夏季欧亚中高纬大气ISO与欧洲阻塞频率的联系及其对极端高温事件的协同作用

本文利用1979~2018年NCEP逐日再分析资料,探讨了夏季欧亚中高纬地区10~30天大气季节内振荡(ISO)的时空演变及其对欧洲阻塞频率的影响,并探讨了两者对欧亚极端高温发生频率的协同作用。研究表明,欧亚中高纬10~30天大气ISO表现出东传和西传两种模态。东(西)传模态下,对流层西北—东南向倾斜的四极型(东西向分布的偶极型)准正压位势高度异常耦合温度异常同时向东南方向(向西)传播。位相合成表明,在两个模态下,中高纬低频Rossby波列在传播过程中能够显著影响欧洲阻塞的发生。东(西)传模态位相6~7(5~6)期间,欧洲阻塞发生最频繁。在东(西)传模态位相6~7(5~6)期间,欧洲西部、东欧平原、乌拉尔山以及我国东北平原(欧洲和乌拉尔山)地区分别受准正压的+-+-(+-)高度异常控制。有阻塞发生时,东传模态下,欧洲西部的正高度异常强度明显增强,乌拉尔山地区,东欧平原以及我国东北平原地区的高度异常强度均有所减弱。同时,欧洲以南出现负的高度异常;西传模态下,偶极型高度异常强度均增强,欧洲以南和我国东北平原分别出现负的和正的高度异常。可见,在两个模态阻塞频发位相下,阻塞的发生增加了欧洲和我国东北地区极端高温事件的发生频率,降低了欧洲以南和乌拉尔山地区极端高温事件的发生频率。因此,欧洲阻塞活动显著调控了欧亚中高纬地区大气ISO两个传播模态对极端高温事件的影响。

城市化对南京气候影响的数值模拟研究

利用MODIS下垫面资料和NCEP-FNL再分析资料,采用四层嵌套,通过WRF(Weather Research and Forecasting Modeling System)模式,模拟研究了城市化对南京气候的影响。结果表明:城市土地利用类型的改变使下垫面热力、动力属性发生改变,影响了地表与大气之间的动量和热量交换,进而对局地气候特征产生影响。城市化后南京城市热岛效应明显增强,1月和7月2m气温有明显增加的趋势,边界层高度分别增加了约60m和180m 。土地利用类型改变使地表粗糙度增加,1月和7月地面风速分别减小了1.1m·s^-1和0.7m·s^-1 ,并且地面辐合得到加强。城市化使城市地区的中雨和大雨发生概率增加而小雨发生概率减少,中雨和大雨天数最大分别增加约8天和4天。

海宁市近地面臭氧污染特征及气象影响因素

基于2015-2018年逐小时的臭氧(O3)浓度、逐日最大8 h滑动平均浓度数据,分析了海宁市近地面O3浓度、超标的主要特征,并结合气象资料初步讨论了气象因素对O3浓度的影响。结果表明:(1)海宁市O3污染季节特征明显,春季最重、夏季、秋季次之、冬季最轻,主要污染时段是3~10月;2015-2018年O3浓度和各级超标日数总体上呈现出不明显地下降趋势,其中春、秋季保持平稳,夏季下降不明显,冬季下降趋势明显;(2)O3浓度呈现"单峰"型日变化特征,最低浓度出现在06时左右,最高浓度出现在14时前后,主要超标时段是12时~17时;(3)O3浓度与气温、日照时数表现为显著的正相关,与相对湿度、风速则表现为显著的负相关,表明较高的气温、较长的日照对于高O3浓度的出现具有正作用,而较高的相对湿度、较大的风速均不利于高浓度O3的出现。

1961—2010年中国华南地区夏季降水结构变化分析

利用1961—2010年华南地区64个气象站的逐日降水资料,通过计算降水集中度指数Q,分析了华南夏季降水的结构。结果表明:夏季华南地区北部(南部)大部分地区降水集中度较小(大),表明该地区降水较为分散(集中)。在趋势变化上,近50年华南大部分地区夏季降水量和降水集中度都是增多的。北部和南部的降水量也均呈增加的趋势,北部增加更明显。另外,降水集中度在华南北部和南部也均呈增加的趋势,即降水呈现更集中的趋势,尤其是华南南部降水集中度增加更明显。此外,无论降水量为1 mm以上、25 mm以上还是50 mm以上的降水,持续1 d降水的雨日都在减少,而超过1 d的持续性降水过程都在增多。在空间分布上,华南大部分地区1 mm以上降水的雨日呈减少的趋势,而25 mm以上和50 mm以上的持续性降水过程呈增加的趋势。

青藏高原与同纬度其他地区热带对流层顶气压变化特征的比较

基于1979—2014年ERA-Interim逐日再分析温度资料,依据温度递减率插值法计算出青藏高原及同纬度其他地区热带对流层顶气压数据,比较了高原和同纬度其他地区热带对流层顶气压季节变化和长期变化趋势,讨论了热带对流层顶气压与高空温度的关系。结果表明:1)在季节变化上,除12月和1月外,青藏高原热带对流层顶气压全年低于同纬度其他地区;青藏高原热带对流层顶气压、对流层中上层以及平流层下部平均温度均表现出比同纬度其他地区更明显的单峰型特征。2)热带对流层顶气压与高空温度变化关系密切,对流层中上层(平流层下部)平均温度升高(降低),有利于热带对流层顶气压降低;相对于同纬度其他地区,青藏高原对流层顶气压与对流层中上层平均温度的关系更密切。3)1979—2014年青藏高原和同纬度其他地区各季节的热带对流层顶气压均呈现出不同程度的下降趋势,冬春季下降趋势更加显著;青藏高原各季节对流层中上层增温和平流层下部降温的幅度均超过同纬度其他地区,导致其热带对流层顶气压的下降趋势比同纬度其他地区更加明显。

气候变暖前后我国热度日和冷度日的特征分析

基于全国1960—2011年气象台站的逐日资料,运用度日分析法、Mann-Kendall检验法研究了气候变暖前后我国热度日(HDD)、冷度日(CDD)的变化情况。结果表明,我国北方及高原地区冬季气温在1987年前后发生突变,气候变暖后HDD有所下降;我国南方夏季气温在1997年前后发生突变,气候变暖后CDD有所上升。利用NCEP/NCAR再分析资料和环流指数资料进一步分析气候变暖前后的环流场特征,发现冬季AO指数与我国东北、华北、新疆西藏部分地区HDD具有显著的负相关关系,AO指数偏强(弱)时,强冷空气活动减少(增加),HDD减小(增大);夏季西太平洋副高面积指数与我国南方地区CDD具有显著的正相关关系,副高面积指数偏强(弱)时,晴热高温天气增加(减少),CDD增大(减小)。

冬季蒙古反气旋和伊朗反气旋的年代际变化特征

根据NCEP/NCAR再分析资料,采用客观判定和追踪方法,研究了1948~2013年欧亚地区冬季温带反气旋的年代际气候变化的活动特征。结果发现,反气旋的高频分布区也是反气旋气候变化最大的区域,其中蒙古高原和伊朗高原的反气旋最活跃。反气旋的频数和强度既有长期趋势也有年代际变化。蒙古高原和伊朗高原的反气旋频数具有明显的年代际变化特征。反气旋频数具有2~6年和16~30年周期,且具有变频特征。EOF分解发现蒙古高原和伊朗高原的反气旋频数分布均在较高纬度和较低纬度地区呈现显著相反的偶子极态分布形式。蒙古高原的反气旋强度的变化基本可以体现欧亚大陆反气旋强度的变化。反气旋分布和强度的年代际变化可以用对流层低层经向温度梯度表示的斜压锋的位置和强度的年代际变化来解释,但斜压锋对欧亚反气旋的影响具有区域性。蒙古高原的反气旋在1960~1975年50°N以北较多,1990~2005年50°N以南较多的偶极子态变化与80°~120°E区域的斜压锋纬度位置自55°N南移到45°N有密切关系,30°~80°E区域的斜压锋纬度位置变化不能单独解释伊朗高原反气旋偶极子态年代际变化。自21世纪00年代中期斜压锋偏强对反气旋强度偏强有重要影响。

降水的统计降尺度预报及其空间相关性和时间连续性重建

利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)、日本气象厅(JMA)、美国国家环境预报中心(NCEP)以及英国气象局(UKMO)四个中心1~7 d日累计降水量集合预报资料,以中国降水融合产品作为"观测值",对我国地面降水量进行统计降尺度预报,并对预报降水的空间相关性和时间连续性进行重建。对降水量进行分级后,建立各个量级的回归方程进行统计降尺度预报。此外,还利用Schaake Shuffle方法重建丢失的空间相关性和时间连续性。结果表明,分级回归比未分级回归后的预报结果相关系数更高,预报误差更小,更接近观测值。Schaake Shuffle方法可以有效地改进降水预报的空间相关性和时间连续性,使之更接近实况观测,集合成员间的相关性也更好。

东北地区夏季干旱的年际—年代际变化特征

利用国家气候中心提供的1951—2012年160个标准站的逐月降水和温度资料,计算了表征东北地区干旱的SPEI指数,并对该指数进行EMSD分解,研究了东北地区干旱的年际—年代际变化特征。结果表明,东北地区夏季干旱年际—年代际变化特征明显,年际变化中具有显著的准2 a、准5 a和准7 a振荡周期;年代际变化中则具有显著的准17 a和22 a振荡周期。进一步分析发现,1975—1984年和1994—2008年为相对干旱阶段,其中1994—2008年旱情比较严重,1953—1975年、1984—1994年以及2009—2012年为相对湿润阶段。Mann-Kendal检验结果表明,东北地区夏季旱涝突变发生在1975年和1994年。

夏季厄尔尼诺-Modoki和东部型ENSO海表温度异常分布型特征及其与海洋性大陆区域气候异常的联系

2007年,Ashok等揭示了赤道太平洋区域存在一种三极型分布海表温度异常并称之为厄尔尼诺-Modoki,同时定义了相应的海表温度异常指数EMI(记为I_(EM))。在此基础上,利用英国哈得来中心逐月海表温度资料、美国NCEP/NCAR月平均再分析数据集、美国国家海洋和大气管理局(NOAA)逐月降水资料(CMAP),通过在太平洋海表温度异常中扣除厄尔尼诺-Modoki信号后,在Nino1+2区域上定义了东太平洋型海表温度异常指数EPNI(I_(EPN))。据此,由I_(EPN)和I_(EM)可构成描述热带太平洋海表温度异常变化的一对指数。分析了两个指数相应的海气状态及对海洋性大陆区域气候异常的影响。结果表明,厄尔尼诺-Modoki和东太平洋型海表温度异常及其影响存在显著差异。在北半球夏季,当I_(EM)处于正位相时,热带太平洋海表温度异常呈现"负-正-负"的结构,海洋性大陆大部分区域海表温度异常为负,此时对流层低层太平洋地区辐合,海洋性大陆地区辐散,对流层高层太平洋地区辐散,海洋性大陆地区辐合。对应于辐合辐散中心,存在着自赤道中太平洋分别向赤道东太平洋和海洋性大陆中东部地区的异常垂直环流圈,同时也存在自海洋性大陆西部向印度洋西部的垂直环流。大气在海洋性大陆区域北部加热,南部冷却;在太平洋地区西部加热而东部冷却;在海洋性大陆区域10°N以南降水偏少,而10°N以北降水偏多。当I_(EPN)处于正位相时,热带太平洋海表温度异常呈现"西负东正"分布型,海洋性大陆区域海表温度异常呈现"西正东负"分布,对流层低层海洋性大陆地区辐散中心范围偏大、位置偏东、强度偏强,太平洋地区辐合中心范围偏小、位置偏东,热带环流异常在垂直方向上呈斜压结构,海洋性大陆区域北部大气加热而南部冷却,太平洋地区大气均呈加热正异常,海洋性大陆大部分区域降水均偏少,赤道太平洋降水偏多。以上这些结果有利于深刻理解热带太平洋海表温度异常的特征及其对海洋性大陆区域气候的影响。

1961~2017年雅鲁藏布江河谷地区夏季气候暖干化趋势

基于1961~2017年青藏高原腹地雅鲁藏布江河谷地区4个站(拉萨、日喀则、泽当和江孜)夏季(6~8月)月平均气温、降水和相对湿度等观测资料,分析了该地区夏季气候年际和年代际演变特征,并探讨了气温、降水和相对湿度在年际和年代际时间尺度上的相互关系以及与总云量和地面水汽压的联系。结果表明:(1)1961~2017年该地区夏季气候出现了暖干化趋势。气温(相对湿度)显著升高(下降),降水趋势变化不明显;本世纪初气温(相对湿度)均发生了显著的突变。(2)该地区夏季气候因子间在年际和年代际时间尺度上存在密切关系:气温与相对湿度和降水均存在明显的负相关,降水与相对湿度为正相关。(3)该地区夏季气候因子间的年际和年代际变化与同期总云量和地面水汽变化有关。1961~2017年总云量持续减少是气温显著升高的主要原因之一,气温的显著升高和降水变化不明显又造成了相对湿度的显著下降。

雅鲁藏布江河谷盛夏降水年际变化及其与环流的联系

基于近57 a(1961—2017年)西藏雅鲁藏布江中游河谷地区(简称雅江河谷)4个站(拉萨、日喀则、泽当和江孜)盛夏(7—8月)月平均降水和同期NCEP/NCAR再分析资料,采用合成、相关分析等统计诊断方法,分析了雅江河谷盛夏降水的年际变化特征及其与大气环流的联系。结果表明:1)近57 a雅江河谷盛夏降水无显著线性趋势,降水主要以3~4 a显著周期的年际振荡为主。2)雅江河谷盛夏降水年际波动与区域内水汽收支的变化直接相关,其中印度半岛-东南亚异常反气旋引起的水汽输送通量和水汽在高原腹地辐合上升的动力过程是盛夏降水年际变化的主要原因。3)对流层中低层印度半岛-东南亚异常反气旋环流是该地区盛夏降水年际异常的重要水汽输送通道,该通道将西太平洋、南海和孟加拉湾等地水汽不断输送到高原,期间西太副高和伊朗高压等大尺度系统异常对水汽输送过程起到了重要作用,同时高原盛夏季风低压和南亚高压异常给水汽在高原腹地辐合抬升提供了动力条件。

CMIP5模式对AMO与PDO模拟评估及未来预估

利用1880—2009年海表温度(Sea Surface Temperature,SST)观测资料以及耦合模式比较计划第五阶段(Coupled Model Intercomparison Project phase 5,CMIP5)中4种情景(piControl、historical、RCP2.6、RCP4.5)下的模拟资料,通过资料对比,评估了CMIP5模式对两个最为重要年代际尺度模态——北大西洋年代际振荡(Atlantic Multidecadal Oscillation,AMO)和太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation,PDO)的模拟性能,并分析了在不同增暖情景下,这两个海洋年代际模态的变化特征。结果表明:在historical和piControl情景下,多模式集合可以再现北太平洋、东太平洋和北大西洋海表温度的年代际变化中心,但模拟的AMO和PDO模态的振幅都偏弱,特别是PDO模态在东太平洋强度的再现能力较弱。与观测资料相比,在historical情景下对AMO和PDO时空特征模拟较好的模式有:CESM1-CAM5、FGOALS-g2、GISS-E2-H-CC、MIROC5和NorESM1-ME,多模式集合则有更好的模拟效果。在不同增暖情景下,AMO与PDO的空间特征基本一致且振幅差随增暖变化不明显,但是伴随全球增暖加强,两模态都呈现方差贡献减小的特征,尤其AMO模态。

基于CCM算法的北半球环状模与东北亚冬季地面气温因果关系的年际变化特征研究

北半球环状模(Northern Hemisphere Annular Mode, NAM)是北半球冬季最主要的环流系统,其变化对北半球的冬季气候变率具有重要的影响。现有研究多采用相关、合成等统计方法对NAM及气候要素进行研究,鲜少从因果关系的角度来进行分析。本文基于收敛交叉映射(Convergent Cross Mapping, CCM)算法,利用1960~2018年美国气候预测中心(Climate Prediction Center, CPC)的NAM指数、NCEP/NCAR再分析资料,分析了NAM与东北亚地区冬季地面气温(Surface Air Temperature, SAT)的因果关系的年际变化及其可能的物理机制。结果表明:1)NAM对东北亚地区冬季SAT具有单向因果关系,且其关系的强弱存在年际变化,2006年、1982年分别为因果影响的最大值和最小值年。2)冬季NAM指数存在显著的8~9年尺度主周期,该周期为冬季NAM影响东北亚地区SAT的驱动因子,其变化在一定程度上影响了NAM对东北亚地区SAT因果关系的年际变化。3)对比NAM对SAT影响的因果关系的最大值(2006年)和最小值(1982年)年环流形势,可见,高值年(2006年)NAM的"跷跷板"结构明显,而低值年(1982年)NAM的南北振荡形势并不明显。本文对于分析因果关系的年际、年代际变化给出了一个新的思路。

郑州冬季黑碳气溶胶浓度变化特征及其与风速风向的关系

利用近12年(20062017年)郑州黑碳气溶胶(Black Carbon aerosol,BC)浓度观测数据,在揭示郑州冬季BC浓度变化特征的基础上,结合该站风向、风速观测资料,分析了在晴空和非晴空状态下,BC浓度与风向及与风速的关系。结果表明:(1)郑州冬季BC浓度平均值为(9.80±6.34)μg/m3,其中12月的最高,2月的最低,1月的居中。(2)郑州冬季BC小时平均浓度日变化表现为明显的“双峰型”特征,最高峰出现在早上(09时左右),次高峰出现在晚上(20时左右),最低谷出现在下午(15时左右),次低谷出现在凌晨(03时左右)。(3)近12年郑州冬季BC浓度总体呈较明显的下降趋势,10 a趋势率约为-1.40μg/m3。(4)郑州冬季以西北风为主,晴空状态下偏西和偏东风向出现BC浓度高值;BC浓度与低层风速呈反向变化关系,当08时地面风速为2~4 m/s、20时地面风速为0~1 m/s、925 hPa和850 hPa风速大于10 m/s时,对BC浓度的稀释作用明显,且在晴空状态下更显著。

南极涛动与西沙夏季气候的关联性

利用近53a(1960—2012年)南海西沙群岛永兴岛气象站的观测资料以及同期的NCEP/NCAR月平均再分析资料,分析了近53a西沙夏季气候变化特征及其与春、夏季南极海平面气压的可能联系,并初步分析了南极涛动(AAO)对西沙夏季气候的影响。结果表明:近53a来西沙夏季平均降水持续减少、气温明显升高、风速显著减弱;降水、气温和风速还表现出准2a的年际变率及7~11a的年代际变率。回归分析和相关分析结果均表明,当春、夏季南极海平面气压偏强(弱)时,西沙夏季降水偏多(少)、气温偏低(高)、风速偏强(弱)、空间分布型类似于负(正)位相的南极涛动(AAO)。春、夏季AAO处于正位相,一方面在年代际尺度上导致东亚夏季风减弱,另一方面在年际尺度上导致印度季风减弱,从而使得西沙夏季降水偏少、气温偏高、风速偏弱。

两类厄尔尼诺背景下MJO对太平洋阻塞频率的调节作用

本文基于1979~2019年ERA-interim逐日再分析数据和二维阻塞指数,探究了冬季两类(中部型和东部型)厄尔尼诺背景下热带季节内振荡(MJO)对太平洋地区阻塞频率的调节作用。本研究选取出现频次较高且平均振幅较强的位相3和7进行研究。结果表明,在两类厄尔尼诺背景下MJO第3位相期间,MJO激发的遥相关位置相似,均对应极地地区(白令海地区)正(负)的位势高度异常,从而使高纬度太平洋地区均出现正的阻塞频率异常。在东部型厄尔尼诺背景下MJO第7位相(EP7)期间中高纬太平洋地区存在正的阻塞频率异常。但是在中部型厄尔尼诺背景下MJO第7位相(CP7)期间没有大范围显著的异常阻塞频率。这是因为EP7期间MJO激发的异常Rossby波源位于急流核区的西北部,使得MJO的遥相关可以传至50°N以北,引起中高纬度地区有利于阻塞频率增加的位势高度异常。然而CP7期间MJO激发的异常Rossby波源位于急流核区内部,使得对应的遥相关仅在副热带急流中传播,对高纬度地区的位势高度影响较小,导致该时期内没有大范围显著的阻塞频率异常。最后本文使用ECHAM4.6气候模式验证了上述结论。

大气热源对高原低涡不同发展阶段的影响——2013年7月个例分析

高原低涡是夏季青藏高原(简称高原)及其下游地区的主要降水系统。本文利用ERA5逐小时再分析资料、FY-2E卫星云顶亮温逐小时数据和TRMM 3 h降水资料,对2013年7月19~21日活动于高原的一次低涡过程进行了诊断分析。此低涡在高原期间的活动时间长达56 h,将其分为初生、发展及移出高原前三个阶段,着重分析了高原大气热源在低涡不同阶段的关键作用和机理。结果表明:此低涡在发展过程中表现为阶段性增强的特征,位势涡度倾向方程诊断发现非绝热加热的垂直梯度是造成低涡发展增强的主要因素,即非绝热加热极值所在高度的下方和上方分别有正的和负的位涡制造,从而加强了低层的气旋和高层的反气旋。进一步分析可知大气热源在低涡发展过程中也表现出阶段性增强的特征,最大值出现在正午时段,且在低涡移出高原前阶段最强。低涡的生成与地面暖中心有关,这归因于地表感热加热的作用;而低涡的后续发展则主要依赖于凝结潜热加热,加热高度位于对流层中层,这主要是由垂直运动将低层的水汽集中到中层,产生水汽凝结所致。

青藏高原夏季高层纬向风季节内振荡特征

利用1979—2019年ECMWF提供的ERA-Interim逐日再分析资料,采用Morlet小波分析、滤波及合成分析等方法,探究了青藏高原夏季对流层高层纬向风季节内振荡(IntraSeasonal Oscillation,ISO)的主要周期及其传播特征。结果表明:青藏高原夏季高层纬向风季节内振荡的主要周期为10~30 d,其强度存在明显的年际差异。在纬向风ISO强年,振荡过程持续时间长、振幅强,ISO方差中心从对流层高层向下影响到对流层中层,表现为相当正压结构。其传播在纬向上主要表现为ISO中心从高原东部3次向东传,可达西太平洋地区;经向上分别有4次自中高纬向南传播的10~30 d ISO中心与来自低纬地区的ISO中心在高原南侧汇合,其强度在高原南侧有所加强,强振荡中心可向南传播到达低纬地区。ISO的位相演变主要表现为低频反气旋和低频气旋中心在高原东部交替出现,引起东部地区上空低频东风和低频西风的强度变化。在ISO极端活跃位相,高原东部低频西风达最强。

造成东北地区暴雪过程的温带气旋暖输送带特征研究

利用欧洲中期天气预报中心(European Center for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)的ERA5再分析资料与拉格朗日分析工具(Largrangian analysis tool,LAGRANTO),对2006-2021年期间引发东北地区暴雪天气的温带气旋暖输送带进行统计,研究了暖输送带对气旋和降水发展的作用及其与锢囚锋的关系。结果表明:(1)气旋的加深率与暖输送带强度有明显的正相关,两者相关系数为0.63,通过α=0.01的显著性检验。大部分气旋在迅速加深24 h期间锢囚,以暖式锢囚为主。(2)强烈发展的锢囚型气旋通常具有强暖输送带,暖输送带低空入流主要位于气旋中心和气旋暖区附近,暖输送带的出流有两个分支:一支上升至气旋西北侧高空,另一支随高空西风带向气旋下游移动;气旋锢囚阶段低空正位涡异常与高空正位涡异常相互作用,形成贯穿整个对流层的位涡柱。(3)未锢囚或晚锢囚的气旋虽然有强暖输送带,但缺少对流层上层的干侵入,仅在低空有正位涡异常,气旋发展较弱。弱的锢囚型气旋存在明显干侵入,但暖输送带及降水均较弱。(4)具有强(弱)暖输送带的气旋造成的降水更多(少),且降水落区与暖输送带分布有密切关系。移动到气旋中心附近的暖输送带气块对气旋的发展有重要作用,其水平运动引起的暖平流及上升运动组织形成的低空非绝热位涡均能加强气旋式环流,进而促进气旋发展。