澳大利亚东侧海温: 西北太平洋热带气旋生成频数的预测信号？

通过观测资料分析, 研究了澳大利亚东侧海表温度(SST)与西北太平洋热带气旋频数的关系, 发现春季澳大利亚东侧SST与6~10月西北太平洋热带气旋频数之间具有显著的反位相变化关系. 研究进一步揭示, 当澳大利亚东侧春季SST异常偏高时, 6~10月西北太平洋高层为气旋型环流异常, 低层为反气旋型环流异常; 大气异常下沉从而抑制对流活动; 纬向风垂直切变加大. 这种环流背景不利于西北太平洋热带气旋的生成和发展, 西北太平洋热带气旋因而偏少, 反之亦然. 春季澳大利亚东侧SST可能通过南北半球大气遥相关引起同期热带环流异常, 进而影响随后西北太平洋区域大气环流的变化.     

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.     

春季北极涛动对南海气候的影响

利用1979~2013年月降水量和NCEP再分析大气环流资料,分析了春季(3~5月)北极涛动对南海气候变率的可能影响.结果表明,春季南海多气候要素主导模态的时间系数与同期北极涛动指数相关系数达?0.4,超过95%的信度水平,二者反位相的特征在年际尺度上更加明显.当北极涛动指数为正异常时,西太平洋副热带高压减弱,热带西太平洋有异常气旋式环流,南海地区偏南风减弱,南海大部分地区降水增多,北部到华南地区降水减少,北极涛动指数为负异常时情况则相反.北极涛动可由两条途径影响南海地区气候,一是通过青藏高原南侧西风急流的波列,二是通过北太平洋西风急流区南北侧的偶极型环流异常.南海地区环流和气候的异常与这两条途径的相对强弱和配置有关,当高原南侧波列异常偏强同时北太平洋偶极型异常偏弱时,二者共同作用可增强西太平洋副热带高压和南海地区异常反气旋环流,导致降水的显著减少.当北极涛动指数为正异常时,北太平洋偶极型南支的气旋还可触发热带地区海气相互作用间接影响南海气候.     

“0866”华南特大暴雨灾害的综合诊断

借助加密观测资料、雷达组网拼图资料、雷达风场反演资料以及模式模拟资料等,采用综合诊断方法集中研究2008年6月5~7日发生在广东和广西的特大暴雨.目的是探寻暴雨中尺度特征与发生机理,并将较高时空密度的非常规观测资料用于综合诊断研究中,以有效构建暴雨发生物理模型的可行性探索.(1)此次暴雨是在独特的南支高空急流与低空急流耦合背景下,由涡旋及其东南象限频繁出现的中尺度对流系统(meso-scale convective system,MCS)共同导致;(2)不同于常见的影响华南的中纬度涡旋,此次涡旋来自低纬季风槽中,季风涌携带涡度、水汽、能量不断侵入涡旋东南侧并增强这里的西南风,致使此处汇集有利的物理要素并成为MCS频发的关键区,以水平散度项为主的动力因子对涡旋的形成及初期发展具有重要作用,而以潜热为主的热力因子则促使了涡旋向强盛期发展,涡旋发生发展过程中存在正反馈;(3)MCS体内存在西南气流与偏东气流,两支气流辐合并构成西南-东北向的带状对流云团,云团内部具有更细致的非对称流场结构,流场决定MCS呈现非对称的动热力结构特征、并导致强降雨发生于要素极值区;(4)MCS内强劲的?中尺度西南风速核促使不断积聚的对流有效位能(convective available potential energy,CAPE)最终得到释放,对流降雨由此爆发,频繁生成于带状云团东北侧的更小尺度对流单体直接造成了暴雨中心的雨量峰值;(5)综合诊断方法可以在探索暴雨精细结构特征中发挥关键作用.     

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.     

上层对流层大气水汽通道亮温揭示的季风涛动

利用１９７９￣１９９５年ＮＯＡＡ极轨卫星探测到的上层对流层大气通道月的水汽亮温资料分析了全球季风强度的年际变化,指出赤道中东太平洋与南亚和热带南美地区,以及太平洋南北半球副热带地区在水汽通道亮温强度上存在的反向的年际变化,这种形态的年际变化可能反映了大气环境的一种涛动,即季风涛动。     

可能最大暴雨研究的进展

一什么叫做可能最大暴雨我国位于副热带和北温带大陆东岸的季风气候区.西有青藏高原,东南濒太平洋,地形复杂,海陆影响显著.夏季盛行西南和东南风,水汽丰沛,是一个多暴雨国家,尤多特大暴雨.24小时降水量超过或接近1000毫米的暴雨,不仅在沿海地区,而且在内陆,甚至在半干早地区也发生过.1975年8月,我国河南省林庄发生了一场历史上罕见的特大暴雨,24小时雨量为1060毫米,三天最大雨量达1605毫米,暴雨所及,洪水泛滥,决堤毁屋,人畜溺毙,灾害极为严重.为了整治江河、兴修水利、防洪保坝、合理开发水利资源、保障人民生命安全,人们必须研究解决下列问题,即在工程运用期间,设计流域内一定历时的最大降水量究竟有多大?如何估算?其发生的可能性又怎样?归纳起来说,也就是如何估算可能最大降水问题.     

西北太平洋台风生成频次与南极涛动的关系

研究了西北太平洋台风生成频次(WNPTN)和南极涛动(AAO)的关系, 发现6~9月AAO和西北太平洋台风生成频次(WNPTN)具有显著的反相关关系(1949~1998年期间年际变化的相关系数−.48). 还分析了和AAO的变化相联系的热带西太平洋大气环流和海温的变化, 结果表明: 当AAO处于正位相时, 西北太平洋区纬向风的垂直切变幅度加大, 对流层低层为异常反气旋环流并且涡度异常为负值, 而高层为异常气旋环流并且涡度异常为正值, 海表温度降低, 这些变化均不利于台风生成和发展. 反之亦然.     

近20年华南降水季节循环由双峰型向单峰型的转变

基于最新观测资料揭示了近20年华南地区汛期降水已由典型的双峰型季节变化特征向单峰型转变,传统前汛期和后汛期之间少雨间歇期的降水量出现了明显增强,并表现为强降水事件的增多.这一转型的原因,一是7月热带太平洋海温在近20年不断升高,尤其是140°E以西的台风生成源地,海温的增幅更加明显,使热带气旋生成源地位置更加偏西,对华南沿海地区的台风性降水影响也更直接.除海温上升外,东亚陆表温度也在上升,且增温幅度强于海洋,陆地和海洋温差的季节性转换提早,使夏季风爆发提早,有利于西太平洋副热带高压(副高)更早东撤至热带洋面,华南地区对流活跃,季风性降水增多.此外,受西太平洋海温增暖影响,副高位置更加偏西,源自副高西南侧的水汽更直接输送至华南地区.在上述因素共同作用下,华南7月降水增多,弥合了前、后汛期间的低谷.这一结果可望加深对我国南方地区降水特征的新认识,并为短期气候预测提供参考信息.     

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.     

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.     

大尺度大气环流异常与长江中下游夏季长周期旱涝急转

利用国家气象信息中心提供的1957~2003年中国720站夏季(5~8月)逐日降水资料, 对长江中下游地区夏季长周期旱涝急转现象(分旱转涝和涝转旱两种类型)进行研究, 定义了一个长周期旱涝急转指数(LDFAI), 再结合ERA-40再分析资料及1957~2003年南半球和北半球环状模(SAM和NAM)指数时间序列, 分析了异常年的同期和前期的大尺度大气环流异常特征, 结果表明: 旱转涝年旱期西太平洋副高主体偏南, 长江流域低层负涡度中心发展伴随着辐散、下沉的加强和水汽输送减弱, 同时南亚高压和高空西风急流位置偏南, 长江中下游地区干旱少雨; 涝期西太平洋副高北抬, 该地区低层有正涡度发展并伴随辐合、上升运动和水汽输送较强, 南亚高压和高空西风急流北抬, 导致该地区降水增多. 涝转旱年涝期北方冷空气活跃, 冷暖空气交汇于长江中下游地区, 低层正涡度发展同时辐合、上升运动和水汽输送较强, 南亚高压位于高原南侧上空, 长江中下游地区偏涝; 旱期低层有负涡度中心发展伴随着辐散、下沉的加强和水汽输送减弱, 副高异常显著的北跳, 南亚高压向东向北扩展至华北地区, 长江中下游转为东风急流所控制, 干旱少雨. 另外, 长江中下游夏季LDFAI与其前期2月份的SAM和NAM存在显著的负相关, 这为长江中下游夏季长周期旱涝急转现象的预测提供了有参考意义的前兆信号.     

印度洋海温偶极子型振荡与热带太平洋之间的对流层遥相关模态及相应的机制解释

利用GISST和NECP/NCAR再分析数据, 研究了印度洋海温偶极子型振荡(Indian Ocean Dipole, IOD)和太平洋之间在对流层上的遥相关模态并对其进行了机制解释. 通过对IOD变化指数时间序列和整个南半球对流层重力位势异常场之间的相关分析, 首先给出了遥相关的空间模态, 结果显示: 在热带太平洋上空的对流层存在明显和IOD变化密切联系的遥相关作用中心; 该中心和热带印度洋之间由一列明显的大气遥相关波列结构连接起来, 该波列结构从热带印度洋出发, 向东南方向发展进入澳大利亚和太平洋的亚热带海域, 最终到达热带太平洋. 其次, 利用行星波能量传播理论对两者之间的遥相关进行了机制解释, 发现从热带印度洋出发的纬向波数为1~3的大气行星波的能量传播路径和遥相关波列路径定性相符. 另外, 对大气行星波在半球尺度上能量传播的时间尺度分析结果表明, 它和太平洋对流层异常对IOD的响应时间尺度是一致的. 因此我们得到这样的结论: 大气行星波的能量传播是热带印度洋海温偶极子型振荡和热带太平洋之间对流层遥相关的一种可能的联系方式.     

大气季节内振荡在印度夏季风建立和年际变化中的作用

利用动力和统计方法诊断了大气季节内振荡(ISO)在印度夏季风建立和季节演变中的作用. 结果表明, ISO对印度夏季风的建立有着重要的激发作用, 同时在季风的季节变化中ISO也起到一定的促进作用. ISO扰动对季风变化的贡献主要体现在非线性动力作用上, 通过季节内时间尺度的低频西风扰动动量水平输送的辐合或辐散来影响季风的季节变化. 相关分析表明, 在印度夏季风区季节平均的ISO强度与季风强度之间的年际变化关系为显著的负相关. ISO强时, 印度次大陆上空的对流层低层为反气旋性环流异常, 季风偏弱; ISO弱时为气旋性异常环流控制, 季风偏强.     

利用非常规资料对城市强暴雨的中尺度分析与模拟研究

利用国家"973"项目获取的特殊加密观测资料, 包括自动气象站雨量资料、风廓线仪资料、多普勒雷达图像资料、GMS5卫星云图资料和NCEP再分析资料, 采用诊断分析与数值模拟相结合的研究方法, 对2001年8月5～6日上海城区出现的1949年以来最强一次降雨过程进行了中尺度分析与模拟研究. 目的是了解造成此次城市暴雨灾害的热带气旋内中尺度系统的发展演变特征和将较高时空密度的非常规观测资料用于高分辨率MM5中尺度数值模式, 对于有效地预报城市灾害性暴雨的可行性、必要性. 研究揭示出 (1)此次暴雨是由登陆热带低压内发生发展的一系列中尺度对流云团所致, 具有时空尺度小的特征; (2)热带低压在入海前的重新加强为这场暴雨的发生提供了有利的环境条件; (3)热带低压与其内中尺度云团间可能存在相互作用; (4)及时、准确地充分运用各种观测资料对于有效地监测、预测出此类城市暴雨灾害具有重要意义; (5)局地风速的增强和风向的转变是暴雨中尺度系统的触发机制, 而充沛的水汽输送、聚集的对流有效位能为暴雨中尺度系统发生发展提供了必要的物理机制.     

亚洲夏季风爆发早晚的新前兆信号:冬季南极涛动

亚洲夏季风最早于5月上旬和中旬分别在中南半岛和南海爆发.统计分析的结果显示,其爆发早晚的前兆信号最早可追溯至冬季南半球中、高纬度的大气环流的异常,即南极涛动.冬季南极涛动偏强会造成初春南半球中纬度地区副热带高压带偏强,低纬地区赤道辐合带加深,从而使南半球中纬度和热带地区的气压梯度力加大,促使3～4月份索马里越赤道气流较早建立并偏强.受科氏力作用,索马里急流增强并越过赤道后,赤道印度洋西风也偏强,有利于孟加拉湾和南海地区低层辐合的加强和对流的活跃,并使西太平洋副高偏弱且较早东撤出南海,造成亚洲夏季风爆发偏早.反之,当冬季南极涛动偏弱时,南半球副热带和热带之间的气压梯度力偏小,索马里越赤道气流偏弱,赤道印度洋西风也偏弱,孟加拉湾和南海对流偏弱,南海上空副高偏强且东撤时间偏晚,亚洲夏季风爆发偏晚.这一结果在过去研究成果基础上进一步拓延了基于南半球大气环流信号预测亚洲夏季风的时效,并可作为一个新的前兆信号在业务中应用.     

梅雨期EAP事件的中期演变特征与中高纬Rossby波活动

揭示了梅雨期EAP(东亚/太平洋)事件的中期演变特征和中高纬Rossby波活动对它的作用. 正负EAP事件的形成过程并不是简单的反位相演变过程. 在对流层上层, Rossby波能量在欧亚大陆中高纬地区及亚洲急流区向下游频散, 形成EAP事件中高纬度2个异常中心的基本形态. 在这一层, Rossby波能量也从中纬度异常中心向高纬度异常中心经向传播. 在对流层中低层, 热带西太平洋暖池区对流活动异常可形成EAP事件的副热带异常中心, Rossby波能量从这一中心的北界向北频散, 有利于中纬度异常中心的维持和加强. Rossby波能量在对流层上层西风带背景环流中准纬向频散和在对流层中低层东亚夏季风环流中准经向频散, 其对应的异常环流在东亚沿岸地区相互作用和相互锁定, 形成正负EAP事件盛期的典型特征.     

造成1980年长江下游地区大水、低温的异常环流

本文应用月平均纪录,分析了1980年8月引起长江下游地区大水、低温的异常环流。发现这月的北太平洋副热带高压强度虽然很强,但是位置比常年(30°N附近)偏南很多。北方经常有较强的冷空气从东、西两方南下,使最大偏西风轴线停滞在32.5°N附近(常年在42°N附近),南北气流交汇在长江中、下游地区,原在黄河一带的雨区南移。在等涡线密集并与偏南风交角较大的地方容易发生暴雨。这种东亚异常环流与南半球、大西洋的环流改变有着密切的联系。     

索马里和澳大利亚越赤道气流的协同变化与我国夏季降水型

利用美国国家环境预报中心-国家大气研究中心(NCEP/NCAR)逐月再分析资料,结合我国国家气候中心提供的160站月平均降水资料(1970~2012年),在以前工作基础上,进一步讨论了索马里与澳大利亚北部低空越赤道气流的协同变化与我国夏季降水异常型的联系.结果表明:该二支越赤道气流的反相关协同变化(seesaw)与我国西南-东北走向的降水异常型密切相关.当索马里越赤道气流偏强(偏弱)而澳大利亚北部越赤道气流较弱(较强)时,我国夏季降水型呈西南-东北走向,即长江上游和中游、黄河流域以及华北大部分地区降水偏多(偏少).这种联系的产生同西太平洋副热带高压位置变化有关,在各月份的表现不尽相同.对应索马里越赤道气流增强和澳大利亚越赤道气流减弱,7月副高西伸,8月副高位置偏北.由于这种越赤道气流间的反相关关系从5月开始出现,在整个夏季有很好的持续性,所以它对我国夏季西南-东北走向的降水异常型具有预测意义.     

东北冷涡的“气候效应”及其对梅雨的影响

东北冷涡是东亚中高纬地区重要的天气系统. 尽管其时间尺度为天气尺度, 但是频繁的东北冷涡活动具有显著的“气候效应”. 这种“气候效应”不仅会影响东北地区对流层低层的月平均气温, 而且对东亚地区梅雨期降水也具有影响作用. 利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的ERA-40再分析资料, 对东北冷涡的“气候效应”及其与东亚梅雨的关系进行研究, 发现: 梅雨期东北冷涡和降水量存在显著的相关关系, 东北冷涡越强, 梅雨量很可能偏多, 东北冷涡越弱, 梅雨量很可能偏少; 东北冷涡强年, 东北冷涡引导北方“干冷”空气南侵, 与低层强盛西南暖湿气流在梅雨区北缘交汇, 形成“上干下湿”的不稳定层结, 在上升运动的触发下, 最终导致梅雨量偏多, 东北冷涡弱年情况正好相反; 前期北太平洋海温的异常可能是导致梅雨期东北冷涡异常的因素之一, 夏季的海陆热力对比对东北冷涡起着促进作用, 而冬季的热力对比对东北冷涡起着抑制作用. 所有这些为东北冷涡和梅雨的短期气候预测提供了具有参考意义的结果.