山西极端暴雨环流特征及水汽异常研究

研究山西极端暴雨发生规律对开展预报预警、灾害防御具有重要意义。本文利用常规观测资料和欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)第五代大气再分析资料(ERA5),采用标准化距平作为异常度,运用环流分析和物理量诊断等方法,研究1981—2018年6—9月山西17次极端暴雨的气候特征、环流影响系统和水汽异常特征。结果表明:山西极端暴雨主要出现在7—8月,暴雨区主要位于中南部,2010年以来极端暴雨明显多发;影响系统主要是700 h Pa低涡和台风系统,有偏南和偏东两支水汽通道。极端暴雨过程中,低层水汽含量明显偏高,从暴雨区平均比湿的过程最大值看,大部分过程850 h Pa超过14.2 g·kg^(-1),700 h Pa则可超过9.8 g·kg^(-1)、对应暴雨区平均异常度达1.6以上;水汽的极端性在低层水汽通量辐合中心表现突出,17次极端暴雨700、850 h Pa暴雨区水汽通量辐合中心过程最大值的异常度均值分别达-8、-6,其中台风减弱低压影响下的极端暴雨850 h Pa水汽通量辐合中心最大异常度达-12。根据以上环流和水汽特征建立极端暴雨概念模型,并给出极端暴雨低层水汽含量和水汽通量辐合强度预报参考指标。

中国汛期雨带的客观划分及其相关环流特征

本文利用1961—2016年中国汛期逐候降水的旋转经验正交函数分解(Rotated Empirical Orthogonal Function,REOF)方法对中国汛期雨带进行客观划分。根据REOF模态空间分布以及主成分的气候态平均确定了中国汛期6个主要雨带的落区和时间,并揭示了各雨带气候态环流特征。江南春雨雨带主要发生在长江以南地区,对应时间为26—27候;南方雨季的雨带落区主要在两广至福建地区,对应时间为33—34候;江南及中下游梅雨主要落区在长江以南和长江中下游流域,对应时间分别为34—35和36—37候;华北东北雨季落区在华北至东北地区,发生时间为41—42候;华西秋雨落区在秦岭及其周围地区,对应发生时间为49—52候。在雨带划分的基础上,进一步揭示了各个雨带典型的对流层中高低气候态环流特征。可为客观定义汛期雨带及各雨带气候预测提供参考。

河北省塞罕坝地区气温和降水变化的环流特征及关键因子

对塞罕坝地区多年气温和降水的大尺度环流异常进行合成分析,研究其环流特征及关键因子。结果表明:1962-2020年塞罕坝地区气温总体呈偏高趋势,春、秋、冬季降水呈偏多趋势,夏季降水呈偏少趋势。大尺度环流背景下,各季节影响塞罕坝地区气温和降水的主要因子不同,通过挑选最优因子分析得出:塞罕坝地区受大气环流指数影响明显,春季太平洋-北美遥相关型指数(PNA)、夏季北大西洋涛动指数(NAO)、秋季西太平洋遥相关型指数(WP)、冬季高原季风指数(PMI)与该地气温和降水有较好的关系。

内蒙古冬季异常低温的分布类型及环流特征

应用内蒙古104个国家级地面观测站1961—2018年冬季12、1、2月平均温度资料和美国NECP/NCAR再分析月平均高度场和海平面气压场资料,统计分析了内蒙古冬季逐月异常低温的时空分布特征和环流特征。(1)定义了异常低温和分区标准,共有6种异常低温分布类型;(2)全区性异常低温为主,占51.5%;最少是中部型,只占1.5%;(3)随着气候变暖,冬季极端低温气候事件呈现减少趋势,但进入21世纪又呈增加趋势;(4)500 hPa高度场以一脊一槽型为主,槽脊的位置、强度和冷空气路径决定了异常低温的空间分布;(5)在环流特征量上也有一定的反应,可以作为预测参考依据。

2021年黄河中游秋汛降水特点与环流特征分析

为了提高黄河中游秋汛降水预报能力,以便为该区农业生产乃至防灾减灾工作提供参考依据,利用水文站和气象站日降水资料、国家气候中心逐日副高脊线和西伸脊点资料、NCEP/NCAR再分析资料,对2021年黄河中游秋汛降水特点以及环流形势的逐日演变特征进行分析。结果发现:2021年黄河中游秋汛洪水由6次强降水过程造成,具有持续日数长、雨带稳定、雨势强、落区重叠度高的特点。秋汛期内,副高脊线相对稳定,副高季节性南落异常偏迟,同时西伸脊点偏西。欧亚中高纬地区盛行阻塞形势,黄河中游强降水过程主要发生在双阻形势下乌拉尔山阻高达到强盛期后的减弱崩溃期以及乌拉尔山形成阻高的单阻形势下。南亚高压偏强、偏东是200 hPa高空40°-45°N、110°-140°E形成急流的主要原因,低空急流前期不显著,位置偏南,9月下旬以后向北扩展,高、低空急流合适配置为黄河中游强降水发生时上升运动发展提供了有利的环流背景。秋汛期水汽主要来自西太平洋,依靠副高南侧异常强盛的偏东气流以及副高西北侧强盛的西南气流完成输送。

2021年陕西极端秋雨事件环流特征及成因

利用国家气候中心提供的88项环流指数资料、陕西省101个气象站逐日降水资料、NCEP/NCAR 2.5°×2.5°逐日再分析资料,分析了2021年陕西极端秋雨期间的大气环流特征及成因,结果表明:持续受冷暖气流共同影响,陕西出现了长达52 d的秋雨事件,秋雨出现早、结束晚,呈现自北向南增多的空间分布特征,较气候态降水量异常偏大;500 hPa高度场距平在中高纬“东高西低”的环流分布形态和巴尔喀什湖到贝加尔湖地区的显著负异常区,有利于引导高空槽底部分裂冷空气南下;低纬度异常偏强、偏西、偏大的副热带高压有利于外围暖湿气流向西北地区东部输送水汽和能量;850 hPa风场上东北地区东部存在的异常反气旋环流引导偏东路径的冷湿气流与来自孟加拉湾、南海及西北太平洋的充沛暖湿气流在西北地区形成水汽汇,造成陕西降水偏多;陕西持续位于40°N的高空急流入口区南侧,具备高空辐散、低层辐合的有利动力条件;稳定维持在105°E~110°E的θse能量锋区,多次受弱冷空气侵入,是导致秋雨中出现暴雨的主要原因。

1980—2019年江淮地区夏季气温变化及其异常年环流特征

利用1980—2019年ERA5月平均2 m气温资料、NCEP/NCAR提供的大气环流资料以及NOAA的海表温度资料,分析了江淮地区夏季气温变化及其异常年环流特征。结果表明:江淮地区夏季气温整体呈波动上升趋势,冷暖交替出现,在2000年发生突变,空间分布上表现出整体一致性;气温变化主要受西太平洋副热带高压(简称西太副高)、东亚夏季风及西伯利亚冷空气的影响;高温年江淮地区为大范围的位势高度正距平控制,西太副高整体偏西偏强,江淮地区处于副高脊线附近,高纬度阻塞高压较强,低温年则反之;高温年赤道中东太平洋及西太平洋海温分布具有拉尼娜事件的特征,而低温年赤道中东太平洋及西太平洋海温分布具有厄尔尼诺事件的特征;赤道中东太平洋海温异常偏高年江淮地区气温整体偏低,偏低年反之。

基于大气环流特征量和海温的水稻生育期预报模型研究

基于江苏省8个气象观测站历年水稻生育期的观测资料,根据海气相互作用原理以及大气环流特征量能表征天气形势和控制天气条件这一特性,应用最优化因子相关分析技术对环流特征量及海温进行相关普查,从中挑选出一批与水稻生育期相关性显著、稳定性强、因子相互独立、可靠的环流特征量和海温因子作为预报因子,建立了江苏省8个站点水稻主要生育期的回归预测模型。经检验,各个模型的历史拟合效果均较好,通过了α=0.01的显著性检验,为江苏省水稻生育期的中长期预报提供了技术支撑。

基于大气环流特征量和海温的水稻产量结构因素预报模型研究——以江苏省为例

根据500 hPa大气环流特征量能表征天气形势和控制天气条件的这一特性及海气相互作用原理,利用线性及单调曲线相关和最优化因子相关2种技术对环流和海温因子进行普查和对比分析。挑选一批与江苏省水稻(Oryza sativa L.)产量结构因素(有效穗数、每穗粒数和千粒重)相关极显著的大气环流特征量及海温因子;然后依次采用滑动相关检验法对普查得到的因子进行稳定性检验,采用主成分识别法对普查得到的因子进行独立性检验,确定与水稻产量结构因素相关显著、稳定并且相对独立的大气环流特征量及海温因子作为预报因子;最后基于最小二乘法建立了江苏省水稻产量结构因素动态预报的环流及海温模型,模型拟合效果好,可以投入业务使用。

河源市前汛期极端降水的年际和环流特征

利用1965—2020年河源市5个国家气象观测站逐日降水资料和NCEP/NCAR再分析月平均环流格点资料,对河源市前汛期极端降水的年际变化特征和环流特征进行分析,结果表明:(1)河源市前汛期极端降水量、频次、强度和阈值均呈西南向东北逐渐减少。(2)年变化上,极端降水量、频次和强度均呈下降趋势。(3)当500 hPa贝加尔湖脊偏弱(或偏强),850 hPa华南地区处于反气旋性(或气旋性)距平环流西侧的偏南(或西南(东北))距平气流中时,极端降水多(或少)发。

一类电缆交叉互联接地系统缺陷的环流特征研究

在输电电缆运行维护过程中,交叉互联接地系统环流异常的缺陷时有发生,此类缺陷原因和位置的确定具有一定难度。针对同一交叉互联接地单元中同轴接地电缆内外芯与接地柱连接方向不一致的缺陷,对其等效电路进行相量分析和推导计算,归纳了21种常见情况的环流特征,为此类缺陷的带电诊断提供了缺陷数据库和科学思路。此外,以一起220 kV电缆线路交叉互联接地系统缺陷为例,将实测值与理论分析结果进行对比,验证了实测值符合理论推导出的环流特征,证明了环流特征研究结果的正确性。

中国北方一次沙尘天气环流特征及其强度与感热通量的关系

利用2020年5月2—3日地面常规观测资料,采用天气学分析法和分类统计学,研究中国北方大范围沙尘天气环流特征及其强度与感热通量的关系。研究结果表明:高空槽加强为冷涡,冷空气沿偏西气流南下,有强冷平流。地面沙尘区域内形成北有冷高压、南有低压倒槽对峙的形式。等压线密集区的气压梯度力大,形成偏东大风,产生沙尘天气。在蒙古冷高压底部形成准静止锋,使得天气系统移动缓慢,沙尘天气持续时间较长;沙尘天气发生期间,总体上平均感热通量大于0,地表放热,空气吸热。从感热通量绝对值的平均值看,强沙尘暴是沙尘暴的2~3倍,扬沙、浮尘是沙尘暴的2~4倍。在夜间,由于沙尘的保温作用,使得地表温度大于地面2 m温度,感热通量为正值,沙尘保温作用对沙尘天气发展起正反馈作用。

2022年6月吉林省异常降水环流特征及成因分析

利用NCEP/NCAR逐日及逐月再分析资料、NOAA逐月海温资料ERSST和常规气象观测资料,从不同角度分析了2022年6月吉林降水异常偏多的成因。结果表明:多种因素异常且共同作用导致了初夏吉林异常降水事件的发生,2022年6月500 hPa欧亚范围内大气环流异常发展,乌拉尔山长波槽异常深厚及东亚阻塞高压异常强大,导致西来低槽发展加深和冷空气堆积南下。西太平洋副热带高压脊线偏北、西伸脊点异常偏东,强降水天气发生在副热带高压明显西伸北抬的过程中。前期冬季、春季热带太平洋海温异常,东亚夏季副热带季风在东北地区提早建立均与吉林异常降水有关。高、低空急流异常偏强和明显北抬导致高层辐散、低层辐合加强,垂直运动增强并向上伸展,有利于6月吉林降水异常偏多。

广东省前汛期连续暴雨的气候背景及中期环流特征

为了解中期连续暴雨的成因，进一步做好4—6月广东省致洪连续暴雨的中期预报，用统计和合成分析方法，对1961--2001年广东省前汛期连续暴雨过程的气候背景及中期环流特征进行了分析。分析结果表明：广东省6月出现连续暴雨的几率最大；小波分析和最大熵谱分析表明，广东省的连续暴雨存在准2～5年和10年左右的周期振荡，未来几年发生连续暴雨的次数将增多；用500hPa候平均高度场资料，对出现在广东省的前汛期连续暴雨过程的中期环流特征及高、低纬地区的环流演变特点进行了分析归纳，总结出两类造成连续暴雨过程的中期环流特征的2条指标，它们的共同特点为：中高纬度具有十分稳定的“西阻”和“东阻”，中高纬的“东阻”和低纬120。E以东的正距平区相叠加，使得低纬维持稳定的东高西低形势，有利于出现连续暴雨过程。在此基础上利用欧洲中心500hPa高度场未来1～5d的格点逐日预报资料得到候平均图，用动力一相似诊断方法作出2003--2005年广东省有无连续暴雨过程的中期趋势预报。

广西雷暴大风环流特征和物理量诊断分析

利用观测资料和ECMWF分析资料,对广西2006—2008年发生的雷暴大风强天气45次个例进行统计分析,并应用天气学方法进行影响模型分析,从雷暴大风发生的条件人手,探讨了一些稳定度指数和动力参数的物理意义,及雷暴大风发生区域的环境场特征,统计归纳出了:(1)造成广西雷暴大风强天气过程可分为高原深槽型、台风低槽型、副高西部型和华北低槽型等四种天气模型;(2)雷暴大风多发生在午后,峰值出现在16时左右;7月和8月出现的最多;(3)局地雷暴大风的出现与地形作用有密切关系;(4)雷暴大风产生前,四种天气影响型广西大部地区大气层结均有不稳定能量聚集,低层有强的水汽辐合,相对湿度大;高原深槽、华北低槽和副高西部影响型强的垂直上升运动和正涡度中心位于广西北部,台风低槽影响型则位于广西东南部;(5)出现雷暴大风的区域大气层结不稳定性更显著,低层水汽辐合和中低层气旋性辐合也偏强。

5～8月东北冷涡客观识别分类及北半球大气环流特征分析

采用美国国家环境预报中心(NCEP)500 h Pa高度场逐日再分析资料,基于计算机客观识别方法,统计了1948~2012年5~8月东北冷涡活动过程。结果表明:共计发生东北冷涡过程956次,平均每年5~8月发生约14.7次;东北冷涡活动共4 129 d,5~8月平均分别为14 d、18 d、18 d和14 d,共64 d,占5~8月总天数的52%;5~8月东北冷涡过程以持续3~6 d为主,冷涡活动主要位于121°E^131°E,48°N^53°N区间;5~8月东北冷涡发生频次和活动天数均存在显著增长趋势。7~8月东北冷涡活动异常多年份,贝湖至鄂海阻高与东北冷涡多同时发生,异常少年份,贝湖至鄂海阻高亦不盛行,且阻高先发生冷涡后发生年份占多数。5~6月和7~8月东北冷涡典型特多年高度距平合成场与特少年的主要异常区分布呈反位相,且这种反位相特征在对流层中、高层(200 h Pa、500 h Pa)均呈近半球尺度的波列分布;5~6月和7~8月东北冷涡活动特少年和特多年差值高度场合成分布相近,均呈现显著的南北向"+、-"波列分布(置信度水平≥99%),正负波列分别位于西北太平洋区域和鄂霍次克海至白令海区域,该波列对应高度层风场中的相对位置为气旋和反气旋式环流。

甘肃春季沙尘暴环流特征及其时间尺度诊断分析

根据43a甘肃春季沙尘暴日数距平序列选取了甘肃春季沙尘暴多发年和少发年。对甘肃春季沙尘暴多发年和少发年前期冬季(12月至翌年2月)和同期春季(3～5月)500hPa环流距平场合成结果表明,前期冬季东亚大槽、同期春季蒙古气旋是影响沙尘暴发生多少的主要系统。西风指数和东亚北风指数计算结果表明,沙尘暴多发年与少发年指数差异明显,沙尘暴与冬季风联系紧密。甘肃春季沙尘暴小波变换分析,清楚地反映沙尘暴不同频域的变化特征及其交替作用;不同频域小波系数变化说明21世纪初沙尘暴将趋于增加。

大气环流特征量的水稻白背飞虱发生程度预报模型的研究

根据 5 0 0hPa大气环流特征量能表征天气形势和控制天气条件的这一特性 ,利用线性及单调曲线相关与最优化因子相关两种技术对环流特征量因子进行普查、对比分析 ,发现白背飞虱虫情指标与环流因子之间关系不仅是线性及几种单调曲线的关系 ,而且还存在非线性、非单调的单峰 (谷 )型的相关关系 ,并从中挑选一批与水稻白背飞虱虫情指标相关极其显著、稳定性强、因子间相互独立、可靠的大气环流特征量作为预报因子 ,在此基础上 ,建立了江苏省水稻白背飞虱虫情指标预报的环流模型 ,且还证实了模型中的环流因子与影响白背飞虱迁入、发生发展的气象条件呈显著相关关系 ,为预报白背飞虱发生程度提供了新的长期因子和新途径。

宁夏春季典型沙尘暴年环流特征量分析

利用近1960—2000年宁夏春季沙尘暴发生次数及常规气象与环流特征量、海温等资料,首先分析得出了宁夏近41a来沙尘暴发生频次的变化规律;其次通过对宁夏典型沙尘暴多、少年气候特征对比分析,发现沙尘暴多、少年前期气象要素及环流特征量存在明显差异:沙尘暴少(多)发年前一年夏季及前一年夏季到当年春季累积降水量偏多(少);冬春季冷空气活动次数偏少(多);前期及同期北半球极涡面积偏小(大)、强度偏弱(强);冬季东亚大槽位置偏东(西)、强度偏弱(强);前一年春季北太平洋海温距平场表现为厄尔尼诺遥相关分布型(反厄尔尼诺遥相关分布型)。依据作用机理,提出了在西北地区生态环境局部治理、整体恶化背景下,宁夏春季沙尘暴发生频次减少,主要是东亚环流调整、冬季风减弱所致,同时还形成了宁夏春季沙尘暴短期气候趋势预测概念模型。

西北中部夏季降水主要空间型及环流特征

利用西北地区中部55个站点1961—2015年夏季降水资料、NCEP/NCAR再分析资料及统计诊断方法,分析了西北地区中部夏季降水异常模态及同期大气环流特征和水汽输送条件。结果表明:西北中部夏季降水存在三类主要空间模态:全区一致型、东西反相型及类似"三明治"型。进一步分析表明,造成降水不同空间模态的环流和水汽条件不同:全区一致降水正异常时,副热带西风急流中心偏东,乌拉尔山阻塞高压偏强,水汽主要来源于孟加拉湾、南海和热带太平洋北上的水汽输送,同时在西北中部大范围地区有明显的水汽辐合;东多西少型降水正异常对应"丝绸之路"遥相关型环流,中亚增强的反气旋性环流提供了较强的冷空气,西北太平洋地区反气旋性环流南侧的偏东风输送水汽,在甘肃东部地区形成较明显的水汽辐合;类似"三明治"型降水正异常对应欧亚中高纬环流为北高南低型分布,贝加尔湖南侧低槽加强提供了西风异常,而水汽主要源自孟加拉湾向高原东侧的输送,在青海南部形成明显的水汽辐合,以致青南牧区降水偏多。综合分析表明,三种主要模态的冷空气条件和水汽来源具有明显差异。