西南地区汛期降水次季节变化主模态的低频环流传播路径特征

【目的】该文探讨我国西南地区汛期(5—9月)降水次季节变化的主模态,以及中高纬和热带次季节波动如何影响该地区持续性异常低频降水,能为了解和预测西南地区汛期降水的次季节变化提供参考。【方法】利用西南地区111个地面气象站1961—2015年逐日降水资料和JRA-55再分析环流场资料,采用EOF经验证交分解方法,分析西南地区汛期降水次季节变化主模态的低频环流特征和传播路径。【结果】西南地区汛期逐日降水主模态的空间分布为南北纬向型分布,空间特征向量高值区域分布在西南地区的南部和东南部,其高值区对应的SWDR与PC1的相关系数达0.991(通过0.05信度检验),PC1气候平均值的显著周期为12.9 d,且逐年PC1的显著周期主要集中在10~20 d时段,占比为60.0%;在PC1的典型低频年中,汛期季节内及其各分月的PC1均能较好地表征对应降水异常分布型的时间演变特征,且二者低频分量的正相关性更高(通过0.05信度检验),即PC1低频分量均能更好地把握SWDPI低频分量的准双周振荡特征,尤其在6、7和8月,这可能与影响主模态降水异常分布型的同期大气低频环流信号更为稳定有关;PC1的季节内变化不仅与中国东南部和南海形成的对流异常偶极子有关,还与在西南地区对流层高层形成的位势高度异常偶极子息息相关,该对流异常偶极子的形成与前期菲律宾以东OLR正异常的西北向传播和巴尔喀什湖东南部OLR负异常的东南向传播有关,并且菲律宾以东被抑制的对流向西北方向传播总是伴随着低层的局部反气旋,而西南地区的西南部对流的增强(抑制)总是伴随着高层北部的负(正)位势高度异常,同时,西南地区对流层高层的位势高度异常偶极子的形成,与中高纬对流层高层类似Rossby低频波列东南向传播过程中在青藏高原东侧顺时针转向有关。【结论】从气候背景看,影响PC1季节内变化的低频波列传播主要与2个方面的因子有关,一方面对流层高层西风急流轴主体位置南压和强度增强,通过影响中高纬类似Rossby低频波列的东传南下,从而影响在西南地区对流层高层形成位势高度异常偶极子型分布;另一方面印度季风槽的北抬加强了南海—菲律宾海域异常反气旋西北侧的西南气流,促使西南地区低层异常气旋形成,同时东亚季风槽增强也有利于热带西太平洋低频对流发展并向西北传播,从而影响在中国东南部和南海的形成的对流异常偶极子型分布。

冬季北半球大气低频环流型的年际变化特征

采用NCEP/NCAR逐日再分析资料,利用31点数字滤波器提取了58个冬季(1951/1952—2008/2009年)的500 hPa高度场低频分量,通过经验正交函数分析方法定义了6种低频环流型。从逐年低频环流型的差异和低频环流型系数两个角度分析低频环流型的年际变化特征;给出了58个冬季的主要低频环流型并分析了逐年低频环流型的变化特征;低频环流型系数的分析表明,Ⅰ型在20世纪90年代后振荡减弱,Ⅱ型表现为连续2 a为正(负)位相强年,Ⅲ型年代际变化明显,Ⅳ型在20世纪70年代到80年代之间年际振荡较强,Ⅴ型在20世纪80年代由正转负,Ⅵ型在20世纪70年代中期由负转正;低频环流型的显著周期大多出现在90年代之前。

中高纬度低频环流系统与东亚季风低频变化及其异常

中高纬度低频环流系统与东亚季风低频变化及其异常国家自然科学基金项目“中高纬度低频环流系统与东亚季风低频变化及其异常”（项目编号４９０７０２３７）经过三年研究主要取得以下四方面的成果。１．比较系统地揭示了中高纬度低频环流的结构和传播特征（１）发现中高纬...

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.

2011年春夏长江中下游旱涝急转的低频环流系统变化

为研究2011年春夏长江中下游地区旱涝急转现象与低频环流的关系,利用国家气象信息中心的753站逐日降水、NCEP/NCAR再分析资料和带通滤波的方法,得到如下结果：（1）2011年5-6月,长江中下游地区存在明显旱涝急转现象,5月的降水较同期偏少40％以上,6月的降水较同期偏多60％。（2）5-6月的旱涝急转前后,长江中下游地区的500hPa的垂直速度变化不仅与降水有很好的关系,而且其低频振荡的强度也显著加强,垂直速度由正（下沉运动）转负（上升运动）的转换时间几乎对应由旱转涝的时间。（3）对旱涝急转过程的500hPa低频变化垂直速度下沉运动最强、下沉运动向上升运动转换、上升运动最强3个位相的低频散度场分析发现,在5月干旱期间,长江中下游地区维持对流层低层（850hPa）辐散、高层（200hPa）辐合的低频环流系统,不利于降水。到6月强降水期,长江中下游地区则迅速转为对流层低层辐合、高层辐散的低频环流系统,有利于降水的发生。这种对流层低层-高层低频环流系统的变化是导致旱涝急转的重要原因之一。

两种强迫热源对夏季北半球大气低频环流影响的数值试验

利用ＩＡＰ２－ＬＡＧＣＭ模式，做了热带西北太平洋对流层中上层两种（恒定和双周振荡）强迫热源，对北半球夏季大气低频环流影响的数值试验。结果表明，不同热源可激发出明显不同的遥相关型，与之相联系的低频系统也不同。恒定热源激发出的低频波列类似ＥＮＳＯ事件发生发展阶段（１９７２年）的ＰＮＡ型，伴随的低频气旋和反气旋在热带西北太平洋生成，沿波列路径传播，在北美东南部消亡。双周振荡热源产生最显著的遥相关型位于热带西北太平洋－亚洲中纬度地区，呈经向一波型。低频系统生成于北半球，以１°·ｄ－１的速度向北传播，在副热带地区达到最强。

冬季北太平洋大气低频环流的年际和年代际变化特征及其与大气环流和海温异常的联系

利用1979—2015年ECMWF逐日再分析资料,通过EOF分解和回归分析研究了冬季北太平洋大气低频环流的年际和年代际变化特征及其与海表面温度异常(SSTA)和大气环流异常之间的联系。研究结果表明:冬季中纬度北太平洋地区850 h Pa低频尺度环流存在3个明显的变化模态:第一模态为海盆尺度的单极型异常气旋(反气旋)式环流,同期太平洋SSTA呈现El Ni1o(La Ni1a)以及PDO暖位相(冷位相)空间分布,阿留申低压强度增强(减弱),对流层中高层是正位相(负位相)的PNA型遥相关,北太平洋天气尺度风暴轴中东部南压(北抬);第二模态为在白令海峡和副热带地区呈气旋式与反气旋式环流南北向偶极型变化,同时中纬度北太平洋SSTA呈现NPGO(North Pacific Gyre Oscillation)正位相(负位相)的空间分布,黑潮区域SSTA偏暖(偏冷),北太平洋SSTA经向梯度加大(减小),对流层中高层为负位相(正位相)的WP型遥相关,北太平洋天气尺度风暴轴整体偏北(偏南),强度增强(减弱);第三模态为北太平洋中西部和北美西岸呈气旋式与反气旋式环流东西向偶极型异常,黑潮区域SSTA偏冷(偏暖)而北太平洋东部SSTA偏暖(偏冷),SSTA纬向梯度加大(减弱),同时赤道东太平洋出现类似La Ni1a(El Ni1o)的SSTA分布,北太平洋天气尺度风暴轴中东部明显减弱(加强)而西部略有加强(减弱)。

面向低频海上风电送出的模块化多电平矩阵变换器综合解耦控制策略

模块化多电平矩阵变换器(modular multilevel matrix converter,M3C)用于海上风电低频输电系统(low frequency transmission system,LFTS)是具有广阔应用前景的新方案。M3C双频功率耦合对其9个桥臂直流侧电容电压的均衡控制及故障穿越带来挑战和困难。为此,提出基于桥臂双重低频环流注入法的新型M3C综合解耦控制策略。首先,对M3C工、低频侧进行数学建模并分析其功率运行范围。基于桥臂工、低频共模和差模回路的分析及桥臂功率平衡原则,提出实现工、低频侧输入及双重低频环流注入的M3C解耦控制策略。使用开环和闭环低频环流注入两种联合控制,在实现M3C各子变流器相间功率快速均衡的同时,确保工频侧输入电流的完全正序特性。通过带延时补偿的复矢量控制器,在静止坐标系统实现9个桥臂的完全独立控制,搭建35kV/11MW海上风电系统PSCAD模型,通过稳态、动态及暂态仿真全面验证所提综合控制策略的有效性和正确性。

2012年夏季华北降水和环流形势的低频振荡特征分析

对2012年夏季华北降水的低频振荡特征和相应的低频环流形势进行了分析,结果表明:2012年华北夏季降水具有显著的10~13 d低频振荡周期,振荡的演变和强降水有很好的对应关系,强降水过程基本发生在振荡的波峰处。强降水发生前,对流层低层在孟加拉湾地区首先出现低频反气旋式环流并逐渐加强,菲律宾至我国南海地区的低频环流系统逐渐向西北方向传播,中高纬西风带上有负低频高度距平东移,其伴随西风槽加深东移。对流层上层伊朗高原低频气旋式环流减弱,随后青藏高原东部低频反气旋式环流加强东移。强降水发生时,来自西北太平洋的低频偏南风和西风槽东移携带的低频水汽,为华北地区提供了充沛的低频水汽。同时对流层高层青藏高原的低频反气旋式环流东移控制我国中东部地区,华北至东北地区为强烈的低频辐散中心,上升运动加强,为降水的发生提供动力条件。对流层各层低频系统的相互配合对华北强降水的发生和维持起到了重要作用。

1998年夏季中国南部低频降水特征与南海低频夏季风活动

1998年 5～ 8月 4 0°N以南的中国地区低频 (含准 4 5天、准 2 3天和准14天 )降水率及其方差占总降水率及其方差的比重很大 ,因此研究低频降水及与其相对应的低频环流对长江流域洪涝的影响是很重要的。研究表明 ,准 4 5天东西向低频槽脊由南海不断向北传播 ,以及低槽中的低频低涡向西传播是形成长江流域低频降水的重要原因 ,低频降水主要位于低频西风区 ,而低频槽南侧的低频西风实质是南海低频夏季风的表现 ,由此可见 ,南海低频夏季风的向北传播对长江流域降水具有重要贡献。

双端柔性低频输电系统低频侧两相运行控制策略

基于模块化多电平矩阵变换器(M3C)的柔性低频输电系统(LFTS)具备低频侧两相运行能力,但其控制策略需特殊设计。文中首先介绍了双端柔性LFTS的基本情况及两相运行的基本要求,给出基于工、低频侧输入解耦及桥臂环流控制的M3C数学模型。为实现低频侧不对称运行条件下桥臂子模块电容电压的均衡,提出M3C桥臂功率再平衡的双重低频环流控制法。然后,分别给出两相运行条件下V/f站和PQ站的低频侧输入电流控制策略,并在静止坐标系统通过对9个桥臂电流的完全独立控制实现两个站M3C的控制。最后,在实时数字仿真系统中搭建双端柔性LFTS仿真模型,分别对稳态、动态及交流系统不对称故障等典型工况进行仿真测试。仿真测试结果表明,所提控制策略可有效实现双端柔性LFTS的低频侧两相运行要求。

无环流低频电源柜在矿井提升机中的应用

本电源柜的无环流工作方式是通过控制触发电路,当一组晶闸管导通时封锁另一组晶闸管的触发脉冲,使另一组不工作而实现。输出电压控制是由减小控制角α的变化范围实现的,输出电压的频率是通过改变控制角α变化的速度来调节。

1997—1998年青藏高原大气低频振荡及对降水影响

利用1979—1998年NCEP/DOE逐日再分析资料和国家气象信息中心的常规观测站资料,研究了1997/1998年冬季、1998年夏季青藏高原（简称高原）季风的低频振荡特征,研究夏季高原和周边区域高低层大气低频环流系统的配置及其与我国降水的联系。结果表明：1997/1998年冬季和1998年夏季,高原季风不仅表现出很强的30~60 d的周期振荡特征,还伴随有较强的准双周低频振荡;相应区域对流层上层200 hPa上的环流系统则是30~60 d为主的周期变化。1998年夏季,高原地面气压也存在两个频带的低频振荡变化,且其强度存在明显的经向变化,即自南向北30~60 d低频振荡信号有逐渐减弱趋势,准双周信号则呈增强趋势。对30~60 d的低频信号而言,高原夏季风低频信号较强（弱）时,高原地面表现为低频低（高）压环流系统,在同纬度带的我国东部地区和西太平洋沿岸,是较强的低频北（南）风和低（高）压环流系统;相应地,在80°~90°E之间,自孟加拉湾到我国西北中部地区,是低频反气旋-气旋-反气旋的经向低频波列;受低频环流系统影响,高原东部、长江中下游地区降水偏多（少）、川西高原、云南西南部降水偏少（多）。

北半球中高纬度低频振荡对2012/2013年冬季中国东北极端低温事件的影响

利用NCEP／DOE的逐日再分析资料和国家气象信息中心的常规观测站温度资料，首先分析了2012／2013年冬季中国东北区域极端低温事件过程中区域平均温度的低频振荡变化特征，然后分析了北半球中高纬度对流低层和中层低频环流系统配置的变化及其与东北地区强冷空气活动过程的联系，最后进一步研究了中高纬度低频环流系统的传播特征及其对温度变化的影响。主要结果有：（1）2012／2013年冬季东北区域平均温度存在很强的30～60d的周期振荡特征，同时伴随较强的10-30d低频振荡，后者与实际降温过程对应关系更好：（2）对10-30d的低频振荡而言，在东北地区低频温度变化降低最大的位相7（位相3升高最大），500hPa上，我国东部地区正好处于贝加尔湖地区的低频高压（低压）环流和日本海的低频低压（高压）环流型之间的低频偏北（偏南）的较强引导气流中；同时在850hPa上，我国东部从东北到南海都是较强的偏北（偏南）低频风控制，这使得东亚冬季风环流系统加强（被抑制），东北区域则经历一次大幅度的低频温度降低（升高）过程，这些高低空低频环流系统的配置和演变导致了2012／2013年冬季一次次强（或较强）的冷空气沿偏东偏北的路径影响我国东北地区，并导致极端低温事件的出现；（3）沿着乌拉尔山-贝加尔湖-我国东北地区-西北太平洋传播的500hPa低频波列，是驱动2012／2013年冬季东亚冬季风低频振荡和我国东北地区极端低温事件的环流系统。

模块化多电平矩阵变换器输入输出频率相近时低频运行控制策略

提出了一种模块化多电平矩阵变换器(M3C)输入输出频率相近时的低频运行控制策略。方案采用桥臂电流反馈控制,实现输入输出侧电流和内部环流的三重控制,并约束内部环流不影响输入输出侧;电压外环采用层次化电容电压控制策略,包括M3C总电容电压控制、输入输出侧相间平衡控制以及桥臂间平衡控制,其中桥臂间平衡控制通过叠加高频环流及零序电压实现,并引入PR控制器实现差频纹波的闭环抑制。该方案适用于输入输出侧频率相同的特例工况。通过OPAL-Rtlab半实物实验验证了该方案的可行性和有效性,以及优良的动静态特性。

面向低频海上风电送出的模块化多电平矩阵变换器输入输出侧解耦控制

基于模块化多电平矩阵变换器(modular multilevel matrix converter,M3C)的送出方案在中远海风电中具有良好的应用前景,但M3C也存在桥臂内部环流通道多及模组电容电压均衡控制困难等固有难题。为此,提出一种新的M3C解耦控制策略。首先,通过建模分析得到输入、输出侧解耦及桥臂环流控制的理论依据。然后,在工频输入侧dq旋转坐标系统下采用双序控制实现M3C电容电压总和稳定,并在低频输出侧dq旋转坐标系统下采用全序控制实现低频电压的稳定。在静止坐标系统下,通过调节桥臂工、低频环流实现子变流器间及子变流器内桥臂间电容电压的均衡,在实现桥臂电容电压均衡的同时,可确保输入、输出侧电流保持完全正序特性。所提控制方案结构清晰、两侧解耦特性良好。最后,通过稳态、动态及暂态仿真全面验证所提控制策略的有效性。

中国东南部5—8月持续性强降水和环流异常的准双周振荡

利用1979—2009年夏季(5—8月)中国站点逐日降水资料、NCEP/NCAR大气再分析资料以及向外长波辐射(OLR)资料,分析了中国东南部夏季持续性强降水的低频特征及其伴随的低频大气环流形势,利用超前滞后合成的方法对该低频信号的来源和传播特征进行了研究。结果表明:中国东南部夏季降水存在明显的准双周低频振荡,低频降水事件(持续性强降水)在6月10日前后和7月1日前后发生的次数较多,持续5d的低频降水事件降水量占总低频降水事件的比例最大。在低频降水事件发生时期,中国东南部在低层是很强的低频气旋式环流,而在中国南海至西太平洋一带则是强大的低频反气旋,同时低频的水汽从孟加拉湾北部以及中国南海、菲律宾海一带输送到长江以南地区强烈辐合上升;此时在高层一个低频反气旋控制中国东北部地区,该低频反气旋与其西侧的低频反气旋以及位于中国东南沿海的低频气旋相互配合,使得长江以南地区高层强烈地辐散,加强了低层的上升运动。在超前低频降水7d左右时,大气低层在150°E洋面附近开始出现低频反气旋,逐渐加强并向西移动到达中国东南沿海,而在中国南海一带的低频气旋则向西北移动到长江以南地区,与此同时,副热带高压有一个明显的西伸过程,高低层相互配合最终导致低频降水的发生。

途经鲁西地区两类台风的多尺度环流对比分析

利用中国气象局上海台风研究所、联合台风警报中心和东京区域专业气象中心提供的台风最佳路径集以及NCEP/NCAR提供的再分析资料,将途经鲁西地区的台风分为穿越型和溜边型,运用动态合成方法分析不同尺度环流场对两类台风的影响。结果表明:穿越型台风强度整体偏强,β效应作用明显,有利于台风北抬,台风西移北上过程中途经鲁西,不需要西风槽的配合;溜边型台风强度相对偏弱,β效应使得台风两侧地转偏向力的差异减小,台风趋向于沿低频引导气流移动,必须有西风槽配合,在转向东移过程中途经鲁西。此外,偏高的表面温度、偏强的季风涌、稍强的低层扰动和高层辐散以及适中的环境垂直风切变均有利于穿越型台风强度强于溜边型台风;而高低频环流的相互作用使两类台风的β效应和副热带高压的形态存在差异。

动态负载下的MMC环流抑制策略

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)中子模块电容电压波动与环流相互影响,环流二倍频分量进入子模块储能电容,造成子模块电压波动,引起其他偶次谐波环流。针对该问题,提出一种拓展环流抑制器(extended circulating current suppressor,ECCS),将动态最速下降(dynamic steepest descent,DSD)算法与陷波器结合,对二倍频环流与其他偶次谐波环流进行精确检测。结合拓展准PR环流抑制器,利用环流选择器,对逆变侧负载发生改变时产生的突变环流设定环流抑制区间进行最优化抑制,提高了系统中环流检测的准确性与收敛速度,扩展了环流抑制器应用范围。在MATLAB/Simulink中搭建双端MMC有源输电网络,验证了所提控制策略的有效性。

季风涡旋影响西北太平洋台风生成初步分析

西北太平洋对流层低层大尺度低频环流季风涡旋与台风生成有密切的关系。利用时间滤波方法将季风涡旋和台风环流从逐日台风风场中分离出来,对两次季风涡旋活动个例分析发现,气旋初始扰动都首先出现在季风涡旋中心东部,一次季风涡旋活动可以伴随着一个或几个热带气旋的生成。通过进一步分析2000—2009年季风涡旋活动与热带气旋的生成关系发现,虽然季风涡旋的定义与环流强度和持续时间有关,但是热带气旋的生成位置大多数分布在季风涡旋的中心和东部,这可能与季风涡旋的Rossby波能量频散有关。