北半球夏季热带季节内振荡影响我国夏季降水的规律和预测方法

利用1979—2018年夏季逐日观测和再分析数据,对北半球夏季热带季节内振荡影响我国夏季降水的规律和预测方法开展了研究。首先,利用非传统滤波即异常相对倾向(Anomalous Relative Tendency,ART)方法获取了气象要素的次季节变化分量,并采用EOF分析方法提取了北半球夏季热带主要季节内振荡信号,结果表明向外长波辐射(Outgoing Longwave Radiation,OLR)异常相对倾向EOF前两个模态共同反映了北半球夏季起源于印度洋并向东和向北传播的、具有30~60 d周期的季节内振荡(Boreal Summer Intraseasonal Oscillation,BSISO)信号。回归分析表明,该季节内振荡信号能够导致当地及其北面地区低层风场和位势高度场异常,影响该地区及其北面地区的水汽辐合辐散,从而能引起我国尤其是我国南方地区季节内旱涝变化,并一定程度上反映了我国异常雨带的向北推进过程。而后,将提取的热带主要季节内振荡信号作为预测因子,将降水异常相对倾向作为先行预板对象,利用多元线性回归方法构建了我国夏季旬降水异常相对倾向的预报模型,将预报的旬降水异常相对倾向加上观测已知的降水近期背景距平,从而得到旬降水距平的预报结果。通过历史回报和交叉检验,评估了该模型对梅雨期我国江淮流域降水(包括2020年梅汛期异常降水)的次季节预测能力。

北半球夏季季节内振荡年代际变化对西北太平洋群发台风突变减少的影响

利用台风最佳路径、bimodal IntraSeasonal Oscillation(bimodal ISO)指数和全球逐日向外长波辐射数据,研究了北半球夏季季节内振荡(Boreal Summer IntraSeasonal Oscillation,BSISO)年代际变化造成1996/1997年后西北太平洋群发台风突变减少的可能机制。分析显示,仅有包含3个及以上个数台风成员的“MTC3”群发出现了突变减少,此类台风更倾向在传播速度较慢、低频对流维持时间较长的BSISO活跃位相内出现,对次季节信号强度的要求相对较低。1996/1997年后,BSISO东传范围减小、周期延长、对流活跃位相日数缩短,导致西北太平洋长时间连续维持对流抑制位相,低频对流在145°E以东海域的强度减弱。当偏西海域有先导台风活动时,它向东南侧激发的罗斯贝波频散波列在(5°—20°N,145°—165°E)海域因没有低频对流耦合而快速消散,导致MTC3群发台风年代际突变减少。

夏季热带印度洋季节内振荡的北向传播特征

利用高分辨率的卫星资料和再分析资料,详细地探究1985—2017年夏季(5—10月)热带印度洋季节内振荡(TISO)的北向传播过程和特征。结果表明,印度洋TISO的北向传播可以分为3类:稳定型,对流信号起源于赤道以南,印度洋西部,稳定地向北传播至印度半岛北部;衰减型,前期与稳定型相似,但向北传播至孟加拉湾附近后迅速衰减;增强型,前期在赤道附近信号较弱,大约10天后,对流信号从印度半岛南部开始显著增强,并发展至喜马拉雅山脉以南。TISO北向传播过程中伴随显著的东风切变异常、海表面温度异常和边界层水汽扰动,三者在不同类型的北向传播中起不同的作用。对流事件北侧的海温正异常会促进对流的北向传播,在稳定型和衰减型的赤道传播过程中都起到显著的作用,增强型传播过程中海温正异常在对流南侧更显著,会抑制对流的北向传播。东风垂直切变机制为稳定型和增强型的稳定北向传播提供持续的动力,在事件后期的影响更加显著。边界层水汽扰动的经向不对称性在稳定型事件前后、衰减型事件前期以及增强型事件发生时加剧大气的不稳定性,诱导对流系统向北移动。研究结果有助于提高东南亚夏季季节内降水预测的准确性。

IOD对北半球夏季季节内振荡强度的可能影响

利用1979—1998年NCEP/NCAR再分析资料和GISST逐月海温资料,分析了印度洋偶极子(IOD)对季节内振荡强度的影响。结果表明:在非洲地区,IOD对季节内振荡强度存在显著影响,其对SLP季节内振荡强度的影响主要集中在非洲中部、西部和南部地区。在亚洲地区,IOD对季节内振荡强度也存在显著影响。在亚洲季风区的大部分地区,IOD与200 hPa纬向风(U)、高度场(H)和经向风(V)的季节内振荡强度都存在显著关联。IOD和ENSO对季节内振荡强度的作用差别显著,在有些地区甚至相反。进一步分析了1994年200 hPa上U、V的季节内振荡强度分布,并给出了1994年低频风场的传播特征。

青藏高原夏季风和北半球夏季季节内振荡对中国西南地区雨季旱涝的影响及协同作用

中国西南地区旱涝变化受多种天气系统影响,青藏高原夏季风(Qinghai-Tibetan Plateau summer monsoon,QTPSM)和北半球夏季季节内振荡(boreal summer intraseasonal oscillation,BSISO)等次季节系统的强弱都会导致中国西南地区雨季旱涝变化,但目前这2个系统的协同作用机制尚缺乏系统性研究。因此,本文利用1981—2020年美国国家海洋与大气管理局气候预报中心日降水量和美国国家环境预报中心日再分析资料等,采用青藏高原季风指数(QTPM index,QTPMI)和BSISO指数,分析QTPSM和BSISO对中国西南地区雨季旱涝的影响及协同作用机制。结果表明:(1)QTPSM的强度与中国西南地区雨季降水量呈反相关,活跃阶段的QTPSM(active QTPSM,AQ)抑制西南地区降水,抑制阶段的QTPSM(inactive QTPSM,IAQ)促进西南地区降水。(2)在BSISO第一模态的5、6相位和第二模态的3、4相位期间,中国西南地区雨季极端降水发生概率增大;而在BSISO第一模态的2、3相位和第二模态的6、7相位期间,中国西南地区雨季极端降水发生概率减小。(3)在协同作用中,BSISO第二模态的6、7相位和QTPSM组合对中国西南地区雨季旱涝影响最大,降水正距平分布范围最广;当BSISO相位与AQ组合转为与IAQ组合时,中国西南地区雨季降水正距平大值区由北部转为南部。(4)在AQ组合相位中,中国西南地区雨季对流层中层盛行东南风,低层东西两侧均为“一高一低”的环流配置,促使印度洋、西太平洋水汽输送至西南地区北部,形成水汽辐合区;在IAQ组合相位中,中国西南地区雨季对流层中层盛行偏北风,低层受强气旋环流控制,促使印度洋水汽持续输送至西南地区南部,形成水汽辐合带。

青藏高原春季积雪对北半球夏季季节内振荡的影响

利用中国科学院西北生态环境资源研究院提供的1981-2016年雪深资料,分析了青藏高原春季雪深异常对北半球夏季季节内振荡(Boreal Summer Intraseasonal Oscillation,BSISO)的影响。BSISO包括周期为30~60天的BSISO1模态和周期为10~30天的BSISO2模态。结果表明,当青藏高原积雪偏多(偏少)时,与BSISO1相关的对流在印度、孟加拉湾以及“海洋性大陆”(Maritime Continent,MC)区域偏多(偏少),而在南海和西北太平洋区域偏少(偏多);与BSISO2相关的对流在北印度洋、MC以及东海南海区域偏多(偏少),而在西北太平洋区域偏少(偏多)。高原积雪可以通过改变背景风场以及湿度场来影响BSISO1的对流活动。当高原春季积雪异常增多(减少)时,垂直东北风切变在北印度洋区域增强(减弱),北印度洋与孟加拉湾间的湿度梯度增加(减小),有(不)利于与BSISO1相关的对流活动传播到孟加拉湾及MC区域;MC区域水汽减少(增多),不(有)利于与BSISO1相关的对流活动继续传播到南海和西北太平洋区域。

热带夏季风场与对流场季节内振荡传播模比较

利用1979-2007年卫星观测日平均OLR资料以及NCEP/DOE第2套再分析资料中的风场资料,采用有限区域波一频分析、合成分析等方法,分析对比对流层高、低层风场与对流场所表征的热带北半球夏季季节内振荡(BSISO)各种传播模态谱分布气候特征及其年际异常。结果表明:各要素反映的BSISO各种模态的气候特征及其年际变化存在一定差异,总体而言对流层低层风(850hPa纬向风或经向风)与对流比较一致。850hPa经向风(纬向风)所反映的纬向(经向)传播BSISO谱分布气候特征与对流情况最相似。在ENSO发展年,850hPa经向风反映的赤道东传波加强趋势与对流较为一致;850hPa纬向风、经向风反映的北传波变化趋势都与对流相似。在ENSO衰减年,850hPa纬向风(经向风)反映的赤道东传波(赤道外西传波)减弱趋势与对流较为一致;对流以及850hPa经向风、200hPa纬向风和200hPa经向风4种要素都能体现南海及周边地区北传波明显减弱这一特征。对流和850hPa纬向风所反映的北传波与印度洋偶极子模态之间关系一致。

热带印度洋MJO活动对孟加拉湾西南夏季风季节内振荡的影响

通过对1979—2008年热带太平洋30—60 d振荡(Madden-Julian Oscillation,MJO)指数、美国国家环境预报中心再分析资料和日本气象厅降水资料的分析,发现热带东印度洋MJO强度和传播状况影响孟加拉湾西南夏季风季节内振荡及相关低频环流、对流和降水分布。当热带东印度洋MJO在春末夏初较活跃时,孟加拉湾西南季风季节内振荡活动在4—8月比其不活跃时提前约20 d(约1/2个周期),其对于孟加拉湾西南季风季节内振荡的影响可持续整个季风期,使西南季风的季节内振荡不仅酝酿期和活跃期提前发生,季风期有所延长,季节内振荡也更强。西南季风季节内振荡具有明显的北传和东传特征,北传沿孟加拉湾通道从赤道向副热带推进,而东传则沿10°—20°N从孟加拉湾向东传至南海地区。春末夏初时热带东印度洋MJO的异常状况,正是通过对西南季风季节内振荡东传和北传的影响,进而对孟加拉湾西南季风季节内振荡在季风期的酝酿、维持和活跃产生作用,这种作用同时体现在强度和时间上。孟加拉湾西南夏季风季节内振荡强度与热带东印度洋MJO在4月21日—5月5日的活动呈现显著负相关,当热带东印度洋MJO在春末夏初较活跃时,孟加拉湾西南夏季风季节内振荡的强度较大,在5—8月经历3次季节内振荡波动,低频对流场和环流场在1—3位相(孟加拉湾西南夏季风季节内振荡为正位相)和4—6位相(负位相)时呈反位相特征,这是由MJO低频对流的东传及在孟加拉湾和南海这两个通道上的北传引起的。从印度半岛到菲律宾群岛的降水在1—3位相和4—6位相上分别为正异常和负异常,其中,在第2位相(孟加拉湾西南季风季节内振荡波峰)和第5位相(孟加拉湾西南季风季节内振荡波谷)时分别为降水最大正异常和最大负异常。反之,在热带印度洋MJO在春末夏初不活跃年时,孟加拉湾西南夏季风季节内振荡活动较弱,强度偏弱且振荡也不规律。

我国南方夏季低频降水与热带大气季节内振荡传播的关系研究

为综合考察我国南方夏季低频降水与热带大气季节内振荡(ISO)传播的关系,利用1981—2011年再分析资料系统性地研究了我国南方夏季五类大尺度低频雨型分别对应的前期和同期热带ISO信号的传播特征。结果表明,我国南方夏季各类低频降水型与热带ISO信号的经向传播关系极为密切。热带湿ISO信号主要来源于我国东南方向的热带海洋,并大体向西北方向传播,最终对我国南方各地区低频降水事件产生影响。其中,东南型低频降水前期湿ISO信号自赤道中太平洋地区向西北方向传播,到达我国东南沿海;长江型和江南型低频降水前期湿ISO信号均产生于南海北部,北传至长江地区后西传,并表现出湿ISO信号低纬度北传与中纬度南传相互配合影响降水的特征;华南型低频降水前期湿ISO信号产生于菲律宾群岛附近,西北向传播特征明显,并以北传为主;同时也发现,对于南方少雨型,总体而言我国南方为干ISO位相控制且无明显传播特征相对应。研究结果可为开展我国南方地区夏季延伸期降水预报提供参考和依据。

印度洋海温年际异常与热带夏季季节内振荡的关系及其数值模拟研究

利用观测分析资料和SINTEX-F海气耦合长时间(70年)数值模拟结果,分析了印度洋海温年际异常与热带夏季季节内振荡(BSISO)各种传播模态之间关系及其物理过程。结果表明,印度洋海温年际异常与热带BSISO关系密切,当印度洋为正(负)偶极子情况,中东印度洋北传BSISO减弱(加强);当印度洋为正(负)海盆异常(BWA)情况,印度洋西太平洋赤道地区(40°E -180°)东传BSISO加强(减弱)。印度洋海温年际变化通过大气环流背景场和BSISO结构影响热带BSISO不同传播模态强度的年际变化。在负(正)偶极子年夏季,由于对流层大气垂直东风切变加强(减弱),对流扰动北侧的正压涡度、边界层水汽辐合加强更明显(不明显),导致形成BSISO较强(弱)的经向不对称结构,因此北传BSISO偏强(减弱)。印度洋BWA模态通过影响赤道西风背景以及海气界面热力交换,导致赤道东传BSISO强度产生变化。在正BWA年夏季,赤道地区西风较明显,当季节内振荡叠加在这种西风背景下,扰动中心的东侧(西侧)风速减弱(加强)更明显,海面蒸发及蒸发潜热减弱(加强)更明显,导致扰动中心的东侧(西侧)海温升高(降低)幅度更大,从而使边界层产生辐合(辐散)更强、水汽更多(少),因此赤道东传BSISO偏强;而在负BWA年,赤道地区西风背景减弱,以上物理过程受削弱使赤道东传BSISO偏弱。

夏季北半球中高纬低频振荡诊断分析

自从1971年Madden、Juliar等发现热带太平洋地区的纬向风有40～50天周期性振荡现象，并证明这种纬向风的40—50天准周期振荡在全球热带地区都存在以后，对这种周期振荡的研究一直得到广大气象学家的重视。比如，K．M．Lau等以及Murakami等利用卫星得到的射出长波辐射资料(OLR)进一步研究了热带大气30—60天振荡的传播特性；

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。

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。

中国东部夏季季节内降水异常及其伴随的热带和中高纬度大气环流演变特征

利用1981-2020年夏季(5-8月) CPC(Climate Prediction Center)逐日降水资料、 NCEP/NCAR逐日再分析资料以及NOAA的向外长波辐射资料,通过经验正交函数(EOF)分解、超前滞后合成等方法,分析了中国东部夏季季节内降水异常的主要模态(即南方型和江淮型降水异常)及其伴随的热带和中高纬度大气季节内振荡(ISO)信号演变特征,初步讨论了中国东部夏季季节内降水异常的成因。结果表明:(1)南方型降水异常事件在早、中、晚夏发生次数接近,江淮型降水异常事件主要发生在中夏。(2)早夏南方型降水异常主要表现为长江以南降水异常,中、晚夏长江以北的降水异常也比较明显。(3)南方型降水异常的形成受到热带和中高纬度大气季节内振荡的共同影响,热带大气对流信号传播携带的暖湿气流输送与中高纬度大气罗斯贝波列传播伴随的冷空气活动在南方地区形成水汽辐合,有利于降水异常的发展维持。且热带和中高纬度大气季节内振荡信号受海表温度、副热带高压和西风急流季节内变化的调节。从早夏、中夏到晚夏,热带大气季节内振荡的源地和传播路径均发生变化,中高纬度对流层高层罗斯贝波列的传播路径和强度也有差别。(4)江淮型降水异常主要表现为长江中下游和华南沿海降水异常反相变化,并伴随着西太平洋副热带高压的西伸东退。热带从赤道西太平洋北传和西北传的异常对流信号,以及中高纬度乌拉尔山阻塞高压与鄂霍次克海阻塞高压在季节内尺度上的协同变化,是造成江淮型降水异常的主要原因。

太平洋年代际涛动对南海夏季季节内振荡的调制作用

【目的】探讨太平洋年代际涛动(PDO)不同位相下其对BSISO时空特征、强度等产生的影响。【方法】利用NOAA云顶向外长波辐射和NCEP-DOE再分析资料研究PDO不同位相下夏季(5-10月)BSISO的活动特征和PDO影响BSISO的可能机制。【结果与结论】PDO影响BSISO的周期:暖位相下BSISO活动周期较冷位相下活动周期短,暖位相周期主要是10~50 d,而冷位相周期主要是10~40 d和60~70 d。冷暖位相周期均在10~40 d显著,而PDO暖冷位相分别在40~50 d、60~70 d相对显著。PDO影响BSISO的活动轨迹:PDO暖位相下对流活动在西太平洋上呈东南-西北向的移动趋势,而PDO冷位相时对流从印度洋向东北移动,对流中心可延伸至热带西太平洋,后转向西北移动直至南海上空。PDO影响BSISO的原因:PDO暖位相时,西太平洋有强的东风剪切异常,有利于对流的向北移动。而冷位相下,孟加拉湾至南海及以南区域东风垂直剪切异常、比湿正异常以及比湿的经向梯度共同作用驱动对流向北移动。此外,PDO暖位相较冷位相位势高度偏高,因而对BSISO活动强度起到抑制作用。

夏季季节内振荡对西北太平洋台风活动的影响

利用夏季季节内振荡(Boreal Summer Intraseasonal Oscillation,BSISO)指数和台风密集度分析了夏季季节内振荡和西北太平洋台风活动的关系。台风密集度定义为一天内500 km范围内台风出现的概率,与台风经纬度位置相比,台风密集度可更灵活地表达台风生成及移动特征。结果表明夏季季节内振荡对台风活动有明显的调制作用。当夏季季节内振荡指数1(BSISO1)处于第1、5、6、7、8位相时,南海及菲律宾以东海域台风活动明显增强;当夏季季节内振荡指数2(BSISO2)处于第2、3、4位相时,西北太平洋台风活动也明显增强。当夏季季节内振荡处于这些位相时,台风活动增强与南海及菲律宾以东海域环流气旋式异常、对流活动正异常相一致。

热带海气相互作用对大气BSISO年际振荡的影响

利用卫星观测OLR资料以及海气耦合数值模拟试验结果,从每年波-频分析结果提取了各种传播模态的强度指数序列,分析了热带北半球夏季季节内振荡(BSISO)各种传播模态的年际变化谱特征,探讨了热带各海区海气相互作用对其影响。主要结果如下:赤道外西传波和印度洋北传波以准2 a为显著振荡周期,赤道东传波、南海北传波和西太平洋北传波则都包含准2 a和准5 a两种周期,南海北传波是5种指数中惟一以准5 a为最主要周期振荡的模态。热带印度洋、西太平洋、东太平洋各海区海气相互作用对各指数准2 a振荡、准5 a振荡既有加强作用,也有削弱作用。各海区比较而言,对赤道东传波准2 a和准5 a振荡、南海北传波准2 a和准5 a振荡起最大加强作用的是西太平洋海区海气相互作用;对赤道外西传波准2 a振荡、西太平洋北传波准2 a和准5 a振荡起最大加强作用的是印度洋海区海气相互作用。

夏季副热带高压北移的非线性机理探讨

文中建立了含22个变量的强迫、耗散、非线性的斜压大气动力系统。该系统包含了超长波、长波和纬向气流三者的相互作用;反映了北半球两大洋、两大陆的“二波型”的纬向和经向非均匀热力强迫;采用相轨线图、流函数图以及Poincar啨图相结合的方法,归纳出若干典型的流动体制和环流型式;用长方形通道中的流动近似地表征北半球环流。结果表明:(1)该系统能很好地刻画斜压大气中7种流动体制及其转换;随着夏季热力强迫的增大,系统状态经历了R1R12V-NVR12的变化。(2)刻画了4种主要的环流型式及其转换;随着夏季热力强迫的增大,环流型从G2转G3,即副高季节性北移西伸。(3)系统的流动体制和环流型式之间的联系表现为:夏季副热带高压北移西伸即G2转G3的变化,对应着流动体制由Rossby流转振荡态(R12V-NV);副热带高压在偏北位置上的南北向和东西向的振荡活动,则对应着系统振荡态的维持。

亚洲热带气候态夏季风涌传播特征及其对中国降水的影响

基于1979—2020年逐日的NOAA向外长波辐射资料、NCEP/NCAR再分析风场资料,以及全球CMAP再分析降水资料,探讨了气候态亚洲热带夏季风涌的传播过程及与我国夏季相应的降水联系。分析结果表明,主汛期亚洲热带气候态夏季风季节内振荡(CISO)活动是亚洲夏季风活动的主要特征,随时间北传的亚洲热带夏季风CISO称为亚洲热带夏季风涌,主要有南亚夏季风涌和南海夏季风涌。亚洲热带夏季风涌的传播可分为四个阶段。在亚洲热带夏季风涌的发展阶段,印度洋区域低频气旋与对流活跃,孟加拉湾和南海热带区域被低频东风控制,我国大部分地区无降水发生,降水中心位于两广地区。当进入亚洲热带夏季风涌活跃阶段,孟加拉湾和南海热带地区低频气旋和对流活跃,东亚低频“PJ”波列显著,我国降水中心北移到长江以南的附近区域。亚洲热带夏季风涌减弱阶段,孟加拉湾与南海低频气旋消亡,对流减弱,低频西风加强,日本南部附近为低频反气旋控制,我国长江中下游低频南风活跃,降水中心也北移到长江中下游地区,而华南地区已基本无降水,此阶段的大气低频环流场与亚洲热带夏季风涌发展阶段基本相反。进入亚洲热带夏季风涌间歇阶段时,孟加拉湾和南海热带地区低频反气旋活跃,对流不显著,日本南部附近的低频反气旋北移减弱,我国东部基本在低频南风的控制下,降水中心也逐步北移到华北-朝鲜半岛一带,此时的大气低频环流场与亚洲季风涌活跃阶段基本相反。

南海夏季风爆发对广西6月暴雨的影响

利用1961—2020年广西地面气象观测站逐日降水资料、NCEP/NCAR再分析资料,研究了南海夏季风爆发对广西6月暴雨的影响。结果表明,当南海夏季风爆发偏早时,东亚大槽显著偏强,中高纬度地区经向环流增强;华南沿海西南风显著偏强,配合中高纬度偏强的经向型环流引导北风南下,南北风在广西上空交汇;印度洋到海洋性大陆热带季节内振荡(MJO)处于对流活跃位相,且向东移动明显,低频对流带在西南季风引导下向广西输送;广西上升气流显著偏强,暴雨日数偏多。反之,暴雨日数偏少。