东北冷涡气候研究进展及展望

本文主要从东北冷涡气候研究角度,回顾和总结了东北冷涡在定义、主客观识别方法、气候特征、分类研究、影响因子、气候效应等方面的研究进展,并探讨了东北冷涡研究现状中存在的问题及未来可能的研究方向和发展趋势。识别与量化是东北冷涡气候研究的基础,客观识别结果的对比分析及其技术的完善是未来冷涡识别研究的重点。今后有针对性地开展不同类别东北冷涡的气候特征、异常成因及气候影响等,深入探究东北冷涡与影响因子相互作用的物理机制,科学客观的定量化预测,可为东北区域气候异常成因诊断和预测提供更精细、准确的科学依据。

基于新气候态背景的中国东北地区气候变化评估与预测研究

选用1981—2020年中国东北地区199站气象资料,将1981—2010年与1991—2020年作为气候态的气温、降水、大气环流场及海温场进行比较,并分析气候平均值的改变对气候评价、气候变化和气候预测的影响。结果表明:新、旧气候态下,东北地区的气温、降水、大气环流及海温场均有明显变化,且环流和海温场的变化与气温和降水变化相对应。新气候态下,东北地区的春季、秋季、冬季降水量增加,夏季降水量减少,平均气温均升高。冬季高纬阻塞高压和西太平洋副热带高压强度增强,东亚大槽强度减弱,与冬季气温升高相对应;夏季鄂霍次克海阻塞高压和西太平洋副热带高压减弱,与东北夏季降水减少相一致。全球海温总体增暖,而南半球中高纬地区变冷,夏季海温差值在赤道太平洋地区表现为西正东负的分布特征,与夏季东北气温升高相一致。

植被覆盖度增加对辽宁地区气温变化的影响研究

植被覆盖度(Fractional Vegetation Coverage,简称FVC)是陆面参数中重要的参数之一,植被覆盖度变化直接影响地表能量的再分配进而影响区域乃至全球气候变化,研究植被覆盖度增加对区域气候的影响对未来区域气候变化的预估具有重要意义,这对适应和缓解全球气候变暖至关重要。本文利用2001~2018年中分辨率成像光谱仪(MODIS)产品的植被归一化指数(Normalized Difference Vegetation Index,简称NDVI)数据制作植被覆盖度,在辽宁地区分别进行了WRF模式默认植被覆盖度和实际植被覆盖度的长时间(2001~2018年)模式模拟试验,结论如下:(1)辽宁地区因植被覆盖度增加全省年平均气温降低了0.48℃,其中夏季降温幅度最大,降温0.71℃,春、秋两季平均降温0.35℃和0.66℃,冬季降温幅度最小0.2℃。植被覆盖度增加对日最高、最低气温也有明显的降温作用,其中日最低气温对植被覆盖度增加的响应大于最高气温,且植被覆盖度增加与气温降温的空间分布具有较好一致性。(2)2001~2018年年均和四季植被覆盖度的显著增加对年均和四季平均气温、日最高气温、日最低气温均有降温趋势,尤其是对日最低气温降温作用更明显。(3)植被覆盖度增加导致气温降低的主要原因是由于蒸散发的增加导致潜热通量增加,感热通量减少;而对于日最低气温降低,主要是由于植被覆盖度增加导致地表温度降低进而引起夜间向上长波辐射减少。总体而言,植被覆盖度增加越多降温效果越明显,进而减缓辽宁省气候变暖。

东北冷涡底部一次MCC暴雨动力热力特征分析

利用常规气象观测资料、自动气象站降水量以及NCEP再分析资料,对东北冷涡背景下黑龙江省2019年7月16日暴雨过程成因及中尺度特征进行诊断。结果表明:2019年7月16日黑龙江省先后受中尺度对流系统(MCS)和中尺度对流复合体(MCC)活动影响,形成2个暴雨区。MCS和MCC云团均在内蒙古生成后移入黑龙江省,由于对流不稳定性增强及锋生作用而发展增强,并沿辐合线自西向东移动。降水期间冷涡底部的对流层高层存在一支源于高纬地区高动量的干侵入气流。MCC引发的暴雨过程中,大气低层强对流不稳定,中层湿对称不稳定,地面辐合线及锋面锋生的抬升作用,促使不稳定能量释放。在雷达反射率因子图上MCC表现为大范围混合云降水回波,其中有超级单体活动。MCC发展的环境场较MCS而言,中低层气旋涡度更大,高层辐散更强,即高层具有更强抽吸作用,导致更强的上升运动。MCC发展过程中中低层环境风显著增大,具有更大的水平风垂直切变,中尺度对流云团更具组织性。

东北冷涡气候特征及其对内蒙古降水的影响

基于内蒙古116个气象观测站1981—2017年5—8月逐日降水资料及NECP逐月再分析资料,采用传统东北冷涡定义,对5—8月东北冷涡活动过程次数、日数进行客观识别,并分析了东北冷涡活动日数与内蒙古降水的关系。结果表明:(1)东北冷涡活动日数与500 hPa高度场在东北亚地区呈现出显著的“南负北正”偶极型相关分布,内蒙古东部地区处于显著负相关区。(2)5—8月平均每次冷涡活动过程的持续时间为5~6 d,且5、6月冷涡活动维持日数呈增加的趋势。(3)5—8月东北冷涡活动日数与降水存在显著正相关的区域主要位于内蒙古东部偏北地区,其中5、6月冷涡活动日数与冷涡日东部偏北地区累计降水量存在显著正相关,表明冷涡活动具有气候“累积效应”。

1979-2019年持续性东北冷涡过程特征分析

利用1979年1月至2019年12月的ERA5资料,采用小波分析、突变M-K检验等统计方法,对1979—2019年持续时间在3 d及以上的东北冷涡过程特征进行分析。结果表明:持续性东北冷涡过程的年平均发生次数为32.8次,最多41次,最少22次;其中5—6月最多。年总频次存在17 a、9 a、5 a和3 a的变化周期。东北冷涡过程持续时间越长,出现的几率越小,持续时间最长的一次为13 d;持续3 d的东北冷涡过程最多,持续9 d和10 d的过程出现频率接近十年一遇,出现10 d以上的冷涡过程6月最多。南涡出现的频次明显少于北涡和中涡,中涡最多;北涡各月频次差异不明显,中涡、南涡5月和6月明显多于其他月份。在120°—130°E、45°—55°N的区域冷涡中心相对密集。夏、冬半年东北冷涡极端偏多月份东亚地区均为两脊一槽型。

夏季东北冷涡气候特征及其对吉林省大豆生育期的影响

基于NCEP/NCAR再分析资料和国家气候中心160站月平均气温、降水资料,以及吉林省大豆生育期资料,从对农作物生育期天气气候有重要影响的东北冷涡活动入手,统计分析1981—2018年夏季(5—9月)东北冷涡活动特征,初步分析吉林省大豆近年来生育期情况及其对不同类型东北冷涡(中涡、北涡)活动的响应。结果表明:东北冷涡为持续时间较长且较为频繁的系统,平均寿命5 d左右,夏季(5—9月)冷涡活动占比三分之一以上,主要集中在115°~130°E、40°~55°N区域;冷涡活动6月最多、8月最少。中涡对东北地区环流影响最显著,有利于鄂霍次克海地区位势高度增强,中高纬度环流经向特征明显,偏北冷空气向南输送;东北地区高度场以负距平为主,有利于北太平洋气流向东北地区输送。东北冷涡天数偏多时,吉林省大豆播种—开花期气温偏低、降水偏多、生育期间隔天数延长。从平均气温影响看,播种—出苗期榆树主要受北涡影响,延吉主要受中涡影响;出苗—开花期延吉同时受北涡和中涡影响;出苗—开花期的间隔日数榆树和桦甸主要受北涡影响。此外,榆树和延吉的降水量在播种—出苗期间主要受中涡影响,出苗—开花期间主要受北涡影响。

2019年台风“利奇马”和“罗莎”引发东北地区暴雨的水汽特征分析

利用NCEP的FNL(Final Reanalysis Data)和GDAS(Global Data Assimilation System)再分析资料、中国气象观测网降水实况数据及基于拉格朗日方法的HYSPLIT轨迹模型结果,对2019年8月13—17日发生在中国东北地区一次减弱台风引发暴雨过程的水汽条件和输送过程进行分析。结果表明:此次中国东北地区暴雨的水汽与源自西太平洋的水汽关系最为密切,台风“利奇马”为本次暴雨的主要水汽供应系统,其次是台风“罗莎”外围水汽补充。拉格朗日方法的水汽输送源主要有3个,分别为源于中低纬西太平洋,与欧拉方法的太平洋和黄海水汽相对应;源于中国南海南部,与印度洋水汽相对应;源于黑龙江北部,中国北方的水汽对暴雨也有一定作用。中国南海南部水汽与西太平洋水汽合并,为此次东北地区暴雨的主要水汽供应。水汽收支主要集中在中低层,水汽的辐合区主要位于700~900 hPa。低层的水汽垂直向高层输送,水汽的辐合和垂直输送越强,降水量越大。水汽流入集中在低层的南边界,西边界和北边界一般为水汽流出边界。

2022年7月内蒙古干旱半干旱区涝—旱转折事件的成因分析

2022年7月内蒙古中西部地区降水明显偏少,且呈前期偏多、后期偏少的涝—旱转折性分布特征,分析不同阶段环流分布差异和影响系统间的配置对进一步做好内蒙古汛期降水预测具有重要作用。利用内蒙古116站逐日降水量、国家气候中心130项气候指数、美国国家环境预报中心/国家大气科学研究中心(National Center for Enviromental Prediction/National Center for Atmospheric Research,NCEP/NCAR)逐日再分析资料和美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Admin⁃istration,NOAA)逐月海表温度资料,分析2022年7月内蒙古中西部地区涝-旱转折事件的成因。结果表明:(1)2022年7月内蒙古中西部地区降水量严重偏少,为该地区1991年以来同期降水最少、气象干旱最为严重。(2)7月1—11日降水相对偏多,冷空气路径偏北且强度较弱,西太平洋副热带高压强度偏弱,位置偏北、偏西,冷暖空气在内蒙古中西部地区交绥,加之这一时段高空西风急流位置偏北,内蒙古中西部位于急流轴以南,有利于高层辐散和上升运动发展。7月12—31日降水明显偏少,环流经向度加大,冷空气活动路径偏南且强度增强,西太平洋副热带高压强度偏强且位置明显偏南,不利于水汽输送,加之高空西风急流位置偏南,内蒙古中西部位于急流轴以北,不利于高层辐散和上升运动发展;7月中旬后期至下旬高空西风急流南北向扰动偏强有利于激发东亚—西北太平洋经向遥相关波列,使得西太平洋副热带高压位置偏南从而导致降水偏少。(3)日本海至北太平洋西北部地区的海温异常是影响内蒙古中西部地区降水多寡的重要外强迫信号之一。2022年7月该海区海温异常偏高,其上空激发的气旋式环流减弱了南方暖湿水汽的经向输送,是导致内蒙古中西部降水由涝转旱的原因之一。

东北地区春季透雨早晚年的环流特征及与前期海温的关系

利用1960-2017年4-5月东北地区109个代表站点逐日降水量资料,NCEP/NCAR-I月平均再分析资料(位势高度场、风场等数据),以及NOAA重构的月平均海温资料,分析了东北地区春季透雨出现典型早、晚年的环流特征及与海温的关系。结果表明:(1)典型透雨偏早年的日期集中在4月中下旬,偏晚年的日期集中在5月中下旬。(2)透雨偏早年4月,东北地区上空高度场明显偏低,受偏南风控制,且有两条明显的水汽输送带,垂直上升运动强烈,有利于产生降水;透雨偏晚年4月,该地区受高压脊控制,水汽辐散,整层下沉运动强烈,不利于产生降水。(3)东北地区春季透雨出现的早晚与前期(1-3月)热带印度洋、赤道太平洋和邻近海域的海温有关,前期关键区海温偏暖(冷),有利于透雨出现偏早(晚)。

基于标准化降水指数的辽宁省大豆需水关键期干旱大气环流成因分析

利用1971—2020年辽宁省54个气象站逐日降水量资料及逐日NCEP/NCAR(美国大气科学研究中心和美国国家环境预报中心)再分析资料,计算了辽宁省各站大豆需水关键期(开花期至结荚期)标准化降水指数,分析了大豆需水关键期典型干旱年份及其大气环流成因。结果表明:副热带西风急流位置异常引发的对流层高低空大气环流的不同配置是造成辽宁省大豆需水关键期不同气候特征干旱年的主要大气环流成因。当大豆需水关键期西风急流位置较常年偏北时易发生高温干旱,辽宁省大豆主产区一致受到较大影响,西风急流位置偏北,辽宁省位于高空急流轴南侧、高空辐散风场中心,西太平洋副热带高压位置阶段性异常偏北控制整个辽宁省,对流层风场贯穿高层至低层的下沉气流配合较差的水汽条件是发生高温干旱的主要大气环流成因;当大豆需水关键期西风急流位置偏南时易发生低温干旱,辽宁省大豆主产区中部和北部受影响较大,西风急流位置偏南,季节进程缓慢,西太平洋副热带高压位置较常年持续偏南、偏西,对流层上层垂直上升运动明显,冷空气活动频繁,但对流层中下层一致的下沉运动配合较差的水汽条件不利于降水产生,导致低温和干旱现象的同时发生。

东北初夏和盛夏降水时空变化及大气环流因子新特征分析

基于东北区域1961—2019年245站逐日降水资料,利用经验正交函数方法(EOF)、累计距平方法、滑动t检验、小波分析和相关分析等分析了东北地区初夏(6月)和盛夏(7—8月)降水的时空特征。结果表明:东北盛夏降水主要集中于东北东南部地区,初夏北部和东北部降水量也较多。东北初夏和盛夏降水EOF第一和第四模态分别表现为全区一致和自北向南负—正—负(正—负—正)的变化特征。初夏降水在1972年和1995年左右发生了共两次突变。盛夏降水分别在1966年、1983年和1998年左右发生了共3次突变。东北初夏降水在20世纪80—90年代存在显著的准6 a振荡周期,90年代后期开始准3 a周期较为显著;盛夏降水存在12 a左右的主振荡周期,且20世纪90年代之后3—4 a左右的年际尺度振荡周期显著。通过分时段探讨与降水相关的环流场特征,发现了东北初夏降水受东北冷涡的影响增强,盛夏降水由主要受西太平洋副热带高压影响转为受中纬西风带系统影响为主的新特征。

辽宁省夏季多模式降水预报检验及晴雨预报技术研究

利用辽宁省291个国家气象观测站的降水资料,对2019年夏季(6—9月)8种模式降水预报及中央气象台格点降水预报进行了检验评估和比较,并采用消空方法进行晴雨预报技术研究。结果表明:2019年,EC模式具有最优的暴雨预报性能,而日本模式暴雨TS评分最高;中尺度模式对于局地性暴雨和短时强降水具有较好的预报潜力,性能较好的是GRAPES_MESO模式和睿图东北3 km模式;全球模式对24 h暴雨的预报频率比实况偏低30%,3 h强降水则偏低60%,中尺度模式对24 h暴雨的预报频率比实况偏高30%,3 h强降水则偏低20%。由于对小量级降水存在较多空报,各模式原始预报的晴雨预报大多呈现空报偏多的情况;使用小量级降水剔除的消空策略能够明显提高晴雨准确率,消空之后EC模式具有最优的晴雨预报性能。分别使用24 h和3 h累计降水量优化消空策略,发现分别取1.0 mm和0.8 mm的阈值进行消空可以使24 h晴雨准确率提高15.58%,3 h晴雨准确率提高10%—30%。

中国东北地区春季透雨早晚与2~3月热带印度洋海温异常的联系

利用1961~2019年中国东北地区测站逐日降水资料、美国国家环境预报中心/大气研究中心的月平均再分析资料、NOAA重构的月平均海温和向外长波辐射资料,采用统计诊断方法,从年际时间尺度上分析了东北春季透雨早晚环流特征和前期海温,尤其是热带印度洋海温强迫的联系。结果表明:春季透雨日期与4月降水量的变化具有显著的一致性,典型透雨偏早年的开始时间集中在4月中下旬,偏晚年的开始时间集中在5月中下旬;4月东北亚上空500 hPa位势高度场上,若呈自西向东的“-+”异常环流分布,东北地区以偏南风和气旋性环流为主,有利于水汽输送,春季透雨开始偏早,反之,春季透雨开始偏晚;2~3月热带印度洋暖海温异常是中国东北地区春季透雨偏早的重要稳定影响源之一,其可能机制是,若热带印度洋全区一致海温模态呈正位相,有利于4月西北太平洋地区呈异常反气旋,东北亚地区500 hPa环流异常类似春季透雨偏早年形势,东北地区位于200 hPa西风急流出口区右侧,垂直上升运动增强,呈现出多雨形势。

1981~2019年吉林省暖季冷涡降水时空变化特征

利用1981~2019年吉林省气象局信息中心提供的吉林省51个测站逐时降水数据,系统分析了暖季吉林省冷涡降水的时空分布特征。结果表明:(1)吉林省降水量日变化和频次的峰值均发生在下午16~18时(北京时);0.1~5 mm/h降水频次大值区主要集中在吉林省东部山区,而5~10 mm/h和>10 mm/h降水频次大值区则在吉林省中南部地区。(2)0.1~5 mm/h降水占冷涡降水总量百分比(简称:降水贡献)的空间分布特征中,白天降水贡献的空间分布比较一致,夜间大值区在吉林省东部山区;5~10 mm/h降水贡献大值区集中在吉林省中部地区,且白天贡献大于夜间;>10 mm/h降水贡献大值区位于吉林省中西部地区,白天贡献也大于夜间。(3)0.1~5 mm/h降水占暖季冷涡降水总量的60%,5~10 mm/h和>10 mm/h均在20%左右;0.1~5 mm/h降水贡献随时间变化减弱趋势明显,而>10 mm/h降水贡献增加趋势明显,且这两种量级降水年际变化呈反位相特征。

基于复合极值模型的辽宁省极端降水重现期研究

极端降水重现期的研究可提升对降水规律性的认识,对预防城市内涝、农田渍害等有重要意义。利用辽宁省14个国家气象观测站1960—2020年5—10月的逐日降水资料,选取第98个百分位值作为极端降水指标,采用泊松-广义帕累托复合极值模型对辽宁省极端降水日数和极端日降水量进行拟合并计算其重现期降水量。结果表明:辽宁省极端降水日数和极端日降水量分别服从泊松分布和广义帕累托分布(均通过α=0.05的显著性检验);辽宁省极端日降水量从西北向东南方向逐渐增多,其中丹东市的极端日降水量和极端降水日数均为最高;泊松-广义帕累托复合极值模型和经验频率法计算的重现期降水量拟合度较高,不同重现期下辽宁省东南部极端日降水量值均为最高,辽河流域中部极端日降水量较小,西北部极端日降水量最小,辽宁东部山区和辽宁西部丘陵地带极端日降水量高于辽宁中部平原区,且不同重现期分布状态一致。

北大西洋和热带印度洋海温的协同作用对松花江流域暖季降水年代际变化的影响

利用松花江流域100站降水资料、NCEP/NCAR再分析资料、哈得来中心海温资料等,运用多种统计方法和数值模拟分析了1975—2020年松花江流域暖季(5—9月)降水的年代际变化特征及其与北大西洋和热带印度洋海温的关系。研究表明,松花江流域暖季降水具有明显的年代际变化特征,20世纪90年代中后期发生了明显的年代际转变,由多雨阶段转为少雨阶段。年代际尺度上,暖季北大西洋马蹄型(North Atlantic Horseshoe,NAH)海温模态和印度洋海盆一致型(Indian Ocean Basin,IOB)海温模态分别与同期松花江流域降水呈显著的负相关和正相关关系,相关系数分别为-0.77和0.68。20世纪90年代中期之前,NAH模态负位相的海温异常在欧亚中高纬度地区激发纬向波列,将异常波能量传递到东北亚地区,在日本海至贝加尔湖地区产生异常气旋式环流;同时,IOB模态正位相的海温异常通过激发开尔文波,引起中国南海到孟加拉湾地区异常反气旋式环流,该异常反气旋式环流在东亚沿海激发出太平洋-日本型(PJ)波列,使得松花江流域出现异常气旋式环流。两者的共同作用使北太平洋水汽输送至松花江流域,有利于松花江流域降水偏多;20世纪90年代中期之后,NAH(IOB)模态由负位相(正位相)转为正位相(负位相),在NAH正位相和IOB负位相的协同影响下,松花江流域出现异常反气旋式环流,导致该区域降水偏少。

松花江流域冬季降雪的年际变化与西北太平洋海温的关系

利用松花江流域(Songhua River Basin,SRB)103站降水资料、NCEP/NCAR再分析资料以及NOAA海温等资料,运用多种统计方法,分析了1979-2019年松花江流域冬季降雪的年际变化特征及其与西北太平洋地区海温异常的联系。研究表明,松花江流域冬季降雪主要受到其年际变率的调控,且年际降雪异常EOF分解的第一模态表现为流域一致型变化(方差贡献率为55.3%)。当松花江流域冬季年际降雪偏多(偏少)时,鄂霍次克海到阿留申地区出现位势高度正异常(负异常),其南部中低纬地区位势高度为负异常(正异常)。进一步分析表明,冬季西北太平洋地区偶极子型海温异常对同期松花江流域年际降雪有重要影响。当西北太平洋海温偶极子为正位相时(日本海地区海温正异常,菲律宾群岛以东地区海温负异常),引起西北太平洋中高纬地区对流层中层出现位势高度正异常,低层为异常反气旋式环流,中低纬地区对流层中层出现位势高度负异常,低层为异常气旋式环流。在此环流背景下,北太平洋到松花江流域被异常东南风控制,有利于阿留申以南海域以及我国东部近海地区的水汽输送至松花江流域并辐合上升,导致该流域冬季年际降雪增加;反之亦然。

1961—2020年辽宁省气候年景分析及综合气候年景评价

选用1961—2020年辽宁省61个国家级气象站逐日降水、气温和天气现象数据,根据辽宁省气候特点,分别建立雨涝年景、干旱年景、低温年景、高温年景和暴雪年景评价指标,构建辽宁省综合气候年景评价模型,实现辽宁省雨涝、干旱、低温、高温、暴雪单要素气候年景以及综合气候年景的量化评估。结果表明:近60 a辽宁省高温年景显著增强,低温和暴雪年景显著减弱,干旱和雨涝年景无显著变化趋势。综合气候年景存在15 a左右的年代际振荡周期,20世纪80年代后为显著的准3 a年际振荡周期。经历史重大天气气候事件、灾情以及业务实际应用对评估结果检验表明,建立的年景评估方法较为合理,可用于辽宁省气候年景评价。

2020年夏季辽宁省多模式降水预报检验

选用2020年夏季辽宁省区域自动站资料和7种模式预报资料,根据降水强度将站点分为5种降水类型,分析各数值模式36 h和48 h预报检验降水场的分布误差、相关性及雨带位置。结果表明:36 h预报结果好于48 h,48 h降水量预报结果普遍比观测值偏大。初夏、夏末及秋初,各模式降水量预报偏差相对较小,盛夏的预报值偏差较大,尤其强降水站点的降水量预报值显著偏小。36 h预报值与观测值的相关系数和散点分布表明,弱降水站点和较弱降水站点的ECMWF预报结果最好,NCEP和WRF_3KM次之。中量降水站点、较强降水站点和强降水站点的NCEP预报结果最好,ECMWF和WRF_3KM次之。各模式雨带位置预报存在不同程度偏差,其中ECMWF的结果较好。