BCC模式对北半球阻塞高压的模拟偏差评估及原因

基于NCEP/NCAR、日本气象厅的JRA55以及欧洲中期预报中心（ECMWF）最新发布的ERA5三套逐日再分析资料数据,考察国家气候中心中等分辨率（约110 km）的气候系统模式BCC-CSM2-MR和单独大气模式BCC-AGCM3-MR对北半球中高纬度阻塞高压（阻高）的模拟能力。再分析数据分析结果表明:“北大西洋—欧洲地区”以及“北太平洋中部地区”分别为北半球阻高发生的最高频及次高频区域;冬春季为阻高高发季节,夏秋季阻高频率减少至冬春季的一半左右;ERA5再分析资料中各个季节的阻高频率均高于另两套资料结果,尤其在北太平洋地区。模拟评估结果显示,单独大气模式BCC-AGCM3-MR对北半球中高纬度阻高发生频率、空间分布和季节变化特征均有较好的模拟能力,其主要偏差表现为冬春欧亚大陆特别是乌拉尔山地区阻高频率偏高,而北大西洋地区阻高频率偏低;春季北太平洋阻高频率偏低。这与模式北半球高纬度地区500 hPa位势高度场气候态偏差有关。BCC-CSM2-MR耦合模式的阻高模拟偏差总体与大气模式类似。但耦合模式中冬季欧亚大陆特别是乌拉尔山地区阻高频率减小、北太平洋春季阻高频率增大,模拟偏差减小。同时,耦合模式能够再现夏季北太平洋东西阻高频率双峰值特征。因此,海气耦合过程有助于改善对欧亚及北太平洋地区阻高频率模拟。阻高频率年际变率受到气候系统内部变率不确定性的较大影响,这也是制约阻高预测水平的重要因素。     

SVD揭示的印度洋海气相互作用模态及其与中国降水的联系

利用1958-1999年6-8月平均的GISST(Global Indian Sea Surface Temperature)海表温度资料和同期850 hPa水平风场等NCEP/NCAR再分析资料,作了向量奇异值分解,并对各个模态作了相应分析,发现前两个模态可以很好地表示出印度洋海气耦合的主要部分:第1模态是印度洋海温对ENSO信号的滞后响应;第2模态反映了存在于印度洋的海-气相互作用现象,是ENSO和IOD(Indian Ocean Dipole,印度洋偶极子)的混合模态.讨论了前两个模态与中国夏季降水等变化的联系,发现印度洋海温单极模态与我国华南夏季降水存在负相关,与长江流域及其以北地区存在正相关;印度洋偶极型海温与我国降水的关系不典型.     

深度学习在印度洋偶极子预报中的应用研究

印度洋偶极子（IOD）是热带印度洋秋季最强的年际变率,它会通过大气遥相关来影响世界许多地区的气候。目前耦合气候模式对IOD预报技巧仍非常有限,远低于热带太平洋的厄尔尼诺事件的预报技巧。鉴于深度学习具备高效的数据处理能力,本文使用深度学习中的卷积神经网络（CNN）与人工神经网络中的多层感知机（MLP）处理再分析观测资料,从而进行IOD预报。由于当预报初始时刻为北半球冬春季时,对IOD事件的预报技巧较低。因此,为探索CNN的预报能力,本文仅使用三种（1～3月、2～4月、3～5月）初始时刻的海表温度异常（SSTA）作为CNN的输入数据,来预报其后续七个月的印度洋偶极子指数（DMI）、东极子指数（EIOI）和西极子指数（WIOI）。结果表明:CNN对DMI、EIOI和WIOI的有效预测时效均超过了6个月。与现在耦合动力模式相比,CNN模型能够显著提升DMI和EIOI的预报技巧,但对WIOI的预报技巧提升有限。当预报提前时间为7个月时,CNN模型能够比较准确地预报1994、1997与2019年的IOD事件。由于CNN模型能够更好地抓住印度洋海温的空间结构特征,它对IOD事件的预报技巧比传统神经网络MLP高。     

1986年7月阻塞高压过程的位涡诊断分析

用含有非绝热加热、湍流输送和摩擦作用的等压面位涡方程对1986年7月两次阻塞高压的酝酿建立、维持和减弱消失3个阶段做了诊断分析。发现东亚阻塞高压是一个具有均匀低位涡的深厚高压系统，低值位涡在高层最明显；高压区内对流层偏暖，以低层为最明显，250hPa以上却明显偏冷。阻高低位涡暖空气主要来自伊朗高原。阻高建立时除伊朗高原低位涡空气向东北移动外，还要有下游低位涡空气向北移动与之配合。位涡方程各项中以高层平流项作用最大，阻高建立时有显著正作用；其次为高层的垂直平流项；第三是低层热成风偏差项；湍流项有削弱阻高的作用；扭转项和摩擦项可忽略。     

江淮地区两次持续性强降雪过程大气环流及低频特征

利用NCEP/NCAR逐日再分析资料和地面观测资料,对比分析了2018年1月江淮地区两次持续性强降雪过程的大气环流,研究了中高、低纬度系统(阻塞高压和南支槽)在持续性强降雪过程中的协同作用,探讨了阻高指数和南支槽指数正负位相的低频波动对中长期预报的可参考性。结果表明:(1)两次强降雪过程发生时大气环流持续异常,极涡呈"偶极型",中高纬度阻塞形势明显,地面冷高压强大,有利于强冷空气南下;低纬度副高、南支槽维持,有利于暖湿气流向江淮地区输送;冷暖空气交汇,出现明显的中高、低纬度系统协同作用;(2)强降雪过程主要是由中高纬度系统尤其是阻塞高压稳定维持和低纬度的南支槽相互配合造成的,两次过程均发生在阻高偏强、南支槽偏强且位势高度峰区和谷区相叠加的时间段;(3)两次持续性强降雪过程中,极涡位置、阻高和南支槽强度以及低层水汽条件、垂直环流等方面存在一定的差异,使得两次过程的降雪范围、强度和类型具有不同特点;(4)阻高异常偏强(弱)或南支槽异常偏强(弱)有(不)利于持续性降雪过程发生;持续性强降雪发生时阻高和南支槽的差值指数(UI-STI)具有明显异常偏高的特征,对强降雪过程预报具有一定的指示意义;(5)阻高和南支槽指数具有显著的10～30天低频变化特征,其正负位相的低频波动可提前两周以上,为强降雪过程预报提供参考。     

热带太平洋与印度洋相互作用的年代际变化及其数值模拟

利用全球海表温度资料和NCEP／NCAR再分析资料,发现热带印度洋偶极子事件与热带太平洋ENSO事件存在相互作用,但其相互作用关系在1961年前后发生了明显的跃变。通过CCM3（community climate model version3）模式,研究了不同年代热带太平洋和热带印度洋SST（seasur—face temperature）变化对其上空大气环流影响的变化,结果表明：1961年后,热带印度洋发生正偶极子事件时,两大洋的垂直环流异常的耦合很强,热带太平洋上空大气环流对印度洋偶极子事件的响应,给太平洋暖事件的异常发展提供了有利条件;同样,热带太平洋暖事件通过对热带印度洋上空大气环流的影响,给印度洋偶极子的异常发展提供了有利条件。     

La Ni(n)a年冬季亚洲中高纬环流与我国南方降雪异常关系

2007/2008年冬季,赤道中东太平洋形成了一次中等强度的La Ni(n)a事件.本文根据NCAR/NCEP再分析资料,探讨La Ni(n)a气候背景下亚洲中高纬大气环流及南亚上空南支槽强度与我国南方(25～35°N,110～125°E)多雪、少雪以及2008年1月我国南方大范围低温雨雪冰冻灾害的关系.分析指出,La Ni(n)a气候背景下,500 hPa高度场亚洲高纬位势高度偏高易出现阻塞型,当乌拉尔山阻塞高压强度、位置比鄂霍次克阻塞高压偏强、偏北时,入侵我国南方的偏北气流主要来自乌拉尔山地区,南方偏冷(距平达-4.0 ℃)多雪;当鄂霍次克阻塞高压强度、位置比乌拉尔山阻塞高压偏强、偏北,入侵我国南方的偏北气流主要来自鄂霍次克海地区,南方偏暖(距平达1.0 ℃)少雪.2008年1月500 hPa高度上亚洲高纬乌拉尔山阻高偏北、强度偏强(正距平中心值达120 gpm),入侵我国南方的2支偏北气流都来自乌拉尔山地区,南方出现了低温(温度距平达-4.0 ℃)雨雪冰冻天气;分析指出,200 hPa高度场南亚地区南支槽的强弱对我国南方降雪多寡有重要影响.     

乌兰察布市2010年一次大风、寒潮天气的分析

运用常规气象观测资料和欧洲数值预报图,对2010年1月19—22日从西北方向入侵的强冷空气引发大面积的大风降温天气过程进行分析。结果表明：此次寒潮主要是由贝加尔湖附近的横槽内聚积一股较强的冷空气（高空500hPa冷中心强度达-45℃、地面冷高压中心强度达1060．0hP）。西西伯利亚的阻塞高压与贝加尔湖高空冷槽共同作用,西北路冷空气不断向东南侵袭,乌兰察布市处于西风带控制,横槽沿西风带向东移动分裂为两股冷空气。阻塞高压前偏北冷空气不断东移南下,引发横槽转竖并向南加深。持续性降温导致强寒潮天气过程。     

2007年6—7月西太平洋副热带高压的异常特征及其成因分析

采用NCEP资料以及NOAA卫星观测的OLR场资料,分析了2007年6—7月淮河流域暴雨及江南、华南异常高温期间西太平洋副热带高压的异常特征,其表现为强度强且南北位置相对稳定,东西方向进退明显于南北方向的移动。通过分析经圈平面上的垂直环流及风矢量场的特征表明,副高南北两侧都存在一定强度的上升气流,北侧上升气流对西太平洋副高中心区700 hPa以上高度的下沉运动有激发作用,而南侧上升气流对西太平洋副高中心区的下沉运动作用不大。中高纬度阻塞高压双阻型的建立,有利于西太平洋副高的加强和发展。强劲而稳定少动的中纬度西风急流和热带地区异常活跃的对流均有利于西太平洋副高的相对稳定。     

热带印度洋偶极子的季节性位相锁定可能原因

利用1960年1月～1999年12月Hadley气候预测和研究中心的全球海表温度资料和改进的中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室的第三代海洋环流模式,以及1949年1月～1999年12月NCEP/NCAR月平均海表面大气距平资料,采用资料合成分析和数值试验相结合的方法,研究了热带印度洋偶极子从发展到成熟的特征。海表温度异常的分析结果表明,正、负热带印度洋偶极子的强度和发生强偶极子事件的次数都在北半球秋季达到最强、最多,与季节循环存在位相锁定。偶极子的数值模拟结果与此分析结果一致,表明海洋表面的大气强迫对激发印度洋偶极子有重要作用。对比试验的结果表明,赤道印度洋上空风应力异常是偶极子形成的主要原因。文中还设计了12个敏感性试验研究在相同大气异常强迫下1～12月大气气候基本态对印度洋偶极子的作用,结果发现大气气候态对偶极子的强度有很大影响,其中9月的大气气候态最有利于印度洋偶极子达到最强。这是由赤道东南印度洋地区东南风和海洋之间的正反馈过程决定的,因此大气基本态是偶极子成熟位相锁定在秋季的一个重要原因。