中国东部夏季三个雨带降水的年代际变化及其与中高纬环流和海温的关系

分析了华南、长江流域和华北夏季风三雨带降水的年代际变化特征及其与海气系统的关系。结果表明,三雨带的开始日、结束日都有明显的年代际变化特征,主要表现为自1990年代至今,三雨带开始日推迟,华北雨带终止日明显提前。夏季风的进程与两极涛动密切相关,也与局地海陆热力差异有关:长江流域降水对应于欧亚大陆的位势高度正异常,而华南和华北降水都对应于欧亚大陆的位势高度负异常。华南、华北降水与北太平洋中纬度SST年代际变率密切相关,而长江流域降水与北大西洋中高纬度和西太平洋暖池SST的年代际变率有关。这说明年代际时间尺度上,夏季风进程的不同阶段对应着显著的环流和海温差别,中高纬的环流和海温对夏季风降水有重要的影响。

东亚中高纬环流对黑龙江省春播期降水异常的影响

探讨了东亚中高纬环流对黑龙江省春播期降水异常的影响。结果表明:在500h Pa平均高度场和距平场上,西低东高、北高南低以及西负东正、北正南负等特征有利于出现较大降水,纬向环流或西高东低以及南正北负或西正东负等特征有利于干旱少雨。在850h Pa风距平场上,中国东北和华北为气旋环流,俄罗斯远东和鄂霍次克海为反气旋环流,黑龙江省多偏东风距平,这些特征有利于出现较大降水;与此相反的特征有利于干旱少雨。

亚洲中高纬环流春夏季节转换过程的关键特征

亚洲中高纬环流春夏季节转换是亚洲大陆上发生的不同区域春夏季节转换中的一个重要组成部分,它为江淮流域梅雨形势的建立提供必要的中高纬环流条件。但是关于其独特性和关键特征,迄今为止尚没有系统性的总结。本文利用NCEP/NCAR再分析资料I的逐日数据,分析和总结了这一春夏季节转换过程的关键特征。亚洲中高纬环流春夏季节转换以500 hPa东北亚脊和"双阻型"环流形势的依次建立为重要标志。东北亚脊及其相关的海陆温度差异的形成主要归因于东北亚积雪融化和局地强烈增温过程。东北亚低压(850 hPa)的建立是亚洲中高纬环流春夏季节转换的另一个重要标志。当季节转换发生时,青藏高原上空的200 hPa急流轴从35°N向北跳到37°N,与此同时亚洲温带急流彻底消失。伴随着季节转换,亚洲中高纬地区近地面温度经向梯度减弱,高频瞬变斜压扰动随之减弱;与之形成鲜明对比,低频天气系统,包括亚洲阻塞高压和东北冷涡系统,则成为该地区主导天气系统。本文也从春夏季节转换早晚的角度,探讨了亚洲中高纬环流和天气系统的演变特征,由此进一步补充了春夏季节转换的关键信息。

梅雨期温带急流变化与中高纬环流系统的关系

利用NCEP/NCAR再分析资料分析了与温带急流相关联的梅雨期东亚上空中高纬环流系统的变化特征,揭示出东亚高空急流经向分量在急流变化中具有重要作用,温带急流区经向风和东亚中高纬槽脊关系密切。在温带急流由强变弱的过程中,当温带急流强度强时,急流区以纬向风为主导;当温带急流强度弱时,经向风增强,纬向风迅速减弱,急流区以经向风为主导。温带急流区纬向风强时,500 hPa位势高度等值线平直,中高纬环流为纬向型;温带急流区经向风强时,中高纬槽脊系统发展,中高纬环流由纬向型转换为经向型。梅雨期温带急流区经向风异常主要有80°E、100°E、120°E、140°E四个中心,温带急流区经向风异常的位置不同时,中高纬阻塞高压出现位置不同,冷空气路径不同。

前期中高纬大气环流异常与我国汛期雨带类型关系的研究

使用国家气候中心提供的1951~2002年北半球500 hPa高度上的月平均格点资料,对前期(1~5月)中高纬大气环流的异常与中国汛期雨带类型分布的关系进行了研究。结果表明,冬季(1~2月)500 hPa环流的时空演变与中国汛期雨带类型分布有明显的相关,春季(3~5月)是转换季节,与雨带类型分布的关系不如冬季密切。尽管不同的雨带类型对应不同的高度距平合成场,但各雨型的高度距平之间只存在三个显著性差异区,且各雨带类型的西风指数显著性差异区与同期高度距平合成场的显著性差异区的经度范围一致。1、2月第一与第二显著性关键区分别位于150°E^170°E和100°W^80°W,第三个显著性关键区出现在80°W^45°W的大西洋上。关键区内西风指数相对平均西风指数较高(低)时,高度场上对应负(正)距平,说明西风指数与中国汛期雨带类型的分布也存在密切关系。因此,前期中高纬西风带大气环流的异常变化与中国汛期降水的关系可为预报我国夏季大范围旱涝的分布提供一些新的线索和信号。

夏季亚欧中高纬度环流的集合预报效果检验

使用NCEP集合预报资料,对亚洲中高纬地区2003年6—8月500 hPa高度场的集合预报效果进行了检验。环流预报效果检验结果表明:预报时效大于5 d时,集合平均预报明显优于单一预报;使用相同模式分辨率时,集合平均能将可用预报时效延长12 h以上,达到7.5 d;通过集合预报可获得真正意义的概率预报结果,取得较单一高分辨率预报好的预报效果。阻塞过程的个例分析也表明集合平均的预报效果明显优于单一确定性预报;特征等值线可反映集合成员的不一致信息和少数集合成员的异常表现,以此为基础,可估计分析对象出现与否的概率,达到提高预报效果的目的。

冬季欧亚中高纬陆面热力异常与同期大气环流的联系

利用欧洲中心ERA-40月平均再分析资料,分析了1958-2001年冬季欧亚中高纬陆面热力状况的变化特征,重点讨论了冬季陆面热力异常与中高纬大气环流的联系及其可能影响机制。结果表明:由于全球变暖的区域非均匀性,近年来冬季欧亚中高纬陆面增温趋势显著且增温幅度较大,中低纬陆面增温幅度相对偏小,陆面热力变化的经向非均匀性造成欧亚大陆中纬度区域(40°N-50°N附近)的陆面经向温度梯度在20世纪80年代初发生了显著的年代际减弱。由于陆面对大气的加热作用,导致蒙古高原至中国东北地区对流层低层大气经向温度梯度减小,从而使得对流层大气斜压性减弱,根据热成风原理,纬向风垂直切变减小,最终导致欧亚中高纬高空西风环流异常偏弱。

2002年夏季中高纬大气准双周振荡对华南降水的影响

利用JRA55大气再分析资料和TRMM卫星降水资料,分析了2002年夏季(5~8月)华南地区降水的低频振荡特征,重点揭示了对其影响显著的中高纬大气季节内振荡的环流结构及演变。小波和功率谱分析表明,2002年夏季华南降水表现为主周期为10~30 d的准双周低频振荡。典型低频降水事件及合成分析指出,准双周降水的强(弱)变化除了受低空西北太平洋副热带高压西伸进入(东移退出)南海的影响以外,还显著地依赖于中高纬地区高空大气环流的季节内振荡。在对流层高层,中高纬度地区存在一支自大西洋经欧亚大陆的气旋—反气旋相间排列的低频波列。该波列在欧亚大陆地区向东南传播,当异常反气旋和气旋分别位于青藏高原和华北上空时,这种偶极型环流之间的高空辐散场有利于华南地区上升运动的发展,因而华南降水偏强;反之,华南降水偏弱。研究还表明,低频波列南移造成了对流层异常温度平流和副热带高层异常绝对涡度的变化,使得华南地区上升与下沉运动交替出现以及相应的经向环流圈反转,从而导致华南准双周振荡干湿位相的转换。局地异常感热加热对干湿位相转换也起一定作用。时滞相关分析发现,当青藏高原地区500 h Pa位势高度异常场超前于华南异常降水4 d(即位相差为1/4周期)时,二者出现显著正相关,表明青藏高原地区500 h Pa位势高度异常对预测华南地区季节内降水变化有潜在的应用价值。

影响北京夏季降水异常的大尺度环流特征

利用1951—2004年500hPa高度场、副高特征量及北京降水量资料,采用相关和合成分析方法,研究了夏季北半球500hPa环流异常与北京旱涝的关系。结果表明:北京夏季降水与副高强度和位置的关系比较复杂,中高纬与副热带环流特征的各种配置会对北京夏季降水产生不同的影响。欧亚中高纬环流出现欧亚—太平洋遥相关型,华北上空持续受高压控制;北京及附近地区处在西高东低的形势下,持续受西北下沉气流控制是北京夏季少雨的有利环流条件。北京及附近地区位于低压槽区或处在东高西低的下游“阻塞”形势,是北京夏季多雨的基本环流条件。研究的结果为北京地区夏季旱涝预测提供了环流背景。

2018/2019年冬季北半球大气环流特征及对我国冬季气温异常的影响

2018/2019年冬季,东亚冬季风较常年同期偏强,西伯利亚高压偏强。在北半球500 hPa高度距平场上,乌拉尔山地区为高度场正异常,贝加尔湖-巴尔喀什湖地区为高度场负异常,欧亚中高纬整体以经向型环流为主。冬季冷空气活动较频繁且强度偏强,受其影响,除东北地区、西南地区及华南地区中东部等地气温较常年同期偏高外,全国其余地区气温偏低。此外,欧亚中高纬环流季节内调整明显,导致我国气温异常表现出明显的阶段性特征。前期秋季巴伦支海-喀拉海海冰密集度偏低是造成东亚冬季风偏强的重要原因。

中国东北极端持续大—暴雪事件的个例成因及可预测性

2013年11月东北大—暴雪持续日数为1982—2020年同期最多的一年。其中,2013年11月17—20日和25日先后发生两次强降雪过程,其中第一次过程降雪持续时间较长,而第二次过程日降雪强度强。基于此,从2013年11月月际异常气候背景和两次强降雪过程的角度,开展其成因和可预测性研究。研究结果表明,2013年11月北极涛动(AO)正位相异常偏强、类北太平洋涛动(NPO)负位相、巴伦支海以北的海冰月增长量(11月减9月)异常偏多和热带-南印度洋海温异常偏暖的气候背景有利于这次东北持续性大—暴雪事件的发生。其中,2013年11月巴伦支海以北的海冰月增长量偏多,意味着季节性海冰生长量增加使得向大气中释放的潜热通量增加,气温偏高,有利于AO正位相加强并激发罗斯贝(Rossby)波列,使得阿留申低压减弱;同时11月热带-南印度洋海温异常偏暖,热带印度洋对流加强和热带西太平洋对流减弱,有利于西北太平洋-阿留申地区维持“气旋-反气旋”式环流异常,呈现类NPO负位相。这样的环流形势有利于从北太平洋向东北地区持续输送水汽。第一次强降雪过程(17—20日)发生前5 d(12—16日)到降雪过程结束(20日),北大西洋涛动(NAO)维持正位相并且强度达到冬半年最强,由此激发持续东传Rossby波,使得西北太平洋-阿留申地区为持续性的南北向“气旋-反气旋”式环流异常,有利于北太平洋水汽持续输送至东北地区。在2013年11月25日第二次强降雪过程中,乌拉尔山阻塞高压显著加强,东北低涡加深,有利于热带西太平洋更为暖湿的水汽输送至东北地区,与北太平洋输送的水汽共同导致第二次强降雪过程的日降雪强度大。最后,利用CFSv2评估2013年11月异常气候背景的可预测性,结果表明CFSv2可提前1个月预测2013年11月热带-南印度洋海温异常偏暖,但对热带印度洋和西太平洋对流异常、NAO以及热带-中高纬大气遥相关预测能力较弱。在次季节尺度上,ECMWF(CMA)能提前29(12)d和13(16)d合理预测出两次过程降雪量的空间分布,这可能是由于模式能合理再现NAO和乌拉尔山阻塞高压等关键环流系统的逐日变化。因此未来还有待提升热带-中高纬大气遥相关、水汽输送以及平流层极涡的次季节-季节预测效能。

2023年秋季我国气候异常特征及成因分析

利用NCEP/NCAR再分析数据集和中国2400个站的气候观测数据,对2023年秋季我国气候异常特征及其成因进行分析。2023年秋季全国平均气温为1961年以来历史同期最高;全国平均降水量接近常年同期,但空间分布不均且季节内变化明显。秋季欧亚中高纬环流呈“两槽一脊”型,造成我国气温显著偏高;9月呈“两脊一槽”型,巴尔喀什湖低槽活动导致西北地区降水增多;10月呈“两槽一脊”型,导致北方地区偏暖加强;11月呈“西高东低”型,东路冷空气增强,东北地区气温偏低、降水偏多。西太平洋副热带高压总体较常年偏强、偏西,脊线9月异常偏北、10月偏南、11月接近常年。印缅槽9月显著偏强,10—11月接近常年。9月印缅槽偏强与副热带高压异常偏北共同导致了长江中下游以北至黄河下游地区多雨;10—11月东部地区水汽条件整体偏差。9—10月近海台风频繁活动,造成华南地区降水偏多。2023年秋季我国气候受到大气季节内变化的显著作用,热带海温异常的影响不典型。

2018年春季气候异常及可能成因分析

2018年春季全国平均气温为1961年来最高,全国大部地区气温普遍偏高,尤其是长江以南及中国北方的中部区域偏高明显。全国平均降水量较常年略偏多,呈东部地区"南少北多",华西降水偏多,而江南南部至华南、西北西部的部分地区降水偏少的分布特点。自北大西洋经欧亚大陆至东北亚中高纬上空的纬向波列及东亚低层维持的异常偏南气流是2018年春季中国气候异常的重要原因,且乌拉尔山以东的低槽和东北亚上空的高脊是关键环流系统。亚洲中低纬上空均为异常高压脊控制,尤其是东北亚上空的高脊造成了2018年春季中国大部地区气温偏高。乌拉尔山以东低槽有利于冷空气爆发南下而东北亚上空的高脊引导西北太平洋暖湿气流向西向北影响我国,冷暖气流交汇从而造成了长江以北地区及华西降水偏多,而南海至西太平洋上空的异常气旋则导致江南南部至华南少雨。另外,虽然2017/2018年冬季发生了一次弱的La Nina事件,并且2018年春季北大西洋三极子模态(NAT)呈较强的正位相,但其对中国2018年春季降水异常影响较小,而以大气环流的影响为主导。进一步分析发现,乌拉尔山以东的低槽和东北亚上空的高脊与中国春季温度和降水具有很好的相关性,易于造成中国气温偏高;东部降水"南少北多"且华西多雨。两个关键环流系统间存在显著的负相关关系,且均与欧亚遥相关(EU)波列关系密切。同时,东北亚上空的脊还与北极涛动(AO)正位相具有高相关。

我国东部季风区夏季持续非绝热加热的特征分析和数值试验

首先用NCEP/NCAR再分析资料统计了我国东部季风区华南、江淮、华北的夏季持续非绝热加热情况,然后针对非绝热加热的主要贡献因子凝结潜热进行不同区域的数值试验,从而探讨了各区凝结潜热加热对大气环流的可能影响途径。所有数值试验都揭示了凝结加热可以首先在对流层中低层的加热区附近激发气旋性异常,然后异常向东北传播,并最终在中高纬地区形成正负中心相间的波列状结构,这在一定程度上体现了潜热加热能的向东向极频散过程。此外,不同个例年试验结果的差异说明了大气环流对凝结加热的最初响应情况比较复杂,很大程度上依赖于加热初始阶段的大气环流场,而呈现出与垂直环流结构相类似的异常分布是可能的响应方式之一。

2009年冬季至2010年春季黑龙江省气温持续偏低成因

利用常规观测温度资料和中国国家气候中心提供的环流特征量、NCEP/NCAR再分析资料及美国气候预测中心(CPC)提供的AO指数等,分析了2009年11月至2010年4月中高纬大气环流异常特征,探讨了AO与同期气温的关系。结果表明:黑龙江省冬春气候异常与500 hPa大尺度环流背景有关。冬春持续偏冷,对应北半球欧亚中高纬地区呈"-+-"的波列分布,90°—180°E呈现出"北正南负"的环流形势;北半球极涡面积偏大,冬季东亚大槽位置偏西,春季东亚大槽强度偏强,冬春AO指数持续异常偏强,显著负位相。

前、后冬的东亚冬季风年际变异及其与东亚降水的关系

利用ERA-Interim的再分析资料和NOAA海温、降水量等资料对前、后冬的东亚冬季风的年际变异特征及其与东亚降水的关系进行对比分析,并讨论了热带和中高纬系统影响东亚冬季风变异的相对重要性。前冬的东亚冬季风变异的主导模态为东亚全区一致变异型,即一致的北风偏弱或偏强;其次为南部变异型,主要表现为在我国南方-南海北部的东北风偏弱或偏强。而后冬的东亚冬季风变异的主导模态则为南部变异型,其次为东亚全区一致变异型。从前冬到后冬,东亚冬季风的主要变异模态的次序出现交叉更替。前、后冬的冬季风主要模态以年际变化为主,但后冬主导模态还显示出冬季风有变强的趋势。前、后冬的东亚冬季风的主导变异模态也影响东亚降水异常的位置。在前冬,冬季风异常主要影响我国华北、渤海-黄海海域以及朝鲜半岛和日本南部区域的降水异常,而后冬的冬季风异常则主要导致我国东南地区及其东侧附近的西北太平洋海区的降水异常。前冬的东亚冬季风的前两种主要变异模态都受到印度洋-太平洋海温和中高纬环流系统共同的影响;后冬的东亚冬季风的前两种主要变异模态则分别主要受ENSO和中高纬系统的影响。

山东半岛东海岸一次台风暴雨的成因研究

利用NCEP 1°×1°再分析资料、FY-2E卫星云图资料和山东省123个国家气象站资料和雷达产品,对2015年7月12日台风"灿鸿"给山东半岛东部海岸带来的暴雨天气过程进行分析。结果表明:中高纬环流与台风环流相互作用是这次台风暴雨形成的主要成因。主要表现为,中高纬度东移高空槽携带的干冷空气与台风西侧外围暖湿气流在山东半岛交汇,地面"鞍型场"诱发的冷锋侵入山东半岛,为山东东部海岸暴雨发生提供了有利的天气尺度环流背景条件;高低空急流"耦合"为暴雨的发生提供了强烈的动力条件;台风北侧不断发展的TBB低于-40℃对流云团长时间维持以及低空急流风速脉动是暴雨过程中强降水持续出现的重要因素。另外,山东半岛东侧海岸线的海陆差异造成的摩擦辐合也是造成强降水的原因之一。暴雨个例对比可知,高低空急流"耦合"的区域是决定暴雨落区位于台风移动方向左前方或右前方的预报着眼点之一。

2020年湖北梅雨异常特征及成因分析

利用湖北省梅雨监测资料、国家气候中心新百项指数和NCEP/NCAR环流资料,分析了2020年湖北梅雨异常特征及其成因。结果表明:(1) 2020年湖北梅雨持续时间异常长,为54 d,仅次于1996年;梅雨量异常多、强度强、雨日率大,均为1961年以来第1位。(2)高空西风急流、副热带高压、夏季风系统的冬夏调整季节性进程早,是造成湖北入梅早的主要原因。西风急流和副热带高压在7月下旬北跳,较常年时间偏晚,导致了出梅晚。入梅早、出梅晚,梅雨持续时间异常长。(3)在前冬El Ni?o事件、春夏热带印度洋海温偏暖和北大西洋三极子负位相的共同影响下,欧亚中高纬经向环流发展,冷空气活跃,副热带高压强且位置稳定,西侧水汽输送强,冷暖气流在长江中下游交汇,造成湖北省梅雨量异常偏多。