热带大气季节内振荡对东亚季风区的影响及不同时间尺度变化研究进展

在引证论述大气ISO对东亚季风区天气气候重要作用的基础上,概括性地回顾大气ISO基本特征及其形成机制的主要成果,重点针对热带大气ISO的季节变化、年际变化甚至年代际变化方面的研究工作进行总结评述。

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。

一次切断低压诱发的暖区深对流与异常副热带锋及其平流层-对流层交换

采用Cloudsat/CPR云雷达,FY2C/TBB亮温,Aura/MLS大气成分等卫星遥感资料,结合ECMWF气象分析资料和HYSPLIT4轨迹模式,研究了2009年6月一次东亚切断低压的暖区深对流和异常副热带锋面的结构和演变.分析表明,由于低压切断前的旧槽背景,在低涡的近成熟期,内部冷、暖锋降水偏弱,边沿的高空副热带锋面异常发展到对流层底部,低空西南暖湿水汽在副热带锋前聚集,形成千公里长的暖区深对流降水带.随着该锋面的快速东移,副热带锋区进入原暖区雨带,锋区热力间接次级环流的强上升支,加强了锋下冷侧(原暖湿区)的深对流,但该锋面阻挡了来自暖侧的水汽补充,降水结束.该异常副热带锋区还发生了强烈的平流层-对流层相互交换,在高空急流出口区的下方,平流层1.5PVU等位涡线向下入侵可达5.5km(约500hPa)处,锋下向上的深对流注入可达10km,在入侵-注入混合区,臭氧和水汽的散点图上出现了二者浓度双高和双低的特殊气团.

热带平流层水汽的准两年周期振荡

分析了1993年到2002年10年间HALOE卫星资料的热带平流层水汽年际变率,结果表明:热带平流层水汽混合比在2-5 hPa、10-30 hPa、30-100 hPa有三组显著的准两年周期振荡(QBO)现象;其中2-5 hPa和10-30 hPa水汽QBO呈反位相循环;30-100 hPa水汽QBO有显著上传特性.SOCRATES3模式模拟和诊断结果表明,热带平流层水汽QBO是在纬向风QBO强迫下产生的次级动力、热力因子和化学作用耦合后的结果:上层主要是环流输送引起,中层是环流输送和温度扰动驱动下的化学作用引起,下层是对流层顶水汽冻结层的温度扰动和环流输送引起.

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。

印度洋海气相互作用对热带夏季大气环流气候态的影响

利用分辨率较高的SINTEX-F(Scale INTeraction EXperiment-FRCGC)海气耦合模式,进行多组长时间积分模拟和理想试验,分析研究热带印度洋海气耦合对夏季大气环流气候态的影响。主要结果有:(1)热带印度洋海气相互作用使热带东印度洋产生明显的东风变化,使热带中西太平洋赤道北部产生气旋性切变变化。(2)印度洋海气相互作用对大气环流气候态的影响绝大部分由于大气对海气相互作用的响应存在年际变化正负距平不对称性造成,这种年际变化不对称性包括正偶极子与负偶极子的不对称、海盆宽度正异常与海盆宽度负异常的不对称。(3)年际和季节内两种时间尺度海气相互作用对印度洋关键区大气环流平均态都有影响,约各占60%、40%;季节内尺度海气相互作用对太平洋近赤道区大气环流平均态有重要影响;年际尺度海气相互作用对太平洋赤道外地区大气环流平均态有重要影响。热带印度洋年际尺度、季节内尺度海气相互作用对大气环流气候态的影响,都存在年际变化以及年际变化正负距平不对称性。这两种尺度海气相互作用主要通过年际变化正负距平不对称性而对大气环流平均态产生影响。

“0506”华南持续性暴雨的季风环流背景

提出了确定东亚夏季风活动区域、划分热带季风和副热带季风活动区域的指标,利用大气对流层风速、位势高度、湿度、温度、OLR以及TBB等NCEP/NCAR资料,从月、候和过程平均多种时间尺度,诊断分析了2005年6月(简称“0506”)华南持续性暴雨的季风环流活动变化特征。结果表明:副热带高压强度偏强,西脊点位置偏西偏南,热带西太平洋(130°～140°E)区域越赤道气流偏强,华南处于气旋性低压异常区,无论是月时间尺度还是暴雨过程时间尺度都表现出这些明显特征;暴雨过程水汽除了来源于孟加拉湾和南海外,水汽通量异常部分主要来自南海和热带西太平洋,热带西太平洋水汽随着副高边缘气流经过南海向华南输送,从而为暴雨过程提供了丰富的水汽来源;2005年6月热带季风前沿在华南沿海地区停滞时间比气候平均偏长(2候),该特征是华南暴雨预报值得参考的信号;6月整个南海地区平均季风偏强,主要体现于经向风明显偏强,但华南持续性暴雨过程开始于南海地区夏季风非活跃期,这与热带季风季节内振荡向北传播到华南有关。以上季风活动变化特征为华南强降水提供了有利的动力条件和丰富的水汽来源。

华南前汛期的锋面降水和夏季风降水II.空间分布特征

利用中国730站降水资料和第I部分(郑彬等,2006)得到的华南前汛期锋面降水和季风降水的划分日期,计算出1958-2000年华南前汛期锋面降水量(强度)和季风降水量(强度)的序列,采用EOF和扩展EOF分析方法,得到华南前汛期降水的几个主要分布型,并探讨锋面降水与季风降水的可能联系。分析结果表明:华南前汛期的锋面降水和季风降水分布主要有三种类型——全区旱涝型、西南涝(旱)东北旱(涝)型、东南涝(旱)西北旱(涝)型。各分布型的时间系数与850 hPa风场的相关结果表明不同的分布对应着不同的低层环流形势。统计结果显示华南前汛期锋面降水的分布形式与季风降水的分布形式有一定的对应关系。

南海夏季风爆发与华南前汛期锋面降水气候平均的联系

利用1958-2000年NCEP/NCAR再分析日平均资料、中国气象局气候中心常规地面观测日降水资料,从气候平均角度诊断分析了南海夏季风爆发和撤退前后大气结构特征及其与南亚季风的差异,探讨华南前汛期锋面降水对南海夏季风爆发的可能影响。结果表明:①季节转换期间南海地区大气热力结构、动力结构的配置具有与孟加拉湾和南亚地区明显不同的特征,大气低层(850 hPa以下)温度梯度的逆转(由负变正)发生在西南季风爆发之后。②850hPa西风建立在南海大气低层(850 hPa以下)经向温度梯度为弱负值的时候,是受热成风约束的结果。③季节转换期间南海地区大气热力结构、动力结构的配置具有独特性,是由于东亚地区独特的地理位置,受来源于中纬度冷空气影响的缘故。④随着华南降水强度加强,对流释放潜热加热了中高层大气,有利于南海经向温度梯度的逆转,从而在热成风关系约束下使高层南亚高压的北移,因此华南前汛期第一阶段锋面降水是南海夏季风爆发的有利因素。

南海夏季风爆发与华南前汛期锋面降水异常变化的联系

利用1958-2000年NCEP/NCAR再分析日平均资料、中国气象局气候中心常规地面观测日降水资料,分析南海夏季风爆发异常情况下大气结构的变化特征,讨论华南冷空气活动、前汛期锋面降水情况与南海夏季风爆发异常之间的关系。结果表明:①南海夏季风爆发日期的异常变化主要取决于低层纬向风变化。②200 hPa以下对流层温度经向梯度逆转较早(晚),并且有(无)从上往下逐渐传播的变化趋势,则南海夏季风爆发偏早(晚)。③华南春季冷空气活跃(不活跃),降水偏多(偏少),南海季风爆发偏早(晚)。④综合提出了一个关于华南冷空气活动、锋面降水与夏季风爆发之间关系的物理概念模型。

广州地区光化辐射通量与辐照度的特征

应用NCARTUV辐射模式与地表实际观测分析了理论上广州地区地表可获得的最强光化辐射通量、辐照度及其波谱变化特征与月、日变化特征,计算与观测的差异用于评估气溶胶对紫外辐射通量的作用.结果表明,光化辐射通量与辐照度均具有正弦曲线的日变化特征,但光化辐射通量的正弦波形较辐照度的更为宽广,其辐射强度随太阳天顶角的增加下降幅度也更为缓慢;光化辐射中的总能量可见光谱区约占86%,紫外谱区仅占约14%;理论计算与实际观测表明,不同监测波段范围的紫外辐射表,虽然其标识均为监测UVA或UVB的辐射,但差异明显;广州地区的气溶胶污染显著影响紫外辐射通量.由于紫外辐射通量是影响对流层臭氧生产力的关键因子,有必要更加深入地认识广州地区气溶胶与紫外辐射通量的相互作用.

华南前汛期持续暴雨环流分型初步研究

采用1961—2010年NCEP/NCAR逐日再分析资料和台站观测降水量资料,按一定标准选取了华南前汛期24个持续暴雨过程;并且按基本判据确定逐年华南夏季风降水开始日期。然后依据南亚高压环流型和相对于该年夏季风降水开始的早晚,将这些暴雨过程划分为夏季风降水前、后南亚高压东部型,夏季风降水后南亚高压带状、西部型共4个类型;其中,夏季风后南亚高压西部型次数最多、平均持续时间最长。所有类型持续暴雨的相同点是:广东东北部附近均为暴雨频率和雨量高值区;暴雨期间华南150 h Pa位势高度增加、500 h Pa位势高度减少;华南处在150 h Pa偏西风急流南侧辐散区中;850 h Pa华南沿海有明显的西南气流,低层辐合在华南东北部最明显;两广沿海为可降水量大值区;华南的整层水汽输送主要呈现西南向。不同点是:夏季风后南亚高压西部型平均雨量较小,夏季风后南亚高压带状型与西部型在印度洋上存在明显的偏东风高空急流;夏季风后南亚高压类型在两广沿海的可降水量数值较大。

2006年东亚夏季风活动特征与我国东部雨带分布

利用1979—2006年NCEP/NCAR大气月平均资料、OLR对流和CMAP降水日平均资料,从季节平均、月平均、季节内振荡不同时间尺度分析了2006年东亚夏季风活动特征及其与雨带分布之间的联系。结果表明,2006年东亚夏季风爆发时间正常,而夏季风推进过程存在异常:前沿在华南地区和华北地区维持时间偏长、在长江流域维持时间偏短,夏季风极端北界偏北,这种推进异常与南海夏季风强度偏强有关。南海夏季风强度偏强及推进过程异常导致东亚夏季(6—8月)降水为Ⅰ类雨带分布,即长江流域降水偏少,华南、黄淮流域-朝鲜半岛-日本中南部降水偏多。从月时间尺度看,2006夏季各月都具有南海地区夏季风强度偏强、前沿位置偏北和偏东的异常趋势;西太平洋副热带高压6月偏西偏南,7、8月偏北,在这种异常形势下,长江流域6、7、8各月降水都偏少,华南地区各月以偏多为主,黄淮流域7、8月降水偏多。从季节内振荡看,2006年大气季节内振荡(ISO)纬向传播与气候平均相比具有特殊性,长江流域纬度带西传波和静止波偏弱,华南地区纬度带东传波和静止波偏强,ISO这种异常与夏季长江流域降水偏少、华南降水偏多有关。

南海夏季风爆发与南大洋海温变化之间的联系

利用1979—2009年NCEP第二套大气再分析资料和ERSST海温资料,分析南海夏季风爆发时间的年际和年代际变化特征,考察南海夏季风爆发早晚与南大洋海温之间的联系.主要结果为:(1)南海夏季风爆发时间年际和年代际变化明显,1979—1993年与1994—2009年前后两个阶段爆发时间存在阶段性突变;(2)南海夏季风爆发时间与前期冬季(12—1月)印度洋—南大洋(0—80°E,75°S—50°S)海温、春季(2—3月)太平洋—南大洋(170°E—80°W,75°S—50°S)海温都存在正相关关系,当前期冬、春季南大洋海温偏低(高)时,南海夏季风爆发偏早(晚).南大洋海温信号,无论是年际还是年代际变化,都对南海夏季风爆发具有一定的预测指示作用;(3)南大洋海温异常通过海气相互作用和大气遥相关影响南海夏季风爆发的迟早.当南大洋海温异常偏低(偏高)时,冬季南极涛动偏强(偏弱),同时通过遥相关作用使热带印度洋—西太平洋地区位势高度偏低(偏高)、纬向风加强(减弱),热带大气这种环流异常一直维持到春季4、5月份,位势高度和纬向风异常范围逐步向北扩展并伴随索马里越赤道气流的加强(减弱),从而为南海夏季风爆发偏早(偏晚)提供有利的环流条件.初步分析认为,热带大气环流对南大洋海气相互作用的遥响应与半球际大气质量重新分布引起的南北涛动有关.

利用大尺度环流确定2006年南海夏季风爆发日期

南海夏季风爆发最显著的特征就是南海地区西南风的突然增强和降水的明显增多,往往采用南海地区低层平均风场和(或)对流强度来判别南海夏季风的爆发日期。这种方法在大多数的年份是适用的,但是2006年由于0601号台风"珍珠"的介入,利用南海地区的区域指标来确定南海夏季风的爆发日期就略显不足。要解决以上的问题,必须从更大尺度上去想办法。利用经圈和纬圈环流可以较好地确定2006年南海夏季风的爆发日期。分析结果表明2006年南海夏季风爆发于5月16日(第4候)。

亚太季风各子系统的准两年变化特征及其比较

亚太季风各子系统(南亚季风、南海季风、西北太平洋季风和东亚副热带季风)都具有显著的准两年变化周期,利用4个季风指数研究它们准两年模态振幅的演变和相关的环流变化。结果表明,亚太季风各子系统的准两年模态有明显的年代际变化,并不是一直有效地影响季风区。与亚太季风各子系统准两年变化相关的海温异常,低层风场也有不同的分布特点和演变特征。

对流层准两年振荡最新研究进展

为了更好地了解对流层准两年振荡(Tropospheric Biennial Oscillation,TBO)的最新研究概况及目前存在的问题,基于国家自然科学基金项目关于TBO的专门研究和近年来国内外的TBO研究工作,对TBO研究的最新进展作了综述。最新研究指出,热带暖海区的海-气耦合过程可以维持TBO循环而无需热带东太平洋的参与,表明了TBO确实是独立于ENSO而存在的海-气耦合系统,但是对于TBO的本质问题还需要多方面的深入研究。

2007年南海夏季风季节内振荡的北传及影响因子

利用2007年全球降水气候计划GPCP(the Global Precipitation Climatology Project)卫星红外窗口导出的全球降水指数GPI(the Global Precipitation Index)的日降水资料及频率-波数分析方法,分析2007年南海夏季风季节内振荡(Intraseasonal Oscillation,ISO)的传播特征,并使用美国国家环境预报中心(NCEP)/美国大气研究中心(NCAR)再分析的逐日资料,探讨影响其传播的主要因子。结果表明,南海夏季风ISO有明显的北传趋势,并且明显比南传分量占优。影响南海夏季风ISO北传的主要因子是平均纬向风垂直切变和平均经向风对异常水汽的输送。之所以异常经向风对平均水汽的输送及海-气相互作用的影响在南海地区不重要,而在印度季风区有一定的贡献,是因为平均水汽和纬向风分布在两个地区的差异。

南海夏季风爆发日期与海温的多尺度关系及最优子集回归预测

采用小波变换,Lanczos时间滤波器,相关分析研究了南海夏季风爆发日期的多尺度特征及与海温场的关系,并研制了南海夏季风爆发日期的短期气候预测新方法——多尺度最优子集回归预测方法。结果表明,1958—2008年南海夏季风爆发的平均日期为5月18日,标准差约10d,具有弱的偏早爆发趋势,存在15.4a的年代际变化和5.3a的年际变化周期。在年际变化尺度上,南海夏季风爆发日期与前期冬季(12—2月)海温场有4个显著的相关区,分别为热带南印度洋,菲律宾以东的热带西北太平洋,赤道中东太平洋,热带东太平洋。在年代际尺度上,南海夏季风爆发日期与前一年(前一年3月至当年2月)海温场的显著相关除有与年际尺度一致的热带西北太平洋海区外,还存在5个显著不同的相关区,即西南印度洋,东南印度洋,北太平洋,热带东南太平洋和东南太平洋。1999—2008年的独立样本检验表明,多尺度最优子集回归预测方法的最大预测误差为8.5d,预测值与实际值相差在5d以内的占50%,且对爆发日期的异常迟早具有较好的预测能力,它明显好于最优子集回归预测与单,多变量的线性回归预测。多尺度最优子集回归预测可以为南海夏季风爆发日期的短期气候预测业务预报提供重要参考。

亚印太交汇区海表温度的分布和变化特征及其对中国降水的影响

利用1967—2009年的逐月海表温度(Sea Surface Temperature,SST)资料和降水资料,以及经验正交函数(Empirical Orthogonal Function,EOF)和相关分析方法,探讨了亚印太交汇区(Joining Area of Asia and Indian-Pacific Ocean,AIPO)SST的时空分布及其对中国降水的影响。结果表明:海表温度EOF分析第1主分量(即EOF1)的空间分布在整个AIPO区为均一分布,时间系数呈现出明显的年代际变化特征。在年代际尺度上,当AIPO区的SST升高后,北太平洋地区SST开始降低,在11个月后达到最低。另外,AIPO区的SST升高会使南海季风区和东亚季风区的降水增加,使青藏高原西部降水减少。第2主分量(即EOF2)的空间分布在西太平洋基本与东印度洋(包括南海地区)为反相变化,时间系数呈现出明显的2 a和4～5 a为主的年际振荡周期。当Ni o 3.4区SST出现正异常后4个月左右,东印度洋地区有SST正异常,而西太平洋地区有SST负异常。西太平洋地区的SST升高及东印度洋地区的SST降低将导致西北太平洋地区降水增加,东北和华北地区降水减少。而且,AIPO区SST第二模态影响华北和东北的降水要比西北太平洋地区至少超前3个月。