夏季东亚和印度热带季风环流系统动能和对流扰动的纬向传播特征

使用1980~1997年NCEP/NCAR再分析资料及日本的TBB/GMS资料讨论了亚洲季风系统中印度和东亚两个子系统中热带季风变化(扰动)源地及变化后的纬向传播特性. 18a的结果表明, 在夏季热带季风主体的5º~15ºN范围内, 东亚夏季风系统中纬向风虽然为西风, 但绝大多数动能扰动和对流扰动均起源于140º~150ºE, 向西经南海传播到孟加拉湾(90º~100ºE). 而在印度夏季风系统中, 18a中有12a动能扰动起源于阿拉伯海向东传播到孟加拉湾, 东端抵达90ºE, 其余年份并无明显东西向传播特征. 因而, 在亚洲5º~15ºN夏季风主体区域内, 虽然均由西南季风控制, 但存在传播特性相反的东亚和印度两个子系统, 两个系统交界约在90º~95ºE, 比过去提出的交界经度105ºE更偏西一些. 以上结果也表明东亚夏季风环流系统在东西方向上主要受热带西太平洋影响而不是受来自孟加拉湾的印度季风影响. 相反, 印度季风环流系统除了受阿拉伯海影响外还部分受东亚季风系统影响.     

华北地区降水事件变化和暴雨事件减少原因分析

使用北京、天津、河北、山西的37个气象观测站的1961~2008年逐日降水资料和NCEP、EC环流资料,对华北降水事件和暴雨事件减少原因进行分析.结果表明,华北地区盛夏暴雨事件对夏季降水量和全年降水量变化有重要影响,近50年盛夏暴雨事件呈显著线性减少趋势,这与东亚夏季风减弱使得从南边界进入华北的水汽通量大量减少以及副热带高压位置南移有关.此外,盛夏暴雨事件减少还与印度对流减弱和菲律宾对流加强、125°E越赤道气流减弱和145°E越赤道气流加强有很好的对应关系.这为认识华北降水减少变化提供了科学依据.     

孟加拉湾西南季风与南海热带季风的气候特征比较

本文运用NCAR/NCEP再分析数据和APHRO_MA_V1003R1降水数据,对比分析了孟加拉湾西南季风和南海热带季风的气候特征异同以及对降水分布的影响,得到如下结论:(1)孟加拉湾西南季风比南海热带季风爆发更早、强度更强、持续时间更久、向北推进更北.(2)孟加拉湾西南季风建立过程缓慢,主要是索马里越赤道西南气流的逐渐加强和热带印度洋ITCZ(赤道辐合带)的逐渐北移;而南海热带季风建立过程迅速,主要是东亚大槽的一次替换过程伴随西太平洋副热带高压的突然东撤和热带西太平洋ITCZ的突然北跳.(3)孟加拉湾西南风纬向分量较强,季风建立前后主要变化在于偏西风的强度;而南海西南风经向分量较强,季风建立后风向突然逆转,东南风由于副高东撤而迅速被西南风取代.(4)孟加拉湾西南季风撤退较快,而南海季风则撤退较慢.(5)根据季风进程将夏季风期划分为季风发展期(5月)、强盛期(6-8月)和减退期(9-10月).其间对流活跃区的发展和推进、季风槽的位置以及对应降水区域均有明显差异.(6)在夏季风期,孟加拉湾和南海经度上分别存在着由ITCZ北抬引起的、在季风槽对流活跃区上升而在南北两侧下沉的、南北对称分布的季风经向次级环流.由于孟加拉湾和青藏高原强大热源的存在,孟加拉湾上升区南北跨度比南海的更大;孟加拉湾经圈环流更加稳定,而南海经圈环流的南北摆动更明显;孟加拉湾上升中心区比南海的偏北;在季风减退期,由于南海ITCZ撤退较慢,其上升区比孟加拉湾上升区偏北.     

亚洲季风区深对流系统的区域分布和日变化特征

利用TRMM卫星12年的观测资料,分析了亚洲季风区20dBZ回波顶高大于14km的深对流系统的分布特征,结合NCEP再分析资料对深对流系统的空间分布特征成因进行了探讨,并对不同地形条件下的深对流系统进行了对比研究.结果表明,深对流系统主要发生在陆地上,夏季风爆发前,深对流系统主要分布在20°N以南;季风爆发后,深对流系统的分布向中纬度地区发展并以青藏高原南麓地区最活跃.青藏高原上的深对流系统的发生频数较中国中东部高,但水平尺度小,对流强度较弱,而中国中东部地区的深对流系统虽然发生频数较低但对流强,且闪电频数大.洋面上的深对流系统表现为最小红外亮温小（对应云顶高）,40dBZ回波最大面积比陆地上大但出现高度较低,闪电频数少.陆地上的深对流系统主要集中发生在午后至午夜,青藏高原上的深对流更加集中的发生在午后至傍晚,海洋上发生在凌晨至日出前的深对流系统较其他时段多,但日变化幅度不大,热带海洋性大陆深对流的日变化与大陆上类似.     

2014年两次路径相似热带气旋降水特征及其成因的对比

利用NASA的MERRA再分析数据、台站降水资料、热带气旋最佳路径数据集和雷达资料初步对比探讨了2014年两次路径相似台风（“威马逊”和“海鸥”）的降水特征及其成因.结果表明,两者台站过程降水和最大日降水强度差异明显;在华南产生的过程降水和日降水均表现出明显的非对称性,最强均在海南岛;在海南岛产生的过程降水、日降水和最大小时降水最强均在海南岛西部和北部.与“海鸥”相比,在强降水时段,“威马逊”产生更大台站日降水的原因之一是其自身更强的强度和偏慢的移动速度,而且还与高层更强的南亚高压主体、中层偏弱偏东的副热带高压和低层强的低空急流密切相关.在强降水阶段,两者所处的环境风垂直切变均指向西南偏西-西南偏南方向,而强的对流均主要在环境风垂直切变的左侧或前侧.两者强降水主要在海南岛西部和北部的关键原因是五指山山脉和台风路径的相对位置配置类似,强降水区恰好处于向岸风面或五指山的迎风面.

     

热带对流热量与水汽收支的数值模拟研究

应用二维云分辨模式,数值研究了热带地区的对流活动,并诊断了热量和水汽的收支,发现在垂直温度平流和凝结潜热释放之间、垂直水汽平流和降水之间都维持着大体平衡,推断出质量加权平均温度及可降水分的局地变化分别由热量及水汽方程中的剩余项决定.机制研究表明,深对流与浅对流在热量及水汽循环中存在较大差异,深对流中水汽的凝结及潜热释放起着主导作用,而大尺度垂直平流的加湿和冷却在浅对流中发挥主导作用.最后讨论了对流触发后热量及水汽循环的调整机制.     

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 Fr≈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Fr > 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.     

TWP-ICE试验期间一次热带深对流过程的拉格朗日输送特征

本文使用高分辨率WRFV3.4.1模式对TWP-ICE试验期间的一次热带深对流过程进行了数值模拟,利用第四重嵌套每五分钟输出一次的模拟资料对对流系统的上升气流质量通量廓线特征进行了分析,并结合FLEXPART拉格朗日粒子扩散模式对热带深对流系统进行拉格朗日轨迹分析.质量通量廓线特征及拉格朗日轨迹的分析结果表明,在条件不稳定层顶附近便有部分水凝物被输送出深对流系统.深对流系统中的水凝物主要沿环境引导气流向深对流下游方向输送.由于受低层风场扰动的影响,少量的水凝物被输送到深对流系统的上游.深对流系统中的水凝物向其下游方向输送的最远距离为200~300 km,并约有10%~20%的水凝物对对流系统下游50~150 km附近卷云砧的形成产生影响,其影响的时间尺度约为4~6 h.     

长江流域汛期降水集中程度和洪涝关系研究

用新定义的降水集中度和集中期分别讨论了我国长江流域不同地段汛期降水在时间和空间上的分布特征和变化规律. 结果表明在对长江流域旱涝灾害研究方面,降水集中度和集中期能够定量地表征降水量在时空场上的非均匀性,提取出最大降水重心对应的时段,因此可以比较理想地分析旱涝灾害发生的基本特征及其形成机制. 并且在长江中下游地区的降水集中度与东亚副热带季风之间存在着比较密切的联系.     

雹暴的闪电活动特征与降水结构研究

利用地面雷电探测网获取的地闪资料分析了10次雹暴过程的闪电分布和演变特征, 并结合地面多普勒雷达和TRMM卫星的闪电成像仪(LIS)、测雨雷达(PR)、微波成像仪(TMI)分析了雹暴的降水结构及其与闪电活动的关系. 研究结果表明: 降雹天气过程的正地闪比例较高, 平均值为45.5%; 在雹云快速发展阶段, 地闪频数存在明显的“跃增”; 在整个降雹阶段正地闪活动非常活跃, 在正地闪频数增加的过程中通常伴有负地闪频数的下降; 在雹暴的减弱消散阶段, 地闪频数显著减少. 两次典型雹暴的闪电活动非常活跃, 总闪电频数分别为183次/min和55次/min; 其降水结构特征是, 大于30 dBZ的强回波单体多集中于系统的前缘, 系统后部伴有稳定性的层状云降水区, 回波顶高均超过14 km; 其对流降水的贡献率分别为85%和97%. 对6 km高度处的雷达回波与总闪电关系的研究表明, 总闪电主要出现在强回波区(>30 dBZ)及其周围. 对流降水区发生闪电的几率约是层云降水区的20倍以上, 可以利用闪电与对流降水的相关性来有效地识别对流降水区. 初步结果还表明闪电频数和冰水含量之间呈线性关系, 即冰水含量越高, 相应的闪电活动也越频繁.     

热带、副热带海陆分布与青藏高原在亚洲夏季风形成中的作用

通过一系列的理想数值试验,研究了亚、非地区热带次尺度的海陆分布和青藏高原大地形在亚洲夏季风形成中的作用.试验结果显示：海陆分布的存在以及海陆分布的几何形状对亚洲夏季风的形成有非常重要的影响.下垫面全是海洋,没有陆地时,无季风现象的存在.当仅有副热带大尺度陆地,而缺乏南亚次尺度陆地和非洲大陆热带陆地时,夏季无明显的越赤道气流,仅在欧亚副热带陆地的东南部有弱的季风,无印度、孟加拉湾和南海夏季风.中南半岛、印度半岛和非洲大陆热带陆地的存在,在夏季引导南半球的东南信风越赤道转向为西南气流,使得南海的北部、中南半岛、孟加拉湾和印度半岛、阿拉伯海上空的低层为强西南气流控制,印度、孟加拉湾和南海夏季风产生.副热带陆地向热带的深入对副热带陆上产生夏季强对流性降水起着至关重要的作用.青藏高原的存在加强了高原东侧的季风,使得季风区向北发展,青藏高原对东亚季风起放大器的作用;减弱了高原西侧的季风,使得季风区向南收缩.     

一次切断低压诱发的暖区深对流与异常副热带锋及其平流层-对流层交换

采用Cloudsat/CPR云雷达,FY2C/TBB亮温,Aura/MLS大气成分等卫星遥感资料,结合ECMWF气象分析资料和HYSPLIT4轨迹模式,研究了2009年6月一次东亚切断低压的暖区深对流和异常副热带锋面的结构和演变.分析表明,由于低压切断前的旧槽背景,在低涡的近成熟期,内部冷、暖锋降水偏弱,边沿的高空副热带锋面异常发展到对流层底部,低空西南暖湿水汽在副热带锋前聚集,形成千公里长的暖区深对流降水带.随着该锋面的快速东移,副热带锋区进入原暖区雨带,锋区热力间接次级环流的强上升支,加强了锋下冷侧(原暖湿区)的深对流,但该锋面阻挡了来自暖侧的水汽补充,降水结束.该异常副热带锋区还发生了强烈的平流层-对流层相互交换,在高空急流出口区的下方,平流层1.5PVU等位涡线向下入侵可达5.5km(约500hPa)处,锋下向上的深对流注入可达10km,在入侵-注入混合区,臭氧和水汽的散点图上出现了二者浓度双高和双低的特殊气团.     

一次切断低压诱发的暖区深对流与异常副热带锋及其平流层-对流层交换

采用Cloudsat/CPR云雷达,FY2C/TBB亮温,Aura/MLS大气成分等卫星遥感资料,结合ECMWF气象分析资料和HYSPLIT4轨迹模式,研究了2009年6月一次东亚切断低压的暖区深对流和异常副热带锋面的结构和演变.分析表明,由于低压切断前的旧槽背景,在低涡的近成熟期,内部冷、暖锋降水偏弱,边沿的高空副热带锋面异常发展到对流层底部,低空西南暖湿水汽在副热带锋前聚集,形成千公里长的暖区深对流降水带.随着该锋面的快速东移,副热带锋区进入原暖区雨带,锋区热力间接次级环流的强上升支,加强了锋下冷侧（原暖湿区）的深对流,但该锋面阻挡了来自暖侧的水汽补充,降水结束.该异常副热带锋区还发生了强烈的平流层-对流层相互交换,在高空急流出口区的下方,平流层1.5PVU等位涡线向下入侵可达5.5 km（约500 hPa）处,锋下向上的深对流注入可达10 km,在入侵-注入混合区,臭氧和水汽的散点图上出现了二者浓度双高和双低的特殊气团.     

北美高压的季节变化特征及其与华北夏季降水的关系

采用1958-1997年月平均NCAR/NCEP资料和1979-1995年旬、月加热场资料,对北美高压各特征参数的季节变化特征及其形成机制进行了分析.结果表明,北美高压具有明显的季节和年际变化,高压在盛夏位置偏北偏东,强度偏强.1978年前后高压的位置和强度发生明显的年代际变化.北美高压具有趋暖性,在其季节变化过程中,落基山地区的潜热加热和感热加热均起到重要作用.结果还表明,前期冬季北美高压的强度对华北夏季降水具有显著影响.     

热带季节雨林碳通量年变化特征及影响因子初探

为深入分析西双版纳热带季节雨林碳通量年变化特征及其与各种因子的关系,通过西双版纳主要自然生态系统(热带季节雨林)2003～2004年林冠-大气间和近地层的碳通量以及不同覆盖状况下的地表碳通量(土壤呼吸)的长期观测,并结合植物光合作用、叶面积指数、凋落物和凋落物分解速率以及温度、辐射等常规气象的测定,对热带季节雨林碳通量的年变化特征及其影响因子进行了综合的分析与研究.结果表明热带季节雨林的碳通量表现出和其它热带雨林不同的特征,在干季(11～4月)的林冠-大气间碳通量为负值,森林生态系统呈现碳汇效应;而在雨季(5～10月)表现出较弱的碳源效应;森林生态系统碳通量具有明显的日变化特征,在白天呈现碳汇效应,而夜间为碳源效应,并且干季昼间碳通量较大;雨季较小;夜间则呈现相反趋势.林冠植物在昼间具有较强的光合作用,对昼间林冠-大气间碳通量有较大的贡献;林冠和植物林内低矮植物的光合速率均与林冠-大气间碳通量有显著的相关关系,而林内低矮植物的光合速率与林内近地层碳通量仅在于热季存在显著的相关关系.林内不同覆盖状态的地表碳通量具有明显的季节变化;林冠-大气间碳通量与地表碳通量同样具有较好的相关性,地表碳通量是导致热带季节雨林生态系统碳通量呈现特殊分布的主要因子;另外,林冠-大气间碳通量与凋落物量、凋落物分解速率、降水量、土壤含水率和土壤温度均表现出较好的相关性.初步的统计表明,西双版纳热带季节雨林林冠-大气间碳通量在不同季节呈现不同的汇/源效应,在总体上表现为一个较弱的碳汇.     

热带太平洋上层热力状况季节变化的正压特征——海表至深400m热储量的季节变化

使用斯克里普斯海洋研究所（SIO）整编的海洋上层（海表至400m）热储量资料，研究了热带太平洋上层热力状况季节变化的正压特征，指出与SST的分布不同，热储量在北纬5°N～10°N之间有一东西贯穿整个太平洋的带状热储量低值区，其季节变化率的分布特征分为两种，一是11月至2月为代表的“北半球冬季型”和5～8月的“北半球夏季型”，3月、4月和9月、10月为过渡阶段. 北半球10°N和2°N的季节变率的时间变化反位相，南半球的10°S、2°S?其季节变率随时间变化的位相则比较一致且与沿10°N位相大致相反. 东太平洋季节变化明显早于中、西太平洋，具有明显自东向西传播的特征. 10°S与10°N之间东、西太平洋的季节变率随时间的演变也基本上呈现反位相特征.     

未来百年东亚夏季降水和季风预测的研究

利用最新一代气候模式结果对政府间气候变化委员会0PCC）SRESA1B情景（中等排放情景）下的东亚夏季降水和季风环流未来演变特征进行了预测．结果表明,东亚地区的降水在未来将会增加,在21世纪40年代末（2040s年代末）出现阶段性变化,在此之前降水的增加量较小（～1％）,并有较明显的振荡特征,而在2040s年代末之后降水明显增加（～9％）,中国东部地区进入全面的多雨期．这种变化以华北最为明显,华南和长江中下游地区次之．而气候模式对未来中国东部夏季降水型预测的EOF分析表明,未来百年中国东部的雨型将以多雨型为主,相应的时间系数在2040s年代末后进入正位相的高值期,而其它降水型的方差贡献较小,无明显变化趋势．相应,未来东亚地区的夏季风环流将会加强,在低层这主要是由于西北太平洋地区的副热带反气旋西北侧西南气流加强的结果;而在高层主要是由于南亚上空异常反气旋东侧东北气流加强的结果．这一季风环流的加强在中国东部也呈现出阶段性的变化特征,在2040s年代末之后东亚夏季风得到全面加强．同时,未来东亚大气中的水汽含量将会逐渐增加,进入中国东部地区的西南水汽输送在2040s年代末也出现阶段性的增强．这说明,在全球气候变化的背景下,东亚地区的水循环和环流场对全球变暖的响应基本一致,即降水和水汽的增加对应着季风环流的加强,降水的变化是气候变暖条件下动力和热力学因子共同作用的结果．     

影响东北初夏和盛夏降水年际变化的环流特征分析

东北地区是我国主要的粮食生产基地,而夏季是东北农作物的主要生长季,也是降水集中的季节,降水量的多少及其分布是影响东北地区粮食产量的重要因素之一.本文利用中国东北地区79个台站观测的月平均降水资料和ECMWF再分析资料,通过相关分析和回归分析,讨论了影响东北地区夏季5~8月降水年际变化的大尺度环流特征.结果发现：东北地区降水年际变化对应的环流异常在5,6月（初夏）和7,8月（盛夏）具有明显不同的特征;初夏降水异常以冷涡活动的影响为主,而盛夏则以东亚夏季风的影响为主.初夏,东北地区降水偏多年,东北地区西北部出现随高度向西倾斜的异常气旋性环流,东北地区冷涡活动频繁.盛夏,东北地区降水异常主要受到局地对流层高层东亚高空西风急流北移以及低层的西太平洋副热带高压西伸北进的影响.随着西太平洋副热带高压西北侧西南风异常的加强,向北输送到东北地区的水汽显著增多,东北地区盛夏降水偏多.此外,与7月份相比,8月东北降水除了受到夏季风的影响以外,还受到中高纬度东北亚阻塞高压的影响.     

青藏高原东部玉树降水中稳定同位素季节变化与水汽输送

青藏高原东部玉树降水中稳定同位素的季节变化特征与青藏高原南部的西南季风区和北部的内陆地区有显著不同, 降水中δ¹⁸O波动幅度大季节变化特征不明显. 降水中稳定同位素变化的差异反映了水汽来源变化的差异. 通过降水中稳定同位素的空间对比以及结合NCAR/NCEP再分析数据研究了形成该地区降水的水汽来源变化与降水中稳定同位素之间的关系. 研究发现青藏高原东部降水的水汽来源受夏季西南季风直接带来的水汽以及北部内陆与局地蒸发水汽的共同影响; 水汽来源以西南季风为主, 但西南季风的输送强度较青藏高原南部地区偏弱, 而北方的大陆水汽输送与局地水汽增强. 其结果导致夏季玉树降水中δ¹⁸O波动幅度增加, 而季节变化特征减弱.     

中东太平洋热带辐合带降水统计特征及其与厄尔尼诺的相关性

利用GPCP（Global Precipitation Climatology Project）与CMAP（CPC Merged Analysis of Precipitation）降水资料以及欧洲天气预报中心月平均SST（Sea Surface Temperature）资料,统计分析了中东太平洋热带辐合带（Centre and Eastern Pacific ITCZ,CEP-ITCZ）降水在两类厄尔尼诺年的基本特征及其与两类厄尔尼诺的相关性.结果表明：在普通年份,CEP-ITCZ平均位置约为7.6°N,强度7.25 mm/day,东部型厄尔尼诺年位置偏南约2.9°,强度增强1.9 mm/day;而中部型厄尔尼诺年位置偏南仅有0.2°,强度增强1.7 mm/day.不同Niño海区对CEP-ITCZ位置与强度的影响具有显著差异,与CEP-ITCZ位置相关性最大的海区为超前一个月的Niño 3海区,而与CEP-ITCZ强度相关性最大的海区则为超前一个月的Niño 3.4（8月-次年2月）或Niño 4（3-7月）海区,影响CEP-ITCZ位置的海区主要为东太平洋,影响CEP-ITCZ强度的海区则为中太平洋.此外,CEP-ITCZ位置和强度的异常对SST异常的敏感性均在4月份达到最强,11月份达到最弱.