江淮梅雨期降水经向非均匀分布及异常年特征分析

尽管江淮梅雨期降水在多数年份具有一致的空间变率, 然而在有些年份却呈现出南北反相的变化特征, 而此时整个梅雨区的降水量往往接近正常, 这无疑增加了梅雨短期气候预测的难度. 鉴于上述考虑, 对1951~2004年江淮地区15站梅汛期(6~7月份)降水进行了EOF分析, 发现第二特征向量主要反映了梅雨期降水的经向非均匀分布特征, 据此将梅雨雨型分为南涝北旱和南旱北涝型, 并利用第一套NCEP再分析资料和第二套扩展重建海温资料(ERSST)对梅雨降水经向分布异常年的海气背景特征进行了研究, 结果发现: 南涝北旱年, 梅雨期低层锋区和水汽辐合中心偏南, 东亚副热带夏季风偏弱, 西太平洋副热带高压和200 hPa南亚高压位置偏南; 前期2月份北半球环状模(NAM)和南半球环状模(SAM)偏强, 北半球冬、春季中国近海海温偏高. 南旱北涝年, 情况基本相反. 此外, 前期北半球冬季ENSO对梅雨期降水经向非均匀分布也具有一定的影响作用.     

长江流域梅雨带水汽输送源-汇结构

采用NCEP资料分析了长江流域旱、涝年整层水汽输送结构, 揭示了“大三角形”关键区整层水汽输送流入与流出边界总体收支呈同位相年际变化, 提出了高原周边降水异常区水汽输送结构以及夏季南海-青藏高原-长江流域水汽远距离输送模型; 采用整层水汽输送相关矢量场计算方案, 发现了长江流域旱、涝年整层水汽输送流型反位相特征; 提出季风梅雨带整层水汽输送遥相关源-汇结构综合模型及其物理图像, 即长江流域涝年水汽输送“大三角形”关键区来自海洋(印度洋、南海、西太平洋等)水汽流在高原周边“转向”效应构成了遥相关源-汇结构.     

南海夏季风的年际变化及其对我国长江流域洪水的影响

南海夏季风对于我国长江流域的洪涝灾害有着重要的影响,本文利用1980～1989年的资料,系统地探讨了南海夏季风的年际变化、副热带高压强度指数和最大洪峰流量之间的关系.结果表明:在强南海季风年,夏季西太平洋副高强度较正常年偏弱,副高脊线的位置偏北,使得汛期长江中下游及淮河流域的最大洪峰流量偏小;在弱南海季风年.夏季西太平洋副高强度偏强,副高脊线的位置偏南,汛期长江中下游及淮河流域的最大洪峰流量偏大.发生洪水灾害的频率较高.这一结果为开展长江流域洪水预报提供了可靠的理论依据.     

三维副热带高压强度指数及对中国东部雨带异常表征的改进

西太平洋副热带高压(副高)是位于对流层中下层的深厚环流系统,其位置和强度的年际差异直接决定着东亚气候的异常.但现有副高参数定义均囿于500 hPa单层及5880 gpm这一特定阈值,造成副高强度指数不能很好表征我国东部雨型特征尤其是长江流域的旱涝.统计结果表明,东亚副热带夏季风强度与同期各层位势高度的显著负相关性随经度自西向东有明显的自高层向低层下传的特征.在西太平洋暖池区,最显著的负相关区位于对流层中低层,且500 hPa的相关系数明显弱于700和850 hPa,表明东亚副热带夏季风的强度更容易受到低层副高强度异常的影响.因此本文分析了不同季节西太平洋副热带地区该阈值在各格点的代表性,发现基于该阈值定义有很大的局限性和季节差异,由此从副高空间结构特征重新定义了一个新的三维副高强度指数,即(10°~30°N,110°~150°E)区域1000~500 hPa各层位势高度标准化值累积值,并和两种传统的副高强度指数对比,发现新的三维副高强度指数无论是对副热带夏季风还是对长江中下游降水异常的表征均有明显提高.虽然3种副高强度指数都能反映出和东部降水最强正相关位于长江中下游这一基本特征,但仅有本文定义的三维强度指数与之相关性可通过显著性检验,这主要是因为三维副高强度指数比其他两种指数能更好反映东亚热带和副热带地区经、纬向水汽输送的异常.     

2021年7月河南极端暴雨过程概况及多尺度特征初探

2021年7月17～22日,河南省发生了致灾严重的极端暴雨过程,气象观测站最大6日累积降水量为1122.6 mm(鹤壁市),最大小时雨强高达201.9 mm(郑州市),突破了中国内陆小时雨强历史纪录.利用气象雨量站、探空和多普勒天气雷达等观测资料以及ERA5再分析资料对极端暴雨概况和多尺度特征进行了初探.结果表明,此次极端暴雨过程是在对流层高、中、低层以及中、低纬度多尺度大气系统共同作用,并叠加地形影响下产生的:(1)西南季风将南海的水汽向西北太平洋输送并经由热带气旋“烟花”向北抽吸,西北太平洋上的水汽经“烟花”北部的偏东低空急流和异常偏北偏强的副热带高压西南缘的东南气流向河南输送;这条异常的东进河南的热带气旋远距离接力水汽输送通道导致河南可降水量正异常.(2)对流层高层,河南位于短波槽前辐散区;对流层低层,河南及附近为低涡或倒槽影响,这些均有利于低层大气的辐合和上升.此外,伏牛和太行等山脉对水汽的汇聚和对低层偏东或东南气流的抬升有作用.(3)副热带高压和异常偏强的大陆高压连成“高压坝”,阻碍了中高纬度冷空气南下,郑州极端暴雨发生在暖湿层深厚的环境场中,降水系统呈现低质心热带型雷达回波...     

中国东部夏季降水与春季土壤湿度的联系

通过对资料的诊断分析, 揭示了中国东部春季土壤湿度与夏季降水的联系, 发现春季从长江中下游到华北的土壤湿度偏湿, 东北土壤湿度偏干时, 对应着中国夏季东北和长江流域降水偏多, 华北和南方降水偏少. 对这种影响的物理过程分析表明, 春季从长江中下游到华北的土壤湿度正异常使得中国大陆东部地表温度降低, 减少了海陆温差, 造成东亚夏季风减弱, 西太平洋副热带高压发展西伸, 从而阻挡了东亚夏季风的北上, 使得中国夏季雨带偏南, 长江流域降水偏多, 华北和南方降水偏少.     

夏季青藏高原大气热源与东亚大气热源及环流的关系

利用1971~2000年NCEP/NCAR versionⅠ逐日再分析资料, 通过倒算法计算出大气热源资料集, 并采用相关分析和综合对比分析相结合的方法研究了夏季青藏高原大气热源(Q₁TP)对大范围大气热源及相应大气环流的影响, 结果表明: 夏季青藏高原大气热源(Q₁TP)可以在东亚大陆和西太平洋间激发出一支沿海岸向东北方向传播到达白令海峡-北极的热源波列, 这支波列可能会影响到北美地区. 另外, 当夏季高原东部热源偏强(弱)时, 南亚高压偏东(西)偏南(北), 西太平洋副热带高压偏西(东)偏南(北), 年际变化上南亚高压和西太平洋副热带高压在东西方向上存在“相向而行, 背向而去”的关系, 而高原东部的热源强迫似乎是其一种热力解释.     

1998年春夏南海低空急流形成机制研究

利用“南海季风试验”提供的同化资料, 分析了1998年春、夏季发生在南海上空低空急流形成机制, 其中重点分析了1998年6月8~10日珠江三角洲暴雨过程中的低空急流过程, 并用MM5中尺度模式进行了数值模拟. 结果表明, 在低空急流形成过程中, 动能向上输送, 造成南海低空急流从对流层低层向高层发展. 其形成过程可以概括为: 在华南西部的天气尺度低压向东移动和西太平洋的一个高压扰动向西移动过程中, 二者的共同作用使南海地区上空对流层低层的气压梯度力加强, 由于气压梯度力作功提供了低空急流形成所需要的动能, 导致南海上空低空急流在这两个系统之间形成. 由于南海季风加强往往以低空急流的形式表现出来, 因此南海低空急流的形成机制也可以解释南海季风加强.     

20世纪90年代末中国东部夏季降水和环流的年代际变化特征及其内动力成因

观测资料分析表明, 中国东部夏季降水在20世纪90年代末发生了年代际突变, 在1999～2010年期间降水异常从以往的经向三极子型分布变成了经向偶极子分布, 形成了“南涝北旱”(除长江沿岸地区)的特征; 中国东部这次降水的年代际突变与东亚上空对流层环流及散度、垂直运动以及整层水汽输送散度的经向偶极子型年代际异常分布相对应. 并且, 本文还从大气内动力和热力过程讨论了1999～2010年期间东亚地区上空夏季对流层中、上层纬向气流和经向气流异常对中国东部夏季降水年代际突变的影响, 其结果表明, 由于在此时期东亚上空副热带急流北移减弱, 使得东亚上空纬向气流异常形成经向偶极子型. 这一方面使得东亚对流层上层沿副热带急流传播的“丝绸之路(Silk Road)”型、沿东亚经向传播的东亚/太平洋(EAP)型和沿极锋急流传播的欧亚(EU)型遥相关波列发生异常, 从而引起中国北方为下沉运动异常, 而南方为上升运动异常; 另一方面造成了中国东部对流层中层北方有冷平流异常, 而南方有暖平流异常, 这也引起了中国北方有下沉运动异常, 而南方有上升运动异常, 因而在1999～2010年期间夏季中国形成南涝北旱的降水异常.     

亚洲-太平洋涛动变化与北太平洋海温异常的联系

通过对观测资料的分析, 初步探讨了夏季(6~8月平均)亚洲-太平洋涛动(APO)变化和北太平洋海表温度(SST)异常的关系, 发现APO强弱的年际变化与北太平洋SST之间存在显著的正相关关系(1954~2003年间年际变化的相关系数为0.58). 夏季APO偏强(弱)时, 北太平洋SST往往偏高(低). 与APO异常相关联的动力和热力条件佐证了APO和北太平洋SST的同位相变化关系. 当APO处于正位相时, 高空东亚西风急流减弱, 北太平洋对流层低层为异常反气旋型环流控制. 此外, 北太平洋区域感热潜热通量出现负异常, 海洋得到热量, 同时, 暖水向北的异常平流输送增强. 这些变化均有利于北太平洋SST增暖, 反之亦然.     

冬季澳大利亚东侧海温与长江流域夏季降水的联系及可能物理机制

通过对观测资料的分析, 初步探讨了冬季澳大利亚东侧海温和夏季长江流域降水的关系及可能物理机制. 研究表明, 澳大利亚东侧冬季海温与我国长江流域夏季降水之间具有同位相变化关系. 当冬季澳大利亚东侧海温变暖时, 随后夏季西太平洋副热带高压和东亚西风急流位置往往偏南, 我国大陆沿岸低层盛行异常的西南风, 有利于长江流域降水增多, 反之亦然. 冬季澳大利亚东侧海温对后期夏季东亚大气环流的影响通过两种途径来实现: (ⅰ) 冬季澳大利亚东侧海温异常信号由于自身的持续性可维持到夏季, 并通过南北半球遥相关影响东亚夏季大气环流的变化; (ⅱ) 冬季澳大利亚东侧海温偏高时,同期西南印度洋海温也易于偏高. 在海气相互作用下, 这种异常信号逐渐向东发展, 并造成夏季海洋大陆附近海温升高. 海洋大陆海温的升高反过来影响对流活动进而导致东亚夏季大气环流异常.     

中世纪暖期、小冰期与现代东亚夏季风环流和降水年代-百年尺度变化特征分析

利用气象仪器观测资料、降水和温度代用资料以及气候模拟结果, 综合分析近1000年东亚夏季风区海陆热力差异和降水的年代际、百年际尺度变化规律, 对比了现代、小冰期和中世纪暖期东亚季风环流和降水的基本特征, 以及与太阳辐照度和全球气候变化的联系, 得到以下结论: 在近150 年里, 用东亚陆地与其周边海域大气温度差异指示的东亚夏季风环流与降水呈现出显著的年代际波动特征, 并且在过去50 年全球增暖最快时期东亚季风偏弱; 在百年尺度上, 中世纪暖期东亚夏季风环流是过去1000 年里最强时期, 而在1450~1570 年期间东亚夏季风是过去1000 年里最弱的时期; 对应于偏弱的东亚夏季风环流, 中国东部季风雨带总体上位置偏南, 伴随着华北降水偏少、长江降水偏多(即“南涝/北旱”型)异常分布特征; 从20 世纪初到20 世纪20 年代, 降水呈现出长江流域偏少、华北偏多的反“南涝/北旱”型特征; 与中世纪暖期相比, 在1400~1600 年期间发生的是一个更长时间尺度的“南涝/北旱”现象; 此外, 东亚夏季风环流和降水变化与全球气温变化的趋势有不同步特征, 在近150 年里, 尽管全球和中国区域表面年平均气温显著增加, 但是东亚季风环流和降水没有表现出一个增强或者减弱趋势, 在过去1000 年里东亚夏季风最弱时期要比北半球最冷时期出现的早, 并与太阳辐照度的最弱时期相对应.     

夏季青藏高原与其东部平原的热力差异对中国降水的影响

亚洲东部存在二级热力差, 即高原-平原和大陆-海洋的热力差. 现有研究中讨论大陆-海洋热力差异变化对中国东部地区降水影响的工作很多, 而讨论高原与其东部平原热力差异对中国夏季降水影响的工作很少. 为此, 本文利用1951~2007年NCEP再分析资料和中国160站降水资料, 以500 hPa高原地区(27.5°~40°N, 80°~100°E)平均温度和平原地区(27.5°~40°N, 110°~120°E)平均温度之差近似表示高原和平原的热力差, 并将其作为东亚副热带地区高原和平原热力差指数, 探讨夏季高原-平原热力差异与东亚大气环流和中国降水的关系. 诊断分析和数值模拟结果表明：夏季高原-平原热力差异变化和中国西部90°~110°E地区夏季降水有显著相关. 高原-平原温差的高指数年表示高原-平原温差加大, 高原上空的热低压加强, 西北太平洋副热带高压位置偏南, 这往往对应着90°~110°E地区的南涝北旱, 低指数年则反之. 近57年来, 高原-大陆温差指数变化表现出显著的上升趋势和波动特点, 与此相应, 中国90°~110°E地区也经历了由北涝南旱向南涝北旱变化的过程. 这些结果为加深认识亚洲东部特殊地理环境造成的二级热力差异对中国夏季降水年代际变化的影响也具有参考意义.     

波射线理论在大气正压不稳定中的应用

应用球面上Rossby波射线理论初步探讨了基本流为急流的大气中正压扰动的动力学行为,对正压不稳定的条件进行了再思考,指出存在一个准地转位势涡度梯度bM的负区,在这个区域中向北传播的扰动振幅增长很大,为扰动发展的不稳定区,此外扰动能量无法穿越β_M=0的线,据此称之为陷波线.在90°E,20°N给定一个初始扰动,应用包含急流的理想风速廓线分析指出,对于非定常波,扰动的行为依赖于初始的纬向波数k和经向波数l.k值较小的大气长波经向传播范围大,向北传播容易被陷波线捕获,而尺度较小的短波不能到达陷波线,因此能够在西风中南北振荡并向下游传播.对k=1,l=8的大气长波,向北传播时波能量增加,在急流以北波能量达到最大值,当靠近陷波线时能量迅速减小,最终在陷波线中能量衰减为零.向北传播时波能量的增大,意味着扰动从急流以南的基本风场中获得的能量传到急流以北,在陷波线附近能量又还给了基本流,完成了大气中能量的南北输送.进一步计算了1和6月500 hPa上实际纬向风速廓线下扰动能量的传播,其结果大体和理想基流的结果相同,不同之处在于冬季低纬度向南的扰动容易被东风带阻挡,不能传播到南半球;而夏季低纬非定常扰动可以穿越东风带到达南半球,并且在东风带中形成西传的波动.     

青藏高原极端天气气候变化及其环境效应*

 青藏高原气候变化敏感性强、幅度大,而极端天气气候变化是高原生态、环境变化的重要驱动因素。过去几十年高原气温增暖幅度明显大于全国平均值,高原绝大部分地区极端高温事件频次显著上升、极端低温事件频次显著下降,并伴随有风速和地表感热加热等气候要素的显著变化。高原极端天气气候事件以及相应的地表和大气热源变化会对高原周边区域天气气候产生重要影响。高原冬春季积雪、春季感热强度以及夏季高原低涡东移发展是东亚夏季风异常和旱涝灾害预报的重要指标,可影响到其下游地区的大气环流和中国东部的天气气候异常。为构建稳固的青藏高原生态屏障,深化对高原极端天气气候环境事件及其对周边区域气候变化影响的研究,建议国家加强高原上对流层-下平流层水汽和微量成分输送过程与机制的研究,加强高原湿地及其对周边区域气候环境变化的影响研究,以及加大投入灾害卫星监测和灾害预警系统的能力建设。