海洋性大陆地形对夏季季节内振荡的影响:基于2020年9月个例的数值模拟分析

海洋性大陆(Maritime Continent,MC)是夏季大气季节内振荡(the Boreal Summer IntraSeasonal Oscillation,BSISO)传播的必经途径,而MC对于BSISO结构和传播产生的重要的影响机制很不清楚.针对此问题,利用高精度数值模式对一次BSISO事件展开数值模拟试验研究.选取2020年8-9月的一次BSISO事件,利用高精度数值模式WRF(Weather Research and Forecasting model)对本次BSISO过程进行了近一个月的数值模拟.发现WRF控制试验合理模拟出与再分析资料中相近的北传低层风场以及明显具有BSISO特征的西北-东南倾斜的雨带,并合理地捕捉了本次BSISO事件的传播特征和平均状态.为了研究MC地形对本次事件传播和强度的影响,在WRF模式中去除了MC地区的地形,开展了敏感性试验.在去除地形的敏感性试验中,BSISO低空风加强,传播更加平滑,整体降水幅度增加,而在岛屿上水汽大幅增加,降水量减少.在地形高度为零的情况下,纬向平流大大增强,从而增强了海上对流,促进了BSISO的加强和传播.此数值模拟试验研究揭示了MC地形对BSISO降水结构、传播和幅度的影响.

季节内振荡水汽收支对长江中下游持续性极端降水强度的调控作用

利用中国1979—2019年逐日降水格点数据,考量降水的时空聚集性强度之客观监测方法,识别中国东部区域极端降水事件,发现长江中下游是夏季持续3 d及以上区域持续性极端降水(PREP)发生最频繁的区域。以此为研究对象,基于水汽收支理论,利用ERA-Interim再分析资料和带通滤波方法,诊断日降水及其水汽收支的季节内特征,研究关键尺度对流层高低空系统配置及演变。结果显示:PREP日降水强度及其演变被证实与区域大气柱水汽辐合量相一致。10~30 d准双同振荡(QBWO)和30~90 d(MJO)的水汽辐合在事件发生前1~3 d和7~9 d开始由负位相转为正位相。区域南、北边界QBWO(MJO)水汽输送在事件发生前2~4 d(9~10 d)由水汽输出转为输入。南海的QBWO对流北传至长江中下游,促使源于西北太平洋的对流层低层QBWO反气旋式环流系统向西南移动,其西北侧的西南风使区域南边界水汽输送在事件开始日达最大。事件发生前10 d左右,对流层低层MJO反气旋式环流系统出现在西北太平洋,并向西南移动,长江中下游气旋系统加强维持,对流层中层孟加拉湾MJO尺度低槽开始加深,三者的配合使区域南边界的MJO水汽输入逐渐增强并维持到事件发生后。MJO尺度的强水汽输入结合QBWO反气旋式环流促使长江中下游地区的持续性极端降水事件的发生。研究结果对持续性极端降水事件延伸期的预报提供参考。

春夏季热带东印度洋海温的季节内振荡及大气响应

基于1982—2020年OISSTv2.1数据集、NOAA Interpolated OLR数据集和NCEP/DOE II再分析数据资料,通过功率谱分析、位相合成法等方法研究了春夏季(3—8月)热带东印度洋海温季节内振荡的特征及大气的响应。结果发现春夏季热带东印度洋海温季节内振荡的显著周期主要集中在20~50天,强海温振荡事件主要分布在4—7月,关键区内对流抑制超前暖海温异常1/8周期,滞后冷海温异常3/8周期,反之亦然。春夏季海温异常激发的对流异常呈经向偶极子分布,且有明显的北移演变特征,但北侧的对流中心较南侧弱,即对流在北移过程中迅速衰减。使用K-means聚类法提取了两种具有显著差异的环流响应类型:北移型和局地型。北移型主要分布在夏季,表现为更有组织性的对流偶极子对,南北中心的强度和影响范围相当且北移特征更为清晰。在对流偶极子北移的过程中显著影响阿拉伯海上西南季风的强弱,对印度半岛夏季风季节内变化的影响较大。局地型主要分布在春夏转换季节,对流异常呈单一中心结构,移动性较弱,主要在热带东印度洋上空发展和消亡。热带东印度洋海温季节内振荡耦合的大气环流异常主要影响赤道印度洋地区,对热带外的影响较弱。进一步探究发现,背景东风切变的差异是导致两种对流响应差异的原因。夏季,北印度洋东风切变强,垂直风切变机制导致对流明显北移,春夏转换季节,东风切变弱,垂直风切变机制不成立,较弱的正压涡度平流机制引起对流微弱的北移,但主要在局地生消。

热带大气季节内振荡对华南前汛期降水的影响

本文基于实时的热带大气季节内振荡(MJO)指数和中国台站降水资料,研究了MJO对中国华南前汛期(4～6月)降水的影响。结果表明,随着MJO的活跃中心从印度洋进入西太平洋,华南地区的降水由偏多转为偏少。最显著的降水正负异常分别位于第4位相和第7位相,其区域平均的最大正负异常值相对于气候平均值的变化约为17%和11%。与降水异常相对应,大尺度背景场,如西北太平洋副热带高压、水汽和垂直速度也发生了季节内变化。当MJO的活跃中心位于印度洋(第4位相),副高加强西伸,华南地区的水汽增加,上升运动亦加强,降水偏多。当MJO的活跃中心位于西太平洋(第7位相),副高减弱东撤,华南地区的水汽减少,上升运动亦减弱,降水偏少。

热带季节内振荡研究新进展

季节内振荡既是热带大气活动的强信号,也是热带海洋中较为普遍的现象。本文叙述了热带大气和热带海洋季节内振荡研究的进展,包括热带大气季节内振荡的观测研究、机制研究以及热带海洋季节内振荡方面的研究;讨论了海气相互作用、不同尺度间相互作用对季节内振荡的影响;在总结上述研究成果的基础上提出了热带季节内振荡研究进一步的发展方向。

孟加拉湾西南季风与南海热带季风季节内振荡特征的比较

采用美国国家环境预报中心的向外长波辐射和风场资料及日本气象厅的降水资料,用30 60 d滤波后的夏季风指数在孟加拉湾和南海的区域平均值分别代表孟加拉湾西南季风和南海热带季风季节内振荡,对两支季风的季节内振荡特征进行比较分析,发现孟加拉湾西南季风的季节内振荡和南海热带季风的季节内振荡在夏季风期间(5-10月)都有约3次半的波动。夏季风期间,在阿拉伯海—西太平洋纬带上,夏季风的季节内振荡有4次从阿拉伯海的东传和3次从西太平洋的西传,其中7月后东传可直达西太平洋。孟加拉湾和南海在夏季风期间都有4次季节内振荡的经向传播,但孟加拉湾在约15°N以南为季节内振荡从热带东印度洋的北传,在约15°N以北则为副热带季风季节内振荡的南传;而在南海则是4次季节内振荡从热带的北传。在以孟加拉湾西南季风季节内振荡和南海热带季风季节内振荡分别划分的6个位相中,都存在1—3位相和4 6位相中低频对流、环流形势相反的特征,这是由热带东印度洋季节内振荡的东传和北传所致。热带印度洋季节内振荡沿西南东北向经过约14 d传到孟加拉湾,激发了孟加拉湾西南季风季节内振荡的东传,经过约6 d到达南海,激发了南海热带季风季节内振荡的北传,经过约25 d到达华南,形成热带印度洋季节内振荡向华南的经纬向接力传播(45 d)。孟加拉湾西南季风季节内振荡所影响的降水主要是在20°N以南的热带雨带随低频对流的东移而东移;而南海热带季风季节内振荡所影响的降水除了这种热带雨带随低频对流的东移外,还有在20°N以北的东亚副热带地区存在雨带随南海低频对流的北移而北移。

西北太平洋台风活动与大气季节内振荡

本文综合介绍了大气季节内振荡与西北太平洋台风活动关系的最新研究结果。主要内容是:大气MJO的活动对西北太平洋台风的生成有比较明显的调制作用,在MJO的活跃期与非活跃期西北太平洋生成台风数的比例为2:1;而在MJO活跃期,对流中心位于赤道东印度洋(即MJO第2～3位相)与对流中心在西太平洋地区(即MJO第5～6位相)时的比例也为2:1。在MJO的不同位相,西太平洋地区的动力因子和热源分布形势有很明显不同。在第2～3位相,各种因子均呈现出抑制西太平洋地区对流及台风发展的态势;而在第5～6位相则明显促进对流的发生发展。这说明MJO在不断东移的过程中,将影响和改变大气环流形势,最终影响台风的生成。对多台风年与少台风年850 hPa的30～60 d低频动能距平合成分析表明,在多台风年有两个低频动能的大值区,其中最显著的是低频动能正异常位于菲律宾以东15°N以南的西北太平洋地区,此区域正好为季风槽所在的位置。而少台风年的情况与多台风年相反,从阿拉伯海东部经印度半岛、孟加拉湾一直到我国南海地区,都是低频动能的大值区,最大的低频动能中心位于印度半岛和我国南海南部;而菲律宾以东的西北太平洋是低频动能的负距平区,季风槽偏弱,对台风生成发展不利。200 hPa速度势场清楚表明,多台风年(少台风年)在菲律宾以东的西北太平洋上表现为高层辐散(辐合),增强(减弱)该地区的上升气流,有利于(不利于)台风的生成。大气季节内振荡(ISO)对西北太平洋台风路径影响的研究表明,大气ISO)流场对台风路径预报有重要参考意义。其结果表明,台风生成时850 hPa低频气旋(LFC)的正涡度带(特别是最大正涡度线)走向往往预示着台风的未来走向;200 hPa的低频环流形势对台风的路径也有一定的指示作用,与200 hPa低频反气旋(LFAC)相联系的200 hPa强低频气流对台风起着引导气流的作用。

东亚季风区大气季节内振荡经向与纬向传播特征分析

将NECP/NCAR资料中850 hPa纬向风分量进行30~60天带通滤波,研究东亚季风区大气季节内振荡的传播特征。分析表明,夏季东亚季风区大气季节内振荡（ISO）的传播分为经向传播和纬向传播,其中经向传播主要为热带地区ISO的向北传播,纬向传播则是分别起源于印度季风区的ISO东传和起源于西太平洋海域的ISO西传。东传和西传的ISO在120°E附近汇合后增强自热带地区北传到此的ISO,使得ISO在经向上可以继续向北传播,其最北界可达35°N以北,并对我国长江中下游地区夏季降水产生一定的影响。

大气季节内振荡及其重要作用

大气季节内振荡(ISO)是上世纪80年代以来大气科学的重要前沿研究课题。作者系统地回顾和总结了十多年来在大气季节内振荡(ISO)及其对其他气候系统的重要作用方面的主要研究工作和成果,尤其是新近的研究成果。主要包括热带大气ISO的基本特征和主要活动规律;中高纬度大气ISO的基本特征和活动规律,以及与热带大气ISO的主要差别;全球大气低频(30～60天)遥相关特征;大气季节内振荡的动力学机制;大气季节内振荡对南海(亚洲)夏季风爆发,以及对南海(东亚)夏季风异常的重要作用;热带大气季节内振荡与EI Nino(La Nina)的相互作用关系。

热带季节内振荡时空特征的诊断研究

文中应用谱分析、小波分析等方法及较长时段的资料进一步总结了热带季节内振荡的一些基本气候特征。热带季节内振荡主要活跃在 3个地区 ,最强的是西太平洋地区 ,其次是印度洋地区 ,第三是东太平洋沿岸的赤道以北地区。热带季节内振荡有明显的季节变化 ,西太平洋地区和印度洋地区的季节内振荡 1a中有两次极大值 ,冬季主要活跃在南半球 (10°S附近 ) ,而夏季则活跃在北半球 (10°N附近 ) ,春、秋季热带季节内振荡则明显减弱。东赤道太平洋北侧的季节内振荡只在夏季活跃 ,而冬季则很弱 ,且不随季节而南北移动。对于大气的大尺度要素 ,例如u风场 ,热带季节内振荡的能量主要集中在 1波。而对于像降水这样尺度较小的要素 ,热带季节内振荡的能量则相对较分散 ,尽管它仍然在 1波有最大的能量 ,但 2～ 4波也具有较接近的能量。热带季节内振荡以东移的波动为主。热带季节内振荡存在着年际甚至更长时间的变化。 2 0世纪 70年代末期季节内振荡的幅度有一明显的突变。

热带季节内振荡对2008年初南方持续性冰冻雨雪天气的影响

利用滤波、EOF和合成分析等统计方法及NCEP和NOAA提供的资料,分析了与2008年初我国南方罕见持续性冰冻雨雪天气有关的水汽输送演变情况,发现持续性与热带大气季节内振荡(MJO)和中低纬地区高低层环流的30～60天低频振荡关系体现为:当MJO活动以印度洋中东部赤道地区对流加强、印度尼西亚对流受抑制为特征时,印度地区700hPa出现低频气旋有利于70～80°E的槽加深。与此同时,我国台湾以东洋面出现低频反气旋,有利于西太平洋副高加强。低压槽和副热带高压(副高)之间的偏南风导致孟加拉湾和南海的水汽同时向我国南方地区输送。与低层系统相配,200hPa低频反气旋位于南压大陆,在该低频反气旋东北侧则为低频气旋,二者之间的低频西北风与低层的低频南风构成了反Hadley型局地经向环流,并导致高层西风急流入口区反气旋侧的高层辐散区向南偏移,使低频经向环流的上升支控制我国南方地区,该上升气流将来自孟加拉湾和南海的水汽抬升至高层,十分有利2008年初我国罕见冻雨的降水异常。通过对比分析相同时段降水异常偏少的1993年中低纬高低层低频环流场,发现1993年的低频环流分布形势与2008年的相反,说明了季节内振荡确实是造成2008年初我国南方地区持续性降水的重要因素之一。

中国热带大气季节内振荡研究进展

热带大气季节内振荡(包括MJO)是大气环流的重要系统,它的活动及异常既对其他系统有一定的作用,也对长期天气和短期气候有明显影响。因此,热带大气季节内振荡一直是大气科学的前沿研究课题之一。文中对近5—10年中国学者的有关研究工作及其进展做了简要回顾和综合,主要包括:(1)热带大气季节内振荡特别是MJO的动力学机制;(2)热带大气季节内振荡以及MJO的数值模拟问题,特别是大气非绝热加热廓线对模式模拟MJO的重要作用;(3)热带大气季节内振荡和MJO,特别是在赤道西太平洋地区,与ENSO的相互作用关系;(4)热带大气季节内振荡(包括MJO)及其流场形势对西太平洋台风活动的重要影响,即MJO对西北太平洋台风生成数的调制作用,以及热带大气季节内低频气旋性(LFC)和反气旋性(LFAC)流场对西太平洋台风路径的影响;(5)热带大气季节内振荡(包括MJO)的活动及异常对东亚和南亚夏季风建立、活动异常的影响,以及它们与中国降水异常的密切关系。

东北冷涡活动的季节内振荡特征及其影响

东北冷涡是造成我国东北地区低温冷害、持续性阴雨和突发性强对流的重要天气系统。利用1979～2009年NCEP/NCAR逐日再分析资料和中国气象科学研究院提供的中国区域高分辨率格点降水资料,定义了一个客观描述东北冷涡活动的指数(NECVI),并基于该指数分析了东北冷涡活动的低频特征及其与相关环流和降水的关系。结果表明,东北冷涡活动具有显著的10～30天振荡周期。与东北冷涡活动相关的大气环流的10～30天振荡和我国东部夏季降水异常具有明显的锁相关系,对雨带的位置起着重要的调制作用,在东北冷涡及其相关低频环流由西北向东南的移动过程中,我国东部也经历一次由北至南的降水过程。本文还进一步讨论了东北冷涡的低频活动与中高纬大气环流遥相关型的关系。与东北冷涡相联系的低频环流是夏季低频欧亚(EU)型遥相关波列的一部分,低频欧亚型(EU型)与东亚/太平型(EAP型)遥相关波列在东亚地区交汇,并通过波列之间的相互作用影响东北冷涡低频系统的移向和移速,进而影响中国东部降水的位置与维持时间。因而前期EU型和EAP型低频波列的发展情况可能预示着后期中国东部各个区域降水的演变。本文研究结果将为提高我国东部强降水的1～2周延伸期天气预报提供参考。

热带季节内振荡对广东6月降水的影响

利用1979—2008年共30年广东省86个测站的地面观测逐日降水资料和NCEP-DOE第二套分析资料的大气多要素日平均资料,分析热带大气沿赤道东传的季节内振荡(MJO)对广东6月降水的影响及其物理过程。结果表明:6月MJO活动对广东降水的调制作用与前汛期(4—6月)期间其它月份不同,对6月广东省降水正(负)异常有指示意义的是强MJO事件的第3(第6)位相。当赤道MJO处于第3位相时,西太平洋副热带高压明显加强西伸,来源于西太平洋地区的水汽随副高边缘向广东输送明显加强,广东水汽通量明显增加,从而导致广东降水加强。而第6位相的情况基本相反。强MJO第3位相造成西太平洋副热带高压偏强偏西的物理机制与大气对东印度洋非对称热源的响应有关。2010年6月广东两次持续性强降水过程与MJO强度较强且处于第3位相这种活动状态密切相关,进一步证明赤道MJO活动对广东6月强降水的重要指示作用。该结果有助于拓展广东强降水的预报思路,结合动力模式产品将有助于延长预报时效。

东亚夏季风的季节内振荡研究

利用动力学因子和热力学因子结合的方法 ,将东亚夏季风区的西南风与OLR进行了综合处理 ,构造成东亚季风指数 (IM)。研究结果表明 ,该指数既可很好地反映东亚季风区的风场、高度场的环流特征 ,又能较好地描述我国长江中下游地区夏季降水和气温的变化。通过功率谱和带通滤波结合的方法研究东亚夏季风中的季节内振荡 ,东亚夏季风区内低频振荡在夏季主要是以 30～ 6 0天周期的振荡为主 ;东亚夏季风的季节内振荡在东亚沿海呈波列的形式 ,并表现为随时间向北传播的季风涌 ;由于该季节内振荡的波动 ,造成了东亚热带夏季风在东亚热带和副热带地区活动的反位相关系。

热带大气季节内振荡对西北太平洋台风的调制作用

利用澳大利亚气象局的RMM-MJO(Real-time Multivariate MJO)指数,分析研究了热带大气季节内振荡(简称MJO)对西北太平洋台风的调制作用及其机理,结果表明MJO活动对西北太平洋台风的生成有比较明显调制作用。在MJO活跃期,对流中心位于赤道东印度洋(即MJO第2、3位相)和对流中心越过海洋性大陆来到西太平洋地区(即MJO第5、6位相)时台风生成的个数比例为2∶1。本文对西太平洋地区的大气环流场进行了多种气象要素的合成分析,在MJO的不同位相,西太平洋地区的动力因子分布形势有很明显不同。在第2、3位相,各种因子均呈现出抑制西太平洋地区对流及台风发展的态势;而在第5、6位相则明显有促进对流发生发展,为台风生成和发展创造了有利条件的大尺度环流动力场。这说明MJO在不断东移的过程中,将改变大气环流形势,最终影响了台风的生成和发展。接着,我们从积云对流这个联系台风和MJO的重要因子出发,研究了不同MJO位相时凝结加热的水平和垂直分布,以及与台风环流、水汽通量的配置情况。结果表明在MJO不同位相,热源分布明显不同,而这种水平和垂直方向的不同分布特征必然反映潜热释放和有效位能向有效动能转换的差异,再与水汽的辐合辐散相配合,就从台风获得的能量角度揭示了大气MJO调节台风的生成和发展,造成不同位相时台风生成有根本差别的原因。

南海夏季风对流季节内振荡的频谱变化特征

利用1980～1997年TBB资料和海表温度(SST)资料,诊断分析了南海对流季节内变化频谱及强度的变化特征,并探讨对流季节内振荡强度与对流本身强度以及南海SST之间的关系。结果表明,南海对流季节内变化强度及频谱存在明显的年内变化、年际变化和年代际变化特征;南海地区夏半年对流及其ISO1强度与后期冬季南海SST有一定的关系,当夏半年对流较强(弱),ISO1较强(弱)时,则后期冬季南海SST偏低(高)。

北京气候中心大气环流模式对季节内振荡的模拟

对北京气候中心大气模式(BCC AGCM2.0.1)模拟热带季节内振荡的能力进行了检验。北京气候中心新一代气候模式(BCC AGCM2.0.1)是在原中国国家气候中心模式的基础上参考NCAR CAM3改进形成的。新模式中引进了一个新的参考大气和参考面气压。因此原模式的预报量中的气温(T)和地面气压(p_s)则变为它们对参考大气气温的偏差和对参考面气压的偏差。模式还加入了新的Zhang-Mcfarlane对流参数化方案,并对其参数计算方法进行调整和改进。此外还对模式边界层处理、雪盖计算等进行了改进。上述模式在实测的月海温作为下边界条件的情况下运行52年(1949年9月—2001年10月)。然后对运行结果中的季节内振荡的状况进行分析,主要结果如下:NCAR CAM3模式模拟热带季节内振荡的能力很差,主要表现在模拟的热带季节内振荡强度很弱;东移波与西移波的强度很接近,而实际观测中是东移波的能量要远大于西移波;季节内振荡的季节变化及空间分布与观测相差很远。北京气候中心大气模式(BCC AGCM2.0.1)模拟热带季节内振荡的能力有显著的提高。模拟的热带季节内振荡很明显,强度接近于观测结果;模拟东移波的能量要大于西移波,这与观测较为一致;季节内振荡的季节变化和空间分布与观测相差不大。总的来看,BCC AGCM2.0.1模式在模拟热带季节内振荡方面比CAM3模式有明显的改进。

南海热带对流季节内振荡对江淮流域旱涝影响的初步分析

使用TBB17年逐月、候平均资料和欧亚500hPa候平均高度距平场,计算了南海地区逐月TBB的标准差,分析其时空分布特征。采用带通滤波方法,分析了江淮流域旱(1985年)、涝(1991、1998年)年南海地区TBB季节内振荡及其经向传播特征。结果表明,江淮流域涝年,南海地区TBB30～60d和10～20d振荡十分活跃,向北传播非常明显。当TBB强对流位相传播到30°N附近的副热带地区时,激发其对流扰动加强,造成江淮流域集中暴雨。而旱年则相反。南海和30°N地区对流活动的强弱差异与500hPa候平均高度距平场的遥相关揭示出江淮流域旱涝年波列结构有很大的不同。

大气季节内振荡对西北太平洋台风路径的影响研究

台风路径一直是天气预报的难点之一。本文研究了大气季节内振荡(ISO)对西北太平洋台风路径的影响,指出大气ISO对台风路径预报有重要参考意义。细化传统台风路径的划分方法,将台风路径进一步分为5种:西移型、西北移型、日本以西型、日本登陆型、日本以东型。分别对不同路径的台风所对应的低频流场进行超前滞后合成分析,发现台风生成时850hPa低频气旋的正涡度带走向往往预示着台风的未来走向,200hPa低频环流形势,意味着上层引导气流的方向,对台风的路径也有一定的指示作用。低频流场演变特征表明,大气ISO在对流层低层到中层通过低频气旋或低频反气旋的环流形势影响季风槽及副热带高压的位置和强度,从而影响台风的活动。低频气旋的作用使台风易于沿着低频气旋的正涡度带移动。菲律宾以东热带地区生成的低频气旋的加强有利于季风槽的加强和东伸,另外,它的经向北传对副热带高压的位置也有影响。在副热带地区存在大气ISO流型以低频波列的形式向西传播,对副热带高压的季节内时间尺度东西振荡有重要作用。热带与副热带地区大气ISO的共同作用,对台风路径有决定性意义。初步认为,对于西移路径和西北移路径,热带大气ISO的影响起着更为重要的作用;对于日本登陆型和日本以东型路径,副热带大气ISO的影响起着更为重要的作用。大气季节内振荡的环流场可以作为台风路径预报的依据之一。