东海黑潮区潜热变化对中国春季降水的影响及其影响过程

本文利用美国NCEP/NCAR再分析资料、哈德来(Hadley)中心海温数据、国家气候中心的观测站降水和客观分析海气通量(OAFlux)潜热感热通量资料,研究了1960~2010年春季黑潮区潜热输送对中国春季降水的影响及其影响过程。本文以黑潮流经的中国东部海域及邻近海域为研究对象,该区域是黑潮的主体区域,在文中简称为东海黑潮区。对中国东海以及邻近海域海温与降水的分析表明,在夏季该区域可能以大气强迫海洋为主,而在春冬两季可能主要为海洋强迫大气为主,秋季则可能为不明显的海气相互作用。在春季西北太平洋区域中感热和潜热都对黑潮流经的区域有比较好的敏感性,黑潮流经区域感热和潜热的气候平均值分别约为30 W m-2与120 W m-2;春季的感热通量标准差大值区主要集中在日本以西区域,潜热通量标准差主要集中在中国东海区域与日本东南区域(即东海黑潮区域)。春季潜热EOF第一模态的主要变化就集中在东海黑潮流域。相关分析与合成分析的结果表明,当黑潮潜热指数为正时,华南地区春季降水偏多,长江以北地区偏少,反之亦然。在物理过程分析中,黑潮潜热指数大于0.8时,长江以南的中国大陆有比较强盛的异常北风,使得水汽无法输送到更北的地区,导致在华南地区水汽的积累,并且在海面出现有利于降水的垂直运动异常延伸到大陆上,使华南地区降水增多,而长江以北的东部地区由于水汽输送偏弱,导致水汽积累偏少,从而降水减少。当黑潮指数小于-0.8时,有较强盛的异常南风,有利于水汽输送到北方地区,水汽在华北地区积累,导致长江以北出现降水正异常,而华南地区由于南风偏强,水汽输送加强,导致水汽无法在此区域积累,并且出现不利于降水的垂直运动异常,从而导致降水偏少。     

青藏高原东部和西太平洋暖池区大气热源与中国夏季降水的关系

利用1951～2000年NCEP/NCAR逐日再分析资料计算了大气热源,并对夏季青藏高原东部大气热源异常和西太平洋暖池区大气热源异常对中国夏季降水的影响作了对比分析研究.结果表明,如果高原东部夏季大气热源显著偏强(偏弱),则长江流域地区的夏季降水显著偏多(偏少),而华南东部地区夏季降水偏少(偏多).菲律宾南部附近的热带西太平洋暖池区上空夏季大气热源显著偏强(偏弱)时,同期长江中下游地区偏涝(偏旱),而华南地区、江苏北部-山东南部则偏旱(偏涝).夏季青藏高原东部大气热源异常和热带西太平洋暖池区大气热源异常对中国夏季降水的影响是有差别的,中国的夏季降水受高原东部大气热源影响的显著范围要比受西太平洋暖池区大气热源影响的显著范围要大.无论是高原热源异常还是西太平洋暖池热源异常,东亚地区的大气环流都存在类似EAP型的遥相关波列.大气热源的异常是通过直接影响垂直运动场的异常,进而影响到我国的夏季降水的异常.夏季高原热源或西太平洋暖池热源偏强(偏弱)时,西太平洋副高的脊线比常年位置偏南(偏北).     

夏半年青藏高原东部大气热源异常对环流和降水的影响

本文利用高原２３个测站探空资料，经客观分析求得的１９８３－１９９２年夏半年逐月青藏高原东部大气热源和水汽汇积分值，讨论了高原东部大气热源对北半球大气环流以及对我国降水的影响。月距平均资料显示，高原东部大气热源在ＥＮＳＯ年一般有所加强，与此相应，５００ｈＰａ高度场从高原到淮河流域为一低值区，蒙古一带为高压区，１００ｈＰａ高度场高原上空为高压区，我国东北，朝鲜和日本一带为低值区。     

MJO对春季中国东部大气环流和降水的影响

利用再分析资料分析了MJO（Madden-Julian Oscillation）不同位相对春季中国东部降水的影响。结果表明：MJO处于位相3时对应长江及其以南地区降水增多,处于位相7时该区域降水减小。当热带MJO对流从位相1东传至位相4,与其相伴的北向辐散辐合流会在印度东北部—长江及副热带西北太平洋地区的对流层中低层产生明显的辐合异常,且在MJO位相3时中国东部的辐合异常达到最大。从Rossby波源角度分析,这种辐合异常会增强对流层中低层气旋性环流,导致MJO处于位相3时长江流域及其以南地区降水增多。同时,利用现代次季节和季节预报业务系统探讨了MJO与降水的关系对降水预报技巧的影响,发现预报降水和再分析产品的相关系数在MJO处于位相3和7时有所增加。     

夏季热带印度洋大气热源主模态与中国东部降水的关系

利用1979—2008年NCEP/NCAR再分析资料和中国区域160站降水资料,分析了热带印度洋及南亚地区夏季大气热源的气候特征,探讨了热带印度洋夏季大气热源主模态与中国东部降水的关系。结果表明:与春、秋、冬季相比,夏季大气热源强度强、范围广,热源最强中心在孟加拉湾北部大陆边缘;当孟加拉湾、苏门答腊岛西部海域、阿拉伯海的中东部以及恒河平原等地的夏季大气热源增加(减少),而赤道印度洋的中西部地区、阿拉伯海北部边缘等地的夏季热源减少(增加)时,有利于长江中下游地区、华北北部、东北以及西南大部分地区夏季降水的增加(减少),不利于华北南部以及江南地区尤其华南地区的夏季降水的增加(减少);热带印度洋夏季大气热源的主模态主要通过影响对流层高、低层的环流来影响中国东部降水。值得注意的是,与热带印度洋夏季大气热源的主模态时间系数的年际变化相比,其年代际变化对中国东部降水影响更显著。      

7月青藏高原大气热源空间型及其与东亚大气环流和降水的相关研究

对1958～1999年的7月份NCEP/NCAR再分析资料中青藏高原区域大气热源强度(整层气柱的总非绝热加热率)做旋转经验正交函数分析,结果表明该区域内大气热源强度的空间分布特征复杂,各地差异显著。前4个REOF型的加热中心位于高原东北部、高原西南部、克什米尔地区以及高原东南部地区上空。小波分析还表明各空间型都有2～4a的变化周期。文中计算了前4个RPC与东亚中、低空纬向风(U)、经向风(V)、纬向水汽通量(Q_u)、经向水汽通量(Q_v)的相关系数,并用这些相关系数构造矢量,进而分析其流场和水汽通量散度场,发现高原不同区域的大气加热异常所对应的东亚大气环流形势及降水也大不相同,由此表明,在研究高原加热对中国气候的影响时,应注意加热的空间分布特征。     

春季东海黑潮锋影响强对流的个例分析

利用卫星观测和再分析资料,研究了2018 年 4 月 30 日东海黑潮海面温度锋(黑潮锋)影响低云突破边界层发展为对流云团,并导致强降水的过程。结果表明：(1)29 日 12 时东海 500 hPa 上受短波槽控制,低空处于高低压之间的偏南气流中;黑潮锋大气边界层稳定,有利于低云发展。 (2)黑潮锋的暖水侧向大气不断输送热量和水汽,稳定性减弱;而冷水侧对大气的冷却作用显著, 大气稳定性增加。(3)经过约12 h 的调整,黑潮锋通过垂直混合机制强迫表层风速发生变化,在黑潮锋上空形成风速辐合,叠加背景辐合场,导致辐合明显增强。(4)受平流效应影响,黑潮锋上空大气增湿增温,抬升凝结高度降低。(5)潜热释放与低空辐合之间形成正反馈,最终导致对流云团发展,降水强度显著增强。     

夏季黑潮区域SSTA及其与中国夏季降水的联系

采用海温、降水、OLR和NCEP／NCAR40a再分析资料，利用REOF方法，研究了夏季北半球海温异常(SSTA)的变化特征，结果显示：第4个REOF空间型是黑潮海温异常的典型形态。相关、合成分析表明，夏季黑潮海温正异常年时，长江流域降水偏多，洞庭湖流域显著偏多；负异常年时则反之。     

大气热源对中国南方低温雨雪异常天气的影响

针对中国南方地区2008年1月份出现的低温阴雨雪(冻雨)和冰冻天气,本文首先探讨了该地区的经向垂直环流和纬向垂直环流的异常特征,发现与多年平均相比,2008年1月沃克环流偏弱,反哈得莱环流偏强。接着通过统计方法揭示了中国南方地区气温异常与大气热源异常的同期相关关系,发现在太平洋中高纬地区存在着一对与中国南方地区气温互为相反关系的区域。     

春季黑潮区海温异常与我国夏季降水的关系

利用海温资料、NCEP/NCAR 53 a(1951～2003年)再分析资料和全国160个站的月降水资料,采用小波、合成和相关分析等方法,分析了春季黑潮区域海表温度异常与我国夏季(6～8月)降水及其与夏季500 hPa高度场、水汽输送的关系。结果表明:春季黑潮区域海表温度具有明显的年际和年代际变化特征,海温的增加趋势非常显著,存在不同尺度的周期振荡,其中23 a左右的周期最显著。春季黑潮海温偏高时,中高纬地区的槽和脊加深,西北太平洋副热带高压加强、西伸,导致副热带高压西侧的暖湿气流输送到长江中下游及华南地区,从而使长江中下游及华南地区的夏季降水增多;水汽输送合成场表明来自南海、西太平洋的水汽输送较气候平均年偏强,向长江流域以北的水汽输送减少,使长江中下游及华南地区夏季降水增多;相反,海温偏低时,长江中下游及华南地区的夏季降水减少。     

春季黑潮延伸体海洋锋区经向位移与东亚大气环流的关系

采用高分辨率的海表温度资料定义了春季黑潮延伸体北侧海洋锋区的南北位置,并采用EOF分析、相关分析、合成分析、带通滤波等方法,探讨了其南北向位置变动与高空急流、风暴轴以及后期东亚降水之间的关系。结果表明,春季黑潮延伸体北侧海洋锋区位置的南北变动存在明显的年际、年代际变化,其与6月东亚高空急流、太平洋区域风暴轴的南北位置具有很好的对应关系。当春季黑潮延伸体海洋锋区偏北时,6月东亚高空急流、太平洋区域风暴轴偏北,反之亦然。进一步的研究还表明,春季黑潮延伸体海洋锋区经向位置的变动可通过影响东亚大气环流对6月东亚地区的降水产生影响,黑潮延伸体海洋锋区偏北(南)年,6月雨带有显著的北(南)移。     

东海黑潮暖舌的演变及其对我国气温的影响

利用高分辨率的海温分析资料模式资料,分析了黑潮暖舌与我国气温的关系,初步探讨了太平洋年代际振荡(PDO)等造成黑潮暖舌变化的可能原因。结果表明,冬季和春季东海黑潮暖舌存在明显的年际和年代际变化。暖舌在1996/1997年发生了一次突变,此前暖舌处在偏冷的状态,之后转为偏暖的状态。我国冬季和春季气温存在一定的年代际变化,1997年之后,冬季除东北和新疆外,气温有所偏高,而春季气温全国表现为一致的显著偏高。冬季和春季气温对黑潮暖舌存在邻(域)响应。冬季东海黑潮暖舌指数与冬季我国东部气温存在正相关,并且这一相关性能够延续到次年春季。冬季黑潮暖舌指数与我国4月海陆热力差异指数也存在显著的正相关。当冬季暖舌偏强(弱)时,4月海陆热力差异指数偏高(低),即东亚地区海陆热力差异偏大(小)。春季黑潮暖舌指数与春季我国中部及南方地区气温也存在正相关,当春季黑潮暖舌偏强(弱)时,上述地区气温将偏高(低)。PDO和黑潮暖舌之间的相互作用存在一个反馈机制。西风的增强,可通过使海洋向大气释放热量增加和向南的埃克曼(Ekman)输送,降低北太平洋中部的SST,而这一地区SST的降低对应着PDO的暖位相。增强的负风应力旋度在北太平洋副热带流涡中强迫出的向南斯维尔德鲁普(Sverdrup)流也偏强,而向北流动的东海黑潮的增强正是补偿了这一向南的海流。黑潮增强后经过两个月将大量热量输送至北太平洋中部,增强了这一地区的SST,而这对应着PDO的冷位相。     

东中国海黑潮影响热带气旋强度的观测分析和数值模拟

采用1982—2008年高分辨率海温资料及日本气象厅热带气旋资料,对6—8月经过东海黑潮海区的热带气旋进行统计,发现经过该关键海区的热带气旋中有30%的热带气旋强度加强,而其中沿黑潮暖舌方向的热带气旋中有90%的个例出现增强趋势。对其中迅速加强的热带气旋进行合成分析,发现黑潮暖舌区的热通量增加对此类热带气旋的强度起到重要的促进作用。选取热带气旋个例Noguri为研究对象,通过中尺度数值模式再现其经过黑潮暖舌区加强的过程,并设计两组试验来进一步探究东海黑潮暖舌对台风强度的影响。模拟研究表明,黑潮暖舌对热带气旋强度的增强作用要强于热带气旋引起的冷水上翻所产生的减弱作用,东海黑潮暖舌主要通过增强海表面热通量来增强台风对流发展从而促使台风加强。     

一次春季冷空气过程中东海海域海气通量与界面热交换分析

利用船测资料分析一次冷空气过程中东海海域海气通量特征及海洋表面热收支变化特征。2017年5月5日20时—6日14时冷空气过境期间,动量通量平均值为0.22 N·m-2。感热和潜热通量的平均值分别为27.17 W·m-2和90.25 W·m-2,是春季整个观测期间（2017年4月20日—5月26日）平均值的2.8倍和1.1倍。冷空气爆发当天,净热通量为-12.73 W·m-2,海洋失热。白天海表面热收入58.36 W·m-2,影响海面热收支变化的主要是净辐射通量和潜热通量。夜间海表面热支出156.89 W·m-2,海洋作为热源向大气释放潜热99.79 W·m-2,占海洋释放能量过程的63.61%,向大气释放感热27.11 W·m-2,占海表释放热量的17.28%,海表面损失的热量主要以潜热的形式向大气传输。     

大气对春季东海黑潮锋响应的气压调整机制分析

采用美国国家环境预测中心的CFSR(Climate Forecast System Reanalysis)再分析资料和QuickSCAT(Quick Scatterometer)、AVHRR(Advanced Very High Resolution Radiometer)、TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)高分辨率卫星资料,研究了大气对春季东海黑潮锋响应的气压调整机制及其年际变化。结果表明,春季东海黑潮锋位于黑潮暖舌的西北侧,呈西南-东北走向,与大尺度气压背景场的等压线走向一致,锋区东南侧暖水与西北侧冷水之间产生的局地气压梯度与大尺度气压梯度形成同向叠加,使得锋区附近西北指向东南的气压梯度达到最大,造成该处的海表面10 m矢量风速也最大,在摩擦作用下形成东北偏北风(NNE)。锋区与其东南侧的NNE风之间沿锋区走向(跨锋区走向)的分量差,会在暖舌附近产生气旋性切变涡度(风速辐合),由此产生上升运动和强降水;而在锋区西北侧的冷水区情况正好相反,有反气旋性切变涡度(风速辐散),并伴有下沉运动和弱降水,从而形成跨锋区的次级环流圈。东海黑潮锋区偏强(弱)年,锋区东南侧暖水与西北侧冷水之间的局地气压梯度也偏强(弱),与大尺度气压梯度同向叠加后形成偏强(弱)的NNE风,造成锋区东南侧暖舌附近的气旋性切变涡度、风速辐合、上升运动和降水均偏强(弱),而锋区西北侧冷水区的反气旋性切变涡度、风速辐散和下沉运动均偏强(弱),跨锋区次级环流圈偏强(弱),这表明在年际时间尺度上气压调整机制仍起作用。     

东中国海黑潮海洋锋的季节变化特征及其成因

利用高分辨率海洋和大气再分析资料研究了东中国海黑潮海洋锋的季节变化特征及其成因。研究表明,东海黑潮海洋锋存在明显的季节变化,从冬季到次年春季逐渐增强,并在春季达到最强,初夏以后强度逐渐减弱,9—10月达到全年最弱。通过诊断混合层热流量方程发现,东海黑潮区一年四季均表现为暖的温度平流,有利于海洋锋的形成和维持,该暖平流也存在季节变化并在春季达到最大,对海洋锋在春季达到最强起了重要作用。海气界面净热通量在秋冬季对海洋锋的形成有促进作用,有利于海洋锋增强,而在春夏季则起抑制作用,促进海洋锋消亡。温度垂直输送全年对海洋锋起一定程度的抑制作用。总之,在海温水平平流和海表净热通量的共同作用下导致海洋锋春季达到最强,而夏秋季海表净热通量和温度垂直输送作用的共同作用致使海洋锋减弱并最后消失。因此,海洋的动力和热力共同作用导致了东海黑潮海洋锋的季节变化,其中海温水平平流和海表净热通量对海洋锋的季节变化起主要作用,而温度垂直输送项对海洋锋的发展起抑制作用,但影响相对较小。     

青藏高原5月大气热源与黑龙江省盛夏降水的关系

利用1961—2017年黑龙江省夏季降水资料和NCEP再分析资料,采用奇异值分解、相关分析、回归分析等方法,研究了青藏高原大气热源与黑龙江省盛夏降水的关系及可能的影响机制。结果表明:5月青藏高原热源与黑龙江省7月降水关系最密切,当5月高原东部热源偏强时,7月黑龙江省中部降水显著偏少。5月热源偏强年,在副热带西风急流的作用下,7月中纬度环流呈现类似“丝绸之路”型遥相关波列,同时东亚沿岸环流呈现类似“东亚—太平洋”型遥相关波列,在二者共同作用下黑龙江省受反气旋式环流影响,7月降水偏少。     

Structural variation of an atmospheric heat source over the Qinghai-Xizang Plateau and its influence on precipitation in northwest China

NCEP/NCAR reanalysis data and a 47-year precipitation dataset are utilized to analyze the relationship between an atmospheric heat source (hereafter called < Q₁ >) over the Qinghai-Xizang Plateau (QXP) and its surrounding area and precipitation in northwest China. Our main conclusions are as follows: (1) The horizontal distribution of < Q₁ > and its changing trend are dramatic over QXP in the summer. There are three strong centers of < Q₁ > over the south side of QXP with obvious differences in the amount of yearly precipitation and the number of heat sinks predominate in the arid and semi-arid regions of northwest China (NWC), beside the northern QXP with an obvious higher intensity in years with less precipitation. (2) In the summer, the variation of the heat source's vertical structure is obviously different between greater and lesser precipitation years in eastern northwest China (ENWC). The narrow heat sink belt forms between the northeast QXP and the southwestern part of Lake Baikal. In July and August of greater precipitation years, the heating center of the eastern QXP stays nearly over 35^oN, and at 400 hPa of the eastern QXP, the strong upward motion of the heating center constructs a closed secondary vertical circulation cell over the northeast QXP (40^o--46^oN), which is propitious to add precipitation over the ENWC. Otherwise, the heating center shifts to the south of 30^oN and disappears in July and August of lesser precipitation years, an opposite secondary circulation cell forms over the northeast QXP, which is a disadvantage for precipitation. Meanwhile, the secondary circulation cell in years with more or less precipitation over the ENWC is also related to the heat source over the Lake Baikal. (3) The vertical structure of the heat source over the western QXP has obvious differences between greater and lesser precipitation years in western northwest China in June and July. The strong/weak heat source over the western QXP produces relatively strong/weak ascending motion and correspondingly constructs a secondary circulation cell in lesser/greater precipitation years.     

Possible impacts of Barents Sea ice on the Eurasian atmospheric circulation and the rainfall of East China in the beginning of summer

Possible influences of the Barents Sea ice anomalies on the Eurasian atmospheric circulation and the East China precipitation distribution in the late spring and early summer (May-June) are investigated by analyzing the observational data and the output of an atmospheric general circulation model (AGCM).The study indicates that the sea ice condition of the Barents Sea from May to July may be interrelated with the atmospheric circulation of June. When there is more than average sea ice in the Barents Sea, the local geopotential height of the 500-hPa level will decrease, and the same height in the Lake Baikal and Okhotsk regions will increase and decrease respectively to form a wave-chain structure over North Eurasia.This kind of anomalous height pattern is beneficial to more precipitation in the south part of East China and less in the north.     

青藏高原大气热源及其估算的不确定性因素

基于1980—2016年的4套再分析资料(NCEP/DOE资料、MERRA2资料、ERA-Interim资料和JRA-55资料),采用计算大气热源的正算法和倒算法,研究青藏高原大气热源及其计算的不确定性因素,得到以下结论：(1)计算方法和资料均会导致结果的不确定性,正算法只能得到整层热源,而倒算法可得到热源垂直结构,但其结果准确性依赖于再分析资料精度;(2)对比4套再分析资料计算结果发现,正算法结果较倒算法结果普遍偏高,采用ERA-Interim资料,基于两种方法计算的大气热源年代际变化趋势一致。基于4套资料,采用倒算法计算的热源在1980—2016年呈现明显的年代际变化特征;(3)夏半年(3—8月)强热源区主要分布在青藏高原中东部,热源自下而上呈源-汇-源分布;(4)基于正算法和ERA-Interim资料估算的夏半年的降水潜热在喜马拉雅山南坡显著偏小,高原西部地区和南部冈底斯山一带则明显偏大。