大气30-60d振荡特征及其与广东持续性强降水的联系

利用美国NCEP/NCAR的逐日再分析资料,分析了2005年6月华南持续性强降水期间850和500 hPa低频位势高度场、850 hPa低频风场和低频OLR场的水平分布及经、纬向传播特征。结果表明,2005年6月2-5日较弱的持续性降水期间,广东地区上空无明显的低频位势扰动和低频对流的发展和加强,但6月18-23日的持续性强降水过程中,大气的30-60 d振荡明显,副热带西太平洋上对流层中低层低频位势扰动有明显的西传特征,南海中北部低频位势扰动向北传播的速度比低频对流活动传播更快。6月初副热带高压带上西太平洋地区低压扰动可能是该区低频气旋和低频对流扰动的源,其中低频气旋北移和西太平洋上低频反气旋的发展是促使广东地区上空低频对流发展和加强的重要原因,为此次持续性强降水的发生提供了有利环流背景。

2003年江淮流域强降水过程与30-70d天低频振荡的联系

利用NCEP／NCAR再分析和地面观测站的逐日降水资料，研究了2003年夏季江淮流域强降水过程与低频振荡的联系。结果显示，主周期为30～70d的低频振荡对2003年江淮流域暴雨的形成具有重要贡献：低频涡旋在江淮地区降水期的对流层高、低层呈负、正配置，具有斜压结构，利于降水发生；850hPa上正涡度系统的传播具有明显的北传和西传特征；存在于西太平洋、西北太平洋及其以东地区的低频波列（P—J）的活动过程影响了我国2003年江淮低频强降水的形成；整层低频水汽通量显示来自副热带高压外围的西南季风对水汽输送的贡献较显著，且2003年江淮地区30-70d时间尺度上降水的水汽来源为南海而非孟加拉湾或西太平洋。

江淮流域梅雨期降水与10-30d低频振荡的联系

利用1961--2010年中国756站逐日降水资料和NCEP／NCAR逐日再分析资料，分析了江淮流域梅雨期降水与10～30d低频振荡的关系。结果表明，梅雨偏多年降水具有明显的10～30d的周期变化，低频振荡经向上的北传和纬向上的西传与江淮流域梅雨期降水的活跃及中断关系密切。在梅雨偏多年，低层10～30d振荡主要通过南海低频反气旋和日本海低频气旋对江淮流域降水产生影响，并调控着西太平洋副热带高压的西进、东退，进而影响输送到江淮流域的水汽强度及冷暖空气在江淮流域的汇合；而高层，亚洲大陆中纬度地区东西向的低频气旋和反气旋影响着南亚高压的位置，从而形成江淮流域低频降水的强弱变化。

江淮持续性暴雨过程前30～60d低频主振荡型特征

利用1951-2010年NCEP／NCAR逐日再分析资料，采用改进后的一阶Butterworth带通滤波、主振荡分析（ POP）和合成分析，研究了近60年4-8月全球大气低频主振荡型特征及其与江淮流域持续性暴雨过程的关系。结果表明，4-8月全球850 hPa高度场存在IN-WPO型（赤道印度洋-西太平洋型）和TA-WE型（热带大西洋-西欧型）2个30-60 d主振荡型。过程前，不同振荡型的时域变化特征明显，反映了全球大气30-60 d低频振荡的显著变化。位相合成分析显示，持续性暴雨过程主要发生在IN-WPO的位相7和TA-WE的位相5后，过程前，当IN-WPO型循环到位相4时，850 hPa低频风场中我国南海、华南等地开始存在显著30-60 d低频风变化，西北太平洋低频气旋和北太平洋低频反气旋的形成和发展，这些低频特征有利于江淮流域持续性暴雨过程形成。

大范围持续性强降水过程与30～60d低频降水的联系及其预报指数

研究低频振荡是目前开展强降水过程延伸期预报的有效途径。利用1981—2010年中国753站逐日的降水观测资料、NCEP/NCAR第二套再分析资料及实况天气图等资料，分析大范围持续性强降水过程与30～60 d低频降水的联系，并根据前期低频信号构造强降水过程预报指数。研究表明，（1） 大范围持续性强降水过程与低频降水紧密相联，低频降水对强降水过程有显著贡献。在30～60 d低频降水显著年，强降水过程均发生在低频降水峰值阶段；但对于低频降水而言，仅有56%的峰值阶段发生强降水过程。（2） 当低频降水峰值阶段发生强降水过程时，来自东北亚和南海的低频位势高度低值系统在长江中下游汇合，“南北高、中间低”的低频位势高度分布有利于低频气流强烈辐合，并在经向上形成两个完整的反向低频垂直环流圈，促进了上升运动发展，导致强降水过程发生；而对于低频降水峰值未发生强降水过程的情况，北方冷空气南下较弱，高纬度低频影响系统位置偏北，长江中下游附近表现为“南高北低”的低频位势高度分布和单圈垂直环流，不利于低频气流强烈辐合。（3） 综合高、中、低纬的前期低频信号构造了强降水过程预报指数，对延伸期（10～25 d）长江中下游大范围强降水过程预报具有参考价值。

南海地区大气30～60天低频振荡及其对南海夏季风的可能影响

本文利用1979~2008年美国国家环境预报中心（NCEP）和美国国家大气研究中心（NCAR）第二套再分析资料、美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的向外长波辐射（OLR）资料及1979~2007年全球降水资料（CMAP）,分析了南海地区热带大气的低频振荡及其对南海夏季风的可能影响。结果表明,夏半年南海地区存在显著的30~60天的周期振荡。当30~60天低频振荡处于活跃位相时,南海及其周围地区的低层大气为低频西南风,南海和菲律宾北部为低频气旋流场且为正的位涡度,对应着增强的南海夏季风槽和南海夏季风;当30~60天低频振荡处于不活跃位相时,情形正好相反。进一步的研究揭示出,夏半年30~60天低频振荡变化的空间型与夏半年平均场的年际变化的空间分布非常相似,并且南海及其附近地区的30~60天低频振荡活动的年际变化对夏半年平均场的年际变化有显著的贡献。强、弱南海夏季风年30~60天低频振荡活动的比较也说明,强的南海夏季风年30~60天低频振荡活跃状态发生的概率大于不活跃状态发生的概率,而弱的南海夏季风年则是不活跃状态发生的概率大于活跃状态发生的概率。因此,南海地区30~60天低频振荡对南海夏季风很可能有重要影响,当30~60天低频振荡的活跃状态处于主导时,南海夏季风往往会偏强;反之,如果不活跃状态处于主导时,南海夏季风往往会偏弱。

2002年夏季东亚地区环流20-30d主振荡型延伸期预报研究

用2002年3—9月逐日东亚地区850hPa经向风场资料建立主振荡预测模型(POP),对影响长江下游地区强降水过程的主要低频经向风场(20—30d时间尺度)的时空变化进行10—30d延伸期独立预报试验。试验结果表明,在夏半年135次预测中提前20d预报的相关预报技巧在0.50以上,很好地预报了夏季3次强降水过程对应的经向风的低频变化过程。对20—30d振荡显著的多年资料预报试验表明,这些预测模型是预报低频环流时空演变的有效工具,对于提高未来3—4周长江下游强降水过程的预报准确率有重要意义。

对流凝结加热的垂直分布与低纬大气的30～60天低频振荡

运用一个包含Wave-CISK机制的斜压半地转8层模式和本征函数展开方法,研究了三种不同的对流凝结加热廓线对低纬大气的30~60天低频振荡的影响。研究表明,不同的加热廓线分布时30~60天低频振荡具有不同的相速和周期,并且低频振荡特征相速的量级都是o(10 m/s),由Wave^CISK机制激发的低频CISK-Kelvin波和CISK-Rossby波都是稳定的。同时,还进一步揭示了不同加热廓线对低纬大气30~60天低频振荡垂直结构的影响。

中高纬大气环流异常和低纬30～60天低频对流活动对南海夏季风爆发的影响

利用1979—2003年NCAR／NCEP-2再分析全球日平均资料，及1979-2003年全球候平均的CMAP降水和NOAA日平均的向外长波辐射资料，分析了中高纬大气环流异常和低纬30-60天低频对流的活动对南海夏季风爆发迟早的影响。分析结果表明，当5月1～15日期间乌拉尔山及其以西地区对流层出现位势高度负距平（低频气旋）、中纬度大陆为位势高度正距平（低频反气旋）、我国东部沿岸地区为位势高度负距平（低频气旋）、鄂霍次克海地区为位势高度正距平（低频反气旋）时，副热带高压脊较早撤出南海，与此同时，孟加拉湾东部低频对流活跃东传，菲律宾南部周围低频对流发展西移，华南地区低频对流活动南移以及加里曼丹低频对流活跃北移。在这种情况下，南海夏季风爆发偏早。相反，当5月1～15日期间乌拉尔山及其以西地区对流层出现位势高度正距平（低频反气旋）、中纬度大陆为位势高度负距平（低频气旋）、我国东部沿岸地区为位势高度正距平（低频反气旋）、鄂霍次克海地区为位势高度负距平（低频气旋）时，副热带高压脊撤出南海较迟；与此同时，孟加拉湾东部低频对流不活跃、东传晚，菲律宾南部周围低频对流不活跃、其西移与孟加拉湾东部低频对流的东传反位相，华南地区低频对流活动也不活跃，加里曼丹低频对流较弱。在这种情况下，南海夏季风爆发偏迟。

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.

热带低层大气30～60天低频动能的年际变化与ENSO循环

利用ＮＣＥＰ再分析资料，通过统计相关及合成分析研究了热带大气季节内振荡（ＩＳＯ）的年际变化与ＥＮＳＯ循环之间的关系。结果表明，热带大气季节内振荡（也称３０～６０天低频振荡）的年际变化在热带中西太平洋地区最强。在曰 Ｎｉｎｏ。成熟之前的春夏季，热带西太平洋的 ３０～６０天振荡异常活跃，其动能明显增加且逐渐东移；在曰 Ｎｉｎｏ成熟以后，热带西太平洋大气３０～６０天低频振荡迅速减弱。与这种加强的３０～６０天振荡相伴随，在赤道北侧为异常的气旋式环流，赤道地区出现偏西风异常。相反，在 Ｌａ Ｎｉｎａ成熟之前的春夏季，热带西太平洋大气３０～６０天振荡偏弱。进一步的分析还发现，东亚冬季风的年际变化是引起热带大气３０～６０天振荡的年际变化的主要机制：强东亚冬季风导致热带西太平洋积云对流加强，从而引起热带西太平洋大气３０～６０天振荡加强；相反，对应于弱的东亚冬季风，热带西太平洋地区积云对流偏弱，大气３０～６０天振荡偏弱。作者的资料分析还证实，热带大气 ３０～６０天低频振荡的年际变化，作为一种外强迫，对曰 Ｎｉｎｏ的形成起着十分重要的作用。

华南夏季12—30d持续性强降水的低频特征分析

利用1982—2011年夏季(5—8月)中国气象观测站点逐日降水资料、NCEP/NCAR逐日再分析资料、NOAA逐日向外长波辐射和海表温度资料集,通过选取低频降水事件的方法,分析了华南夏季12—30 d持续性强降水事件的基本特征,然后利用位相合成法对持续性强降水期间伴随的低频大气环流型以及低频信号的来源和传播情况进行研究,同时也分析了低频海-气耦合过程对持续性强降水的影响。结果表明:(1)华南夏季降水具有显著的12—30 d低频振荡特征,持续性强降水事件在6月发生次数最多,低频降水期间的雨带自东南向西北传播。(2)在持续性强降水发生期间,华南及邻近海域低层受强大的低频气旋式环流控制,低频上升运动显著,而中国南海—菲律宾海一带则是强的低频反气旋式环流,其西侧向北的低频水汽输送不断将中国南海的水汽送至华南及邻近海域进行辐合上升。低层的低频信号来源于热带西太平洋和中国南海—菲律宾海一带低频振荡的西北向传播,同时伴随着西太平洋副热带高压明显的西伸东退过程。(3)在高层,华南北侧(22°—45°N,95°—130°E)区域强大的低频气旋式环流和孟加拉湾—中国南海一带的低频反气旋式环流相互配合,使华南高层处于强大的辐散环境中,从而加强了华南低层的辐合与低频上升运动,造成持续性强降水的增强。高层的低频信号来源于低频罗斯贝波列的东南向传播。(4)低频大气环流异常通过云辐射和热通量过程改变低频海表温度异常,而由大气强迫的低频海表温度异常通过影响低层大气的稳定性来对大气施加明显的反馈作用,该海-气耦合过程有利于大气低层低频信号向华南地区传播,从而影响了华南持续性强降水的发生、发展与结束。

大气热源30～60天振荡与华南6月旱涝的关系

利用1958—2000年NCEP/NCAR再分析资料和华南测站降水资料,分析了大气热源30～60 d振荡对华南6月旱涝的影响。结果表明,在涝(旱)年对流层低层,南海至日本东南面的西北太平洋(WNP)是一个异常的低频反气旋(气旋),伴随有异常的低频热汇(热源)区,华南至日本南部存在一个异常气旋(反气旋),对应于异常的低频热源(热汇)区,华南地区低层异常辐合(辐散);平均而言,旱年华南5—6月30～60 d振荡的位相演变要比涝年的偏晚约7～11天;涝年,低频热源和气旋从南海南部北传和从西太平洋暖池区西北传,以及从140°E附近WNP的西传都十分明显,它们对华南6月降水偏多有非常重要的影响。而旱年南海及邻近区域的低频热源和气旋北传较涝年偏晚,WNP上低频热源的西伸不明显。前期南海低频热源推进的迟早以及热带WNP上的低频热源是否西传对华南6月的降水有显著影响。

1998年夏季热带内外大气低频振荡特征分析

利用ECMWF的格点风和位势高度场资料,对1998年夏季热带内外地区大气低频振荡特征进行了分析研究。结果表明,亚洲季风区的季节内振荡非常显著。850hPa季节内振荡纬向风的经向传播揭示出南海地区的西风振荡受南北两支西风的共同影响。与长江流域特大洪涝密切相关的大气环流系统(乌拉尔阻高和西太平洋副高)对季节内振荡有较强的响应。在欧亚范围,持续性异常环流十分活跃,大气低频波的活动与环流持续异常的形成有密切的联系,季节内振荡是高低纬环流持续异常同时发生的纽带。其低频(30～60d)遥相关型的分布同江淮洪涝年的波列结构相类似。

南海和青藏高原TBB的低频振荡与湖北省“二度梅”的关系

用GMS TBB和ECMWF的格点风资料,采用带通滤波、EOF分解和合成分析方法,对湖北省洪涝年出现“二度梅”年(1980、1998年)和无“二度梅”年(1991、1999年)的南海和青藏高原TBB的低频振荡特征进行了分析研究。结果表明:有(无)“二度梅”年,南海低频TBB在6～7月的振荡位相是相反的;在7月下旬～8月上旬,南海低频TBB为高(低)值位相,青藏高原低频TBB为低(高)值位相。南亚地区低频TBB场EOF1的空间分布形式呈“南负北正”(南正北负)。

中国东南部地区4-6月强降水的低频变化特征

利用全国2 400多台站逐日降水资料,分析了中国东南部地区4—6月10-30 d低频强降水的时空变化特征。结果表明：4—6月10-30 d低频强降水的方差大值区在中国的长江及其以南地区,中心位于江南的中东部,东南部地区4—6月10-30 d低频强降水距平的第一模态反映该区域呈一致变化。功率谱分析表明第一模态时间变化的周期以10-30 d低频分量为主。根据区域强降水及其10-30 d低频强降水、区域强降水正交经验函数（EOF）分析的第一模态时间系数（PC1）及PC1的10-30 d低频分量的年际方差,结合它们两两之间逐年的相关系数,确定了区域强降水10-30 d强振荡典型年份。对典型年降水异常分布的方差分析,表明强振荡年区域总降水量异常主要是由10-30 d强降水的低频变化引起的。

2020/2021年冬季三次全国型强冷空气过程及其低频特征

2020/2021年冬季,东亚地区的强冷空气过程多次爆发,持续强降温及伴随的大风、雨雪天气给人民生产生活造成了严重影响。利用日尺度大气环流格点数据和地面气温站点资料,从次季节变化角度揭示了西伯利亚高压的低频振荡特征及对三次全国型强冷空气过程(2020年12月13~15日、2020年12月29日至2021年1月1日、2021年1月6~8日)的重要影响。研究显示,2020/2021年冬季,西伯利亚高压和中国东部地区气温变化都表现出明显的准双周(10~30 d)和30~60 d低频振荡特征,并且低频特征在冬季前期明显强于冬季后期。但是,三次强冷空气过程中低频振荡的特征各不相同,其中,第一次过程中准双周振荡有显著的正贡献,但30~60 d低频振荡为负贡献;而第二次和第三次过程兼有准双周和30~60 d低频振荡的共同作用,尤其第三次过程处于这两个低频波段的最强时期,这也导致第三次冷空气过程的降温幅度最大、低温影响范围最广,西伯利亚高压也发展最强。10~30 d低频西伯利亚高压的增强超前一候(5天)左右对冷空气爆发和中国东部地区强降温均有显著的负相关关系,其中与冷空气爆发的关系超前1~2天最显著,与中国东部地区低温的关系超前2~3天最为显著。

北半球副热带—中纬度太平洋大气季节内振荡的纬向传播与东亚夏季旱涝

用时空滤波和Morlet小波方法,分析了1958—2000年夏季东亚(20°—45°N,110°—135°E)不同纬带(由南到北分为4个区域)的降水分别与太平洋同一纬带上大气30—60 d振荡(ISO)沿纬圈传播的关系及其成因机制。发现太平洋上经向风ISO向西传播的强或弱,是东亚夏季风区降水偏多或偏少的必要条件。对逐年夏季的分析表明,无论当年东亚夏季风强与否,在所划分的几个东亚季风区所有涝的年份里,太平洋同一纬带上大气ISO向西传播都明显较强,而在这些区域绝大多数旱的年份里,相应的ISO向西传播明显较弱。进一步分析发现,经向风ISO的纬向传播对应着大气经向型环流系统的移动,向西传影响东亚夏季风区降水的ISO有来自低纬中东太平洋东风流中的低频气旋(如副热带东风带中ISO的演变);也有来自中高纬度阿拉斯加湾及鄂霍次克海一带低频低压(如洋中槽)和高压(如阻塞高压和东北太平洋高压)的向南向西频散。因此东亚夏季旱涝不但与热带季风有关,而且与中东太平洋副热带东风系统中ISO的向西传播、中高纬度长波调整时低频扰动向西南经北太平洋副热带的传播密切相关。

南海大气季节内振荡特征及其与ENSO循环的关系

采用1979—2009年NCEP/NCAR再分析资料、NOAA向外长波辐射(outgoing long-wave radiation,简称OLR)及扩展重建海表面温度资料,对南海大气季节内振荡(Intra-seasonal Oscillation,简称ISO)特征及其与ENSO循环的关系进行了诊断分析。结果表明:1)南海大气ISO的30~60 d周期在5—10月均显著。一般年南海大气ISO的对流传播在纬向上存在东传和西传,在经向上具有南北半球季节性摆动的特征。以低频动能表征的南海大气ISO强度年代际变化特征明显,近31 a来趋势增强,年变化呈单峰结构,峰值在7—8月。2)南海大气ISO的对流与ENSO循环显著相关,其强度在El Nio(La Nia)年减弱(增强)。与一般年对比,南海大气ISO对流在El Nio和La Nia年均表现为西传减弱、北传显著。北传特征表现为强对流活跃带于春季(4—5月)北跳至北半球(在La Nia年最北可至35°N),但在北半球的传播方向与一般年相比存在显著差异。3)南海大气ISO强度与ENSO循环关系密切,在El Nio(La Nia)年减弱(增强),两者表现为约半年(6~8个月)的滞后相关。Nio3区海表面温度异常序列与南海大气ISO强度的相关在中西太平洋地区和El Nio成熟前的春、秋季最显著,同时相关中心伴随低频动能高值区东移。

超强台风“威马逊”近海加强与低频水汽输送的关系及前期信号

利用NCEP/NCAR再分析资料以及中国气象局上海台风研究所(简称上海台风所)整编的《热带气旋年鉴》,分析了超强台风"威马逊"在南海加强过程中水汽输送的变化特征,着重探讨台风强度变化与10~30 d低频水汽输送的关系,并从低频场出发寻找台风强度变化的前期信号。研究结果表明:(1)"威马逊"有两条主要的水汽通道,分别为孟加拉湾通道和南海通道,孟加拉湾通道的水汽输送强度大于南海通道;(2)"威马逊"近海加强与10~30 d低频水汽输送有紧密的联系。在热带低频系统作用下,孟加拉湾通道的低频偏西水汽和南海通道的低频偏南水汽在南海汇聚,为"威马逊"的增强提供了有利条件;(3)对于在海南岛东部登陆的台风,其登陆强度与超前5~7 d孟加拉湾通道的低频偏西水汽输送呈现显著的负相关,与南海通道的低频偏南水汽输送有较弱的负相关。若前期从两个通道截面流入的低频水汽输送通量位于低频振荡的谷值时,则有利于其后5~7 d台风在南海加强,反之减弱。