数值预报模式动力框架发展的若干问题综述

作者就大气数值模式动力框架发展的几个问题做了回顾和展望。关于模式地形的处理 ,讨论了“地形追随” (terrain following)坐标和“台阶地形” (step mountain) η坐标的优点、问题和对策。关于物理量守恒格式的构造 ,回顾了从“瞬时”守恒到隐式、显示和半隐式完全 (包括时间离散 )守恒格式的发展和近况 ,介绍了加速非线性全隐式问题迭代收敛的途径。还讨论了半拉格朗日守恒格式的构造问题。最后 ,对目前广泛使用的全球谱模式 ,讨论了其长处、局限和发展前景 ,并简单介绍了谱元方法。

2008年初我国南方雨雪低温天气的中期过程分析--Ⅲ：青藏高原-孟加拉湾气压槽

针对2008年1月24日～2月2日我国南方地区雨雪低温过程,分析了其中期演变特征及其可能机理。在亚非副热带地区,Rossby波能量从北非东北侧传播到东亚地区,引起青藏高原附近气压槽的加深和西太平洋副热带高压的加强及北扩,并与亚洲北部的高压脊配合,造成了这次较长时间的雨雪低温过程。东北大西洋和西欧的反气旋式异常环流为亚非副热带急流Rossby波与欧亚高纬度Rossby波活动的主要波源区。在对流层上层,贝加尔湖一带的高压脊在过程之前已形成,而在这次过程中缓慢减弱,来自上游Rossby波能量主要起抵消摩擦耗散的作用。西太平洋副热带高压在偏北位置上维持主要由来自青藏高原和孟加拉湾地区Ross-by波能量的注入所致。亚洲冷高压系统的强度、位置及形态决定了这次我国南方地区低温过程的重要特性。

EAWM流型域—— 一种与东亚冬季风异常相联的海-气耦合流型域

提出海－气耦合流型域的概念，并探讨了与东亚冬季风异常有关的耦合流型域———ＥＡＷＭ流型域。本文得出如下结果：利用ＥＣＭＷＦ分析资料１０年的冬半年５００ｈＰａ高度场和同期ＣＯＡＤＳ资料ＳＳＴ场，在ＳＶＤ分析和聚类分析的基础上确定了三个海－气耦合流型域。第一个和第二个耦合流型域以ＥＮＳＯ事件冷暖位相与北太平洋／北美区的正负位相ＰＮＡ型之间的关系为主要特征。第三个耦合流型域，即ＥＡＷＭ流型域则以强东亚冬季风环流型以及类似于ＬａＮｉｎａ事件冷暖分布却有明显区别的ＳＳＴＡ型为主要特征。数值试验结果表明，ＥＡＷＭ流型域的ＳＳＴＡ型，作为强迫，有利于东亚冬季风活动的加强并导致对应的大气型。数值试验同样证实，与强东亚冬季风活动相联系的ＥＡＷＭ流型域的大气型，作为强迫，可以导致该耦合流型域海温异常型的形成和维持。ＥＡＷＭ流型域的ＳＳＴＡ型和大气型间的这种双向相互作用导致正反馈过程，从而展示了该耦合流型域形成的主要特征，即以强东亚冬季风活动衔接的热带海－气相互作用以及热带内外大气相互作用。

数值天气预报发展进程中若干亮点的回顾及其启迪

尝试从方法论的视角,回顾数值天气预报(NWP)早期发展进程中的若干亮点及其启迪。NWP是大气科学的一个分支,同样具有边缘学科性质和很强的实用性。纵观其发展史,一个新概念新思想的提出,以至新研究领域的开拓,往往可以看到其他学科成果和NWP问题的结合,更离不开天气预报实践的需求和启发。从这个角度出发,我们围绕"从理查逊(Richardson)的‘梦想’到原始方程模式的回归"及"数值预报中历史资料的应用到四维同化"两个主题,分别回顾了NWP有关模式和观测资料处理的研究进程。

天气学和天气预报的研究进展

全面回顾了75年来中国科学院大气物理研究所科研人员在气团、锋面、梅雨、寒潮、阻高、副高、暴雨、高低空急流、亚澳季风区内涡旋和对流等现象的天气学研究进展及其在不同时期所取得的研究成果,总结了在短中期天气预报及短期气候预测领域在模式发展和改进以及在数值模拟等方面所取得的成就和进展。同时指出模式发展和预测在中国数值天气预报及短期气候预测方面所做出的贡献。

冬季大范围持续性极端低温事件与欧亚大陆大型斜脊斜槽系统研究进展

本文总结了近年来关于我国冬季大范围持续性极端低温事件(EPECE)及其对应的欧亚大陆大型斜脊斜槽系统的研究成果。EPECE和普通寒潮是冬季影响我国的两类不同时间尺度大型冷空气活动,对它们的异同点进行梳理和深入理解是非常必要的。最新研究进展可概括为如下:(1)基于极端低温站点的范围和极端低温过程的持续性特点,客观界定了我国冬季EPECE。近年来的研究表明,欧亚大陆大型斜脊斜槽系统是冬季EPECE形成和维持的主要关键环流系统。同时,鉴于大型斜脊斜槽系统的重要应用意义,建立了客观识别方法。(2)从前兆信号、环流演变、阻塞高压和反气旋式波破碎活动的角度,揭示了EPECE和普通寒潮事件之间的关键区别。全国类EPECE的发生具有一周之前的前兆信号,而普通寒潮并不存在这么早的前兆信号。EPECE以从乌拉尔山到东北亚的广阔区域的阻塞高压活动为关键特征,而普通寒潮则主要以区域性阻塞高压为其主要特征。这两类事件对应的阻塞高压活动的差异可由天气尺度波破碎活动的差异加以解释。(3)最新的研究解释了大型斜脊斜槽系统形成和维持的动力学机理。基本流场对位涡扰动的正压作用是大型斜脊斜槽系统的形成和维持最重要的动力学机制。基本流场通过变形场作功和线性平流使大型扰动维持和向下游发展。与阻塞高压不同,非线性作用并非大型斜脊斜槽系统维持的主要原因。

青藏高原热力异常与华北汛期降水关系的研究

利用 1 980～ 1 994年NCEP/NCAR再分析资料 ,以及我国 336个测站 1 95 6～ 1 994年月降水量资料 ,通过诊断分析和数值实验 ,研究了夏季高原上热力异常与华北汛期降水的关系。结果表明 :华北汛期干旱年 ,青藏高压及西太平洋副热带高压偏南、偏东 ,华北汛期降水偏多年则相反 ;华北汛期旱年时 ,高原上升、高原东侧邻近地区下沉的垂直环流明显加强 ,而降水偏多年时 ,垂直环流减弱 ,华北地区为上升气流控制 ;夏季高原为热源和水汽汇区 ,它们的异常对华北地区降水有很大影响 ,当热源和水汽汇增强 (减弱 )时 ,华北地区降水偏少 (偏多 )。数值试验表明 ,高原上潜热加热异常引起青藏高压、西太平洋副热带高压、亚洲季风以及欧亚中高纬地区环流的变化 。

黑潮和北大西洋海温异常在2008年1月我国南方雪灾中的可能作用的数值模拟

根据NCEP/NCAR再分析资料、NOAA扩展重建海表温度资料,利用中国科学院大气物理研究所全球大气环流谱模式(IAP-T42L9)模拟了大气环流对黑潮区、北大西洋海温异常偏暖的响应特征,并探讨了黑潮区、北大西洋海温异常在2008年1月我国南方雪灾中的作用。通过模拟场与观测场的比较表明,在考虑黑潮区和北大西洋海温异常偏暖的情况下,模式比较成功地模拟出了2008年1月我国南方发生低温、雨雪、冰冻天气的各种主要环流特征。黑潮区海温升高导致东亚沿海位势高度增加,西太平洋副热带高压偏北。它一方面不利于冷空气向下游输送,导致冷空气在我国长江流域及其以南地区堆积;另一方面加强了海洋的暖湿气流及向我国长江流域及其以南地区的水汽输送,为我国南方雨雪天气形成提供了充沛的水汽条件,有利于我国南方低温、雨雪、冰冻天气的持续。北大西洋海温异常偏暖对中高纬地区中西伯利亚阻塞高压的形成有重要作用。受其影响,我国除受东路冷空气活动的影响外,中纬度还不断有西路冷空气随着西风带槽脊东移影响我国东部地区。它是导致我国南方低温、雨雪、冰冻天气持续的另一个重要原因。

与非线性区域预测方法结合的月延伸预报试验I:纬向平均环流的预报

为克服数值模式普遍存在的纬向平均环流预报误差 ,文中在 3 6aNCEP/NCAR再分析高度场资料的基础上 ,应用非线性时空序列预测理论的局域近似法构建了 2 0 0 ,3 0 0 ,50 0和 70 0hPa 4个等压面上的月尺度逐候纬向平均高度距平场非线性动力学区域预报模型。对 1996年 12个月所做的预报试验表明 ,无论是南、北半球中高纬度地区还是低纬度地区 ,非线性模型的候纬向平均高度预报结果均优于持续性预报、气候预报和T 42L9模式动力预报。用非线性结果对T42L9模式月平均高度场预报结果进行订正 ,则使该谱模式系统性预报误差显著减少 ,也大大减少了其预报高度场的均方根误差 ,相应地 ,高度场距平相关评分也有一定程度的提高 。

关于东亚冬季风指数的一个讨论——东亚中、低纬冬季风的差异

利用NCEP再分析资料和NOAA海表温度等资料,分析了东亚冬季风在不同纬度上的表现。根据我们定义的东亚中纬度冬季风(The mid latitudinal East Asian winter monsoon,简称EAWM-M)和低纬度冬季风(The low latitudinal East Asianwinter monsoon,简称EAWM-L)指数,探讨了它们对应的影响系统,并重点分析了它们与海温异常之间联系的异同。研究主要发现:(1)EAWM-L和EAWM-M指数所反映的东亚冬季大气环流形势不尽相同。在对流层低层,EAWM-L与中国南海、菲律宾附近环流异常的关系密切,EAWM-M与贝加尔湖阻塞高压的关系更为密切;在对流层中层,EAWM-M同样与贝加尔湖阻塞高压异常的联系相对更为紧密,而EAWM-L指数则与东亚大槽的关系更为紧密。在对流层高层,副热带西风急流强度变化通过调制次级环流进而与EAWM-L联系起来,而EAWM-M强弱变化主要与副热带西风急流北界的位置有关。(2)EAWM-L与冬季赤道中东太平洋和热带印度洋海温异常的联系都很紧密,而EAWM-M变化与冬季热带印度洋海温异常的联系更为密切,与赤道中东太平洋海温异常的关系相对偏弱。EAWM-L与冬季赤道中东太平洋和热带印度洋海温异常的紧密联系在年际和年代际尺度上都是存在的,而EAWM-M与冬季热带印度洋海温异常的紧密联系主要体现在年代际尺度上。

华北汛期降水与亚洲季风异常关系的研究

文中诊断分析了华北汛期降水与亚洲季风区环流异常以及低纬地区热源异常的关系,结果表明:在华北汛期干旱年,亚洲季风偏弱,而在华北汛期降水偏多年,亚洲季风较强,并巳存在两个明显的变化中心,一个位于印度半岛中北部地区,另一个位于菲律宾群岛附近。华北汛期干旱年上述两个地区的热源偏弱,而降水偏多年则偏强。 华北地区干旱年和降水偏多年的前期亚洲季风区热源就已存在明显的不同:华北汛期干旱年前期,亚洲季风区的热源偏弱且位置偏南,表现出季节变化推迟的趋势;华北汛期降水偏多年前期,亚洲季风区的热源偏强且位置偏北,表现出季节变化提早的趋势。 利用IAP L9R15 AGCM气候数值模式,进一步研究了亚洲季风区凝结潜热加热异常对大气环流和华北地区降水的影响,结果表明,印度半岛中北部地区和菲律宾附近地区的凝结潜热加热异常将引起青藏高压和西太平洋副高的异常变化,进而影响到华北地区的降水。

夏季欧亚中高纬环流持续异常事件的Rossby波传播特征

利用西风波导结构以及波作用通量,探讨了夏季欧亚一类中高纬持续异常环流所对应的Rossby波的能量频散特征。中高纬度对流层上层存在结构较为复杂的弱波导,Rossby波能量频散过程基本上与该弱波导结构一致。Rossby波传播特征在不同时期以及两种环流型(E型和C型)之间存在显著差异:(1)在梅雨前期,与E型环流对应,Rossby波从南欧气旋式异常环流中心传播到乌拉尔山正高度异常中心,并且波作用通量在乌拉尔山西侧辐合,形成该地区正高度异常环流。乌拉尔山持续异常中心东侧重新激发出Rossby波,并传播至贝加尔湖和鄂霍次克海地区,维持对应的异常环流。与C型异常环流对应,Rossby波活动非常活跃。该型三个活动中心呈现高纬-中纬-高纬的分布特征,这与波导结构密切相关。(2)在梅雨期,Rossby波的传播对两类持续异常环流的作用更加明显,其传播路径基本上在处于极区和偏向中纬度一侧的两个"波障碍区"之间的带状西风波导区中。Rossby波从乌拉尔山活动中心向东传播,最终形成贝加尔湖和鄂霍次克海地区的持续异常环流。在C型维持过程中则还存在另一种强迫因子。在C型中,Rossby波从乌拉尔山活动中心向中纬度传播,并在亚洲急流中向东传播至东亚地区。(3)在后汛期,在欧亚大陆上纬向"波障碍区"的增加使得Rossby波活动减弱。E型异常环流型的鄂霍次克海活动中心向东扩展到北太平洋,但来自上游的Rossby波传播只作用于该活动中心的西北侧部分。C型中Rossby波的传播在乌拉尔山活动中心地区变弱。在夏季各个时期,E和C型持续异常环流对应着不同位相的EAP(或PJ)型,但并没有Rossby波从中纬度向北传播至鄂霍次克海地区的现象。

夏季我国干旱、半干旱区陆面过程能量平衡及其局地大气环流

利用ＮＣＥＰ资料分析得出，夏季我国干旱、半干旱区在整个欧亚大陆上是陆面感热通量最强的地方，与此对应的陆面潜热通量则最弱。陆面所接收的太阳短波辐射主要以感热和长波辐射的能量形式释放。该区降水量很少，降水量的年际变率也很弱；因此，该区的陆面热量通量都显出很弱的年际变率；然而，这些通量的年代际变率信号则比较显著。我国干旱、半干旱区大气环流的热力过程与其陆面过程特征密切相关。该区对流层大气的辐射冷却很强，达－３Ｋ ｄ-（－１）。由于缺乏水汽和上升运动，大尺度凝结加热率、深对流加热率、浅对流加热率都非常弱。因此，６００ ｈＰａ以上的大气以绝热下沉加热来平衡幅射冷却； ６００ｈＰａ以下，陆面感热引起的垂直扩散加热率非常强，多达８Ｋｄ-（－１），它除了平衡辐射冷却以外还制造对流层低层的对流运动，以绝热升冷却来平衡多余的垂直扩散加热。总之，我国干旱、半干旱区的陆面过程特征决定了该区大气运动的特殊垂直结构，即对流层低层对流上升运动及其上层的下沉运动。我国干旱、半干旱区陆面能量平衡及其局地大气环流的年代际变率，是全球气候系统年代际变率的必然结果。

中高纬Rossby波活动对盛夏东亚/太平洋事件中期演变过程的影响

在中期时间尺度上探讨了Rossby波活动对盛夏东亚太平洋(EAP)事件的影响。正负EAP事件的形成过程不是简单的反位相过程,但这一时期的气候平均流波导结构决定了两者在Rossby波能量频散特征上有许多相似之处。在对流层中上层,源自上游东北大西洋或东欧平原的Rossby波能量经巴尔喀什湖附近向东北方向频散,它对东北亚异常中心的形成和维持起重要作用。由于盛夏东亚急流位置偏北,我国华北-东北地区成为波导区,Rossby波能量从贝加尔湖附近向该波导区频散,形成了EAP事件的东亚中纬度异常中心。在EAP事件的三个异常中心中,东北亚异常中心最先形成,西太平洋副热带异常中心则最后出现。在对流层上下层波导结构有明显差异,它导致了Rossby波能量在东亚沿岸中高纬地区的反向经向传播特征。在负事件的对流层低层,西太平洋副热带异常中心和中纬度两个异常中心间的经向Rossby波链接较为明显。在东亚地区,盛夏月平均尺度上EAP型的Rossby能量频散特征与中期EAP事件基本一致。

2008年初我国南方雨雪低温天气的中期过程分析--Ⅰ：亚非副热带急流低频波

在中期时间尺度上分析了2008年1月10～16日我国南方雨雪过程特征及其可能机理,得到了以下结果：1）3个环流系统的演变过程相互匹配,共同造成了此次雨雪过程,它们分别为南支槽在我国南方地区的形成和加深、西太平洋副热带高压的北扩以及叶尼塞地区高压脊的东扩南侵;2）源自东北大西洋和西欧的Rossby波能量沿亚非副热带急流向下游传播,导致南支槽在我国南方地区形成和加深;3）与西太平洋副热带高压北扩所对应的异常环流中心,其实质为副热带急流扰动,来自上游南支槽区的Rossby波能量频散是其形成维持的主要原因,它也受来自贝加尔湖地区及热带西太平洋对流区的Rossby波能量的影响;4）亚非副热带纬向基本流制约着其一系列异常环流中心的纬向联系,里海冷堆及异常中心的形成恰好对应着南支槽在我国南方地区的加深和西太平洋副热带高压的北扩。

2008年初我国南方雨雪低温天气的中期过程分析--Ⅱ：西太平洋副热带高压的特征

针对2008年初1月17～23日我国南方地区雨雪低温过程,分析了其中期演变特征及其可能机理。这次过程中：1）西太平洋副热带高压在其前期异常状态的基础上,在对流层低层演变为“内凹外凸”结构,并在我国长江中下游附近形成切变线,从而造成了这次雨雪过程;2）在对流层上层,源自北非的Rossby波能量在副热带和中纬度地区向下游频散,同从乌拉尔山地区向南频散出的Rossby波能量在帕米尔高原及中亚地区汇合,共同引起该地区气压槽的加深。它使对流层低层西太平洋副高在其西部向内凹陷。另一方面,在对流层中层,Rossby波能量沿副热带急流传播,最终引起西太平洋副高向西南方向伸展。西太平洋副热带高压的“内凹外凸”演变特征的主要原因是来自上游地区的Rossby波活动,并非热带西太平洋对流异常活动;3）亚洲北部冷高压沿高原东侧伸入我国东部地区是我国南方地区低温过程的主要原因。

全球海温距平对月预报影响的数值试验

对１９９２年７月１９日个例，进行了有、无海温距平的对比数值试验，研究了海温距平对月预报的影响。个例试验结果表明，海温距平对月预报的影响是重要的。海温距平不仅对全球降水量的影响明显，而且对温度场预报的影响也很明显。大气（温度、降水和高度场）对异常海温强迫开始响应的时间大约是１０天。

青藏高原雨季的降水特征与东亚夏季风爆发

用小波分析方法研究了1993年和1994年青藏高原雨季降水的多时间尺度变化特征,结果表明,小波变换对高原上降水从活跃期到中断期之间突变的时间有很好的分辨能力,并发现强弱季风年高原降水的变化特征有很大的差异:即高原降水除了其季节变化外,强东亚季风年(1994年)还有明显的30～60天低频变化;弱东亚季风年(1993年)却是准双周的变化明显。另外,还将高原上降水从活跃期到中断期的变化与同期的NCEP资料作了一些对比分析,发现高原雨季的开始与东亚夏季风爆发可能有一定的联系,即高原东部夏季降水的第一次活跃期与东亚夏季风的爆发时间基本一致。

动力延伸(月)预报的季节变化和误差分析

本文用中国科学院大气物理研究所的全球谱模式（Ｔ４２Ｌ９）和国家气象中心提供的１９９４年３月到１９９５年２月３６个例子（每月３个）的全球客观分析资料做了较系统的动力延伸（月）预报试验，检验了预报结果，分析了模式的气候漂移，并对预报结果进行了系统误差订正，结果表明预报评分有明显的季节变化，冬季较高，夏季较低。

中高纬度Rossby波活动对华南前汛期EAP事件中期演变过程的影响

文中从中期过程的角度探讨了Rossby波活动在华南前汛期东亚-太平洋遥相关型事件的形成、成熟和衰减过程中的作用,并得出如下结果:(1)正负东亚-太平洋遥相关型事件的形成过程有相似之处:在对流层中上层,源自东北大西洋或欧洲的Rossby波在欧亚大陆中高纬弱波导区中不断地向下游频散,最终在东亚地区形成东亚-太平洋遥相关型事件的3个异常中心。在东亚-太平洋遥相关型事件的3个异常中心之间,Rossby波能量从高纬度向中纬度和副热带地区频散。东亚-太平洋遥相关型事件副热带异常中心的形成归因于东亚副热带急流波导的存在以及上游中高纬度地区Rossby波能量的注入。在对流层低层,Rossby波则从亚洲副热带地区向东亚中纬度地区频散。(2)东亚-太平洋遥相关型事件的3个异常中心在对流层中上层中,西太平洋副热带地区异常中心最后形成。(3)正负东亚-太平洋遥相关型事件也并不是简单的反位相演变过程:在对流层中上层,在正事件成熟阶段,斯堪的纳维亚半岛上的正异常环流基本维持了其中心强度和位置,它不断地向下游东亚地区频散能量,使正事件的持续时间较长;在负事件中,由于中高纬度盛行纬向型环流,波能量的频散较快,因而负事件成熟阶段的持续时间比正事件短。(4)在这一时期,东亚-太平洋遥相关型事件对中国长江以南地区的降水形势具有显著的影响。正(负)东亚-太平洋遥相关型事件易引起长江以南降水异常偏多(少)。