季节内振荡影响西太平洋副热带高压两次北跳的机制

夏季期间,西太平洋副热带高压（简称副高）存在两次明显的北跳,其中第一次北跳导致华南前汛期结束、江淮梅雨建立,而第二次北跳则意味着江淮梅雨结束、华北雨季开始。本文基于观测资料和再分析数据,利用快速傅里叶变换和合成分析方法,深入探讨不同时间尺度季节内振荡对气候态和异常年副高两次北跳的影响机制。结果表明:在季节内尺度上,平常年和异常年影响副高两次北跳的季节内振荡的主导周期不同。气候态上,以10~20天和准60天为主;第一次北跳异常年和第二次北跳偏早年,以30~60天为主;第二次北跳偏晚年,则呈现出10~20天和30~60天两个主导周期。不论气候态还是异常年,东亚—热带西北太平洋地区低频振荡在年循环背景下均呈现出明显的北传特征,这是导致副高发生两次北跳的重要原因之一。而印度季风区低频振荡在东北向传播过程中所引起的西风东伸是造成副高第一次北跳更为明显的原因。源自澳大利亚高压的冷空气入侵所激发的暖池对流的准双周振荡则是造成气候态和偏晚年副高第二次北跳更为显著的原因。由于前期春季西北印度洋海温出现异常,造成局地低频振荡发生位相迁移,进而导致副高第一次北跳发生异常。而副高第二次北跳异常则是因为ENSO改变了暖池地区季节内振荡的尺度和振幅所造成的。     

西江流域汛期暴雨与500 hPa关键区准双周振荡的关系

采用小波分析、相关分析、功率谱分析、Lanczos滤波等方法探讨了近48年西江流域汛期(4—9月)暴雨的变化特征及其与影响西江流域汛期降水的500 hPa关键区准双周振荡的关系。结果表明,西江流域4—9月暴雨日数呈单峰分布,5月开始显著增加,6月暴雨日数达到最高;西江流域4—9月暴雨总日数具有准4年与准22年左右的周期振荡。1960年代后期—1980年代初期及1990年代中期—2000年初期暴雨日数以偏多为主,1960年代前期、1980年代中期—1990年代初期及2005—2008年则以偏少为主。定义西江流域4—9月逐日降水与500 hPa高度场上显著的负相关区(22.5~27.5°N,102.5~112.5°E)为影响西江流域汛期降水的500hPa关键区。西江流域汛期降水与500 hPa关键区均以准单周、10—30天的准双周振荡为主,而30~60天的季节内振荡不显著,二者在准双周振荡尺度上关系最密切。统计近48年4—9月、6—8月500 hPa关键区准双周振荡波谷附近前后3天(个别4天)西江流域暴雨出现的平均几率分别为72.5%、76.4%,因此500 hPa关键区准双周振荡的低频波谷对西江流域暴雨的中期预报有较好的参考作用。     

夏季长江中下游旱涝年季节内振荡气候特征

利用1951—2004年我国740站逐日降水资料对夏季长江中下游典型旱涝年季节内振荡周期、强度和位相等特征进行合成对比分析发现:长江中下游涝年降水季节内振荡周期较旱年长, 涝年以30~60 d周期为主, 而旱年以10~30 d周期为主。旱涝年长江中下游地区夏季降水的10~30 d振荡整体上均强于30~60 d振荡; 10~30 d及30~60 d振荡, 涝年的强度都大于旱年。季节内振荡在旱年的北传较涝年强, 能达到50°N附近; 而涝年不仅有明显的季节内振荡从低纬度地区向北传播, 同时还有弱的振荡从中高纬度地区向南传播, 两者汇合于长江流域形成强的振荡中心。影响我国低频降水的低频异常环流分布模态在旱涝年是一致的, 但涝年的低频环流强于旱年, 而这种低频环流场的差异正是造成涝年的低频降水强于旱年的原因之一。     

2014年夏季长江流域降水季节内振荡的环流分析

基于台站降水观测数据和MERRA-2再分析资料,分析了2014年夏季我国长江流域降水的季节内振荡特征,并从位涡角度重点研究了与之相关的环流演变。结果表明:2014年夏季长江流域降水季节内变率以10~20d的准双周振荡为主。在降水准双周振荡的极端湿位相,受对流层高层随中纬度波列东传的正异常位涡和南亚高压东侧西南向传播的正异常位涡的共同影响,南亚高压呈“马鞍型”分布,在长江流域形成高空辐散环流;在对流层中低层,当中纬度波列的异常气旋向东南传播至长江流域以北时,西太平洋异常反气旋延伸至中国东南沿海,二者共同导致长江流域低空水汽辐合加强;在高、低层环流的共同作用下,长江流域持续性降水显著偏多,形成准双周振荡的极端湿位相;同时,长江以北高空位涡正异常导致其下方冷空气下沉,触发长江流域异常上升运动和南海地区异常下沉运动,该经向垂直环流圈的形成有利于长江流域正异常降水的维持。反之则形成极端干相位。      

2016年1月低温事件的季节内振荡特征

利用NECP/DOE逐日再分析资料,分析了2016年1月发生在我国南方的持续低温事件。结果表明,此次过程存在明显的季节内振荡特征,其中准双周振荡为气温变化的主要模态。此次低温事件之所以达到寒潮级别,是由于天气尺度变化与10~20 d气温准双周振荡处于相同的降温变化过程中。准双周尺度的冷中心与天气尺度冷中心均从中高纬度向低纬地区传播,并在我国南方汇合,从而引起持续性的低温。通过诊断温度局地变化方程发现,此次天气过程中,温度平流项和绝热变化项是近地层局地温度降低的主要原因。天气尺度气温变化与10~20 d低频振荡对持续降温都有较大贡献,天气尺度降温略大于低频降温。     

1991、1998和2016年三个大水年长江中下游夏季降水季节内特征的对比

针对长江中下游三个大水年1991、1998和2016年,利用NCEP/NCAR大气环流再分析资料和CMAP降水资料,对比了夏季降水的季节内特征,分析了引起降水季节内变化的大气环流季节内振荡ISO演变及源地。小波分析表明,三年季节内降水周期差异明显,分别为20~30 d、20~40 d和10~20 d。随之,以东亚季风区季节内振荡指数及热带外Rossby波活动通量,诊断了引起三年季节内活动异常的热带和中纬度ISO变率特点。结果显示影响三年季节内降水的ISO差异较大。1991年受到来自印度洋10~30 d和中纬度高层Rossby波10~30 d的ISO共同影响,造成周期为20~30 d的低频降水;1998年ISO来源路径单一,受中北太平洋30~60 d和10~30 d的ISO西传叠加作用,降水表现为20~40 d的振荡;引起2016年季节内降水异常的ISO源地较多,既有来自印度洋向东北传播30~60 d的ISO,又有来自太平洋向西北传播10~30 d的ISO,还有来自热带外10~30 d的ISO,三者在长江中下游汇合,引起降水10~20 d的振荡。研究结果对认识长江中下游夏季集中降水的形成有重要意义。      

2011年夏季广东季风槽暴雨与准双周振荡

采用小波分析、Lanczos时间滤波器、合成分析等方法分析了2011年夏季广东季风槽暴雨与大气低频振荡的关系。结果表明,2011年夏季降水主要存在准20 d的周期振荡,季风槽暴雨过程对应强的准双周振荡。选取与夏季降水显著相关的区域（102.5~117.5 °E,20~27.5 °N）平均的500 hPa高度场作为影响广东夏季降水的“500 hPa关键区”指数,同样选取区域（110~120 °E,15~22.5 °N）平均的850 hPa风场作为“850 hPa关键区”指数;2011年夏季500 hPa关键区与850 hPa关键区分别存在显著的准23 d、准22 d周期振荡,季风槽暴雨发生在500 hPa关键区准双周振荡的波谷、850 hPa关键区准双周振荡的波峰附近。从南海南部开始的3次低频纬向风、OLR、湿度的北传与从菲律宾以东的西太平洋向西传播的低频中心相遇,导致3次季风槽暴雨过程。利用典型个例的合成分析,对2011年6—8月广东3次季风槽暴雨的准双周振荡不同位相的大气环流场的共同演变特征进行分析,它们反映了季风槽暴雨从间歇-开始-旺盛-减弱-结束期的大气环流场演变特征,为广东季风槽暴雨的中期预报提供参考依据。      

广东前汛期降水与南海北部风场准双周振荡的关系

利用1961—2008年广东逐日降水、NCEP/NCAR逐日再分析资料,先采用EOF分析、相关分析定义了影响广东前汛期降水的850 hPa关键区——“南海北部风场指数”,再利用功率谱分析、Lanczos时间滤波器等方法研究了近48年广东前汛期降水与南海北部风场指数的低频振荡特征,并研究了广东暴雨与南海北部风场指数准双周振荡的关系。结果表明,广东前汛期降水与南海北部风场指数均以准单周、准双周振荡为主,而30～60天的季节内振荡不显著。南海北部风场指数与广东前汛期降水准双周振荡序列存在显著正相关,且明显高于准单周振荡序列的相关。近48年4—6月南海北部风场指数的准双周振荡波峰前后3天(个别4天)的广东省前汛期暴雨出现概率为78.2%。最后利用合成分析方法分析了南海北部风场指数准双周振荡的波峰附近有典型西南风暖区暴雨发生的大气环流场演变特征,可为广东暖区暴雨过程的中期预报提供参考依据。      

南海—热带西北太平洋地区季节内尺度海气变化关系

本文系统地回顾了作者近年来关于南海-热带西北太平洋地区大气和海洋季节内尺度变化关系方面的主要研究成果。文中对10~20天和30~60天两种季节内振荡海气变化关系的不同以及冬、夏季间的差异进行了系统地比较。相比较而言,大气中10~20天振荡所占比例大于30~60天振荡,海表温度30~60天的振荡在南海和西北太平洋副热带地区比10~20天振荡的贡献大,而在低纬度西太平洋地区10~20天振荡与30~60天振荡贡献相近或稍大。在北半球夏季,10~20天低频振荡的分布呈西南—东北走向,由赤道西太平洋地区向西北偏西方向传播,而30~60天低频振荡则以东西向分布为主,表现为由南向北的传播特征。在北半球冬季,10~20天和30~60天两种低频振荡的水平结构类似,均表现为西南—东北走向;同时,南海地区季节内变化信号表现出明显的向南传播的独特特征,并与东亚冬季风的季节内变化密切相关。北半球夏季,南海—菲律宾海地区10~20天低频振荡强度在厄尔尼诺发展年得到加强,而30~60天低频振荡强度则在拉尼娜衰减年得以加强。分析还指出,热带西北太平洋地区夏季热带辐合带附近的季节内变化,尤其是10~20天尺度变化,对季节平均海表温度异常有显著的反馈作用。     

江南雨季降水季节内演变及其年际、年代际变化特征

利用1961—2008年逐日降水资料,在对比我国东南部各地区气候态降水特征的基础上,着重探讨了江南地区(110~120°E、24~30°N)雨季降水的季节内变化特征及其年际、年代际变化规律。结果表明:1)江南雨季气候态降水的季节内变化具有明显的双峰型特征,两个峰值集中期分别是4、6月中旬前后。4月中下旬第一个降水峰值率先出现在江南地区,之后峰值降水南移,于6月上中旬华南地区达峰值集中期,之后强降水才逐渐北移,6月中下旬又回至江南地区,使江南地区降水达第二个峰值集中期。2)我国江南地区区域平均的双峰降水与4—6月的实际降水之间的相关系数达0.69,这表明双峰型降水确实反映了江南雨季降水的季节内演变特征。3)江南雨季降水双峰型的季节内变化特征具有明显的年际、年代际变化周期。年际变化周期为2~3 a,强信号主要集中在20世纪60年代后期到70年代中期以及80年代中期到21世纪初;年代际变化周期约为8~10 a,在整个时间域上都存在,最强信号集中在80年代初到90年代末期。4)年代际尺度上,江南雨季降水的季节内变化特征(双峰型态)具有隔代显著的特征,即20世纪60、80年代及21世纪初双峰型特征显著,而20世纪70、90年代双峰型特征不显著。     

一次陕西初夏暴雨过程的数值模拟及诊断分析

利用常规观测资料、陕西地面加密观测资料和NCEP再分析资料对2006年6月2日00:00(协调世界时,下同)至3日12:00陕西中部初夏的一次区域突发性暴雨进行了数值模拟和综合分析.结果表明受500 hPa冷涡底部短波槽、700 hPa切变线和地面偏东风气流的共同作用造成这次突发区域性暴雨.模式结果与实况降水情况基本一致,24 h降水模拟能够很好地体现暴雨过程的中心位置,暴雨区域的主要范围和暴雨形势的走向.垂直运动场和降水区对应较好.通过对位涡的分析可得到,此次暴雨过程中有一股很强的干冷空气从对流层顶向下传播,这种强干侵入的形式有利于强降水的生成.广义位温和对流涡度矢量异常的分布和垂直变化很好地反映了陕西这次暴雨过程的落区及其演变,并且对本次暴雨的预报有较好的预报指示意义.     

2006年7—9月西北太平洋热带气旋季节活动的数值模拟

利用NCEP（National Centers for Environmental Prediction）提供的1°×1°的FNL（final）资料和中尺度WRF（Weather Research and Forecasting）模式,研究了热带气旋（tropical cyclone,简记TC）动力季节预报的可能性,通过在27km的粗网格中运用张弛逼近（Nudging）技术,对2006年7-9月西北太平洋TC活动进行了92d的连续数值积分。与观测结果比较表明,WRF模式不仅较好地模拟了MJO（Madden-Julian oscillation）和准双周振荡的活动情况,而且模拟的TC频数、移动路径和强度都与实际观测结果比较接近。在嵌套的9km网格中,不仅模拟出眼墙、暖心等TC结构的主要特征和TC的西行盛行路径及登陆活动情况,而且所模拟的生成过程包括早期研究中提出的TC生成过程中的两次快速发展的过程。模拟的TC初始涡旋主要出现在季风槽中,伴随准双周振荡活动,它的第一次发展在初始涡旋中心形成强烈的对流区;经过一段时间的减弱后,在有利的大尺度形势下,涡旋中心湿水汽层迅速增厚,导致气旋的第二次强烈发展。     

陕西省降水量变化的区域特征分析

根据陕西省1951—2000年的降水量资料,采用旋转主因子分析方法,对冬季、夏季和年降水量场进行客观分区。陕西省可划分为3个子区域：陕北区、关中陕南西部区和陕南区。在此基础上,研究了陕西省降水量变化的区域特征和年代际变化以及长期趋势特征。结果表明,陕西省过去50年降水量有显著的北少南多特征,而且陕北区降水量的减少趋势远大于关中陕南西部区,陕南区在夏季和冬季降水量还略有增加。     

陕西盛夏极端降水频次及其与全球海温的遥相关研究

基于陕西省78个测站1961~2011年盛夏逐日降水量资料以及NOAA全球2°×2°海温场资料,分析了陕西盛夏极端降水事件气候特征及其与海温场的遥相关关系。结果表明:(1)盛夏,陕西南部、关中西部及陕北南部是极端降水事件高发区;(2)近年来盛夏极端降水事件呈上升趋势,1976年后显著上升;(3)极端降水事件与前期海温场具有较好的遥相关关系,与同期(同月)海温场相关性不显著;(4)上年秋季、冬季赤道中东太平洋和上年秋季阿拉伯海海温异常偏暖,赤道中东太平洋南北两侧海温偏冷,以及前期2月印度洋和中国近海海温异常偏暖,关中中东部及陕南中东部局地7月极端降水偏多,反之亦然;上年秋季印度洋和赤道东太平洋、上年冬季及当年春季印度洋西部海温异常偏暖,关中中西部地区8月极端降水偏多,反之亦然。     

Potential vorticity analysis of quasi-biweekly rainfall events over the Yangtze Basin in summer 2014

2014年夏季长江流域(YRV)发生的多次阶段性强降水事件显著地受10-20天准双周振荡所调控.代表性振荡过程与合成分析表明,准双周湿位相主要取决于对流层高层南侵的高位势涡度(PV)与低纬度向西南平流的高PV导致南亚高压形态改变而产生的YRV高空辐散.高空向南的正PV平流与低层南风输送的负PV平流在YRV上空形成正的PV平流垂直梯度,激发出等熵面位移的上升运动分量;高空的高PV同时向中低层伸展,导致等熵面坡度增大从而增强气块沿等熵面上滑的上升运动分量,由此产生更强的非绝热有关的上升运动分量.干位相情况则相反.     

棉花吐絮收获期连阴雨灾害风险区划

为了进一步提高棉花生产中吐絮收获期连阴雨灾害的应对处置能力和水平,采用陕西关中棉区42个气象站1970—2010年的8月下旬至10月中旬逐日降水资料,同期的棉花灾情资料,经济资料和地理信息资料,基于GIS技术,针对影响陕西棉花吐絮成熟收获期的主要灾害——连阴雨进行风险区划研究,以期充分利用气候资源,避开不利气候条件,提高应对连阴雨灾害能力。结果表明:陕西关中棉花吐絮成熟收获期连阴雨灾害的高风险区和中等风险区在宝鸡市和西安南部沿秦岭北麓的周至、户县、长安和蓝田,不利于大面积种植棉花。关中东部渭南市、咸阳大部分区县,西安的临潼、阎良、高陵县,处于棉花种植的低风险区,能够保证棉花正常吐絮成熟收获。     

Origins of Quasi-Biweekly and Intraseasonal Oscillations over the South China Sea and Bay of Bengal and Scale Selection of Unstable Equatorial and Off-Equatorial Modes

The daily outgoing longwave radiation (OLR) field in boreal summer shows significant power spectrum peaks on quasi-biweekly (10–20-day) and intraseasonal (20-80-day) timescales over the Indo-western Pacific warm pool, especially over the South China Sea and Bay of Bengal. The quasi-biweekly oscillation (QBWO) originates from off-equatorial western North Pacific, and is characterized by a northwest-southeast oriented wave train pattern, propagating northwestward. The intraseasonal oscillation (ISO), on the other hand, originates from the equatorial Indian Ocean and propagates eastward and northward. Why the equatorial mode possesses a 20–80-day periodicity while the off-equatorial mode favors a 10–20-day periodicity is investigated through idealized numerical experiments with a 2.5-layer atmospheric model. In the off-equatorial region, the model simulates, under a realistic three-dimensional summer mean flow, the most unstable mode that has a wave train pattern with a typical zonal wavelength of 6000 km and a period of 10–20 days, propagating northwestward. This is in contrast to the equatorial region, where a Madden-Julian oscillation (MJO) like mode with a planetary (wavenumber-1) zonal scale and a period ranging from 20 to 80 days is simulated. Sensitivity experiments with different initial conditions indicate that the QBWO is an intrinsic mode of the atmosphere in boreal summer in the off-equatorial Indo-western Pacific region under the summer mean state, while the MJO is the most unstable mode in the equatorial region.     

黑碳气溶胶对我国区域气候影响的数值模拟

利用区域气候模式RegCM3模拟研究了黑碳气溶胶对我国区域气候的影响。以2000年1、4、7、10月为代表,计算分析了黑碳气溶胶的辐射强迫作用、对大气温度和降水的影响及其季节变化特征。模拟结果显示：黑碳气溶胶在大气层顶产生正的辐射强迫,在地表产生负的辐射强迫;黑碳气溶胶的加入使中国大陆地区地面温度发生明显变化,并呈现显著的季节特征,即1月大部分地区的地面温度均有升高;7月北方增温、南方降温;4月和10月地面温度的变化不明显。模拟结果也表明,黑碳气溶胶的排放使我国长江中下游等南方地区夏季降水增加,而北方部分地区降水减少。     

热带大气季节内振荡与2008年初中国南方雪灾的关系

利用热带大气季节内振荡(MJO)指数、向外长波辐射(OLR)资料和NCEP/NCAR全球逐日再分析资料以及中国南方地区降水资料,应用合成分析等探讨了MJO与2008年初南方雪灾的关系,进而从MJO角度研究雪灾过程成因。结果表明：雪灾过程中,MJO存在明显的东传现象,即由西太平洋向东传送至印度洋附近。伴随着MJO的向东传播,中国南方降水强度及集中区也在随之变化,MJO在一定程度上对雪灾过程有调制作用。通过对OLR的分析,表明2008年初中国南方4次异常降水(雪)过程受到了MJO两次东传的影响,第一次导致西太平洋副热带高压持续偏强,第二次导致南支槽活跃;副热带高压西侧偏南风带来的暖湿气流,以及南支槽带来的印度洋和孟加拉湾的暖湿气流不断向中国输送,为中国南方强降水过程提供了水汽条件。     

Influence of the Madden Julian Oscillation on precipitation and surface air temperature in South America

The regional influence of the Madden–Julian oscillation (MJO) on South America is described. Maps of probability of weekly-averaged rainfall exceeding the upper tercile were computed for all seasons and related statistically with the phase of the MJO as characterized by the Wheeler–Hendon real-time multivariate MJO (RMM) index and with the OLR MJO Index. The accompanying surface air temperature and circulation anomalies were also calculated. The influence of the MJO on regional scales along with their marked seasonal variations was documented. During December–February when the South American monsoon system is active, chances of enhanced rainfall are observed in southeastern South America (SESA) region mainly during RMM phases 3 and 4, accompanied by cold anomalies in the extratropics, while enhanced rainfall in the South Atlantic Convergence Zone (SACZ) region is observed in phases 8 and 1. The SESA (SACZ) signal is characterized by upper-level convergence (divergence) over tropical South America and a cyclonic (anticyclonic) anomaly near the southern tip of the continent. Impacts during March–May are similar, but attenuated in the extratropics. Conversely, in June–November, reduced rainfall and cold anomalies are observed near the coast of the SACZ region during phases 4 and 5, favored by upper-level convergence over tropical South America and an anticyclonic anomaly over southern South America. In September–November, enhanced rainfall and upper-level divergence are observed in the SACZ region during phases 7 and 8. These signals are generated primarily through the propagation of Rossby wave energy generated in the region of anomalous heating associated with the MJO.