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2014年  第38卷  第4期

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前言
丁一汇
2014, 38(4): 615-615.
摘要:
陶诗言先生在中国暴雨发生条件和机制研究中的贡献
丁一汇
2014, 38(4): 616-626. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2013.13226
摘要:
作者在1998年庆贺陶诗言先生八十华诞的文集中曾专题阐述和评价了陶先生对中国暴雨研究的贡献。 至今十五年过去了,陶诗言先生虽已于2012年仙逝,但其深邃的科学思想依然闪烁着智慧的火花。他在中国暴雨研究中留下的宝贵遗产不但深刻影响过去和现代两代人的暴雨研究和业务发展,而且也将继续影响将来的中国暴雨研究。
本文是对陶诗言先生在中国暴雨的研究中所作的贡献并结合现代研究的成果作进一步介绍和评价。主要集中在暴雨发生的动力和热力条件与机理方面。全文内容包括六个方面:(1)季节突变对中国梅雨爆发的影响;(2)暴雨发生的多尺度相互作用;(3)暖湿季风输送带对北方大暴雨的影响;(4)高空急流对暴雨的作用;(5)暴雨和强对流发生的物理条件;(6)地形对暴雨的作用
20世纪90年代末东亚冬季风年代际变化特征及其内动力成因
黄荣辉, 刘永, 皇甫静亮, 冯涛
2014, 38(4): 627-644. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2013.13245
摘要:
为纪念陶诗言先生对东亚冬季风研究的杰出贡献,本文利用我国测站、NCEP/NCAR和ERA-40/ERA-Interim再分析资料分析了我国冬季气温和东亚冬季风在20世纪90年代末所发生的年代际跃变特征及其内动力成因。分析结果表明:从20世纪90年代末之后,我国冬季气温和东亚冬季风发生了明显的年代际跃变。从1999年之后,随着东亚冬季风从偏弱变偏强,我国冬季气温变化从全国一致变化型变成南北振荡型(即北冷南暖型),并由于从1999年之后我国北方冬季气温从偏高变成偏低,故冬季低温雪暴冰冻灾害频繁发生,同时,我国冬季气温和东亚冬季风年际变化在此时期从以往3~4 a周期年际变化变成2~8 a周期;并且,结果还表明了东亚冬季风此次年代际变化是由于西伯利亚高压和阿留申低压的加强所致。本文还从北极涛动(AO)和北半球准定常行星波活动的动力理论进一步讨论了此次东亚冬季风年代际跃变的内动力成因及其机理,结果表明:从20世纪90年代末之后,北半球冬季准定常行星波在高纬地区沿极地波导传播到平流层加强,而沿低纬波导传播到副热带对流层上层减弱,这造成了行星波E-P通量在高纬度地区对流层和平流层辐合加强,而在副热带地区对流层中、上层辐散加强,因而导致了北半球高纬度地区从对流层到平流层纬向平均纬向流和欧亚上空极锋急流减弱,而副热带急流加强,这造成了AO减弱和东亚冬季风加强。
贵州冻雨形成的环境场条件及其预报方法
高守亭, 张昕, 王瑾, 杜小玲, 邓涤菲
2014, 38(4): 645-655. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1403.13250
摘要:
在冬季风暴各种降水类型中,冻雨的预报是其中最有难度,也最具挑战的一种。贵州湖南冻雨是在对流层高、中、低层各纬度天气系统相互作用下形成的,其中最直接和主要的影响系统有:高层的副热带高空急流锋区、低层的云贵准静止锋以及中低层的西南低空急流。在这种复杂的天气背景下,为了准确地分析并预报出冻雨的发生区域,在仔细分析研究冻雨发生的大气背景和天气特点后,我们探索性地提出一套冻雨的诊断预测方法,即“动力因子”和“三步判别法”相结合的方法。同时,我们把该方法应用到中国冻雨最为频发的贵州地区,首先利用动力因子垂直积分的斜压涡度参数(qBsum)找到未来因斜压性较强而易发生弱降水的区域,再结合预报场的单站探空资料,进行三步判断方法,就能比较全面地判断冻雨发生的区域,对冻雨进行准确预报。
夏季长江淮河流域异常降水事件环流差异及机理研究
张庆云, 郭恒
2014, 38(4): 656-669. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1402.13240
摘要:
长江、淮河同处东亚中纬度,天气过程的大尺度环流背景相似,大量相关研究基本是把江淮流域天气气候事件作为一个整体研究,然而对长江、淮河流域夏季降水的时空变化进行分析发现,长江、淮河流域夏季异常降水事件有各自不同的年际、年代际变化特征,但环流差异及成因并不十分清楚。本文根据中国台站降水资料及NCEP/NCAR再分析资料,利用物理量诊断和现代统计学等方法,重点分析长江、淮河流域梅雨期降水异常事件发生时南北半球大气环流内部动力过程的差异及成因。研究指出:长江(淮河)流域梅雨期降水异常偏多年500 hPa位势高度场亚洲中高纬度环流呈现为南北向(东西向)的波列与东亚中高纬鄂霍茨克海阻塞频次增多(减少)以及200 hPa高度场上东亚副热带高空西风急流强度加强(减弱)、稳定(移动)有关;长江(淮河)流域梅雨期降水异常偏多年主要水汽来源与南半球澳大利亚高压、马斯克林高压位置偏东(西)造成西太平洋150°E~180°(阿拉伯海50°E~60°E)地区越赤道气流加强有关。长江(淮河)流域梅雨期异常降水事件大气环流内部动力过程最显著的差异表现为:东亚副热带高空西风急流加强(减弱)以及南半球澳大利亚高压、马斯克林高压位置偏东(西)。
春末夏初南亚高压的形成过程及其与ENSO事件的联系
何金海, 刘伯奇, 吴国雄
2014, 38(4): 670-684. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1401.13221
摘要:
利用ERA-Interim再分析资料,分析了春末夏初南亚高压建立过程的气候特征和可能机制,并讨论了ENSO事件冷、暖位相对南亚高压建立过程年际变化的影响。结果表明,第24候,气候平均的南亚高压形成于中南半岛东南部的对流层高层,这与菲律宾群岛南部和中南半岛局地对流的加强有关。一方面,菲律宾群岛南部对流加强能够在其北部产生负涡度源,在高空热带东风急流的作用下,其下游的南海地区出现负涡度,相应地出现闭合的高空反气旋,南亚高压初步形成。另一方面,中南半岛局地对流令南亚高压中心加强发展,并使其最终位于中南半岛上空。春末夏初菲律宾群岛附近对流的经向摆动决定了南亚高压的形成位置,而中南半岛局地对流的强度则控制着南亚高压的加强北抬。由于菲律宾南部和中南半岛的局地对流都受ENSO事件影响,因此在ENSO事件的冷、暖位相下,南亚高压的形态和位置在其建立过程中差异明显。在暖事件发生后,热带对流在加里曼丹岛以东发展,南亚高压形成于苏门答腊群岛北部至泰国湾上空,此时中南半岛对流偏弱,限制了南亚高压的北抬发展;而在冷事件发生后,热带对流在菲律宾群岛中部加强,同时南亚高压形成于中南半岛中部上空,随后中南半岛对流迅速加强,令南亚高压明显西伸北抬。因此,ENSO事件的冷、暖位相对春末夏初南亚高压的形成位置有显著影响。
预报异常极端高影响天气的 “集合异常预报法”:以北京2012年7月21日特大暴雨为例
杜钧, RichardH.GRUMM, 邓国
2014, 38(4): 685-699. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2013.13218
摘要:
对罕见极端高影响天气,既使一个模式有能力预报它,其数值预报也至少有以下难点:一是有多大把握确定所预报的天气是极端事件?二是其具体的定时、定量、定点预报可靠吗?本文介绍了集合预报和气候资料相结合的 “集合异常预报法”,并通过北京2012年7月21日(7.21)特大暴雨事件揭示出“集合异常预报法”和集合预报可以提供比单一模式预报更可靠和更准确的信息,从而可有效地缓解上述两大难点。作者建议中央气象台和其他有条件的台站可采用这种办法提高重大灾害性天气的预报能力。
文中具体讨论了如下三方面:(1)标准化异常度(SA)的定义以及它同集合预报相结合提高对罕见极端高影响天气预报的可靠性,并由此可导出一个“社会影响矩阵”来定量地表达一个预报对社会的潜在影响;(2)利用集合预报,特别是多模式集合预报可以克服单一模式前后预报的跳跃性或不连续性问题,由此可延长实际可预报时效,如北京7.21事件超过100 mm大暴雨的实际可预报时效提前了2天;(3)SA还有助于认识异常天气发生的原因:从SA的分布看,造成北京7.21 大暴雨事件的短期天气尺度背景因素是从西北方向移来的冷锋和台风倒槽的相遇;从SA的演变看,该事件的中期大背景因素是在北京东北方向有阻塞高压发展并导致北京以西地区的低槽加强和发展(地面强冷空气堆积),在高纬度形成了一个高、低压系统相间的波列,发展并维持,同时诱导热带系统北进。
梅雨锋云系的模态研究I:主导模态
覃丹宇, 黄勇, 李博, 方宗义
2014, 38(4): 700-718. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2013.13230
摘要:
利用经验正交函数(EOF)分解方法,对1998~2008年梅雨活跃期共16次过程每3 h间隔的静止卫星云顶亮温(也称相当黑体亮度温度,即Black Body Temperature,以下简称TBB)的距平场进行计算,获得了梅雨锋云系的主要模态。经检验,前7个模态为独立模态,方差贡献分别为7.78%、5.83%、5.20%、4.27%、4.19%、3.62%和3.36%。这7个独立模态反映梅雨期间云系主要的异常特征。各模态相似云图中的云系与气候态相比出现位置偏移与形状变化,表明梅雨锋云系随主导环流系统的演变而发生断裂、减弱、消散、重建的过程。
从各模态相应的大气环流配置来看,气候态梅雨锋云系对应的大气环流为三阻型梅雨形势。另外7个主导模态的大气环流基本可以划分为两类,一类为阻塞高压型,中高纬地区存在阻塞高压活动,在第2模态正位相,第4模态负位相,第5模态正位相和第6模态正、负位相以及第7模态正位相对应的500 hPa环流形势上都可以看到这一特点;另一类为槽脊型,中高纬地区阻塞高压活动不明显,等高线为一槽两脊或两槽一脊型分布,与这种环流形势相关的模态有第1模态正、负位相,第2模态负位相,第3模态负位相,第4模态正位相,第5模态负位相和第7模态负位相。
梅雨锋云系的模态研究Ⅱ:出现频率及转换特点
方宗义, 覃丹宇, 黄勇, 李博
2014, 38(4): 719-726. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2013.13099
摘要:
基于经验正交函数(EOF)分解方法提取的1998~2008年梅雨活跃期共16次过程的梅雨锋云系主导模态,讨论了这些主导模态的发生频率、维持时间及相互转换特征。结果表明,在16个梅雨活跃期内,云系的第1主导模态正相位出现的频率最高,并且在4个活跃期内作为首次出现模态率先出现;第5模态正位相的出现频率最低,且该模态多数伴随其他模态一同出现,为过渡模态。统计发现,各主导模态的维持时间并不相同,其中第2模态负位相持续时间最长,为81 h;第5模态正位相的最大持续时间最短,仅为18 h;第6模态负位相的平均持续时间最长。对不同主导模态转换方向和频次的计算表明,各个位相的模态最多(最少)向9种(3种)(含正负位相)其他模态进行转换。除第6模态负位相和第5模态负位相向其他模态的转化具有较好的方向性外,其他模态间的相互转换多表现出随机性特征。其中,第6模态负位相在超过半数的情况下向第5模态负位相转换,而第5模态负位相则多向第3模态正位相和第1模态负位相进行转换。
中国东部冬季温度异常偶极型模态的一个前兆信号
孙淑清, 刘舸, 宋文玲, 彭京备
2014, 38(4): 727-741. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2013.13211
摘要:
利用中国160站逐月温度、NCEP再分析、NOAA-CIRES 20世纪再分析以及NOAA海表温度等资料,分析了中国东部(100°E以东地区)冬季温度年际变化的主要模态,并重点研究了其中第2模态(即偶极型模态)的成因机理和前期信号。同时,也以2012~2013年冬季为例,探讨了这一温度异常模态的预测方法。研究主要发现:除中国东部大范围一致偏冷或偏暖模态以外,110°E以东的北方地区偏冷(暖)还经常对应着华南和110°E以西地区的偏暖(冷),构成温度异常反向变化的偶极型模态。这种偶极型模态也是冬季气候变化的一个主要模态,2012~2013年冬季温度异常即属于这一模态。中国东部冬季温度一致型模态主要与前期秋季中东太平洋海温异常、亚洲大陆北部积雪,及其邻近的北冰洋地区海冰密集度异常联系紧密。而对于偶极型模态,海温的影响并不明显,前期秋季的东亚中纬度地区积雪、北冰洋斯瓦尔巴群岛、法兰士约瑟夫地群岛附近海域的海冰密集度异常,以及它们引起的表面温度异常分布可能具有重要贡献,其中北冰洋海冰密集度异常导致的该地区表面温度异常的影响可能更为重要。综合了海冰和积雪信号的前期秋季北冰洋—东亚温度差异(Arctic Ocean-East Asian temperature contrast,简称AE)指数与中国东部冬季温度异常偶极型模态具有显著联系,可以作为一个重要的预测因子。2012年秋季赤道中东太平洋海温的正常状态以及北冰洋暖异常和东亚中纬度地区冷异常的表面温度分布特征,都不利于中国东部冬季温度南北一致型异常的发生,而是有利于偶极型异常分布。利用AE指数可以有效地预测2012~2013年中国东部冬季温度异常特征。
水汽含量对飑线组织结构和强度影响的数值试验
孙建华, 郑淋淋, 赵思雄
2014, 38(4): 742-755. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2013.13187
摘要:
利用2009年6月3~4日一次产生大风、冰雹强对流天气的飑线个例进行数值试验,研究整层水汽含量及其垂直分布对中尺度对流系统的发生发展过程、组织类型和强度等的影响。本文的试验表明环境场中不同的水汽含量和垂直分布,会影响下沉气流和冷池的强度,从而影响对流的组织形态、维持时间和强度。整层水汽试验表明,增加(减少)水汽,对流增强(减弱),冷池和雷暴高压增强(减弱)导致大风增强(减弱)。增加水汽越多发展阶段冷池强度越强,最大风速越强,但成熟阶段后期冷池减弱的越快,层状云区的后部入流减弱,不利于雷暴大风的出现和维持。不同层次水汽试验表明,在保持整层水汽含量不变的情况下,线状对流和雷暴大风易发生在中层干、下层湿的环境中,这种层结条件对雷暴高压的增强有重要作用,但不利于整个对流系统的长时间维持。
基于NCEP资料的近30年夏季青藏高原低涡的气候特征
李国平, 赵福虎, 黄楚惠, 牛金龙
2014, 38(4): 756-769. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2013.13235
摘要:
基于NCEP/NCAR再分析资料并通过人工识别与天气图对比,本文对1981~2010年夏季高原低涡的气候特征进行了统计分析,对比研究了高原低涡高发年和低发年的大气环流场和低频分量场的特征,主要结果有:(1)近30年来夏季高原低涡平均每年生成32个,低涡发生频数呈现较明显的增多趋势,并具有较强的年际变化特征,低涡频数在2000年和2005年出现显著突变,在2000年由增多趋势转为减少趋势,在2005年又转为增多趋势,同时低涡频数具有显著的准5年、准9年和准15年周期振荡,6月生成的高原低涡呈减少趋势,而7月和8月生成的高原低涡均呈现增多趋势;(2)夏季高原低涡生成源地主要集中在西藏双湖、那曲和青海扎仁克吾一带,其中高原中部涡占50.8%,西部涡占27.0%,东部涡占22.2%,6月、7月和8月生成的高原低涡分别占夏季低涡总数的44.7%、29.9%和25.4%,高原低涡生成时绝大多数为暖性涡,占总数的90.7%。近30年来平均每年夏季有1.3个高影响高原低涡移出高原并在下游大范围地区产生强降水天气;移出的高原低涡以东移为主,占移出高原低涡的56.4%,而东北移和东南移的分别占移出高原低涡的20.1%和20.5%;(3)高原低涡高发年,低层的大气环流场和低频大气环流分量场均表现出较强的水平辐合及偏南气流,高层的青藏高压在高原主体范围内较气候态偏强;高原低涡低发年的情况则与之相反,伊朗高原上空的气旋、青藏高原低槽和高原南侧反气旋的配置对高原低涡的发生具有重要作用。
梅雨锋上短时强降水系统的发展模态
张小玲, 余蓉, 杜牧云
2014, 38(4): 770-781. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1401.13249
摘要:
利用2010、2011年5~7月我国东部地区梅雨锋盛行期的58次强降水个例,对产生短时强降水的中尺度对流系统回波演变模态及其系统特征进行了统计分析。本文中短时强降水特指小时降水超过30 mm。结果表明,与梅雨锋相伴的短时强降水系统回波演变模态主要为纬向型、经向型、转向型和合并型四类。纬向型、经向型和70%的转向型发展模态中中尺度对流系统(MCS)呈线状,合并型则主要为卵状。纬向型、转向型和合并型MCS以后向传播为主,但它们的生命史、移速和产生强降水持续时间有很大差别:纬向型生命史最长,强降水持续时间比转向型短;三类发展模态中转向型移速最快,生命史较纬向型短,但强降水持续时间最长;合并型移动最慢,生命史最短,强降水持续时间也最短。经向型MCS前向传播为主,移动最快,系统持续史短,约为纬向型的一半,30 mm h-1、50 mm h-1以上强降水持续时间约为转向型的1/3和1/5。纬向型MCS可向东或向南移动,经向型MCS通常向东或向西运动,合并型MCS可往任意方向移动,并且只有该发展模态中MCS会向北运动。虽然转向型MCS带来的短时强降水(尤其50 mm h-1以上)持续时间最长,经向型和合并型MCS产生短时强降水持续时间短,但四类发展模态中MCS的回波强度和回波高度的统计特征无明显区别。推测强降水持续时间可能与MCS的传播关系更加密切:经向型和合并型MCS前向传播占很大比重,生命史和产生的强降水更短;转向型和纬向型MCS的后向传播比重大,尤其转向型中不存在前向传播,对应短时强降水持续时间最长。
近百年中国东部夏季降水年代际变化特征及其原因
吕俊梅, 祝从文, 琚建华, 林祥
2014, 38(4): 782-794. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1401.13227
摘要:
本文利用测站降水观测资料分析过去一百多年中国东部华北、长江流域以及华南夏季降水的年代际变化特征发现,尽管这三个地区的夏季降水具有不同的年代际转折时期,但是均同时在1910年代初期、1920年代初期、1940年代中期、1960年代中期、1970年代末期以及1990年代初期发生了跃变。近一百年间不同年代际时期东部夏季降水的分布型主要以南正北负或者南负北正的偶极型为主,并且无论是偶极型分布还是三极型分布,两个相邻年代际时期中国东部降水分布型发生完全反向变化的概率较高(60%)。此外,夏季的PDO、冬季的AO以及春季的北极海冰也同时在1920年代末期、1940年代中期、1970年代末期以及1990年代中期左右发生了跃变,这几次跃变时期与中国东部三个不同地区夏季降水发生跃变的时期一致,表现出近百年来太平洋年代振荡(PDO)、北极涛动(AO)以及北极海冰这三个因子对中国东部夏季降水年代际变化的协同作用。
在年代际时间尺度上,夏季的PDO与华北夏季降水显著负相关。PDO的年代际变化能够在500 hPa位势高度场中激发出太平洋—日本(PJ)型年代际遥相关波列;同时在850 hPa风场中激发出类似于影响华北夏季降水年代际变化的大气环流型,从而影响华北降水的年代际变化。冬半年的AO与长江流域夏季降水存在显著正相关关系。冬季到春季正位相的AO导致亚洲大陆南部处于湿冷状态,土壤湿度的记忆性可将这种状态延续到夏季。因此,夏季海陆热力对比减弱,东亚夏季风发生年代际减弱,相应地长江流域的降水年代际增多。春季北极海冰与华南夏季降水显著负相关,北极海冰的年代际异常能在500 hPa位势高度场中激发出与静止Rossby波异常传播相联系的欧亚—华南年代际遥相关波列,从而影响华南降水的年代际变化。
EOF分析用于β中尺度暴雨系统的探索
于杰, 张继权, 张铭
2014, 38(4): 795-803. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2013.13257
摘要:
本文将2008年上海“8.25”暴雨过程的WRF中尺度数值模式模拟结果作为实况资料集,应用EOF(Empirical Orthogonal Function)方法对该资料集进行诊断,以探讨将该方法应用于暴雨β中尺度系统的可行性。主要结论有:当数值模式输出足够稠密、精细的样本,能够较好反映实况时,利用EOF方法对天气尺度和α、β中尺度系统的天气过程进行诊断是可行的。对本文的暴雨过程,EOF分解位势偏差场的前三个模态分别反映了α中尺度中端、低端和β中尺度天气系统的演变特征,分别对应于波长和振荡频率不同的驻波波列。其可分别称之为暴雨背景模态、暴雨系统模态和暴雨雨团模态。各波列物理性质不同,分别属于准地转的Rossby波、准平衡的涡旋波和非平衡的重力惯性波。天气系统EOF分解的物理本质为:可将一个变形和移动的天气系统分解为若干个具有不同物理性质且时空尺度不同相互独立的模态(驻波波列)。这有助于明确和深化对天气系统的认识。EOF分解能够进行天气系统的尺度分离,且分离后得到的各种尺度的天气系统是独立和有特定物理意义的,这更体现了该尺度分离方法的优点。本文中当EOF分解后各波列(模态)在某地时空指数发生三波锁相,且该地的位势表现为低空为负、高空为正,同时低层位势急剧降低时,则有可能在此处发生暴雨。
地形强迫对大气长波调整的可能影响
张立凤, 余沛龙, 黎爱兵, 顾明逸
2014, 38(4): 804-812. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2013.13271
摘要:
地形作为大气的外部强迫,其动力和热力作用对波动结构演变及极端天气出现都有不能忽视的作用。本文通过数值求解考虑地形强迫的β平面正压准地转位势涡度方程,探讨了地形强迫作用对大气长波调整的可能影响,结果表明:同非线性作用和纬向非均匀基流作用一样,无基流情形下具有纬向差异的地形分布影响了大气长波结构的演变,也能强迫出大气长波调整现象。大气长波调整依赖于地形的高度和地形分布,地形越高,长波越容易出现波数的调整;地形波数越大,即地形结构复杂,越不易出现波数变化。大气长波调整还与纬度有关,纬度越高,β越小,地形强迫作用越突出,长波调整容易出现;反之,低纬度以β效应为主的线性波动不易出现波数调整。大气长波调整对波动初始波动的振幅不敏感,但依赖于波动的初始结构。此外,有基流作用时,地形强迫还是诱发定常波的重要因素,且定常波流场结构依赖于地形高度分布,与波动初始结构无关。
我国南方冬季低温雨雪冰冻事件的大气扰动信号分析
江漫, 于甜甜, 钱维宏
2014, 38(4): 813-824. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2013.13217
摘要:
利用中国549个站点的温度和降水资料确定了1960~2008年发生在我国南方冬季的23次低温雨雪冰冻事件。对全球大气变量再分析资料做物理分解得到天气尺度扰动分量用于这些事件的早期信号分析。结果表明,在低温事件发生时,南方地区上空300 hPa对应有最大负高度扰动,850 hPa有负温度扰动。这些扰动的传播特性可以作为低温事件发生的早期信号。在低温雨雪站日数大于10的11次事件中,它们的扰动信号平均可提前11.2天追踪到。