1961-2008年中国西北东部旱涝异常分布及干旱变化特征

应用主成分分析和旋转主成分分析方法,利用陕、甘、宁、青四省(区)170个测站,对1961-2008年大气干旱指数S=ΔT/δT-ΔR/δR的地域相关和年际变化特征进行了分析。结果表明:西北地区东部旱涝异常在空间上表现为较高的整体一致性,其次表现为东西相反和南北相反的变化趋势。西北地区东部旱涝异常存在三个基本相关的区域:甘肃东南部及陕西、河西走廊及河套地区、青海区。50 a来,各区在1974-1977年间和1982-1985年间湿润多雨,1994年以后相对少雨干旱。进一步分析发现,研究区域中西部尽管降水是增加的,但干旱指数变化不明显,而区域东部地区干旱指数变化很明显,说明区域中西部地区变湿不明显,而区域东部暖干化趋势明显。

1470-1912年西北东部地区旱涝等级重建序列的特征及对比分析

通过收集整理西北地区东部1470-1912年旱涝灾害历史文献资料,重新建立逐年旱涝等级序列。利用滑动平均、累计距平、滑动T检验和小波变换等方法,综合分析了443 a间西北东部地区旱涝序列的变化特征。为验证本序列的可靠性,利用华山降水量重建序列和陇西地区干湿指数序列进行长期趋势对比分析,并将代表性省份石笋δ18O序列和重建旱涝等级序列进行对比验证。结果表明：（1）西北东部地区以旱灾为主,旱灾频繁且大旱、连旱严重。旱涝灾害具有明显的阶段性,大致可分为4个阶段,分别为1470-1540年、1541-1615年、1616-1796年和1797-1912年,且可分为12个明显的偏旱和偏涝时期。（2）在10 a尺度上检测出旱涝变化存在12个突变点,50 a尺度上存在5个突变点。（3）重建序列存在较明显的周期变化的时间尺度是130-110 a、70-80 a、50-52 a和28 a、10-15 a、5 a。28 a左右时的周期振荡最强,为第1主周期,第2、3、4周期依次是15 a、73 a和50 a。（4）根据对比分析,早涝重建序列和其他长降水量序列具有较高的一致性,与同期石笋氧同位素δ18O记录对应较好,间接证明了历史文献资料恢复历史时期气候变化的可靠性和可行性。

西北东部气候异常特征及其对冬季高原感热的响应

利用1960—2000年西北东部100个测站,经过面积权重区域平均的降水、气温资料,对该区域气候异常进行分析。结果表明:①对异常旱涝年,亚洲西风带环流及西太平洋副热带高压的位置最为关键。异常涝年,亚洲地区经向环流占优势,东亚大槽偏东,西太平洋副热带高压偏北;异常旱年,亚洲地区纬向环流占优势,东亚大槽偏西,西太平洋副热带高压偏南。②对异常冷暖年,极涡、西风带环流以及西太平洋副热带高压的状况最为关键。气温异常偏高年,北半球极涡强度及亚洲极涡强度均偏弱,欧亚地区盛行纬向环流,西太平洋副热带高压面积偏大,强度明显偏强,西伸脊点明显偏西,位置偏北;气温异常偏低年,北半球极涡强度及亚洲极涡强度均偏强,欧亚地区盛行经向环流,西太平洋副热带高压面积偏小,强度明显偏弱,西伸脊点明显偏东,位置偏南。③冬季高原感热与滞后一个季度的夏季降水、气温的相关较春季的相关更好。

宋元时期中国西北东部的冷暖变化

根据历史文献中的作物种植界线、种植制度变化、植物及异常气象水文物候等记载,并辅以树轮、湖泊沉积等自然证据指示的冷暖变化状况,分析了宋元时期(960～1368A.D.)我国西北地区东部的冷暖变化特征。主要结论是:960A.D.前后,西北东部地区冷暖程度与今(即1951～1980年)基本一致;960s～1040s,气候逐渐增暖;1040s～1110s,气候较今暖;1110s以后,气候转冷;12世纪末,气候又再次明显转暖;1260A.D.之后,温度下降,自13世纪末进入寒冷期。西北东部的这一冷暖变化过程不但与毗邻地区湖泊、特别是树轮等所指示的冷暖变化过程较为一致,而且与中国东部地区的冷暖变化也基本一致,但13世纪后期的降温幅度较中国东部更为明显。

春季印度洋SSTA对夏季中国西北东部极端降水事件的影响研究

基于近47年来NCAR/NCEP再分析月平均高度场、风场、地面气压,比湿以及NOAA重构的印度洋海表温度资料和中国西北东部97个气象台站逐日降水资料,首先利用百分位法定义了极端降水事件的阈值,运用SVD及合成分析等方法,研究了前期秋季、冬季、春季及同期夏季印度洋海表温度同夏季中国西北东部极端降水事件的关系,结果表明前期春季印度洋海温异常对预测夏季中国西北东部极端降水事件的变化特征具有较明确的指示意义,关键区位于赤道印度洋地区。如果春季赤道印度洋海温异常偏暖,从同期春季到后期夏季,100～110°E平均经圈环流在赤道附近表现为异常上升气流,对应30°N附近在对流层中、上层表现为异常的下沉气流,同时来自印度洋的西南季风异常偏弱,使得后期夏季由于没有异常的水汽输送到我国西北东部地区,从而极端降水事件偏少,而偏冷年份正好相反。另外在春季赤道印度洋海温异常暖年,后期夏季南亚高压偏强,且呈西部型;而在异常冷年,南亚高压偏弱,且呈东部型,这可能是引起夏季中国西北东部极端降水事件变化的另一原因。

1981—2012年西北东部夏季降水不同强度雨日变化及其环流特征的对比分析

利用1981—2012年中国西北东部198个台站的逐日气象观测数据和ERA-Interim再分析资料,分析了近32年中国西北东部夏季不同强度降水的雨日和雨量的变化特征,并对比了产生不同强度降水的大气环流系统的异同。结果表明,西北东部夏季降水以小雨和中雨为主,二者占夏季雨日的90%以上、占夏季雨量的70%左右。小雨日数占总雨日的比率在空间上自东南向西北递增;中雨、大雨、暴雨和(特)大暴雨日数的比率自东南向西北递减。夏季小雨、中雨日数和降水量均呈减少的趋势,21世纪初的减少速率慢于20世纪80—90年代;暴雨则呈略微增多的趋势。通过对1981和2003年的个例分析发现,乌拉尔山阻塞高压、蒙古气旋和西北太平洋副热带高压增强西伸时,有利于北方干冷气流和南方暖湿气流在西北东部交汇,降水较多;反之则降水较少。在冷、暖空气均增强的背景下,若冷、暖气团的交界线偏南,西北东部主要受北方冷气团控制,南边界的水汽输送较微弱,易发生小雨;若冷、暖气团的交界线偏北,西北东部主要受到南方暖湿气团的影响,南边界的水汽输送和辐合较强,多出现强降水,降水强度取决于水汽的强度和上升运动的高度。

中国西北东部汛期降水对青藏高原东部春季感热在准3a周期上的响应

利用1960—2010年中国西北东部地区39个气象站的逐日降水资料和NCEP/NCAR月平均地表感热通量再分析资料以及大气环流各要素场资料,通过多锥度-奇异值分解(MTM-SVD)等方法,分析了中国西北东部汛期降水、青藏高原东部春季感热的周期振荡特征以及它们在准周期循环上的协同耦合关系。结果表明,感热与降水均存在显著的准3 a周期,其耦合场在准3 a周期上表现也最为明显。当青藏高原东部春季感热在青藏高原主体上偏强(弱)时,对应中国西北东部汛期降水的异常偏多(少)。该准3 a周期循环上的协同关系在1960—1982年表现最为显著,1983—1990年为调整阶段,90年代之后又逐渐明显。青藏高原东部春季感热对大气环流的持续加热过程影响西北东部汛期降水,且主要体现在8月。

西北东部夏季极端干旱事件机理分析

利用国家气候中心提供的1951—2012年逐日降水、温度、综合气象干旱指数、逐月NCEP/NCAR再分析资料等,采用REOF分析、动力诊断、相关分析以及合成分析等方法,从大气环流异常特征、高空急流与季风异常等方面揭示西北东部夏季极端干旱事件的可能机理。研究发现西北东部夏季发生极端干旱时,副热带急流轴"倾斜",且急流与东亚夏季风强度均处于相对偏弱阶段。极端干旱的成因研究表明:急流轴"倾斜"及其强度减弱导致西北东部地区高层大范围的异常辐合;该地区为水汽源区,对流层整层水汽收支显著亏损;此外,该地区低层盛行来自内陆干旱区的异常西南风,东亚夏季风强度偏弱,高低层配置及大尺度环流形势不利于降水产生。

1470-1912年西北东部地区极端干旱事件的复原及分形特征研究

通过对西北东部地区1470-1912年干旱灾害历史资料的搜集整理,根据干旱发生强度、持续时间、发生范围,定义了强旱事件,建立了极旱因子模型,复原了443年西北东部地区极端干旱事件,并根据时间分形原理,挖掘出极旱事件时间序列的分维特征。经过对比分析得到以下结论:建立的模型结果与记载结果具有显著的相似性;全序列旱灾时间分维值随极旱强度的增加而降低,与极旱发生周期呈反位相关系;各类别极旱有自己的时间重演律,极旱程度越轻,无标度区越宽,分维值越高,短周期比较明显。

湿位涡和Q矢量与西北东部暴雨关系的分析

应用湿位涡理论和Ｑ 矢量分析方法，研究了位于发生在副高边缘青藏高原东侧复杂地形条件下一次暴雨过程。通过对湿位涡、Ｑ 矢量散度、涡度和锋生函数等物理量分布特征的诊断，发现造成西北东部暴雨的内在机制， 是一次大环流形势调整后的西太平洋副热带高压西伸北抬，与新疆东移冷空气在其边缘交绥抬升时切变辐合带强烈发展，从而激发前期堆积的不稳定能量释放，并提出了在数值预报产品释用业务中应用湿位涡及Ｑ 矢量场作暴雨落区预报的着眼点。

中国西北东部近50 a降水异常分布及变化特征

基于主成分分析和旋转主成分分析方法,应用陕、甘、宁、青4省（区）170个测站的降水量观测资料,分析了西北东部1961-2010年降水量区域分布、地域相关和年际变化特征。结果表明：西北地区东部降水异常在空间上主要表现为较高的整体一致性,其次表现为东西相反和南北相反的变化趋势。西北地区东部降水异常存在4个基本相关的区域：陇东南和陕西中南部区、陇中宁夏和陕北区、青海高原区和河西走廊区。近50 a来,陇中宁夏和陕北区、河西走廊区各年代降水呈反位相变化;陇东南和陕西中南部区、青海高原区1961年以来的前40 a各年代变化趋势一致,本世纪初的10 a变化相反。河西走廊区、青海高原区则向湿转变,陇中宁夏和陕北区、陇东南和陕西中南部区干旱程度更为明显。

西北东部盛夏大、暴雨的云图特征及预报

一、大、暴雨的过程标准及环流背景将西北区东部(含青海东、南部,甘肃河东各地及宁夏、陕西两省区)分为:青海东部片、青海南部片、甘肃中部片、甘南片、陇南片、陇东片、银北片、关中片、陕北片、陕南片。凡任意一片中有1/3以上的站出现大雨(日降水量≥25毫米)或陕西、陇南各片有1/5以上的站。

利用年际增量法对西北东部汛期降水的定量预测研究

通过分析1965～1999年西北东部汛期降水与相关物理量年际增量的相关性，筛选出可作为西北东部汛期降水的预测因子，并研究其影响该区域汛期降水的物理机制。在此基础上，采用多元线性回归方法建立了汛期降水年际增量与预测因子的物理统计预测模型，并对2000—2014年的汛期降水进行预测。结果表明，5月Nifio3．4指数、1月北太平洋环流指数和西太副高强度指数、5月北半球极涡中心强度指数和东亚大槽强度指数的年际增量等5个变量可作为西北东部汛期降水的预测因子；该预测模型对2000—2014年汛期降水的预测准确率很高，预测与观测的汛期降水演变趋势非常一致，相对误差在±15％以内的有12a，距平同号率达到10／15，距平均方根误差为15％，可用于西北东部汛期降水的预测，能够提高其预测水平。

欧亚中高纬冬季地表感热异常与中国西北东部夏季降水的可能联系

利用1979—2012年NCEP/DOE月平均地表感热通量再分析资料、西北东部156站夏季降水日资料,分析了欧亚大陆中高纬(61°N—67°N,53°E—68°E)冬季地表感热通量对我国西北东部夏季降水的影响。结果表明,当欧亚大陆中高纬冬季大气向地表输送感热值偏大时,春、夏季地表向大气输送感热值也偏大,引起了夏季500 hPa乌拉尔山阻塞高压加强,蒙古低压加深,西北太平洋副热带高压强度偏强,位置偏西,西风急流位置偏北,南亚高压呈东部型;对流层中低层表现为异常上升气流,同时有水汽的辐合,西北东部位于副高外围和蒙古低压底部,大气环流场的变化导致中国西北东部夏季降水偏多。当欧亚大陆中高纬冬季大气向地表输送感热值偏小时,春、夏季地表向大气输送感热值偏小,引起相反的夏季大气环流异常,使得中国西北东部夏季降水偏少。

西北东部半干旱区一次极端特大暴雨的触发和维持机制

2022年7月15日地处西北东部半干旱区的甘肃庆阳出现特大暴雨,多站日雨量和小时雨量均突破历史极值,利用多源观测资料和ERA5再分析资料,针对这次特大暴雨过程形成机制进行分析。结果表明,本次过程是发生在黄土高原复杂地形下弱天气尺度斜压强迫、弱不稳定能量及深厚湿层背景下的暖区暴雨,局地性强、强降水持续时间长;南亚高压、副热带高压及低层气压系统上下叠加的环流形势配置有利于中尺度对流系统发生发展;地面辐合线和偏南低空急流触发对流系统初生、发展,低空急流的发展和长时间维持使地面辐合线不断加强,同时急流左侧(暴雨区)与其出口区和入口区右侧形成的稳定次级环流是对流系统维持的关键,而凝结潜热释放引发的局地锋生、低层正涡度发展则是对流系统发展维持的另一重要因素,同时也是大气不稳定度维持的重要原因。中尺度对流系统呈现深厚低质心、准静止特征,雷达回波具有后向传播和列车效应特征。

中国西北东部汛期降水主模态的年代际差异及其大气环流特征

利用1961—2012年中国西北东部156站降水和NCEP/NCAR再分析资料,分析该地区汛期(5—9月)降水特征的变化,构造综合相似指数,将历年汛期降水量场划分为全区一致偏多型、一致偏少型、南多北少型、南少北多型共4类降水类型,其中以全区一致偏少型所占比例最多。在全球气候变暖背景下,全区降水虽仍以一致偏少型为主,但其比例明显减小,而全区一致偏多型比例明显增加。全区一致偏多(少)的降水异常敏感区的中心位置随时间逐渐向东南方向移动,而南多(少)北少(多)型的降水异常敏感区中心位置则随时间逐渐向西北方向移动,两个模态所反映的降水异常敏感区的范围和强度在各年代均有较大差异。夏季西部型南亚高压、乌拉尔山脊显著增强,蒙古气旋加强、西太平洋副热带高压加强,南海、孟加拉湾的暖湿气流深入到中国西北东部地区,是西北东部降水一致偏多的主要大气环流特征。

西北东部极端降水事件及异常旱涝季节变化倾向

利用西北地区东部100个气象观测站1960—2000年逐日降水资料,对降水、极端降水事件及异常旱涝区域面积的季节变化倾向进行了分析。结果表明:春、秋、冬季,虽然极端降水事件频次的变率小于降水距平百分率的变率,但两者的变化趋势一致,春、秋季呈上升趋势,冬季呈下降趋势,表明极端降水事件出现的多与少,基本决定了季节降水趋势的变化;夏季,暴雨出现的多与少不能完全决定夏季降水量的趋势,而大雨频次的变化趋势与降水距平百分率的变化趋势一致,略呈上升趋势。夏季降水异常偏少的区域面积呈减少趋势,表明干旱发生的区域面积缩小了;秋季降水异常偏少的区域面积从20世纪80年代中期开始明显的扩大,表明干旱发生的区域面积增大了;春、冬季,降水异常偏多、偏少的区域面积是对称变化的,即降水异常偏多的区域面积增多,则异常偏少的区域面积减少;反之亦然。

印度洋海盆模影响西北东部降水的大气环流分析

利用回归统计方法分析了热带印度洋海盆模影响西北地区东部5月降水异常的大气环流异常分布及可能的物理机制。结果表明:印度洋暖海盆模可以在亚欧地区大气中引起类似"Matsuno-Gill Pattern"的大气响应,在对流层中上层形成异常波列,西北地区东部正好位于新疆—巴尔喀什湖负异常中心和东亚地区正异常中心之间,处在明显西低东高的高度场异常形势下,这正是西北地区东部5月降水异常偏多的典型环流形势。对应波列分布,欧亚范围存在3个明显异常气旋、反气旋,对流层高层200 h Pa华北到西北地区东部为大片气流异常辐散区,低层850 h Pa为气流辐合,形成异常垂直上升运动,有利于西北区东部降水异常偏多。因此印度洋海盆模是通过引起遥相关波列,在西北地区东部上空形成西低东高的异常环流,从而影响该地区的降水异常。

印度洋海盆模影响西北东部5月降水的数值模拟研究

利用海洋大气完全耦合模式FOAM模拟研究了热带印度洋海盆模影响我国西北地区东部5月降水的异常及其物理机制。结果表明:当热带印度洋为暖海盆异常模态时,FOAM模式模拟的西北地区东部5月降水异常偏多,这与观测分析结果相一致。模拟发现春季热带印度洋暖海盆模态可在大气中引起类似"Matsuno-Gill Pattern"的异常响应,在对流层高层青藏高原西南侧形成异常高压,并在北半球中纬度沿高空急流轴形成异常遥相关波列,西北地区东部处于异常遥相关波列在东亚地区正异常中心的西部,正好为"西低东高"这一典型降水偏多的大气环流形势控制,对应对流层高层风场为明显的异常反气旋环流,气流辐散,低层有小范围的弱辐合,形成气流上升运动和水汽异常大值中心,引起降水偏多,模拟的海盆模引起的大气环流异常场与观测分析结果基本一致。FOAM模式对热带印度洋海盆模影响西北地区东部5月降水异常及其物理过程进行了较好的模拟验证。

中国西北东部地区春季水汽输送特征分析

利用1951—2016年逐月降水资料和NCEP/NCAR再分析资料,分析了西北东部地区春季水汽输送特征及其与降水之间的联系。结果表明:(1)西北东部地区春季的水汽主要来自中纬度西风带、阿拉伯海、西伯利亚、南海以及西太平洋,其中特别是阿拉伯海的反气旋环流和西太平洋副热带高压的强度和位置变化对该地区春季水汽输送有影响。(2)西北东部地区春季时以向东的水汽输送为主,经向水汽输送通量在35°N以北向南输送,而在35°N以南向北输送,水汽在该地区的南部和西北部辐合,在中部辐散,其西边界和东边界都是辐散的大值区。(3)西北东部地区春季降水异常主要与经向水汽输送关系密切,当西太平洋向西的水汽输送偏强(弱)时,西北东部地区降水偏多(少)。