江淮梅雨期持续性暴雨和极端强降水事件的位涡比较分析

基于我国气象台站观测降水数据和欧洲中期天气预报中心(ECMWF)第五代大气再分析资料(ERA5),从位势涡度(位涡)强迫垂直运动的角度,揭示了江淮梅雨期持续性暴雨和极端强降水事件的动力学机制及差异。基于改进的两种事件定义方法,识别出1979—2020年梅雨区共发生了24次持续性暴雨事件及24次极端强降水事件。事件合成分析表明,持续性暴雨事件最强雨带主要位于长江及其以南地区,而极端强降水事件最强雨带则位于长江及其以北地区。持续性暴雨事件与热带大气低频振荡密切相关,其中南亚高压偏东、西北太平洋副热带高压偏西,因而高空偏南的西风急流附近具有高值位涡的干冷空气向南和向低空入侵,在中低层与西南暖湿气流辐合并形成梅雨锋区。极端强降水事件更大程度地取决于偏北的西风急流南侧的高空辐散及位涡强迫的强冷空气。对于极端强降水事件位涡收支的定量诊断表明,在强降水达到峰值及之前,高层负的位涡倾向主要由负的垂直位涡平流所导致,而中低层正的位涡倾向则主要取决于垂直非绝热加热的位涡制造和垂直位涡平流。结合典型个例的垂直速度分解,进一步证实梅雨区上空水平位涡平流随高度增加的垂直分布激发的上升运动分量在极端强降水事件起着重要作用。

位涡源汇和位涡环流及其天气气候意义

在扼要回顾地表位涡研究进展的基础上,本文介绍了复杂地形下的位涡及位涡制造的计算及近年来关于位涡源汇和位涡环流(PVC)的研究进展,侧重介绍青藏高原表层位涡的特殊性及其对天气气候的重要影响。阐明对于绝热和无摩擦大气运动,由于位涡本身的结构重组(位涡重构)可以引起垂直涡度的发展,在夏季可以激发高原涡形成,冬季使青藏高原东部成为重要的表面涡源。基于导得的包括非绝热加热作用的、与等熵面的位移相联系的垂直运动(ωID)方程,进一步阐明青藏高原制造的正位涡沿西风气流东传会引起下游地区低空气旋性涡度、偏南风、和上升运动发展,导致位涡平流随高度增加,激发极端天气气候事件发生发展。指出青藏高原地表加热和云底的潜热释放的日变化显著地影响着地表层位涡的日变化,导致青藏高原的低涡降水系统多在午后至夜间发生发展。证明与传统的青藏高原感热加热指数相比,青藏高原地表层位涡指数能够更好地刻画关于降水的季节变化,与亚洲夏季风降水相关更密切。本文还简单介绍了PVC的概念。指出由于区域边界面的PVC的辐散辐合的变化直接与区域位涡的变化相关联,为保持北半球位涡总量的相对稳定,跨赤道面上的PVC变化与地表PVC的变化必须相互补充,因此跨赤道面上的位涡环流的变化可以成为监测近地表气候变化的窗口。近赤道的海气相互作用能够直接造成沿赤道垂直面上的纬向风垂直切变的变化,激发跨赤道位涡环流异常,从而通过大气内部PVC的变化和青藏高原的调控影响北半球近地表的气候变化。结果表明位涡环流分析为建立热带和热带外大气环流变化的联系开辟了新的蹊径,有着广阔的应用前景。

2021年7月20—22日豫北地区暴雨过程中尺度低涡和垂直运动发展的位涡动力学诊断

2021年7月17—23日,河南省发生了一次大范围的强降水过程(简称河南“21.7”特大暴雨)。20—22日暴雨中心移至豫北地区,在太行山东侧新乡、鹤壁等地引发了洪涝灾害。基于自动雨量站观测和ERA5再分析数据,利用位涡倾向方程和垂直运动分解方法,对河南“21.7”特大暴雨事件中豫北地区暴雨过程中中尺度低涡及垂直运动发展的热动力学机制进行了诊断分析。结果表明:豫北地区强降水凝结潜热引起的大气非绝热加热,因其垂直分布在低空随高度上升而制造位涡,使得低层大气位涡增强,表明中尺度低涡发展;另外,加深的中尺度低涡又使得等熵面进一步下凹、倾斜坡度增大,从而增强大尺度东南暖湿气流向豫北地区的辐合与抬升,特别是沿等熵面上滑的上升运动分量和与凝结潜热有关的上升运动分量,导致降水进一步加强。由此,中尺度低涡、垂直运动和强降水发展之间形成一定的正反馈,在豫北造成持续性暴雨过程。

季节转换期间副热带高压带形态变异及其机制的研究Ⅰ:副热带高压结构的气候学特征

利用NCEP/NCAR再分析资料研究了季节转换期间副热带高压结构的气候特征。在亚、非季风区 ,冬季副热带高压带是相对对称的 ,具有脊线连续的带状结构 ,脊面随高度增加向南倾斜 ;夏季副热带高压带中低层是间断的 ,高层是连续的 ,脊面随高度增加向北倾斜。副热带高压脊面倾斜受热成风关系的制约 ,总是倾向暖区。 5月份副热带高压形态变异最显著 ,不同地域副热带高压的结构、性质存在较大差异。夏季型副热带高压于 5月初首先出现在孟加拉湾东部 ,5月第 3候稳定建立在孟加拉湾东部、中南半岛及南海西部地区 ;5月第 4～ 5候在南海建立 ;6月第 1～ 2候在印度中部建立。夏季型副热带高压建立的 3个阶段与亚洲夏季风爆发的 3个阶段存在着较好的对应关系。孟加拉湾夏季风的建立在很大程度上取决于高空副热带高压脊面附近经向温度梯度的反转。

季节转换期间副热带高压带形态变异及其机制的研究Ⅱ:亚洲季风区季节转换指数

在“季节转换期间副热带高压带形态变异及其机制的研究Ⅰ :副热带高压结构气候学特征研究”的基础上 ,进一步讨论亚洲夏季风爆发与当地对流层中上层东西向暖脊的经向位置变化关系。亚洲夏季风相继在孟加拉湾、南海和南亚爆发期间 ,除了对流层高、低空风场及深对流活动在季风爆发前后具有反相的变化以外 ,副热带高压脊面附近大气经向温度梯度亦具有明显的反相特征。对流层中上层 (2 0 0～ 5 0 0hPa)脊面附近建立的北暖南冷的温度结构 ,能够反映亚洲各季风区夏季风爆发共同的本质特征 ,根据季节转换的热力学基础 ,指出对流层中上层经向温度梯度作为度量季风爆发的指标是合理可行的。文中提出了以副热带高压脊面附近对流层中上层大气经向温度梯度作为表征季节转换的指数 ,给出了确定季节转换开始日期的具体定义以及历年季节转换日期序列 ,同时给出由85 0hPa纬向风和OLR表征的季风爆发日期序列。相关分析表明 ,85 0hPa纬向风只是个区域性指标 。

1991年江淮梅雨与副热带高压的低频振荡

利用NCEP/NCAR再分析资料和观测的台站降水资料研究了1991年梅雨期间江淮洪涝区降水的季节内振荡及其环流特征,着重考察了不同层次副热带高压的低频变化与降水的关系.小波分析表明1991年江淮梅雨期间降水低频振荡的主周期是15～35 d.在低空,15～35 d振荡以异常反气旋(气旋)的形式在中国东南沿海地区交替出现,调控着西太平洋副热带高压进入(退出)南海.低空的这种低频环流型与高空的偶极型涡旋对相耦合,偶极型涡旋对使得南亚高压东伸(西退),形成有利(不利)江淮流域降水的环流形势.江淮流域降水的低频振荡与500hPa北太平洋副热带高压的低频变化及其传播密切相关.当北太平洋西部的位势高度偏高、中部位势高度偏低时,江淮流域降水偏多;反之偏少.这种低频振荡可能起源于北太平洋中部夏威夷群岛附近,然后沿着副热带高压脊线附近向西传播到中国东南沿海.

海温及其变化对南海夏季风爆发的影响

文中利用 1 5a(1 982～ 1 996)的 NOAA射出长波辐射 (OLR)、NCEP/NCAR的风场和海表温度 (SST)再分析网格点资料研究了南海、太平洋和印度洋海温及其变化对南海夏季风爆发的影响。首先发现爆发时南海区域平均的海表温度高于 2 9℃。季风爆发的时间与南海南部SST年循环最高值出现的时间基本一致。冬春季海表增暖是环流场突变的基础。SST超前于低层西风和对流的增强而升高 ,从而造成季节性的大气条件不稳定增大。通过暖池移动过程 ,考察了南海夏季风爆发期间 SST场、风场和 OLR场的演变特征。季风环流的变化是对海表增温强迫的响应。最大暖水轴在 1 0°N出现有利于 ITCZ在南海建立。南海 -西太平洋增温时 ,具有很强的纬向不均匀性 ,而印度洋则比较均匀。南海深对流的爆发与 SST纬向梯度有关。南海夏季风爆发的年际变化与 SST异常有关系。季风爆发偏晚年和偏早年冬春季 SST正、负距平区的符号相反。偏晚年的 SSTA分布呈 El Nino型 ,偏早年的 SSTA分布如同 L aNina型。不同类型的 SST异常对季风环流的影响不同。在 El Nino型强迫下 ,西太平洋副热带高压比常年偏南、偏西 ,东风在南海维持的时间较长 ,赤道西风出现的时间晚 ,南海地区对流活动受到抑制 ,故南海季风爆发偏晚。反之 。

青藏高原热状况和海温异常对亚洲季风季节转换年际变化的影响

本文根据季节转换前后副高脊面附近经向温度梯度变号的本质,利用相关分析和合成分析等方法研究了季节转换年际变化与外部影响因子的联系.结果表明,冬春季青藏高原热状况和ENSO(El Ni o/Southern Oscillation,厄尔尼诺/南方涛动)是决定亚洲季风区季节转换年际变化的主要因素.当冬、春季海温呈现El Ni o异常时,Walker环流减弱,于是西太平洋暖池区对流活动受到抑制,而赤道东太平洋对流活动加强则强迫赤道印度洋地区产生绝热下沉运动,使得印度洋地区大气偏暖,结果增大了南北向温度梯度,季节转换往往偏晚.反之,季节转换偏早.初春高原上空对流层中高层的气温异常对于判断季节转换迟早有很好的指示意义.

季节转换期间副热带高压带形态变异及其机制的研究 Ⅲ:热力学诊断

利用NCEP/NCAR再分析资料从能量收支的角度探讨了气候平均状态下副热带高压形态变异和季节转换的物理机制。在考察温度场和加热场季节变化的基础上 ,发现中国江南地区春季降水所形成的非绝热加热源非常显著 ,该热源对后期亚洲季节转换有影响。副热带高压脊面附近经向温度梯度反转取决于温度脊所在纬度位置的变化。温度脊北移是由脊轴北侧的增温率大于脊轴附近的增温率而造成的。热力学方程诊断结果表明 ,亚洲各季风区 (孟加拉湾、南海和南亚 )季节转换的热力机制不同。导致孟加拉湾温度脊显著北跳的主要因素在季风爆发初期是经向暖平流 ,爆发以后是下沉运动 ;引起南海地区经向温度梯度反转的因素有经向暖平流、纬向暖平流和江南地区的非绝热加热 ,特别是经向暖平流的贡献更大 ;造成南亚季风区经向温度梯度逆转的原因是下沉增温。

青藏高原影响亚洲夏季气候研究的最新进展

文中回顾了近 10a来吴国雄等在青藏高原影响亚洲夏季气候研究方面的最新进展。通过分析东西风交界面的演变证明 ,由于青藏高原的春季加热 ,亚洲季风区对流层低层冬季盛行偏东风转变为夏季偏西南风最早发生在孟加拉湾东部 ,与其相伴随的激烈对流降水出现在其东面。因此孟加拉湾东部至中印半岛西部是亚洲季风最早爆发的地区。同时也指出盛夏伊朗高原和青藏高原加热所激发的同相环流嵌套在欧亚大陆尺度的热力环流中 ,从而加强了东亚的夏季风 ,加剧了中西亚的干旱 ;并通过其所激发的波动对夏季东亚的气候格局产生重要影响。文中还比较了夏季南亚高压的伊朗模态和青藏模态性质的异同及其对亚洲夏季降水异常分布的不同影响。

长江中下游地区水汽输送的气候特征

通过分析 1 973～ 1 998年 (共 2 6年 ) 4月到 8月NCEP/NCAR再分析资料 ,研究了夏季风期间长江中下游地区水汽输送的气候特征。分析了旱涝年水汽输送差异 ,特别考察了1 998年长江流域洪涝期间水汽输送的一些特点 ,发现长江中下游地区水汽水平输送特征在各月有很大差异。来自孟加拉湾经中南半岛和来自华南的水汽输入是长江中下游地区水汽的主要来源。长江中下游的旱涝与南海夏季风爆发的早晚有密切关系。孟加拉湾地区及南海地区对长江中下游地区水汽输送的长时间维持是造成 1

青藏高原抬升加热气候效应研究的新进展

对近4年来关于青藏高原加热影响气候的研究进行回顾。首先介绍利用位涡方程和热力适应理论,揭示夏季高原上空低层气旋式及高层反气旋式环流结构稳定维持的动力学机理。结果表明高原加热作用造成的低层正涡源显低层气旋式环流得以稳定维持的重要原因。而边界层摩擦产生的负位涡是平衡正位涡的主要因素。高原加热还在高原上空形成负位涡,它影响着盛夏的大气外流,是青藏高原上空强大而稳定的反气旋环流得以维持的重要因素。在春夏过渡季节青藏高原非绝热加热对大气环流季节变化以及亚洲季风爆发的影响方面,进一步确认了感热加热在过渡季节早期(5月中旬以前)环流演变中的重要作用。青藏高原非绝热加热的时间演变引起了海陆热力差异对比的变化,使副热带高压带首先在盂加拉湾东部断裂,亚洲季风因而在盂加拉湾爆发。结果还表明,用纬向风垂直差异的时空分布能更准确地表示季节变化的区域差异。在青藏高原非绝热加热与北半球环流系统年际变化的联系方面,发现夏季青藏高原的加热强(弱)的年份,高原感热加热气泵(SHAP)高(低)效工作,使高原加热对周边地区低层暖湿空气的抽吸效应和对高层大气向周边地区的排放作用加强(减弱),高原及邻近地区的上升运动、下层辐合和上层辐散均增强(减弱),从而影响着高原和周边地区的环?

孟加拉湾季风爆发对南海季风爆发的影响Ⅰ:个例分析

利用南海季风试验分析场和NCAR向外长波辐射通量(OLR)资料研究了1998年孟加拉湾季风和南海季风爆发期间副热带环流的大尺度和天气尺度特征,探讨了孟加拉湾季风爆发与南海季风爆发之间的物理联系及孟加拉湾季风气旋的对流凝结潜热释放对副热带高压“撤出”南海的影响。结果表明,1998年5月爆发的东亚季风展现出典型的从孟加拉湾地区东传发展到南海地区的过程。随着孟加拉湾季风爆发和对流活动增强、北移,南海北部出现了低层西风和对流活动,领先于副热带高压在南海地区减弱和撤退。结果还显示南海北部地区的对流凝结加热有助于该地区经向温度梯度的反转,在热成风关系的制约下南海上空副热带高压脊面的垂直倾斜由冬季型转向夏季型,季风爆发。

青藏高原低涡形成、发展和东移影响下游暴雨天气个例的位涡分析

2016年6月28日至7月1日在我国副热带地区发生了一次青藏高原低涡形成、发展及东传引发长江中下游地区暴雨天气的过程。本文利用MERRA2(Modern-Era Retrospective analysis for Research and Applications)再分析资料和TRMM(Tropical Rainfall Measurement Mission)降水资料对该过程进行位涡诊断分析。结果表明,夏季青藏高原地表加热具有强烈的日变化。高原地表加热由白天感热加热源到夜间辐射冷却源的转变直接影响高原上空非绝热加热率的垂直梯度,使高原近地层白天有位涡耗散,夜间有位涡制造,呈现明显的昼夜循环。当夜间的位涡制造异常强,以至不为白天的耗散所抵消时,通常位涡制造的昼夜循环被破坏,高原低涡形成,低涡周围随之出现降水。当低涡中心移动至高原东部时,中心附近伴随有强烈的降水,显著的凝结潜热加热使位涡中心增强,高原低涡进一步发展。随着低涡系统继续向东移出高原,长江中下游地区中高层出现位涡平流随高度增加的大尺度动力背景,上升运动发展,最终导致强降水发生。

冬季北大西洋涛动与中国西南地区降水的不对称关系

利用1951—2010年NCEP/NCAR再分析资料和中国160个站逐月降水资料,探讨了冬季北大西洋涛动(NAO)与同期中国西南地区降水的关系。结果表明,冬季北大西洋涛动与西南地区降水存在显著的正相关关系,并且,正相关具有不对称性,即当冬季北大西洋涛动处于负位相时,东亚地区环流形势不利于中国西南地区降水的形成,对应着中国西南地区冬季降水的显著减少。而当冬季北大西洋涛动处于正位相时,北大西洋涛动与中国西南地区降水的正相关关系并不显著。进一步的分析表明,与中国西南冬季降水变化密切相关的主要环流结构是里海和中东—阿拉伯海—青藏高原及其下游的遥相关型(CAT遥相关型)。北大西洋涛动与里海和中东—阿拉伯海—青藏高原及其下游的遥相关结构存在不对称关系,两者的关系仅在北大西洋涛动负位相时显著。冬季北大西洋涛动高、低指数年分别合成的波射线和波作用通量的结果表明,当冬季北大西洋涛动为负位相时,冬季地中海地区的扰动源会形成与里海和中东—阿拉伯海—青藏高原及其下游的遥相关路径一致的波射线,同时波作用通量的结果表明,定常波由里海和中东、阿拉伯海一直传播到青藏高原及下游地区,而冬季北大西洋涛动高指数年,地中海地区的扰动源所形成的波射线偏北,波动传播到达印度半岛地区之后不再向下游传播。冬季北大西洋涛动对里海和中东—阿拉伯海—青藏高原及其下游的遥相关波列的不对称影响决定了北大西洋涛动与西南冬季降水的不对称关系。

全球季风动力学与气候变化

本文结合现代季风和古季风研究成果对全球季风进行了一个全面回顾,并引入了一个全球季风的新定义,该定义考虑了三维分布、终极成因,强调了季节性气压梯度变化对季风环流的影响,并同时使用了环流与降水来描述季风强度。我们在从构造到季节内的宽广时间尺度上来考察全球季风气候变化。全球季风的性质包括全球不均一性、区域差异性、季节性、准周期性、不规则性、不稳定性和穿时性。对全球季风动力学来说,太阳辐射、地球轨道参数、下垫面性质和海-陆-气相互作用十分重要。本文还讨论了季风变率在不同时间尺度上的主要驱动因子以及多时间尺度之间的动力学关系。自然过程与人类活动影响对我们理解未来全球季风行为都非常重要。

南海夏季风期间水汽输送的气候特征

通过分析 ＮＣＥＰ／ＮＣＡＲ １９７３～１９９８年（共２６年）４～８月的再分析比湿场和风场资料，研究了南海夏季风期间的水汽输送特征。夏季，东亚上空水汽水平输送特征在各月有很大差异，这是夏季风环流系统演变的结果。盂加拉湾南部地区是中国长江中下游和南海地区重要的水汽源地，来自上游盂加拉湾南部地区的水汽输送对南海季风的爆发具有重要意义。经向水汽输送主要有利于２０～３０°Ｎ之间华南地区的水汽辐合。从总的收支看．南海地区是一个水汽汇区。南海季风爆发早晚年的水汽输送通道存在明显差别。在爆发偏早年，从赤道印度洋到南海地区的输送通道建立早且继持时间长．４～５月南海易成为水汽辐合区；在偏晚年，南海地区水汽则是辐散的，不利于形成季风性降水。南海季风爆发早晚年与长江中下游旱涝年的水汽输送有一定联系。

大气模式估算的东亚区域人为硫酸盐和黑碳气溶胶辐射强迫及其时间变化特征

本文利用大气环流模式及大气化学模式所得气溶胶资料,估算了相对1850s时期硫酸盐和黑碳气溶胶引起的全球及东亚区域人为辐射强迫,重点分析其在东亚区域的季节和长期变化特征.结果表明,就当前全球年平均全天空而言,人为硫酸盐气溶胶对大气顶的直接和云反照率强迫分别为-0.37和-0.98 W·m-2,黑碳气溶胶对大气顶和整层大气的辐射强迫值为0.16和0.47 W·m-2;中国东部区域是目前上述气溶胶辐射强迫最强的区域,硫酸盐的直接和间接辐射强迫分别超过-2.0和-4.0 W·m-2,黑碳对大气顶和整层大气的直接辐射强迫分别可达2.0和5.0W·m-2;估算的东亚区域上述气溶胶辐射强迫仍在不断增强,峰值预计出现在2010s时段,而且中国东部较强的辐射强迫还可能维持至2030s左右;在未来中、高排放情景下,东亚区域以上两种气溶胶预计对全球气溶胶辐射强迫有更大的贡献.分析还表明,夏季东亚区域较强的水汽会增强吸湿性硫酸盐气溶胶的光学厚度和晴空直接辐射强迫;云的作用一方面会强化东亚区域全天空条件下大气顶黑碳的辐射强迫,另一方面会影响硫酸盐气溶胶间接云反照率强迫的季节变化;上述气候特征的差异使得东亚区域的气溶胶辐射强迫表现出与欧美区域有所不同的特征.本文所用的气溶胶资料与模式气象场的偏差会给气溶胶辐射强迫计算带来一些不确定性,进一步改进气候模式中气溶胶过程、水汽和云等气象场的模拟将有助于获得更为合理的区域气溶胶辐射强迫估算结果.

大气季节内振荡对夏季西北太平洋热带气旋群发性的影响

利用中国气象局上海台风研究所整编的热带气旋最佳路径资料、向外射出长波辐射（OLR）和NCEP/NCAR再分析风场资料,研究了1991年夏季西北太平洋热带气旋的群发性特征及其与大气季节内振荡的关系。结果表明,1991年6～9月西北太平洋地区的对流活动存在20～60天的准周期振荡,该区域的热带气旋活动也具有这种频率的季节内变化,即热带气旋的活动具有明显的群发性和周期性。进一步分析表明,热带气旋易集中出现在大气季节内振荡的湿位相,这是因为湿位相期间大气低层维持的较大尺度的低频气旋性环流为天气尺度的热带气旋的生成提供了有利的背景环流场。低频气旋中心东南侧的不稳定低空西风急流容易激发出一些小扰动,低空的低频正涡度异常又有利于这些初始小扰动的增长,同时,热带气旋发生势（genesis potential）表现为正距平,说明热带气旋发生发展的垂直风切变条件容易满足,因而导致热带气旋的相继群发。

孟加拉湾季风爆发可预测性的分析和初步应用

基于季风区对流层中高层副高脊附近的经向温度梯度能表征季节转换和季风爆发的物理本质这一事实,使用1980—1999年过渡季节期间(3～5月)逐日和月平均的NCEP/NCAR高空温度场再分析资料,对该温度梯度潜在的预报季风爆发进行了分析。结果表明:在已知初始时刻孟加拉湾季风区对流层中高层经向温度梯度的前提下,依据初始时刻的经向温度梯度和气候平均的经向增温率梯度,可以对孟加拉湾季风爆发的迟早做出定性预测。另外,由于孟加拉湾地区季风爆发日期与3月份青藏高原上空对流层中高层气温有显著相关,故前期高原上空对流层中高层的气温高低也是判断孟加拉湾季风爆发迟早的重要因子。对2000年和2001年孟加拉湾季风爆发迟早定性预测的结果表明,这两种预报方法具有潜在的应用价值。