高压西部脊强度加强,位置偏西,这些异常环流都有利于长江中下游地区降水偏多。另外,春季SAM偏强,夏季长江中下游地区水汽含量增大,向上的垂直运动得到加强,为该地区降水偏多提供了基本的水汽条件。春季SAM偏弱时,夏季东亚大气环流和水汽条件相反。因此,春季SAM为夏季长江中下游汛期降水提供了一有用的前期信号。     

Numerical Simulation of the 1999 Yangtze River Valley Heavy Rainfall Including Sensitivity Experiments with Different SSTA

With the IAP/LASG GOALS model, the heavy rainfall of the summer of 1999 in the Yangtze River valley is simulated with observational sea surface temperature (SST). Comparing the simulations of 1999 with the corresponding ones of 1998 and the sensitivity experiments with different sea surface temperature anomalies (SSTA) at different ocean regions, the relationships between the floods in the Yangtze River valley and the SSTA in the Pacific and Indian Oceans are studied. The results show that the positive SSTA in the tropical Indian Ocean are a major contributor to the heavy rainfall and may be a very important index to predict the heavy rainfall over the Yangtze River valley in the summer. The simulations also show that the relationships between the SSTA in the tropical eastern Pacific and the heavy rainfall in the Yangtze River valley are very complicated, and the heavy rainfall in the Yangtze River valley can occur in both a decaying and an intensifying E1 Nino event and also in a La Nifia event. However, the different SSTA of different periods in the above three cases play different partd.     

Numerical Simulation of the 1999 Yangtze River Valley Heavy Rainfall Including Sensitivety Experiments with Different SSTA

With the IAP/LASG GOALS model,the heavy rainfall of the summer of 1999 in the Yangtze River valley is simulated with observational sea surface temperature (SST).Comparing the simulations of 1999 with the corresponding ones of 1998 and the sensitivity experiments with different sea surface temperature anomalies (SSTA) at different ocean regions,the relationships between the floods in the Yangtze River valley and the SSTA in the Pacific and Indian Oceans are studied.The results show that the positive SSTAin the tropical Indian Ocean are a major contributor to the heavy rainfall and may be a very important index to predict the heavy rainfall over the Yangtze River valley in the summer.The simulations also show that the relationships between the SSTA in the tropical eastern Pacific and the heavy rainfall in the Yangtze River valley are very complicated,and the heavy rainfall in the Yangtze River valley can occur in both a decaying and an intensifying El Ninio event and also in a La Nina event.However,the different SSTA of different periods in the above three cases play different parts.     

青藏高原冬季积雪异常和长江中下游主汛期旱涝及其与环流关系的研究

在对青藏高原冬季异常积雪资料进行了综合分析的基础上 ,用 3种方法对长江中下游的旱涝指标进行了综合评定 ,计算了高原积雪日数和深度资料与长江中下游 6～ 8月降水量之间的相关系数 ,结果表明 ,青藏高原冬季积雪异常与长江中下游流域的旱涝呈正相关关系 ,最大正相关区主要位于江南北部。通过对冬季北半球 50 0 h Pa高度场、OLR、SSTA资料的合成分析以及对夏季风指数的联系揭示表明 ,高原多雪和少雪所反映出的环流特征显著不同。讨论了异常积雪 -大气 -海洋 -雨带相互之间的可能联系 ,给出了一个初步与青藏高原冬季积雪相联系的长江中下游旱涝物理过程概念模型 ,进而为短期气候监测、预测提供参数线索。     

夏季长江淮河流域异常降水事件环流差异及机理研究

长江、淮河同处东亚中纬度,天气过程的大尺度环流背景相似,大量相关研究基本是把江淮流域天气气候事件作为一个整体研究,然而对长江、淮河流域夏季降水的时空变化进行分析发现,长江、淮河流域夏季异常降水事件有各自不同的年际、年代际变化特征,但环流差异及成因并不十分清楚。本文根据中国台站降水资料及NCEP/NCAR再分析资料,利用物理量诊断和现代统计学等方法,重点分析长江、淮河流域梅雨期降水异常事件发生时南北半球大气环流内部动力过程的差异及成因。研究指出:长江（淮河）流域梅雨期降水异常偏多年500 hPa位势高度场亚洲中高纬度环流呈现为南北向（东西向）的波列与东亚中高纬鄂霍茨克海阻塞频次增多（减少）以及200 hPa高度场上东亚副热带高空西风急流强度加强（减弱）、稳定（移动）有关;长江（淮河）流域梅雨期降水异常偏多年主要水汽来源与南半球澳大利亚高压、马斯克林高压位置偏东（西）造成西太平洋150°E～180°（阿拉伯海50°E～60°E）地区越赤道气流加强有关。长江（淮河）流域梅雨期异常降水事件大气环流内部动力过程最显著的差异表现为:东亚副热带高空西风急流加强（减弱）以及南半球澳大利亚高压、马斯克林高压位置偏东（西）。     

青藏高原大气热源与江淮梅雨异常的关系

利用江淮流域1954\_2001年梅雨量资料和同期内美国NCEP/NCAR 逐日高度场、 风场、 比湿场和地面气压场再分析资料, 网格距为2.5°×2.5°。采用模糊聚类、 EOF分解、 合成分析、 SVD分解等方法, 详细讨论了青藏高原大气热源与江淮梅雨的关系。结果表明： 梅雨量区域指数能很好地揭示江淮流域梅雨量的丰枯, 高原大气热源大致以90°E为界, 可分为高原东部型和西部型; 高原大气热源与梅雨量存在显著相关关系, 高原大气热源东部型与江淮梅雨量呈显著正相关关系, 西部型与梅雨量呈显著负相关关系、说明高原大气热源东部型增强, 西部型减弱, 江淮梅雨量异常偏多。高原大气热源东部型减弱, 西部型增强, 江淮梅雨量异常偏少; 反之亦然、SVD分解结果与合成分析的结果完全一致。     

1998年夏季中国暴雨洪涝灾害的气象水文特征

文章分析了1998年夏季我国长江、嫩江、珠江流域发生的严重洪涝灾害的气象、水文特征及其成因。6月中、下旬珠江、长江、嫩江流域出现了持续性强降水, 局部地区下了大暴雨; 7月下旬长江流域出现了“二度梅”, 湖南、湖北和江西省普降暴雨; 8月上半月嫩江流域再次出现持续性强降水。频繁的强降水使长江、嫩江、华南西江等干、支流水位迅猛上涨, 支流河水不断涌入干流, 使得干流洪峰迭起。雨水和洪峰迭加, 引发了百年一遇的大洪水。1998年7月副热带高压南落是造成长江流域“二度梅”的主要原因。副热带高压、南海季风涌、中高纬冷空气和从青藏高原东移的中尺度对流系统 (MCS) 等4个因子的最佳组配, 有利于长江流域出现持续性强降水。