江淮流域夏季持续性强降水的低频特征分析

利用1979-2009年夏季(6-8月)中国气象观测站点逐日降水资料、NCEP/NCAR的再分析资料以及向外长波辐射资料等,选取低频降水事件来表征江淮流域夏季持续性强降水,然后分析其基本特征及伴随的低频大气环流形势,利用位相合成的方法对该低频信号的来源和传播特征进行研究.结果表明:江淮流域夏季持续性强降水在6-7月份发生次数较多;在持续性强降水期间,江淮流域低层受低频气旋控制,南海至菲律宾海一带则是很强的低频反气旋,该低频反气旋西侧,向北的低频水汽输送将水汽不断送至江淮流域形成辐合;与持续性强降水相关联的850 hPa上的低频信号,来源于黄河河套地区低频振荡的东南向传播和西北太平洋上空低频振荡的西北向传播;在高层,当持续性强降水发生时,江淮流域的西北侧(37.5°N,80 ～100°E)附近为强烈的低频气旋式环流,紧邻该环流的西北侧,则是一个低频反气旋,两者同南海—菲律宾海一带的低频反气旋构成了一个西北—东南向的低频波列;西太平洋副热带高压和南亚高压在持续性强降水期间表现出了显著的相向而行、相背而去的特征.     

中国东南部5—8月持续性强降水和环流异常的准双周振荡

利用1979—2009年夏季(5—8月)中国站点逐日降水资料、NCEP/NCAR大气再分析资料以及向外长波辐射(OLR)资料,分析了中国东南部夏季持续性强降水的低频特征及其伴随的低频大气环流形势,利用超前滞后合成的方法对该低频信号的来源和传播特征进行了研究。结果表明:中国东南部夏季降水存在明显的准双周低频振荡,低频降水事件(持续性强降水)在6月10日前后和7月1日前后发生的次数较多,持续5d的低频降水事件降水量占总低频降水事件的比例最大。在低频降水事件发生时期,中国东南部在低层是很强的低频气旋式环流,而在中国南海至西太平洋一带则是强大的低频反气旋,同时低频的水汽从孟加拉湾北部以及中国南海、菲律宾海一带输送到长江以南地区强烈辐合上升;此时在高层一个低频反气旋控制中国东北部地区,该低频反气旋与其西侧的低频反气旋以及位于中国东南沿海的低频气旋相互配合,使得长江以南地区高层强烈地辐散,加强了低层的上升运动。在超前低频降水7d左右时,大气低层在150°E洋面附近开始出现低频反气旋,逐渐加强并向西移动到达中国东南沿海,而在中国南海一带的低频气旋则向西北移动到长江以南地区,与此同时,副热带高压有一个明显的西伸过程,高低层相互配合最终导致低频降水的发生。     

江淮梅雨期强降水和大气不同时间尺度波动的关系

中国的江淮梅雨具有多时间尺度特征,利用1979—2017年欧洲中期预报中心逐日再分析资料(ERA-interim)和台站逐日降水观测数据,采用滤波和合成分析等统计方法,分析了江淮梅雨期间不同时间尺度强降雨过程的特征,对比研究了不同时间尺度强降水对应的大气环流系统波动的演变特征。研究表明江淮梅雨降水集中期开始前1~9天和10~20天尺度的强降水首先增多,而21~30天时间尺度的强降水在降水集中期开始增多。低频周期波动(10~20天和21~30天)比天气尺度波动可以提供更持续和更深厚的暖平流输送,触发持续时间更长的垂直运动和水汽输送,有利于持续性强降水的发生。与1~9天天气尺度波动相关的强降水主要与上游自中亚经青藏高原向下游传播并不断发展加强的Rossby波能量传播有关,青藏高原对天气尺度涡旋的增强有重要作用;对10~20天尺度强降水,高层中纬度东北亚低频反气旋环流西移南压,长时间维持在江淮地区,低层南海-西太平洋地区准双周振荡西北向传播,伴随西北太平洋副热带高压加强西伸是主要影响过程;对21~30天尺度强降水而言,江淮上空移动性环流不明显,高层反气旋性环流增强的过程与其北南两侧,即贝加尔湖及其以东地区气旋环流和南海-西太平洋气旋环流的发展移动有密切的联系,同时伴随了对流层中低层西北太平洋地区21~30天尺度低频波的西北传播。      

华南夏季多年平均降水低频特征及其与低频水汽输送关系

利用中国国家气象信息中心提供的1961—2011年753站逐日降水资料、NECP/NCAR逐日再分析风场和比湿资料,研究了华南夏季多年平均降水低频特征及其与低频水汽输送的相关关系。结果表明,华南夏季降水量呈增多趋势,1992年之后(1993—2011年,时段Ⅱ)比之前(1961—1992年,时段Ⅰ)明显偏多,尤以广西大部、广东北部、闽赣交界处增幅最大。无论时段Ⅰ或时段Ⅱ,华南多年平均夏季降水均呈显著的10~20 d低频振荡,但时段Ⅱ比时段Ⅰ的低频周期更显著。影响10~20 d低频降水的10~20 d低频水汽输送环流系统,在时段Ⅰ主要为西北太平洋反气旋式水汽环流和中南半岛东部、南海南部的一对气旋、反气旋式水汽环流,水汽来自孟加拉湾、南海和西太平洋,冷空气来自里海附近和贝加尔湖以东;在时段Ⅱ主要为西北太平洋反气旋式—气旋式水汽环流对、印尼以东洋面的气旋式、反气旋式水汽环流对,水汽来自南海和西太平洋,冷空气来自贝加尔湖以东。     

华南夏季12-30 d持续性强降水的低频特征分析

利用1982-2011年夏季（5-8月）中国气象观测站点逐日降水资料、NCEP/NCAR逐日再分析资料、NOAA逐日向外长波辐射和海表温度资料集,通过选取低频降水事件的方法,分析了华南夏季12-30 d持续性强降水事件的基本特征,然后利用位相合成法对持续性强降水期间伴随的低频大气环流型以及低频信号的来源和传播情况进行研究,同时也分析了低频海-气耦合过程对持续性强降水的影响。结果表明：（1）华南夏季降水具有显著的12-30 d低频振荡特征,持续性强降水事件在6月发生次数最多,低频降水期间的雨带自东南向西北传播。（2）在持续性强降水发生期间,华南及邻近海域低层受强大的低频气旋式环流控制,低频上升运动显著,而中国南海-菲律宾海一带则是强的低频反气旋式环流,其西侧向北的低频水汽输送不断将中国南海的水汽送至华南及邻近海域进行辐合上升。低层的低频信号来源于热带西太平洋和中国南海-菲律宾海一带低频振荡的西北向传播,同时伴随着西太平洋副热带高压明显的西伸东退过程。（3）在高层,华南北侧（22°-45°N,95°-130°E）区域强大的低频气旋式环流和孟加拉湾-中国南海一带的低频反气旋式环流相互配合,使华南高层处于强大的辐散环境中,从而加强了华南低层的辐合与低频上升运动,造成持续性强降水的增强。高层的低频信号来源于低频罗斯贝波列的东南向传播。（4）低频大气环流异常通过云辐射和热通量过程改变低频海表温度异常,而由大气强迫的低频海表温度异常通过影响低层大气的稳定性来对大气施加明显的反馈作用,该海-气耦合过程有利于大气低层低频信号向华南地区传播,从而影响了华南持续性强降水的发生、发展与结束。     

青藏高原夏季旱涝年降水准双周振荡及低频环流特征分析

为了研究青藏高原夏季降水的低频振荡特征,利用1978-2017年高原地区62个气象站日降水资料和ERA5高分辨率逐日再分析资料,采用集合经验模态分解（EEMD）、 Lanczos滤波以及合成分析方法,对青藏高原夏季旱涝年降水的低频振荡特征、气象要素场变化及环流特征进行了深入分析,揭示了高原地区旱涝年降水低频振荡周期特征、环流特征以及低频风场、涡度场等传播特点。结果表明：（1）高原夏季降水存在10～20天的振荡周期;旱涝年的周期频率不同,涝年振荡频率明显高于旱年;涝年显著的振荡为10～20天和30天以上的振荡,而旱年主要以10～20天的振荡为主。（2）涝年在低频降水强位相,高空低频气旋控制高原主体,高空辐散,低空辐合,来自孟加拉湾偏南风的水汽供应充足,低频扰动强,利于降水发生,自西向东存在低频反气旋-低频气旋-低频反气旋的异常环流分布;反之在低频降水弱位相,高空低频反气旋控制高原主体,高空辐合,低空辐散,暖湿的偏南气流较弱,低频扰动偏弱,不利于降水发生。旱年配置有相似的特征,但低频反气旋-低频气旋-低频反气旋的环流形势不明显,整体上振荡强度较涝年偏弱,低频要素场强度也偏弱。（3）低频波动...     

江淮流域梅雨期持续性强降水及其10～30d低频环流特征

利用1961—2010年中国556站的逐日降水资料和NCEP/NCAR逐日再分析资料,采用合成分析等方法探讨了江淮流域梅雨期持续性强降水的低频振荡特征及其发生前后低频大气环流场的演变特征。结果表明,江淮梅雨持续性强降水存在显著的10~30 d低频振荡特征。持续性强降水发生时,江淮流域对流层高层受东海低频反气旋西北部的偏西气流控制,使得南亚高压位置偏东,加强了高层的辐散型流场;对流层中层,中高纬度地区存在"+、-、+"的低频位势高度中心,蒙古低频低压使得极地冷空气易于南侵;对流层低层,江淮流域受低频P-J波列西段的台湾岛低频反气旋影响,并伴随强烈的对流活动,此反气旋使得西太平洋副热带高压向更西的位置伸展;因此低层辐合、高层辐散使得江淮流域表现为强烈的低频上升运动,同时低频水汽从孟加拉湾-南海一带输送到江淮流域,为持续性强降水的发生提供了有利的低频环流条件。另外,在持续性强降水发生前后,低层低频正涡度向北、向西传播,高层低频负涡度向南、向东传播,高低层斜压结构明显,共同作用于江淮流域,维持持续性强降水过程。     

长江中下游地区夏季强降水前期的三维环流结构特征分析

利用1959～2013年台站逐日降水观测资料和JRA-55逐6小时再分析资料,分析了长江中下游地区夏季强降水对应的前期三维环流结构。通过对长江中下游地区373个强降水样本的大气环流场合成分析发现,在长江中下游地区对流层中上层存在暖异常,暖中心位于300 hPa。在静力平衡和准地转平衡的作用下,高层暖异常上层存在反气旋式环流,下层存在气旋式环流。一方面,暖异常通过高层的反气旋式环流异常,使得其北侧的200 hPa西风增强,并促使高层急流东伸、南移到长江中下游地区北侧附近,增强了长江中下游地区高空辐散;另一方面,暖异常通过低层的气旋式环流异常,加强了吹向长江中下游地区的西南风,使低层水汽输送及辐合增强。暖异常所引起的高低空环流异常的有利配置,对长江中下游地区夏季强降水形成有重要作用。300 hPa 暖异常在降水前48小时已经存在于青藏高原东部的400～300 hPa 高空,700 hPa 气旋式环流提前24小时出现在四川盆地中低层。高低层的环流要素相互配合并随时间东移,暖异常率先到达长江中下游地区,并配合低层气旋式环流和水汽辐合区,导致了长江中下游地区的强降水。     

1998年夏季长江流域大气季节内振荡的结构演变及其对降水的影响

利用中国逐日降水格点资料和NCAR/NCEP再分析资料,对1998年发生在我国东部长江中下游流域的夏季持续性强降水过程中显著的大气季节内振荡(ISO)的三维结构演变等活动特征进行了分析。1998年夏季长江及江南地区的异常强降水对应着该地区强的ISO活动。利用位相合成方法,对长江流域两个典型的季节内循环周期的ISO降水、850 hPa水平风场以及水汽和垂直速度等循环过程的时空分布特征进行了诊断分析。在低频环流场上,对流层低层的低频气旋和反气旋环流表现出交替在热带西北太平洋增强并向西偏北方向移动发展的特征,当异常气旋环流移动到长江流域上空时,长江流域正好位于气旋环流西南侧的东北风异常和西北太平洋上向西移动的反气旋环流西北侧的西南风异常环流汇合处的下方,引起该地区强降水的发生。在强降水阶段的ISO的垂直结构上,上升运动和水汽表现出从华南到长江流域自南向北移动的特征,强烈的垂直上升运动以及来自南方充足的水汽为增强长江流域地区的降水起到了重要作用。     

夏季青藏高原对流层温度与西北太平洋副热带地区降水的关系

利用1979—2016年CMAP(CPC Merged Analysis of Precipitation)和GPCP(Global Precipitation Climatology Project)的降水数据以及ERA-Interim再分析资料,通过统计方法研究了夏季青藏高原地区对流层中上层温度年际变率与同期西北太平洋副热带地区降水的关系及其相关的物理过程。结果表明,在年际变化尺度上,夏季高原对流层温度与同期西北太平洋副热带地区降水存在显著的正相关,即当高原对流层温度偏高时,西北太平洋副热带区域的降水偏多,反之亦然。分析研究指出,当夏季高原对流层温度偏高时,高原上空南亚高压显著增强并且向东扩展至日本地区,高原北部对流层出现异常的上升运动,这一异常上升气流随着高度增加逐渐北偏,并在中高纬度地区沿着异常西风气流向东扩展至日本地区,随后向南下沉至日本南部;受该异常下沉运动影响,日本南部对流层低层出现异常反气旋,其东侧的异常北风与西北太平洋低层的异常气旋、反气旋环流存在紧密联系。西北太平洋地区这种异常环流特征为西北太平洋副热带区域的降水提供了有利的动力和水汽条件,从而使该区域降水增多。     

东亚和西太平洋地区 30～60天振荡的传播及其与月平均基流的相互作用

选取1985年和1988年这两个东亚和西太平洋地区月平均流场差异很大的年份,研究30～60天低频振荡的传播及其与月平均基流的相互作用.结果表明:在这两年,东亚和西太平洋地区的30～60天低频振荡受到两支低频涡旋的影响,其中一支来源于热带东印度洋,另一支源自中太平洋.在大部分时间里,这两支低频涡旋相遇于20～30°N地区,并影响到该地区位势高度场的变化.当低频气旋(反气旋)移经西太平洋的时候,该地区的位势高度场相应地降低(升高).另一方面,该地区的30～60天振荡还有着显著的年际差异.1985年的波列活动显著,中高纬低频涡旋南移至日本南部洋面.与1985年不同的是,虽然1988年的波列活动不明显,但中高纬的低频涡旋可向南传播至南海地区.从30～60天振荡和月平均基流的动能和有效位能相互转换来看,正压过程、湿斜压过程和干斜压过程的值相当,因而上述3种过程均有可能起主导作用.但转换强度存在年际差异,1985年的值远比1988年的大.研究还表明,暖池地区的30～60天振荡向月平均基流输送能量,中高纬地区的30～60天振荡则从月平均基流获取能量.     

上海梅汛期候降水异常的低频信号及延伸期预报

提高汛期降水过程的延伸期预报能力是目前天气预报和气候预测发展的重要方向。本文以上海梅汛期降水为例,利用非传统滤波方法提取多变量季节内分量,分析了梅汛期季节内候降水异常及其相联系的延伸期关键低频信号,进一步综合多变量低频信号建立了梅汛期候降水异常延伸期预报方法,并开展了多年的回报和试报检验。结果表明:①梅汛期候降水异常季节内分量具有显著的40～60d低频振荡周期,与降水异常实况具有显著的正相关和较高的符号一致率;②梅汛期季节内候降水异常与超前10～35d的热带及中高纬低频信号有关,主要包括:热带MJO(Madden Julian Oscillation)自阿拉伯海的向东传播、西太平洋副热带高压季节内活动的西北向传播、PNA(Pacific-North American)遥相关型的季节内位相转换以及东北亚冷空气的持续性异常影响;③综合上述多变量低频信号建立了延伸期候降水异常预报模型,对提前10～35d的延伸期候降水异常的季节内分量具有预报技巧,也能较好地预报实际的候降水异常趋势。     

大气低频振荡的数值模拟

本文利用IAP_GCM积分结果中10年候平均资料，研究了模式大气中的低频振荡现象。结果表明，该模式能相当逼真地模拟出低频振荡的地理分布、垂直结构和传播过程的主要特征，因而低频振荡是大气本身所固有的一种现象。而流场与大气加热场之间在低频域内的相关分析则证实了大气加热对低频振荡的产生起重要的作用，其中最重要的因子是水汽潜热的释放。     

地形强迫在高纬地区30～60天低频振荡中的作用

利用30～60天带通滤波器对高纬地区500 hPa_1～2波的振幅及位相角进行滤波。发现30～60天低频振荡沿纬圈方向的传播是围绕一个平衡位置的振荡,其振荡范围在100o之内,而在不同振荡周期之间表现出不同的特点。它们分别是:（1）振荡型,即波向西或向东传播速度大致相等;（2）向西传播较慢而向东传播较快型;（3）向东传播较快而向西传播较慢型。还利用以地形为强迫的二层斜压模式对产生低频振荡机理进行了分析和数值研究,结果表明,在一定的选定参数之下,地形强迫可使模式大气产生30～60天的低频振荡,且具有3种振荡类型,其图像与观测结果的图像有较好的一致性,产生这种振荡的机制是地形强迫波在某些位相是发展的,而在另一些位相则是衰减的。而波的传播速度与振幅的大小有关。当波振幅较小时,地形强迫作用会迫使波的位相回到被激发时的位相,从而形成周期振荡。     

湖北省夏季不同阶段强降水及其大气低频特征

利用1961-2014年湖北省68站逐日降水资料和美国国家海洋和大气管理局环流资料,对比分析了湖北省夏季梅雨期和盛夏期低频强降水事件的基本特征、大气环流形势和低频信号传播特征。结果表明:(1)湖北省夏季降水存在显著的准双周低频周期。(2)相较于盛夏期,梅雨期低频强降水事件次数多,强度强。(3)梅雨期和盛夏期低频强降水事件发生期间的环流形势有着显著的差异。梅雨期,对流层中层东亚沿岸为南北向的波列分布,低层受强索马里越赤道气流和副热带高压外围西南气流共同影响,水汽条件好,东亚存在鞍型场,流场变形,利于形成中尺度气旋系统;盛夏期,对流层中层为欧亚波列分布,低层索马里越赤道气流弱,主要受副热带高压外围水汽输送的影响,日本海以西地区有一异常气旋,其西侧的偏北气流与暖湿气流在30°N附近交汇维持。(4)在强降水事件发生前后,对流层低层的低频正涡度传播特征有较大差异,在梅雨期表现为驻波特征,盛夏期传播更为明显,表现为向西、向南向北传播。     

CEOF ANALYSIS OF ATMOSPHERIC LOW FREQUENCY OSCILLATION IN LOWER LATITUDE REGION AND FREQUENCY MODULATION PHENOMENA OF LOW FREQUENCY SIGNALS

The low frequency oscillation of the low level atmospheric circulation in lower latitudes region is studied by usingthe CEOF method and other normal spectral analysis methods.It is found that in the atmospheric motion frequencyspectrum,there exist certain frequency bands with relatively-concentrated energy among low frequency bands,andthere is nonlinear interaction of frequency modulation among peak signals.It is this modulating action that leads to thechange of the temporal-spatial features of frequency and phase of these low frequency signals.In the paper,the propa-gation picture of low frequency waves modulated and its influence on midium-range variation of summer monsoon arealso discussed.     

DIAGNOSIS ON LOW FREQUENCY COMPONENT OF ENSO VARIABILITY-PART Ⅱ:ORIGIN OF THE COMPONENT

Diagnosis is undertaken on the origin for the low-frequency component(LFC) of ENSO variability in the context of 1979-1990 OLR and u-wind datasets.Evidence suggests that ① a power spectrum-yielded maximum,significant statistically,is derived from the OLR monthly anomalies in a 3-5-year period range over the tropical central/western Pacific;②compositean alysis of the signals of the monthly anomaly low frequency component(period>3 years) confirms further the dynamic features of the component as documented in Part Ⅰ:③serving as forcing on ENSO,the related monsoon region represents the source area of the component;④the one-point correlation maps of unfiltered OLR monthly anomalies with zonal wind on a lagged,a simultaneous and a leading basis show clearly the close relation between the u wind-associated eastward travelling low-frequency wave and the low-frequency oscillation of low-latitude central/western Pacific large-scale convection and the east-moving mode is likely to be excited by the oscillation at a 3-5-year period range.It follows that the large-scale convection oscillation shows up as the origin of the eastward waves,i.e.,ENSO LFC.     

DIAGNOSIS ON LOW FREQUENCY COMPONENT OF ENSO VARIABILITY—PART Ⅱ:ORIGIN OF THE COMPONENT

Diagnosis is undertaken on the origin for the low-frequency component (LFC) of ENSOvariability in the context of 1979—1990 OLR and u-wind datasets.Evidence suggests that ① apower spectrum-yielded maximum,significant statistically,is derived from the OLR monthlyanomalies in a 3—5-year period range over the tropical central/western Pacific;②compositeanalysis of the signals of the monthly anomaly low frequency component (period>3 years)confirms further the dynamic features of the component as documented in Part Ⅰ:③serving asforcing on ENSO,the related monsoon region represents the source area of the component;④theone-point correlation maps of unfiltered OLR monthly anomalies with zonal wind on a lagged,asimultaneous and a leading basis show clearly the close relation between the u wind-associatedeastward travelling low-frequency wave and the low-frequency oscillation of low-latitude central/western Pacific large-scale convection and the east-moving mode is likely to be excited by theoscillation at a 3—5-year period range.It follows that the large-scale convection oscillation showsup as the origin of the eastward waves,i.e.,ENSO LFC.     

THE ROLE OF TROPICAL CONVECTION IN VARIATION OF INTRASEASONAL TELECONNECTIONS OF TROPICAL AND EXTRATROPICAL CIRCULATIONS

Based on ECMWF objective analysis data, the relationships between tropical convective activi-ties and extratropical circulation, as well as the low frequency kinetic energy, have been investigat-ed by making use of diagnostic analysis methods on the intraseasonal time scale in winters of 1983/1984 and 1986/1987. From this study, it is found that the different intensities of the tropical con-vective activities may bring about both the different intraseasonal teleconnection wave trains be-tween the tropics and the extratropics and the different dispersions of the low frequency wave ener-gy. Moreover, the tropical convection can be an important junction factor for the teleconnection ef-fect of the tropical and extratropical circulations on the intraseasonal time scale.     

大气环流的变化与南海夏季风活动的关系

通过对近20年观测资料的计算分析表明，在南海夏季风活跃与中断期，南北半球副热带西风急流和热带东风急流以及青藏高压和墨西哥高压有明显的差异。从南半球向北传播的散度场低频振荡以及从北半球高纬向南传播的西风场低频振荡等的有利位相同时传入南海并共同作用可引起南海夏季风的活跃或中断。各种低频振荡的有利位相传播到南海并发生锁相的时间决定着南海夏季风明显的活跃或中断发生的时间。