2003年江淮汛期多模式短期集合预报方法研究

利用AREM、MM5和WRF模式为试验模式,由对短期天气预报结果影响颇大的积云参数化方案和边界层方案构成15个集合预报成员,开展有限区域多模式短期集合预报在我国汛期时段的应用与研究.分别研究了单个模式集合预报和多模式集合预报在2003年汛期(7月)预报中的应用,预报对象主要包括降水、500 hPa位势高度和700 hPa相对湿度.试验结果表明:(1) 由AREM、MM5和WRF模式构成的多模式集合对以上要素的集合预报总体效果比其任一单个模式的集合预报效果好;(2) 对于降水的集合预报,单个模式的集合平均结果对多模式集合预报效果有影响.且对于不同的降水临界值影响不同;当降水临界值较小时,单模式集合平均结果对多模式集合效果影响较小;当降水临界值较大时,影响较大,甚至可以影响多模式集合的集合平均预报成败;(3) 对于降水、500 hPa位势高度和700 hPa相对湿度,其单个模式以及多模式的48 h集合预报对确定性预报的改善度都比24 h的显著.(4) 对于形势预报和相对湿度预报,多模式集合预报效果明显比同期T213模式的预报水平高.     

热带太平洋-印度洋海温异常综合模的数值模拟

通过数值模拟及结果的合成分析,对热带太平洋-印度洋异常海温综合模态的三维热力结构、动力结构及其发生发展的可能机制进行了研究.数值模拟结果的分析表明,太平洋、印度洋海温异常的综合模态在表层、次表层的表现都很明显,即在赤道西印度洋、中东太平洋的海温偏高(低)时,赤道西太平洋、东印度洋的海温偏低(高),该模态还存在着显著的年变化特征、年际变化特征以及年代际变化特征.数值模拟的合成分析结果表明,异常的海表风应力引起表层洋流异常,表层洋流异常及由其引起的海表高度异常可导致次表层海水环流的异常,海洋环流异常导致的平流热输送异常是海温形成异常综合模态的主要原因之一,垂直输送是形成次表层海温综合模态的主要原因.平流热输送过程对海表温度变异的贡献是:在事件发生到盛期阶段促进了次表层海温异常综合模态的形成,在盛期到消亡阶段次表层的平流过程阻碍其进一步发展;短波辐射是海洋的主要热力来源,海表面异常的净短波辐射通量、潜热通量是表层海温形成异常模态的主要热力学原因,异常的海表面净短波辐射通量、潜热通量、感热通量在到达盛期阶段后抑制其进一步发展.     

热带印度洋海温异常不同模态对南海夏季风爆发的可能影响

热带印度洋海温异常两种主要的模态分别是春季最强的全区一致型海温变化和秋季发展成熟的东西反位相偶极型模态, 本文主要分析了这两种海温模态对当年南海夏季风爆发的不同影响机制。对热带印度洋全区一致增暖和变冷年份的合成分析表明: 热带印度洋的增暖 (变冷) 通过海气相互作用激发印度洋－西太平洋异常的Walker环流圈, 加强 (减弱) 西太平洋副热带高压的强度, 进而有利于南海夏季风爆发的推迟 (提早)。由于热带印度洋全区一致型海温变化滞后响应于前冬ENSO事件, 因此, 作者提出热带印度洋的这种海温模态对维持ENSO对第二年南海夏季风爆发的影响起到了重要的传递作用。作者进一步通过1994年个例研究了热带印度洋偶极型海温模态对南海夏季风爆发的可能影响。1994年的热带印度洋偶极子在初夏就表现出很强的强度, 显著削弱了印度洋的夏季风环流, 尤其是索马里急流和赤道印度洋西风气流的强度。南海上游季风气流的减弱以及热带印度洋异常反气旋的发展阻碍了印度洋西南季风向南海的推进, 从而使得这一年南海夏季风爆发偏晚大约2候。     

西南地区春季及其各月降水的气候特征分析

利用1951～2017年我国西南地区26个台站的降水观测资料,本文研究了该地区春季及其各月降水的基本气候特征。结果表明:5月是春季我国西南地区降水最多的月份,其占春季总降水的55.3%,此外,5月降水年际变化强度最大;西南地区春季及其各月降水均具有显著的年代际变化特征,5月降水在春季降水的年代际变化特征中占据主导地位;在年代际突变特征方面,西南地区春季降水存在显著的年代际突变特征,其在1970年代后期发生了减少突变,而在1990年代中后期发生了增加突变;在变化趋势方面,春季西南区域平均降水的变化趋势不明显,但从空间上看,西南地区东部表现出显著增多的趋势,而西部则表现出显著减少的趋势;在周期方面,西南地区春季及其4～5月降水均具有显著的年际和年代际变化周期,需要说明的是,3月降水没有明显的年代际变化周期,总体上看,5月降水在春季降水周期变化中占据主导地位。     

冬季北极涛动的影响分析

采用美国NCEP/NCAR月平均再分析资料、中国气象局160站地面月资料以及美国国家海洋和大气局月平均北极涛动（AO）指数,研究了1979～2008年12～2月AO与该时期北半球大气环流和我国气候的关系。发现当AO异常时,西风带和副热带的环流有很大的差别。当AO异常强时,北太平洋是一对偶极性异常环流：中高纬度为反气旋异常环流,副热带为气旋异常环流。这种形势越到高层越明显,范围也越大。对流层中高层中高纬度的反气旋异常环流西扩到贝加尔湖以东,副热带的气旋异常环流西扩到中印半岛。由于这种异常分布,西太平洋副热带高压偏弱,东亚高空西风急流偏弱,东亚大槽偏弱。乌拉尔山附近是负距平,不利于乌拉尔山高压脊发展。在海平面气压场上,北太平洋为正距平,而在西伯利亚为负距平,阿留申低压和西伯利亚高压偏弱,因此东亚冬季风偏弱。由于冬季风偏弱,导致我国东部、东北、新疆和内蒙古温度偏高。AO异常弱时,环流形势正好相反,冬季风偏强,我国温度偏低。AO的异常也影响我国降水,AO异常强时,除内蒙古、新疆降水偏少外,大部分地区降水偏多,异常降水中心在华南沿海;而当它异常弱时,江南、华南、内蒙古和新疆降水偏多,其他地区降水偏少,异常降水中心位于江南。2008年1月AO活跃,与AO强时平均情况一致,两者在中纬度的东亚有非常好的相似性,都为正距平,表示东亚大槽偏弱;北太平洋的偶极性异常环流对在对流层中、上层也是明显的。最主要的差异在乌拉尔山和西太平洋地区,由于造成2008年1月我国南方持续雨雪冰冻天气重要因素的西太平洋副热带高压、乌拉尔山阻塞高压和冬季风与AO偏强的平均情况相反,因此AO不是造成持续雨雪冰冻天气的原因。     

ENSO机理及其预测研究

资料分析研究表明ENSO(El Ni?o和La Ni?a)实际上是热带太平洋次表层海温距平的循环,而次表层海温距平的循环是赤道西太平洋异常纬向风所驱动的,赤道西太平洋的异常纬向风又主要由异常东亚冬季风所激发。因此可以将ENSO的机理视为主要是由东亚季风异常造成的赤道西太平洋异常纬向风所驱动的热带太平洋次表层海温距平的循环。同时分析还表明,热带西太平洋大气季节内振荡(ISO)的明显年际变化,作为一种外部强迫,对ENSO循环起着十分重要的作用;El Ni?o的发生同大气ISO的明显系统性东传有关。资料分析也表明,El Ni?o持续时间的长短与大气环流异常有密切关系。 用非线性最优化方法研究El Ni?o－南方涛动(ENSO)事件的可预报性问题,揭示了最容易发展成ENSO事件的初始距平模态,即条件非线性最优扰动(CNOP)型初始距平;找出能够导致显著春季可预报性障碍(SPB),且对ENSO预报结果有最大影响的一类初始误差——CNOP型初始误差,进而探讨耦合过程的非线性在SPB研究中的重要作用,提出了关于ENSO事件发生SPB的一种可能机制;用CNOP方法揭示了ENSO强度的不对称现象,探讨ENSO不对称性的年代际变化问题,提出ENSO不对称性年代际变化的一种机制;建立了关于ENSO可预报性的最大可预报时间下界、最大预报误差上界和最大允许初始误差下界的三类可预报性问题,分别从三个方面揭示ENSO事件的春季可预报性障碍现象,比较有效地量化了模式ENSO事件的可预报性。 利用中国科学院大气物理研究所地球流体力学数值模拟国家重点实验室的ENSO预测系统,研究了海洋资料同化在ENSO预测中的应用,该系统可以同时对温、盐剖面资料和卫星高度计资料进行同化。并且在模式中采用次表层上卷海温的非局地参数化方法,可有效地改进ENSO模拟水平。采用集合卡曼滤波(Ensemble Kalman Filter,EnKF)同化方法以及在集合资料同化中“平衡的”多变量模式误差扰动方法为集合预报提供更加精确和协调的初始场,ENSO预报技巧得到提高。     

热带太平洋-印度洋海温异常综合模对南亚高压的影响

从综合考虑热带太平洋和印度洋海温异常特征出发,研究了热带太平洋-印度洋海温异常综合模对南亚高压的影响.当热带太平洋-印度洋海温异常综合模为正位相(西印度洋和东太平洋海温距平为正,东印度洋-西太平洋海温距平为负),南亚高压偏弱,位置偏东偏南;当热带太平洋-印度洋海温异常综合模为负位相(西印度洋和东太平洋海温距平为负,东印度洋-西太平洋海温距平为正),南亚高压偏强,位置偏西偏北.热带太平洋-印度洋海温异常综合模影响南亚高压主要通过三种机制:一是通过影响亚洲季风从而影响了降水潜热形成的大气加热场分布,在正(负)位相年,青藏高原大气热源为负(正)异常,因此青藏高原上空空气上升减弱(加强),南亚高压偏弱(偏强);南海季风和热带辐合带加强(减弱),菲律宾附近的大气热源加强(减弱),有利于上空青藏高原东南侧反气旋(气旋)式的距平环流,因此南亚高压偏东偏南(偏西偏北).二是热带太平洋-印度洋海温的纬向热力对比引起赤道纬向垂直(Walker)环流异常,必将引起高空纬向风异常,在正(负)位相年,南亚高压南部的印度洋高空会出现西(东)风异常,导致南亚高压偏弱(偏强).三是综合模的正(负)异常加强(减小)西印度洋经度范围的区域Hadley环流,其北侧伊朗高原上的异常下沉(上升)支,造成南亚高压偏弱(偏强),位置偏东偏南(偏西偏北).     

南海夏季风建立的模式诊断研究

应用全球谱模式 (T42L9)对 1 986年和 1 987年个例进行了一系列有、无凝结潜热加热和地表感热以及地形作用的单因子敏感性数值预报试验 ,对预报模式输出的大气凝结潜热量和地面感热通量的时空变化特征进行了诊断分析。个例敏感性试验结果表明 ,大气凝结潜热对南海地区西南风的建立极为重要。诊断分析结果指出 ,在南海夏季风建立前 ,中南半岛地区是强大的凝结潜热加热区 ,远比印度半岛地区强。地形和中南半岛凝结潜热的共同作用可能是导致南海夏季风早于印度夏季风建立的重要原因。 1 987年 5月份在中南半岛地区的凝结潜热量比 1 986年明显偏低 ,直到 5月底 6月初才明显上升 ,这可能是该年南海夏季风建立晚的一个原因 ,中南半岛地区凝结潜热的变化可能是影响季风建立早晚的重要因子之一。     

NUMERICAL SIMULATIONS OF THE PACIFIC MERIDIONAL MODE IMPACTS ON TROPICAL CYCLONES ACTIVITY OVER THE WESTERN NORTH PACIFIC

Based on analyses of the relationship between Pacific Meridional Mode (PMM) and number of tropical cyclones (TCs) activity over the western North Pacific, the impacts of the PMM on Tc activity over the western North Pacific are studied using numerical simulations with an Atmospheric General Circulation Model (CAM3) of National Center for Atmospheric Research (of USA). The result shows that the PMM has impacts on the large-scale generating environment of TCs, thus affecting their number and strength. The numerical simulations using the NCAR CAM3 indicate that with the inclusion of the forcing from sea surface temperature (SST) of the PMM, there appears a decreased magnitude of the vertical zonal wind shear, large proportion of relative humidity, anomalous westerly wind at low levels and anomalous easterly wind at high levels, in association with anomalous cyclonic circulation at low levels and anomalous anti-cyclonic circulation at high levels over the tropical western Pacific. Thus, the PMM provides favorable environment for the typhoon genesis. In the sensitivity experiment, TCs have larger strength, lower SST at the center, stronger tangential wind at 850 hPa and intensified warm cores at high levels. In this paper, the simulation results are similar to that in the data analyses, which reveals the important impact of the PMM on TC activity over the western North Pacific.     

平流层爆发性增温及其影响研究进展

平流层爆发性增温(stratospheric sudden warming,SSW)是冬季平流层大气环流结构的一种突变现象,在短时间内平流层中高纬度的温度、风和极涡都会发生剧烈变化。因此,SSW也就成为平流层大气环流及其变化研究的重要方面之一。在强SSW期间,高纬地区温度急剧升高,西风被东风取代,极涡几乎全部崩溃。SSW极大地影响着北半球对流层大气,甚至整个中高层大气,包括对平流层乃至中层大气微量气体分布的重要影响。随着临近空间飞行平台的研究应用,以及由此而提出的临近空间环境条件的保障问题,作为临近空间重要组成部分的平流层环流变化将更加引起人们的关注。本文就SSW的特征、发生机制、对上下层相互作用的重要影响,以及SSW与准两年振荡、ENSO等的密切关系和SSW的数值模拟等方面的研究工作,进行了回顾和总结。