夏季欧亚环流的低频振荡对长江流域降水影响的多尺度诊断

长江流域夏季降水与欧亚中高纬大气低频振荡密切相关,定量诊断不同尺度环流异常对降水的贡献,对于提高旱涝灾害预测准确率具有重要意义。利用ERA5逐日再分析资料和CN05.1逐日降水资料,通过定义环流指数(CI),将夏季欧亚环流划分为两脊一槽(DR)型和两槽一脊(DT)型,并探究了其低频特征以及不同尺度环流异常对长江流域降水的影响。结果表明:两类环流型是环流指数低频循环周期中的两个不同位相,均具有10~30 d振荡周期,对长江流域低频降水有着重要影响。其主要表现为:①两类环流型对应的500 hPa低频环流场在欧亚中高纬呈现正、负位势高度异常交替的波列结构,具有明显向东传播的特征,平均传播速度约为每天5°(经度);②当DR型达峰值位相时,850 hPa低频风场中鄂霍次克海反气旋南侧的东北风引导中高纬干冷空气向长江流域入侵,与来自南海反气旋西侧的西南气流交汇,使太平洋和南海的大量水汽向长江流域输送,低频降水正异常滞后于环流2 d达到最强,DT型的特征则与之相反;③欧亚环流对长江流域低频降水的影响以大于30 d的背景水汽条件和10~30 d低频尺度环流的共同作用为主导,小于10 d的天气尺度环流次之,大于30 d的背景环流较前二者作用偏弱,并且水汽辐合项约为水汽平流项贡献的3倍,先由湿平流提供充足的水汽条件,再通过较强的水汽辐合产生降水。

“丝绸之路”型与东亚—太平洋型遥相关的低频特征及其对江淮流域夏季降水的影响

江淮流域夏季洪涝灾害主要归因于大气环流异常的稳定维持。不同大气遥相关的低频振荡及其协同变化对江淮流域夏季降水的影响机理是大气科学领域热点问题之一。利用ERA5逐日再分析资料和中国气象局提供的逐日站点降水资料,揭示了“丝绸之路”(SR)型和东亚—太平洋(EAP)型遥相关的低频特征及其对江淮流域夏季降水的影响机理。结果表明:SR型和EAP型遥相关的10~30 d低频周期与江淮流域夏季降水关系密切,SR型和EAP型遥相关各低频系统都经历了正负位相转换并逐渐达到峰值(谷值)。其主要表现为:①10~30 d低频200 hPa等压面经向风沿西风急流呈偏北风与偏南风的交替分布,当SR型达到负位相峰值时,江淮流域为偏北风控制,中纬度低频气旋加强,加速西风急流;②10~30 d低频西太平洋副热带高压西伸东退、南亚高压东移西撤,二者相向而行,在峰值位相重叠于对江淮流域降水有利的位置;③由东亚沿岸向西北移动的向外长波辐射异常波列亦表现出显著的10~30 d低频振荡特征,处于峰值位相时,向外长波辐射在江淮流域为负异常,有利于江淮流域降水;④10~30 d低频低层正涡度、高层负涡度的配置有利于低层辐合、高层辐散,导致上升运动增强,进而触发江淮流域低频降水。

SR型与EAP型遥相关“结合模态”对2020年江淮入梅初期强降水的影响

利用ERA5逐日再分析资料和中国气象局提供的逐日站点降水资料,分析了丝绸之路型(Silk-Road,SR)与东亚—太平洋型(East Asia–Pacific,EAP)遥相关的“结合模态”对2020年江淮梅雨入梅的影响,结果表明“结合模态”可以触发江淮流域的持续性降水。2020年6月初,负SR型(Silk-Road)和正EAP型(East Asia–Pacific)同时出现,并且位相差达到6月份最大值,二者协同作用下导致2020年入梅时间异常偏早。主要表现为:(1)负SR型引起西风急流加速,促使急流入口区南侧的江淮流域上空出现强的高层辐散。(2)负SR型有利于南亚高压东移,正EAP型有利于西太平洋副热带高压西移,二者相向而行。负SR型和正EAP型于6月9日位相差达最大,此时南亚高压和西太平洋副热带高压重叠于120°E左右,有利于江淮流域持续性降水。(3)低层东亚中、低纬度有一对与正EAP型相关的异常“气旋—反气旋”环流,使低空(20°~35°N,100°~125°E)盛行强西南气流,中纬度的偏北气流有利于干冷空气向南输送,与西南暖湿气流汇合于江淮流域上空,带来强烈的水汽辐合,也使得大气的局地上升运动更为强烈。

我国南方洪涝暴雨期西太平洋副高短期位置变异的特点及成因

利用NCEP/NCAR多年逐日再分析资料、美国环境预报中心CMAP(NOAA NCEP Climate Prediction Center Merged Analysis of Precipitation)候平均降雨量资料以及全国740站逐日降水资料,对华南前汛期和江淮梅雨期大范围持续性暴雨过程中西太平洋副高短期位置变异的异同及其可能成因进行了分析。结果表明:华南和江淮大范围持续性暴雨期间,西太平洋副高位置均比同期气候平均值异常偏南偏西,且强度偏强。华南暴雨期间,副高西北侧华南地区以及西侧孟加拉湾地区存在异常强烈的视热源和视水汽汇;江淮暴雨期间,副高北侧江淮流域及西侧孟加拉湾地区也存在异常强烈的视热源和视水汽汇。运用全型垂直涡度倾向方程理论,研究非绝热加热对西太平洋副高短期位置变异的影响,结果表明:副高位置的短期变异与非绝热加热场及其配置有密切联系。华南暴雨期间,副高西北侧边缘的华南地区加热场可在短期内迫使副高东撤南退;江淮暴雨期间,副高北侧江淮流域加热场的存在不利于副高北进,而西侧较远处孟加拉湾热源会诱导副高西伸,两者的共同作用导致副高在江淮以南维持,且会明显西伸。

江淮流域持续性强降水期间西太副高位置变异与非绝热加热的关系

采用NCEP/NCAR逐日再分析资料及全国740站逐日降水资料,讨论了江淮流域持续性强降水期间西太平洋副高位置变动特征及其与非绝热加热的关系。通过个例合成研究发现:副高位置变异与强降水持续期间大气非绝热加热关系密切。强降水持续期间,副高北侧的江淮流域和西侧的孟加拉湾北部地区均存在强烈的视热源和视水汽汇。强降水发生前3 d,江淮流域Q1z开始增大,到降水发生后2 d的Q1z达到最大,尔后逐渐减小,降水结束后变化趋于平缓,此期间不利于副高北抬;此外,强降水发生前2 d,孟加拉湾北部地区Q1z开始增大,降水发生后1 d达最大,副高逐渐西伸,此后,Q1z减小,副高相应有所东退。根据全型垂直涡度倾向方程,对流层中层,江淮流域非绝热加热的垂直变化有利于副高北侧气旋性涡度增长,阻碍副高北进,有利于雨带在江淮流域维持,形成持续性降水;孟加拉湾北部地区非绝热加热的垂直变化有利于副高西侧反气旋涡度增加,可能是诱导副高西伸的原因之一。

江淮流域梅雨期持续性强降水及其10～30d低频环流特征

利用1961-2010年中国556站的逐日降水资料和NCEP/NCAR逐日再分析资料,采用合成分析等方法探讨了江淮流域梅雨期持续性强降水的低频振荡特征及其发生前后低频大气环流场的演变特征.结果表明,汀淮梅雨持续性强降水存在显著的10～ 30 d低频振荡特征.持续性强降水发生时,汀淮流域对流层高层受东海低频反气旋西北部的偏西气流控制,使得南亚高压位置偏东,加强了高层的辐散型流场;对流层中层,中高纬度地区存在“＋、-、＋”的低频位势高度中心,蒙古低频低压使得极地冷空气易于南侵;对流层低层,汀淮流域受低频P-J波列西段的台湾岛低频反气旋影响,并伴随强烈的对流活动,此反气旋使得西太平洋副热带高压向更西的位置伸展;因此低层辐合、高层辐散使得汀淮流域表现为强烈的低频上升运动,同时低频水汽从孟加拉湾-南海一带输送到汀淮流域,为持续性强降水的发生提供了有利的低频环流条件.另外,在持续性强降水发生前后,低层低频正涡度向北、向西传播,高层低频负涡度向南、向东传播,高低层斜压结构明显,共同作用于汀淮流域,维持持续性强降水过程.

“碧利斯”暴雨增幅高分辨率数值模拟及诊断分析

利用中尺度非静力数值模式ARPS(Advanced Regional Prediction System),对2006年第4号强热带风暴"碧利斯"的登陆过程,尤其是登陆后的暴雨增幅过程开展了高分辨率数值模拟,并利用观测资料对模拟结果进行了验证,进一步基于该高分辨率模拟资料对该暴雨增幅过程开展了诊断分析。结果表明,ARPS模式较好地模拟再现了"碧利斯"的登陆过程以及登陆后在广东、江西、湖南三省交界处引发的暴雨增幅过程;散度垂直通量和湿位涡的大值区与暴雨增幅地区均有良好的对应关系,对强降水落区有较好指示意义,其中散度垂直通量的对应关系更好。湿位涡不仅很好地反映了与暴雨增幅相关的湿位涡分布,同时也很好地反映了"碧利斯"环流本身所对应的湿位涡分布特征。

西南季风与登陆台风耦合的暴雨增幅诊断及其数值模拟

以登陆内陆后维持时间长、暴雨增幅的热带气旋"碧利斯"(0604)为研究对象,利用"CMA-STI"热带气旋最佳路径数据集、NCEP/NCAR再分析资料及地面加密观测资料,讨论了西南季风与登陆台风耦合的暴雨增幅,分析了台风涡旋周围的水汽收支特征,发现净西风、净南风输送为暴雨提供了充足的水汽,在"碧利斯"登陆大陆减弱西行的过程中,西南季风对登陆台风的维持和暴雨增幅有重要影响。利用WRF(weather research and forecasting)模式模拟"碧利斯"登陆后的降水表明,该模式能够较好地模拟降水强度和暴雨落区,模拟路径与台风实际路径走向大体一致,但存在一定偏差;季风涌爆发时,台风中心南侧降水出现明显增幅。敏感性试验结果表明,降水强度对水汽输送大小较敏感,水汽输送减弱致使降水强度明显减弱,可见西南季风的水汽输送对暴雨的影响至关重要。

西太平洋副高位置变动与大气热源的关系

采用NCEP/NCAR再分析逐日资料和SCSMEX等资料,根据全型垂直涡度倾向方程,研究了1998年6月西太平洋副高位置变动与大气热源的关系。结果表明,副热带地区的非绝热加热对副高位置变化有很重要的作用。与气候平均状况相比,1998年6月副高北侧的非绝热加热垂直变化较常年偏强,而南侧较常年偏弱。这种异常的非均匀加热状况导致我国华南、江南、长江中下游地区呈现异常气旋性涡度制造,而中南半岛大部和南海地区为异常反气旋性涡度制造,使得1998年6月副高位置异常偏南。

2005年6月华南致洪暴雨的大尺度环流特征及成因探讨

利用NCEP/NCAR的逐日再分析资料,分析了2005年6月华南致洪暴雨的环流背景及其可能成因。结果表明:2004—2005年经历的一次弱E l N ino事件是2005年华南致洪暴雨的气候背景。与2005年夏季相比较,6月17—26日强降水期间,华南地区的视加热<Q1>和视水汽汇<Q2>异常强烈,并且<Q1>和<Q2>的高值带与该时段降水量分布非常相似,高值中心与雨量中心位置基本一致。阿拉伯海东岸和孟加拉湾地区的异常加热源在其西北侧强迫出的高层异常反气旋性环流,使得南亚高压加强偏西。我国大陆处于异常气旋性环流之下,不利于南亚高压北上,有利于南亚高压在青藏高原南部、华南地区维持,使得华南地区位于高空西风急流南侧的上升运动区,有利于该区域强降水发生和维持,形成洪涝。

2003年淮河流域致洪暴雨的环流背景及其与大气热源的关系

利用NCAR/NCEP的逐日再分析资料和降水资料,分析了2003年夏季淮河流域致洪暴雨的环流背景及其与大气热源的关系。结果表明,2002—2003年的ElNino事件是本次暴雨的前期背景;南海地区的视热源和视水汽汇异常可能是副高偏南维持的重要原因之一。与2003年夏季相比较,6月21日—7月22日淮河流域为正的异常视热源和视水汽汇,并且二者的高值中心与该时段雨量中心位置基本一致。孟加拉湾地区的异常加热源在其西北侧强迫出的高层反气旋性环流有利于南亚高压在青藏高原、江南、华南地区维持,从而使得淮河流域位于高压北侧高空西风急流入口区南侧的上升运动区,有利于淮河流域强降水发生和维持,形成该流域洪涝。

苏门答腊地区对流活动及其与南海夏季风建立的关系

使用日本气象厅提供的1980—1997年TBB资料和NCEP/NCAR40a逐日再分析资料,分析了苏门答腊地区对流活动特征及其与南海夏季风建立的关系,发现南海夏季风的建立与冬季位于苏门答腊的对流中心由冬入夏沿"大陆桥"和中南半岛的系统性移动有密切联系。苏门答腊地区对流沿"大陆桥"移动加快是一个先兆信号,正是对流移动的突然加速,对随后中南半岛对流增强有直接影响;中南半岛地区对流爆发引起副热带高压带在该地区断裂从而导致了南海地区对流活跃和夏季风的建立。南海夏季风爆发之前,南海地区与苏门答腊地区的对流呈偶极型分布;南海地区和苏门答腊南部地区的对流变化几乎呈反相关关系,南海夏季风爆发之前,苏门答腊南部地区对流旺盛;南海地区对流增强期间,苏门答腊南部地区对流减弱。由此可以把南海地区与苏门答腊南部TBB之差小于等于5K(并维持1候)的开始日期作为南海夏季风爆发的指标之一。

国内东亚热带-副热带季风的研究进展

简要回顾了近年来国内在东亚热带-副热带季风方面的研究进展。涉及亚洲热带季风爆发特征、爆发机制、季风指数设计、东亚季风环流系统、低频振荡活动以及东亚季风年际和年代际变化等问题,并讨论了东亚热带-副热带季风研究中存在的问题及未来的研究前景。

西太平洋副热带高压东西位置变动特征分析

采用NCEP/NCAR再分析逐日资料,根据特定区域涡度值,定义描述西太平洋副高东西位置的指标,并利用该指标研究了6月副高东西位置变动特征。结果表明:该指标不仅避免了由于高度的逐年升高而引起的副高逐年西进的年代际变化,而且能很好地反映大尺度环流场的特征;副高偏西年,赤道西风减弱,越赤道气流减弱,南海夏季风偏弱,江南和华南地区南风增强,其东侧负涡度发展,引导副高西伸,长江流域被副高北侧异常西南风控制,有利于雨带在此维持,降水偏多易涝。西太平洋副高东西位置变化的周期分析表明,6月副高西伸指数最强的周期信号为2、4、8 a。

江淮流域梅雨期降水的空间非均匀分布与前期海温的关系

利用中国气象局提供的1978—2007年全国753站逐日降水资料、NECP/NCAR提供的逐日再分析资料和NOAA提供的第2套扩展重建海温资料,从区域整体角度确定了近30 a(1978—2007年)江淮流域梅雨期。采用EOF(empirical orthogonal function,经验正交函数)分析,讨论了江淮流域梅雨期降水空间非均匀分布特征,着重研究了影响江淮梅雨空间非均匀分布的前期海温关键区及关键时段。结果表明:全区一致梅雨旱涝与前期冬季北太平洋鄂霍次克海附近的海温异常有密切的联系。当前期冬季该海域海温偏高时,冬季风偏弱,对应后期梅雨一致偏涝,反之则偏旱。5月南海至台湾和菲律宾以东附近海温偏低,江淮流域梅雨量偏多,反之则偏少。梅雨的南北反相分布与前期秋冬季中印度洋的海温有非常密切的关系,当前一年10月至当年1月中印度洋海温偏高时,梅雨期850 hPa江淮之间易形成切变线,有利于梅雨区"南旱北涝",反之则"南涝北旱"。梅雨的东西反相分布与前期秋、冬季热带中东太平洋的海温关系密切,ENSO事件有可能通过影响西太平洋副热带高压的东西位置,从而引起东亚大气环流异常,导致梅雨东西分布反相。前期秋季和冬季热带中东太平洋海温偏高年(对应ENSO暖事件),西太副高位置偏西,有利于梅雨区"东旱西涝",反之则"东涝西旱"。

东亚副热带夏季风槽的气候特征及其与南海夏季风槽的比较

利用NCAR/NCEP再分析资料,从气候特征角度研究了东亚副热带夏季风槽的结构和演变特征及其与南海夏季风槽的区别。结果表明,无论是辐合还是对流,南海夏季风槽都强于副热带夏季风槽。南海夏季风槽伸展高度较低,位置少变;而副热带夏季风槽伸展高度较高,并且随高度向北倾斜。南海夏季风槽建立早且突然,表现为对流层低层正相对涡度突然出现,其撤退缓慢;副热带夏季风槽则是渐进式建立,表现为低层云贵高原、广西地区的正相对涡度逐步向东北方向扩展,其撤退较快。南海夏季风槽建立过程中东西风向逆转是一个很明显的指示因子,而副热带夏季风建立过程没有伴随明显的风向逆转,主要特征是西风增强。南海夏季风槽不具备锋面性质,副热带夏季风槽则具备明显的锋面性质。

“05.6”华南强降水期间副热带高压活动与加热场的关系

采用NCEP/NCAR再分析逐日资料,根据全型垂直涡度倾向方程,研究2005年6月华南强降水期间西太平洋副热带高压(副高)位置变动特征及其与加热场的关系。结果表明,西太平洋副高位置变化和副热带地区的非绝热加热有密切关系。与气候平均状况相比,2005年6月副高北侧的加热区很强,而南侧赤道辐合带(ITCZ)没有相当强度的对流;伴随着副高北抬,其南侧均有明显的对流潜热加热向北伸展。副高西侧的加热基本上都大于副高纬带内的加热,副高的每一次西伸都伴随着西侧加热的显著增强,并且加热增强先于副高西伸。对流层中层,副高北侧非绝热加热率的垂直变化基本上都大于气候平均值,不利于副高北进;而南侧加热率的垂直变化均小于多年平均,有利于副高南侧反气旋性涡度异常增长,从而有利于副高南退。2005年6月下旬副高西伸之前,副高西侧非绝热加热率的垂直变化基本上都高于气候平均状况,有利于副高西侧反气旋涡度增加,从而诱使副高随后西伸;而东侧加热率的垂直变化大多数时间都低于气候平均状况,使得副高东侧气旋性涡度增加,有利于副高西伸,对流层低层也具有类似特点。因此在南北两侧加热和东西两侧加热的共同作用下,2005年6月副高位置较常年偏南偏西,从而有利于雨带在华南地区维持。

台风“榴莲”陆上维持及暴雨增幅的大尺度环流特征

利用"CMA-STI热带气旋最佳路径集"、NCEP/NCAR再分析资料及地面加密观测资料,分析了2001年0103号台风"榴莲"陆上维持及暴雨增幅的大尺度环流特征。结果表明,"榴莲"登陆后正好位于低压带中,中纬度西风槽加强南伸,构成典型的"北槽南涡",阻碍西太平洋副热带高压西伸,使得"榴莲"陆上长时间维持。西风槽后的西北气流将中纬度冷空气输送至低纬,在"榴莲"环流北部外围与东南风暖湿气流汇合,有利于强降水发生。此外,索马里和100°E越赤道气流增强显著,加强西南季风,从阿拉伯海东部,经孟加拉湾和中南半岛中南部,直至南海北部到广西大部形成一条完整的水汽输送带,充沛的水汽直达"榴莲"东北侧,有利于该时段暴雨增幅。低纬夏季风10～20天低频振荡处于极端活跃位相时,低纬低频西风偏北及低频水汽向北输送至广西南部,有利于低层辐合并提供充足水汽,对"榴莲"暴雨增幅有重要作用。

1998年南海夏季风建立前后的突变特征及爆发过程

利用南海季风试验所得到的最新资料分析了１９９８年南海夏季风建立前后的突变特征及其爆发过程，初步认定１９９８ 年亚洲夏季风最早（５ 月２３ 日）在南海地区建立，它是亚洲冬季风形势向夏季风形势转换的最早体现。副高从南海地区连续东撤是南海地区夏季风建立的直接过程，它的撤出有利于不稳定能量的释放，形成南海夏季风的爆发性。提出赤道印度洋地区的西风和降水向中南半岛地区扩展、华南静止锋活跃南压，这种形式的中低纬相互作用可能是导致副高东撤。

4—6月江淮流域不同尺度温带气旋发展率及移动特征

基于改进的温带气旋客观识别方法,统计分析1986—2015年4—6月不同空间尺度江淮流域温带气旋的发展率及移动特征。结果表明:1)整体气旋发展率呈先上升、后下降趋势,较大空间尺度气旋发展率呈显著上升趋势,中间尺度气旋发展率无明显变化趋势。2)较大尺度气旋源地集中在湖北、湖南交界处,中间尺度气旋源地位于安徽等江淮流域东部,各尺度气旋源地位于整层大气非绝热加热项大值区域内。3)气旋初生阶段,江淮流域存在风速切变线,淮北地区风速小于淮南地区,江淮流域上空对流层低层位势高度为负距平,中高层则为正距平,属浅薄低压系统。4)不论何种尺度气旋,均存在东移和东北移动路径,但较大尺度气旋东北移动路径的比例较大。