一次台风变性并入东北冷涡过程的动力诊断分析

台风北移变性并入东北冷涡是造成东北地区夏季大范围暴雨的主要形式之一, 但其中的热动力结构变化特征及其物理机制尚不清晰。本文利用美国国家环境预报中心(NCEP)的再分析资料对一次台风变性并入东北冷涡过程进行动力诊断分析, 分析结果显示:冷涡冷空气的不断侵入以及台风移动形成的相对冷平流使得台风暖心结构消亡, 其低层低压辐合和高层高压辐散结构消失, 变性并入东北冷涡后气旋整层偏冷, 低层出现冷中心。台风变性并入东北冷涡过程中, 冷涡中心附近高空急流南侧的反气旋切变抑制气旋直接往高空发展, 而急流轴左侧的热动力分布特征有利于垂直涡度的发展, 变性后的气旋环流向冷涡的移近有利于急流轴维持倾斜, 从而促进气旋向高空冷涡倾斜发展。同时, 冷空气在气旋低层附近堆积导致等假相当位温线发生倾斜, 造成垂直涡度在气旋中层倾斜发展。台风变性并入东北冷涡后, 高空冷涡槽底的正垂直涡度平流促进气旋由中层直接向高层发展, 而高空冷涡槽底急流促进正垂直涡度平流的维持。气旋高空环流的发展反过来削弱了东北冷涡的高层环流, 导致高空冷涡中心出现北撤。     

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。     

冬季东亚副热带急流和温带急流协同变化与我国冷空气活动的关系

利用NCEP/NCAR再分析资料和地面台站气温观测资料,分析了冬季东亚副热带急流（EASJ）和东亚温带急流（EAPJ）强度变化特征及其与我国境内冷空气活动的关系。以（45°N～60°N, 70°E～110°E）和（27.5°N～37.5°N,130°E～160°E）区域平均的300 hPa全风速分别表征冬季EAPJ和EASJ的强度,将两支急流的强度变化分为四种情况：EAPJ和EASJ同强（SS）、同弱（WW）、以及强弱（SW）、弱强（WS）。分析四种急流强度变化情形下中国境内冷空气活动强度、路径、持续时间以及源地的不同特征,发现当EAPJ和EASJ均强时,冷空气从内蒙古中东部入侵,主要影响华北、东北和东部沿海地区,强度较弱,持续时间短,冷空气源地位于新地岛以东的洋面及陆地上;当EAPJ和EASJ均弱时,冷空气从新疆北部入侵,影响我国大部分地区,强度强,持续时间长,冷空气源地位于巴尔喀什湖西部;当EAPJ强,EASJ弱时,冷空气从我国东北入侵,主要影响我国东北部,中国南部降温不明显,冷空气强度较强,持续时间短,冷空气源地位于中、西西伯利亚地带;当EAPJ弱,EASJ强时,冷空气从内蒙古中部入侵,进而影响华北和我国东部地区,但冷空气强度较弱,冷空气源地位于贝加尔湖的西侧。进一步分析急流强度四种变化情形下的环流特征发现,EAPJ、EASJ均弱时,西伯利亚高压偏强,阿留申低压偏弱,东亚大槽偏深,中国东部的偏北风强,而EAPJ弱、EASJ强时,尽管西伯利亚高压和阿留申低压偏强,东亚大槽偏深,但中国东部的偏北风并不是很强,而另两种情况时,西伯利亚高压较弱,东亚大槽也较弱,中国东部的偏北风偏弱。     

东北冷涡下辽宁省短时强降水统计与合成分析

利用2000—2014年6—8月常规资料、FNL资料和辽宁省逐时降水资料,将东北冷涡分为北涡、中间涡和南涡,统计每类冷涡短时强降水特征,并进行动态合成分析。结果表明:短时强降水共755次,冷涡下227次,冷涡强降水多发生在1~3 h内。6月短时强降水主要由中间涡引起,7、8月中间涡与北涡共同影响,有一定周期变化;而南涡没有在辽宁产生强降水。北涡水汽输送充沛,中间涡水汽条件较差,切变辐合场与水汽输送的结合是有利于强降水的重要因子。降水基本处于斜压区内,冷涡中心降水处在斜压区北侧和高空急流左前方,高空槽前或槽后的降水处在斜压区南侧和急流中心右后方,降水区附近多有高空急流形成的次级环流配合。槽后降水区干侵入活动明显,冷涡中心降水主要通过高位涡诱发气旋性环流而触发上升运动。     

2013年7月2—4日东北冷涡暴雨天气分析

使用NCEP 1°×1°再分析资料和地面降水量资料,对2013年7月2—4日东北冷涡引发的黑龙江省暴雨天气进行了分析。结果表明：1）在东北冷涡影响期间,黑龙江省逐小时雨量大都小于10 mm,但持续时间长,累积雨量大,中西部地区出现大范围暴雨天气。2）东北冷涡发展期,强上升运动与下沉运动的耦合,为暴雨提供了很好动力条件。3）从黄海、日本海到黑龙江省的低空急流为暴雨提供了充足水汽和能量,强降雨区水汽通量达到8 g·s-1·cm-1·hPa-1,水汽辐合强于2×10-5g·s-1·cm-2·hPa-1,850 hPa的θse高于332 K。4）湿位涡变化显示,冷涡影响期间,降雨区上空有对流不稳定条件,有利于强降雨发生。正MPV1位涡舌从对流层高层下伸、东移与暴雨落区东移相吻合;东北冷涡发展期的大气斜压性强,降雨强。维持期、减弱期大气斜压性弱,降雨弱。对流层低层MPV2小于-0.2 PVU区域易出现强降雨。     

夏季东北冷涡气候特征对吉林省大豆生育期的影响

基于NCEP/NCAR再分析资料，国家气候中心160站月平均气温和降水资料，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1981-2018年夏季（5-9月）东北冷涡活动气候学特征，初步分析吉林省大豆近年来生育期情况及其对东北冷涡活动的响应。结果表明：东北冷涡是一个持续时间较长且较为频繁的系统，平均寿命5d左右，夏季（5-9月）冷涡活动占比三分之一以上，主要活动集中在120-125°E、45-50°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高度场增强，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。     

干侵入对一次东北冷涡过程的作用分析

以2006年7月20~24日一次东北冷涡过程为研究对象,利用NCEP/NCAR再分析资料、FY-2C卫星资料及常规气象观测资料,通过卫星水汽图像和大气动力场相结合的方法揭示东北冷涡过程中干侵入的特征及其对冷涡发生、发展的作用机制。结果表明,此次东北冷涡过程中干侵入特征明显,卫星水汽图像上的干侵入暗区与对流层高层的下沉运动、高值位涡、高空急流以及干冷区相对应;因干冷空气叠加在暖湿气流之上,在低层冷涡中心上空出现了对流不稳定层结,为冷涡的增强创造了有利的条件;同时,沿冷涡中心的经向垂直剖面中,高空急流入口区北侧产生的下沉运动对对流层高层低湿、高位涡的干冷空气起动力下传的作用;500 hPa绝对涡度的演变与同时刻水汽图像上干侵入区的走向、范围、强度变化相一致,由于干侵入使得冷涡中心绝对涡度增大,冷涡加强发展,因此干侵入是激发冷涡发生、发展的动力条件之一;而等熵面上各要素场的演变也能够反映出干侵入的活动特征及其对冷涡的作用。     

1961-2010年5-9月东北冷涡气候特征及其对辽宁气温的影响

应用1961-2010年5-9月辽宁地区逐日气温和NCEP 2.5°×2.5°资料,分析了东北冷涡的气候特征及其与辽宁气温短期变化的关系。结果表明：近50 a东北冷涡气候趋势变化不明显;年平均东北冷涡过程8.3次,平均每次过程持续3.97 d;5月东北冷涡过程次数最多,9月东北冷涡过程次数最少;5-7月平均每年受东北冷涡影响分别为7.3、7.5 d和7.4 d;东北冷涡过程次数存在13、9 a和5 a的年际变化周期。按照结构,将东北冷涡分为深厚冷涡和浅薄冷涡;受深厚北涡、中涡和南涡过程影响时,辽宁地区气温距平均为负值,而深厚中涡负距平最明显,且深厚冷涡过程持续时间越长,辽宁地区气温负距平越显著;浅薄北涡影响时,辽宁气温距平均为正值,浅薄中涡、南涡影响辽宁时,气温为弱负距平,没有深厚中涡、南涡过程影响时负距平显著,而且浅薄冷涡过程日期长短对气温影响的差异不明显。     

一次初春东北冷涡的结构特征及其降水成因

利用ERA-Interim逐日再分析资料及中国753站逐日降水资料,对2008年3月23—28日的东北冷涡天气过程进行诊断分析,并探讨了冷涡降水的主要影响因子。结果表明：1）与夏季冷涡过程不同,此次初春冷涡过程高层环流场由经向环流向纬向环流转变;冷涡发展初期,经向环流的建立使得冷涡向南移动,而成熟阶段冷涡后部的低槽引导冷空气向冷涡输送,导致了冷涡环流的维持。2）亚欧大陆上空强阻塞形势的发展是初春东北冷涡形成的关键因子;乌拉尔山和鄂霍次克海阻塞高压分别受到前期北大西洋和热带太平洋海温异常的调控,为冷涡向南发展维持提供了有利的环流背景,并影响了高低空急流的配置,有利于冷涡降水的形成。3）涡度场和温度场的高低空配置使得东北冷涡发展成深厚的环流系统,干侵入对冷涡的形成和维持同样有重要作用。冷涡环流的发展为东北地区降水提供了有利的水汽和垂直运动条件,冷暖平流交汇引起的锋面过程则促进大范围降水的形成。     

冬季东北冷涡对北太平洋风暴轴的可能影响

利用NCEP/NCAR逐日再分析资料及由吉林省气象局科研所提供的东北冷涡日历表,以1951/1952—2008/2009年58 a冬季为代表,分析了东北冷涡对北太平洋风暴轴产生的影响及其可能原因。结果表明:1)冬季东北冷涡发生天数变化与北太平洋风暴轴强弱变化呈显著的负相关关系,即当东北冷涡发生天数偏多(偏少)时,北太平洋风暴轴强度减弱(增强)。2)通过Morlet小波交叉谱分析发现,冬季东北冷涡发生天数的年际变化与北太平风暴轴强度变化存在准3 a尺度上的相关关系。3)在冬季,当东北冷涡发生天数偏多时,从东亚到西北太平洋沿岸低层温度降低,低层冷空气位于副热带急流和北太平洋风暴轴上游,且经向上处于两者之间,加之冷平流的作用,给副热带急流与北太平洋风暴轴活动区域带来了正好相反的局地斜压性的改变:副热带急流区域斜压性增加,变得强而窄,位置南压;而北太平洋风暴轴区域斜压性减小,同时由于西北太平洋区域低层温度降低,使得有利于涡动形成的波源效应减弱,风暴轴强度减弱。当东北冷涡发生天数偏少时,则反之。     

SPATIAL AND TEMPORAL DISTRIBUTION OF MESOSCALE CONVECTIVE VORTICES IN EAST CHINA AND THE WESTERN PACIFIC REGION

Data from high-resolution satellites were used to evaluate the spatial and temporal distribution of mesoscale convective vortices (MCVs) in central and east China and the western Pacific Ocean region. The monthly variation in MCVs was significant. From May to October, MCVs were clearly affected by large-scale environmental conditions, including the South Asian summer monsoon, subtropical high and solar radiation, which resulted in clear changes in MCV spatial distributions from strengthening and weakening processes. Based on the analysis of diurnal MCV variations and the precipitation rate from May to October, MCVs were found to occur more frequently over the ocean than over land. MCVs near the Sea of Japan and northern South China Sea occurred during all types of weather. Ocean occurrences near land, such as the Ryukyu Islands, were categorized as morning-active MCVs. The hilly regions of southeastern China and North China Plain were characterized by afternoon-active MCVs. Limited to topography and the urban heat island effect, the Beijing-Tianjin-Tangshan area had evening-active MCVs, while Changbai Mountain had nocturnal MCVs.     

2006年杭嘉湖平原夏秋天气异常分析

2006年杭嘉湖平原出现夏季特长、秋季极短,梅雨量极少、高温天数多、夏旱连秋旱的气候异常现象,对大气环流进行分析发现,西太平洋副高持续偏强偏西,北半球极涡偏弱,冷空气活动偏北,亚洲地区盛行纬向环流.区域气候的异常与大气环流的季节转换异常有关,并且大气环流的异常可以追溯到其前期环流的异常.2006年前冬和春季中高纬度较强的经向环流和持续偏强的副热带高压使得该年夏季副高继续偏强,并且春季的这一环流异常现象,导致秋季大气环流向冬季过渡较快.对涡动高度的分析表明,5月平流层正中心的异常两移、6～7月平流层持续分裂出两个正中心,以及9月正中心的异常增强,预示和促进了夏季低层大气环流的异常发展,从而夏季偏长、夏秋季节转换推迟;11月冷低压的异常增强南压和暖高压的突然减弱,使秋冬季节转换较快,从而秋季极短.     

1999—2008年夏季华北冷涡的异常特征

利用1999—2008年5—8月中国160站月平均气温资料、每日2次的MICAPS资料及每日4次的NCEP 1°×1°资料,通过定义一个夏季华北冷涡强度指数(NCCVI),研究了夏季华北冷涡异常年西太平洋副高、东亚季风、高空急流及低层垂直运动的异常特征。结果表明：夏季NCCVI异常强年500 hPa上贝加尔湖地区有气旋性环流发展,从贝加尔湖至我国华北地区为一显著的高空槽所控制,冷空气较活跃并随槽后引导气流扩散南下影响华北地区。对流层各层偏暖湿,200 hPa上高空急流偏强,700 hPa上高纬冷涡后部偏北气流加强,低纬偏南气流加强,冷暖空气在华北交汇,华北和东北地区低层上升运动发展。同期副热带高压偏强,位置略偏南;东亚夏季风偏强, 加强了水汽输送。夏季NCCVI异常弱年相反。     

2006年北半球大气环流及对中国气候异常的影响

2006年，赤道中东太平洋经历了一次从La Nina状态到El-Nino事件的过程。500hPa高度场上，欧亚中高纬度地区前冬为经向型环流，后冬亚洲地区盛行纬向环流；夏、秋季，亚洲高纬度地区为经向型环流而中纬度为纬向环流，这种环流形势不利于冷空气南下，导致我国2006年的夏、秋季变得异常暖。2006年西太平洋副热带高压面积偏大、强度偏强且西伸脊点异常偏西。夏季没有出现持续性的较强的阻塞形势，从而使长江中下游地区降水较常年同期偏少，梅雨较弱。东亚夏季风异常偏强。2005／2006年冬季，青藏高原温度异常偏高，各季的高度场也较常年同期偏高，这有利于副高的加强西伸，而7-8月、10月太平洋暖池区对流活动强盛，为热带气旋的生成发展提供了有利的动力条件，并在副高的引导下多为西行路径。     

2005年夏季的主要天气及其环流分析

简要讨论了2005年夏季的主要天气过程和形势。2005年夏季全国大部分地区降雨量接近常年同期或偏多,特别是新疆地区降雨异常偏多,华南地区出现严重洪涝,而长江流域出现了空梅。造成6月华南地区强降雨的影响天气系统为切变线和地面静止锋,主要为从东北和西北来的冷空气与暖湿气流交汇于华南地区而形成。2005年与1994、1998年环流的对比表明,1998年西南季风强度比1994、2005年都要弱,但2005年梅雨期东阻位置在贝加尔湖东侧,比1998年的鄂霍次克阻高偏西,中纬度地区多小槽活动,贝加尔湖地区没有长波槽建立,中高层西风急流带偏北大约10个纬度,低层西南风急流也偏北,有利于北方降水的发生。2005年夏季登陆我国的台风偏多,强度较强,这是又一特点。华北地区的暴雨过程多与登陆或西太平洋上活动的台风有关;东北地区多低涡活动。与2004年对比,2005年华北地区的高温日数偏多,而且出现持续闷热天气,江南部分地区的高温天数也偏多。     

THE TIMING OF SOUTH-ASIAN HIGH ESTABLISHMENT AND ITS RELATION TO TROPICAL ASIAN SUMMER MONSOON AND PRECIPITATION OVER EAST-CENTRAL CHINA IN SUMMER

The timing of the South Asian High (SAH) establishment over the Indochina Peninsula (IP) from April to May and its relations to the setup of the subsequent tropical Asian summer monsoon and precipitation over eastern-central China in summer are investigated by using NCEP/NCAR daily reanalysis data, outgoing longwave radiation (OLR) data and the daily precipitation data from 753 weather stations in China. It is found that the transitions of the zonal wind vertical shear and convection establishment over tropical Asia are earlier (later) in the years of early (late) establishment of SAH. In the lower troposphere, anti-cyclonic (cyclonic) anomaly circulation dominates the equatorial Indian Ocean. Correspondingly, the tropical Asian summer monsoon establishes earlier (later). Furthermore, the atmospheric circulation and the water vapor transport in the years of advanced SAH establishment are significantly different from the delayed years in Asia in summer. Out-of-phase distribution of precipitation in eastern-central China will appear with a weak (strong) SAH and western Pacific subtropical high, strong (weak) ascending motion in the area south of Yangtze River but weak (strong) ascending motion in the area north of it, and cyclonic (anti-cyclonic) water vapor flux anomaly circulation from the eastern-central China to western Pacific. Accordingly, the timing of the SAH establishment at the upper levels of IP is indicative of the subsequent onset of the tropical Asian summer monsoon and the flood-drought pattern over eastern-central China in summer.     

Circulations and Thermodynamic Characteristics of Different Patterns of Rainstorm Processes in the Eastern Foot of Helan Mountain

Based on the observational hourly precipitation data and the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) Reanalysis 5 (ERA5) products from 2006 to 2020, 22 rainstorm processes in the eastern foot of Helan Mountain are objectively classified by using the hierarchical clustering method, and the circulation characteristics of different patterns are comparatively analyzed in this study. The results show that the occurrences of rainstorm processes in the eastern foot of Helan Mountain are most closely related to three circulation patterns. Patterns I and III mainly occur in July and August, with similar zonal circulations in synoptic backgrounds. Specifically, the South Asia high and the western Pacific subtropical high are stronger and more northward than those in normal years. The frontal systems in westerlies are inactive, while the water vapor from the ocean surface in the south is mainly transported to the rainstorm area by the southerly jet stream at 700 hPa. The dynamic lifting anomalies are relatively weak, the instability of atmospheric stratification is anomalously strong, and thus the localized severe convective rainstorm is more significant. Comparatively, rainstorm processes of pattern I are accompanied by stronger and deeper ascending motions, and the warm-sector rainstorm is more extreme. Pattern III shows a stronger and deeper convective instability, accompanied by larger low-level moisture. Rainstorm processes of pattern II mainly occur in early summer and early autumn, presenting a meridional circulation pattern of high in the east and low in the west in terms of geopotential height. Moreover, the two low-level jets transporting the water vapor northward from the ocean on the east of China encounter with the frontal systems in westerlies, which makes the ascending motion in pattern II anomalously strong and deep. The relatively weak instability of atmospheric stratification causes weak convection and long-lasting precipitation formed by the confluence of cold air and warm air. This study may help improve rainstorm forecasting in arid regions.     

南海夏季风强弱年环流形势与热带对流特点对比分析

利用NCEP/NCAR(美国国家环境预报中心/国家大气研究中心)再分析资料,对南海强夏季风年和弱夏季风年进行合成分析,结果表明,无论是在夏季风爆发前的1月份或是夏季风盛行的7月份,强弱夏季风年的平均经圈环流和平均纬圈环流都有明显差异。在强夏季风年,1月份的哈特莱环流、7月份的瓦克环流和季风经圈环流都比弱夏季风年同期的明显。强夏季风年的西太平洋副热带高压比弱夏季风年明显偏弱。利用OLR资料分析强夏季风年(1981年)和弱夏季风年(1983)4～9月份赤道东印度洋和南海对流活动的季节内振荡,发现在南海强夏季风年,季节内振荡的次数偏少而强度偏强,在弱夏季风年,季节内振荡的次数偏多而强度偏弱。相比之下,在南海强夏季风年,赤道东印度洋的季节内振荡比南海的更具典型性。     

秋行夏令:2021年10月初北方致灾性持续暴雨及水汽极端性分析

2021年10月3—6日,我国北方地区经历了历史罕见的持续性极端强降水过程,暴雨中心稳定维持在陕西中部、山西、京津冀、辽宁等地南部和山东北部,给上述地区造成了巨大的经济损失和严重的人员伤亡。基于台站观测降水、NCEP/NCAR和ERA5再分析资料诊断了本次降水过程的极端性。结果表明,本次暴雨过程无论是降水强度、持续时长还是经向水汽输送均表现出典型北方夏季暴雨和大气环流配置特征。上述五省二市区域平均的过程累计雨量强度远远超过秋季其他暴雨个例,即使在夏季也位列第二。本次过程的极端性与强降水中心稳定在上述地区密切相关。上述五省二市区域平均降水连续4日均超过15 mm,这在秋季历史上从未出现过。除过程的极端性强外,9月山西等地降水异常偏多对10月初秋涝也起到了叠加作用。本次秋涝对应的大气环流呈现出典型的北方夏季主雨季环流型,表现为西太平洋副热带高压（副高）偏西偏北,副高西侧的经向水汽输送异常强盛,同时10月4—6日北方地区发生一次强冷空气过程,冷暖气流交汇在上述地区。水汽收支计算表明,本次过程的经向水汽输送强度为秋季历史之最,甚至超过了盛夏时期北方大部分暴雨过程水汽输送强度。上述分析结果表明,即使在仲秋时节亦可产生有利于北方极端持续暴雨的环流形势和水汽输送,并导致秋涝发生。     

冬季风异常年份的环流特征及其与华南前汛期降水的关系

本文分析了1963—1982年资料,研究了冬季风异常年份的环流特征及其与华南初夏降水的关系。结果表明:冬季风强年,500百帕西太平洋副高偏弱,亚洲西风环流弱,东亚槽南伸,200百帕115°E西风急流强而偏北。冬季风弱年的环流特征与此相反。强冬季风年后期环流演变特点,中高纬度环流逐渐向夏季型过渡,而副热带环流则变化强烈。弱冬季风年后期中高纬度环流在2月下旬至3月上旬有一个反复的过程,副热带环流则是逐步增强北上的。强冬季风年初夏500百帕西太平洋副高较正常年偏强,位置偏北,西脊点偏东,100百帕南亚高压偏西,华南及珠江三角洲前汛期降水偏少。弱冬季风年初夏环流特点与此相反,华南及珠江三角洲前汛期降水偏多。