雷暴與強(qiáng)對流臨近天氣預(yù)報技術(shù)進(jìn)展

俞小鼎，周小剛，王秀明

大氣科學(xué)

雷暴與強(qiáng)對流臨近天氣預(yù)報技術(shù)進(jìn)展

俞小鼎，周小剛，王秀明

目的：臨近預(yù)報指0～6 h（0～2 h為重點(diǎn)）時段的高時空分辨率的天氣預(yù)報，主要預(yù)報對象是該時段內(nèi)出現(xiàn)明顯變化的天氣現(xiàn)象，主要包括雷暴、強(qiáng)對流、降水、冬季暴風(fēng)雪、凍雨、能見度（霧）、天空云量等，其中以雷暴和強(qiáng)對流天氣的臨近預(yù)報最具挑戰(zhàn)性。我國的臨近預(yù)報業(yè)務(wù)起步較晚，隨著多普勒天氣雷達(dá)的布網(wǎng)，雷暴、強(qiáng)對流和降水的臨近預(yù)報成為省級和地市級氣象臺的重要業(yè)務(wù)內(nèi)容。為了增加對國內(nèi)外臨近預(yù)報業(yè)務(wù)應(yīng)用及研究進(jìn)展的了解，促進(jìn)臨近預(yù)報技術(shù)在我國的進(jìn)一步應(yīng)用和發(fā)展，本文重點(diǎn)從以下三個方面對臨近預(yù)報技術(shù)進(jìn)行了討論：（1）雷暴生成、演化和消散的臨近預(yù)報；（2）強(qiáng)對流天氣包括冰雹、龍卷、雷暴大風(fēng)和對流性暴雨的臨近預(yù)報；（3）高分辨率數(shù)值預(yù)報模式在雷暴、強(qiáng)對流和降水預(yù)報中的應(yīng)用。方法：基于雷暴或深厚濕對流生成和發(fā)展的臨近預(yù)報基本理論，綜合利用探空曲線、高分辨率衛(wèi)星云圖、多普勒天氣雷達(dá)探測、風(fēng)廓線雷達(dá)資料、地基GPS水汽總量資料和雷達(dá)回波客觀自動算法及高分辨率數(shù)值預(yù)報模式等手段來確定雷暴生成、發(fā)展和衰減。在對強(qiáng)對流天氣發(fā)生的潛勢做出估計和判斷，基于多普勒天氣雷達(dá)探測，結(jié)合不同類型強(qiáng)風(fēng)暴的概念模型和地面實(shí)況記錄（尤其是高密度的自動氣象站）對強(qiáng)對流天氣作臨近預(yù)警。結(jié)果：強(qiáng)對流天氣的臨近預(yù)報主要包括對環(huán)境條件的評估和基于多普勒天氣雷達(dá)回波判別和外推。環(huán)境條件的評估主要包括層結(jié)穩(wěn)定度、水汽條件、抬升機(jī)制和垂直風(fēng)切變。強(qiáng)對流天氣臨近預(yù)警最有效的方式是在組合反射率因子CR圖上疊加風(fēng)暴路徑信息STI、冰雹指數(shù)HI和中氣旋M產(chǎn)品以確定可能產(chǎn)生強(qiáng)對流天氣的對流風(fēng)暴，確定各自最有可能的強(qiáng)對流天氣類型。邊界層輻合線是預(yù)報雷暴生成、加強(qiáng)和消散的主要線索之一，其在雷達(dá)反射率因子回波圖上呈現(xiàn)為窄帶回波。結(jié)論：雷暴和強(qiáng)對流天氣的臨近預(yù)報的主要技術(shù)方法目前仍是以預(yù)報員主觀分析預(yù)報為主，客觀自動算法產(chǎn)品為輔?？陀^直接預(yù)報產(chǎn)品還遠(yuǎn)遠(yuǎn)起不到數(shù)值天氣預(yù)報產(chǎn)品在中短期預(yù)報中的基礎(chǔ)性甚至是關(guān)鍵性的作用。雖然目前業(yè)內(nèi)廣泛認(rèn)可的臨近預(yù)報時段是0～6 h，實(shí)際上大多數(shù)情況下對雷暴和強(qiáng)對流能夠真正做到定點(diǎn)、定時和定性的有效預(yù)報時效大多數(shù)情況下不超過 2 h，只有在較強(qiáng)天氣尺度強(qiáng)迫情況下，通過將外推與高分辨率數(shù)值預(yù)報融合，可以給出0～6 h時效的較大尺度降水系統(tǒng)在中α尺度上大致正確的預(yù)報。目前對具體強(qiáng)對流天氣的識別算法中，只有冰雹探測算法相對比較成熟，而對于其它強(qiáng)對流天氣還沒有業(yè)務(wù)上證明切實(shí)有效的自動識別算法。在明顯的天氣尺度強(qiáng)迫情況下，通過融合雷達(dá)回波外推和高分辨率數(shù)值預(yù)報模式延長臨近預(yù)報有效時效的方法主要取決于兩個方面：（1）高分辨率數(shù)值預(yù)報模式水平的提高；（2）雷達(dá)回波外推和數(shù)值預(yù)報模式融合技術(shù)的改進(jìn)；考慮到數(shù)值預(yù)報模式的改進(jìn)是一個相對緩慢的過程，目前最有希望的是改進(jìn)回波外推和模式預(yù)報融合的技術(shù)，如何最大限度地做到各取所長。

臨近預(yù)報；雷暴；強(qiáng)對流；多普勒天氣雷達(dá)；衛(wèi)星云圖；高分辨率數(shù)值預(yù)報模式

來源出版物：氣象學(xué)報, 2012, 70(3): 311-337

入選年份：2014

20世紀(jì)90年代末東亞冬季風(fēng)年代際變化特征及其內(nèi)動力成因

黃榮輝，劉永，皇甫靜亮，等

摘要：目的：東亞冬季風(fēng)變異是影響我國冬季災(zāi)害性氣候的重要因子，對我國經(jīng)濟(jì)和人民生產(chǎn)生活有著重要的影響。如 2008年 1月，我國南方發(fā)生了嚴(yán)重的低溫雨雪冰凍災(zāi)害，造成了1500多億元的經(jīng)濟(jì)損失。自1999年以來，我國北方和東部的持續(xù)暖冬結(jié)束，我國北方氣溫從偏高變成整體偏冷的現(xiàn)象，表現(xiàn)出顯著的年代際變化特征。為了揭示我國冬季氣溫年代際變化的規(guī)律及其成因，本文利用近 50年我國的測站資料、再分析資料來分析和診斷我國冬季氣溫和東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度的年代際變化特征以及它們之間的聯(lián)系，并進(jìn)一步從海平面氣壓以及北極濤動和北半球冬季準(zhǔn)定常行星波動力學(xué)來分析和討論在 1990年代末發(fā)生的中國氣溫和東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度年代際躍變的內(nèi)動力成因。方法：本文采用EOF、氣候突變檢測、合成分析和波流相互作用等氣候診斷分析方法來研究近 50年我國冬季氣溫年代際變化的總體特征、大尺度環(huán)流異常背景及其內(nèi)動力成因。首先，采用 EOF和氣候突變檢測方法分析我國冬季氣溫變異的主模態(tài)及其年代際變化的特征；其次，利用合成分析方法揭示其相關(guān)的大尺度氣候異常背景；最后，利用氣候診斷分析方法，研究東亞冬季風(fēng)變化、北極濤動（AO）異常和準(zhǔn)定長行星波活動與我國冬季氣溫1990s末年代際變化之間的聯(lián)系。結(jié)果：觀測分析結(jié)果表明：自 20世紀(jì) 90年代末以來，我國冬季氣溫發(fā)生了明顯的年代際躍變，我國北方冬季氣溫從偏高變成偏低，低溫雨雪冰凍災(zāi)害頻繁發(fā)生，這次躍變不僅使中國冬季氣溫從全國一致變化型變成南北振蕩型（即北冷南暖型），而且我國冬季氣溫和 EAWM的年際變化也發(fā)生了顯著的年代際變化。進(jìn)一步研究表明，這次年代際變化與冬季AO和北半球準(zhǔn)定常行星波活動的年代際變化有著緊密的聯(lián)系。在 1999—2012年期間，北半球冬季準(zhǔn)定常行星波在高緯度地區(qū)沿極地波導(dǎo)傳播到平流層加強(qiáng)，而沿低緯波導(dǎo)往低緯度對流層上層傳播減弱，它造成了行星波E-P通量在高緯度地區(qū)上空輻合加強(qiáng)，而在副熱帶地區(qū)上空E-P通量輻散加強(qiáng)，從而引起了北半球高緯度地區(qū)從對流層到平流層緯向平均緯向流和歐亞上空極鋒急流減弱，而副熱帶急流加強(qiáng)，這導(dǎo)致了AO減弱，因而利于西伯利亞高壓和阿留申低壓的加強(qiáng)，即東亞冬季風(fēng)加強(qiáng)。這些變化與發(fā)生在 1988—1998年期間的北半球冬季準(zhǔn)定常行星波活動的年代際變化特征有明顯不同。結(jié)論：我國冬季氣溫在1990s末發(fā)生了明顯的年代際躍變，我國北方冬季氣溫從偏高變成偏低，低溫雨雪冰凍災(zāi)害頻繁發(fā)生，這與東亞冬季風(fēng)增強(qiáng)有關(guān)。并且，這次年代際變化與冬季AO和北半球準(zhǔn)定常行星波活動的年代際變化有著緊密的聯(lián)系。

來源出版物：大氣科學(xué), 2014, 38(4): 627-644

入選年份：2014

我國東部夏季降水異常主模態(tài)的年代際變化及其與東亞水汽輸送的關(guān)系

黃榮輝，陳際龍，劉永

摘要：目的：基于東亞夏季風(fēng)降水變化與上空水汽輸送變化的緊密相關(guān)，本文分析我國東部季風(fēng)區(qū)夏季降水與東亞地區(qū)上空水汽輸送通量在年代際時間尺度上的變化特征及其它們之間的關(guān)聯(lián)，從而說明水汽輸送的年代際變化對我國東部夏季降水年代際變化的顯著影響。方法：從經(jīng)過篩選的我國516臺站逐日降水資料和歐洲中心ERA-40逐日再分析資料推算出夏季平均的降水和水汽輸送通量，利用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)（EOF）和分時段合成方法分析我國東部季風(fēng)區(qū)夏季降水異常主模態(tài)的年代際變化特征以及與東亞夏季水汽輸送變化之間的關(guān)系，并通過東亞季風(fēng)區(qū)及歐亞上空中高緯西風(fēng)帶夏季水汽輸送通量異常波列分布的年代際變化進(jìn)一步討論夏季水汽輸送通量異常的變化對我國東部季風(fēng)區(qū)夏季降水異常主模態(tài)年代際變化的影響。結(jié)果：分析結(jié)果表明我國東部季風(fēng)區(qū)夏季降水的時空變化存在兩種主模態(tài)：第1主模態(tài)不僅顯示出明顯的準(zhǔn)兩年周期振蕩的年際變化特征且也有明顯的年代際變化，在空間上具有經(jīng)向三極子型分布；第2主模態(tài)顯示出明顯的年代際變化特征，且在空間上具有經(jīng)向偶極子型分布。這表明我國東部季風(fēng)區(qū)夏季降水異常主模態(tài)有明顯的年代際調(diào)整。在1958—1977年期間我國東部夏季降水異常分布為從南到北“＋－＋”經(jīng)向三極子型分布，即華北和東北南部及華南地區(qū)夏季降水偏多，而長江流域和江淮地區(qū)夏季降水偏少；在 1978—1992年期間降水異常出現(xiàn)了與1958—1977年相反的分布，為從南到北“－＋－”經(jīng)向三極子型分布，即華北和東北南部及華南地區(qū)夏季降水偏少，而長江流域、漢水和四川盆地夏季降水偏多。然而，在 1993—1998年期間，由于第 2主模態(tài)的作用增大，我國東部夏季降水異常為從南到北經(jīng)向“－＋－”三極子型與“＋－”偶極子型的疊加，致使南方夏季降水明顯增加，逐漸形成南澇北旱的格局。分析結(jié)果還表明：這兩主模態(tài)的年代際變化與東亞上空夏季水汽輸送通量的時空變化密切相關(guān)，它不僅與東亞和西北太平洋上空似如東亞/太平洋型（EAP型）遙相關(guān)波列分布的夏季水汽輸送通量異常年代際變化有關(guān)，而且與歐亞上空中高緯西風(fēng)帶似如歐亞型（EU型）遙相關(guān)波列的夏季水汽輸送通量異常年代際變化密切相關(guān)。結(jié)論：東亞地區(qū)夏季風(fēng)降水異常年代際變化的成因是比較復(fù)雜的，不僅與影響東亞地區(qū)夏季水汽輸送的北太平洋中緯度海溫年代際變化有關(guān)，而且與影響歐亞上空中高緯西風(fēng)帶水汽輸送的大西洋海溫年代際變化和中高緯度環(huán)流有關(guān)。同時，夏季蒙古高原上空環(huán)流和熱帶西太平洋上空環(huán)流的年代際變化對于我國東部季風(fēng)區(qū)夏季降水異常的主模態(tài)年代際變化起著十分重要的作用。

來源出版物：大氣科學(xué), 2011, 35(4): 589-606

入選年份：2015

夏季長江淮河流域異常降水事件環(huán)流差異及機(jī)理研究

張慶云，郭恒

摘要：目的：長江、淮河同處東亞中緯度，受東亞高、低緯環(huán)流系統(tǒng)相互作用的影響，夏季江淮流域異常降水事件頻繁發(fā)生，由于長江、淮河流域降水事件發(fā)生時的大尺度環(huán)流背景相似，大量相關(guān)研究基本是把江淮流域天氣氣候事件作為一個整體研究，然而對長江、淮河流域夏季降水時空變化分析發(fā)現(xiàn)，長江、淮河流域夏季異常降水事件有各自不同的年際、年代際變化特征，但成因機(jī)理并不十分清楚，本文重點(diǎn)探討梅雨期長江、淮河流域異常降水事件發(fā)生時大氣環(huán)流內(nèi)部動力過程差異及成因。方法：根據(jù) 1979—2009年中國 160站降水觀測資料及NCAR/NCEP再分析月平均高度場、風(fēng)場等資料，首先計算1979—2009年6—7月（梅雨期）長江流域17個代表站、淮河流域7個代表站平均降水量變化，利用物理量診斷和現(xiàn)代統(tǒng)計學(xué)以及 TibaldiandMolteni（1990）提出的阻塞識別法（簡稱TM90），探討長江流域梅雨期降水異常偏多年（1980、1983、1993、1996、1998和 1999年）、淮河流域梅雨期降水異常偏多年（1991、2000、2003、2005和2007年），南北半球大氣環(huán)流內(nèi)部動力過程（200 hPa緯向風(fēng)場、500 hPa位勢高度場、850 hPa矢量風(fēng)場）的差異及北半球中高緯度阻塞變化特征。結(jié)果：南北半球大氣環(huán)流內(nèi)部動力過程最顯著的差別表現(xiàn)為：（1）500 hPa位勢高度場上鄂霍次克海阻塞頻次比氣候態(tài)偏多（偏少），造成亞洲地區(qū)位勢高度距平場出現(xiàn)南北向“＋、－、＋”（東西向“－、＋、－”）的距平波列分布，對應(yīng)長江（淮河）流域降水偏多；（2）200 hPa緯向風(fēng)場上東亞中緯度40°N附近緯向（經(jīng)向）型環(huán)流加強(qiáng)，造成（35°N～50°N，90°E～130°E）范圍內(nèi)東亞高空副熱帶西風(fēng)急流加強(qiáng)（減弱），有利長江（淮河）流域降水偏多；（3）850 hPa矢量風(fēng)場上南半球馬斯克林高壓及澳大利亞高壓位置相對偏東（西），有利150°E～160°E（50°E～60°E）越赤道氣流加強(qiáng)，東南（西南）氣流加強(qiáng)是長江（淮河）流域降水偏多年主要水汽來源。結(jié)論：長江（淮河）流域梅雨期降水異常偏多年500 hPa位勢高度場亞洲中高緯度環(huán)流呈現(xiàn)為南北向（東西向）的波列與東亞中高緯鄂霍茨克海阻塞頻次增多（減少）以及200 hPa高度場上東亞副熱帶高空西風(fēng)急流強(qiáng)度加強(qiáng)（減弱）、穩(wěn)定（移動）有關(guān)；長江（淮河）流域梅雨期降水異常偏多年主要水汽來源與南半球澳大利亞高壓、馬斯克林高壓位置偏東（西）造成西太平洋 150°E～160°E（阿拉伯海 50°E～60°E）地區(qū)越赤道氣流加強(qiáng)有關(guān)。長江（淮河）流域梅雨期異常降水事件大氣環(huán)流內(nèi)部動力過程最顯著的差異表現(xiàn)為：東亞副熱帶高空西風(fēng)急流加強(qiáng)（減弱）以及南半球澳大利亞高壓、馬斯克林高壓位置偏東（西）。結(jié)果：對提高短期氣候預(yù)測的準(zhǔn)確率及防災(zāi)減災(zāi)，有重要的理論意義和應(yīng)用價值。

來源出版物：大氣科學(xué), 2014, 38(4): 656-669

入選年份：2014

我國冬季降水年際變化的主模態(tài)分析

王林，馮娟

摘要：目的：我國的冬季氣候主要受到東亞冬季風(fēng)的影響。在以往對東亞冬季風(fēng)的研究中，關(guān)注較多的是寒潮和氣溫的變化特征以及與此相聯(lián)系的物理機(jī)制，而對冬季降水的研究則相對要少一些。然而，冬季降水的異常變化也會產(chǎn)生重要的影響，尤其是當(dāng)異常偏多的降水以雪或凍雨的形式出現(xiàn)時，則不僅會給大眾的交通出行造成不便，甚至還可能威脅到人民的生命財產(chǎn)安全。一個典型的例子就是 2008年初發(fā)生在我國南方的雨雪冰凍災(zāi)害，其影響之廣泛和和損失之巨大為建國以來同類災(zāi)害之最。然而，我國冬季降水自身的變化特征和成因是什么，這些問題目前都不清楚。因此，本文就將研究我國冬季降水年際變化的主模態(tài)，并分析與此相聯(lián)系的大氣環(huán)流和海溫特征，從而揭示我國冬季降水變化的主要特征及其原因。方法：本文利用中國氣象局發(fā)布的全國160個臺站的月平均降水?dāng)?shù)據(jù)、美國國家環(huán)境預(yù)報中心和國家大氣研究中心發(fā)布的全球逐月再分析數(shù)據(jù)、英國氣象局哈德萊中心提供的全球逐月海表面溫度（SST）數(shù)據(jù)。首先利用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)（EOF）分解的方法得到冬季降水變化的主要空間模態(tài)及其相應(yīng)的時間系數(shù)，并用一元線性回歸的方法揭示與各降水模態(tài)對應(yīng)的大氣環(huán)流和海溫狀況。結(jié)果：我國冬季降水年際變化的第一模態(tài)（EOF1）可以解釋總方差的50%，其主要反映了我國冬季降水尤其是南方地區(qū)降水量的一致變化。對其時間序列的分析表明，20世紀(jì)80年代中期以前南方地區(qū)冬季降水偏少，1988年之后南方地區(qū)降水偏多，而進(jìn)入21世紀(jì)后南方降水又又減少的趨勢。這幾次位相轉(zhuǎn)變的時間恰好與東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度的年代際變化相對應(yīng)，表明其受到東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度年代際變化的影響。對大氣環(huán)流和海溫的分析表明，該模態(tài)的正位相（華南降水偏多）對應(yīng)于偏弱的東亞冬季風(fēng)環(huán)流，此時東亞沿岸的南風(fēng)異常會從低緯度帶來更多的水汽，并與異常上升運(yùn)動相配合，從而引起南方降水增加；熱帶太平洋ElNi?o型的海溫是這種環(huán)流型的重要驅(qū)動因子。我國冬季降水年際變化的第二模態(tài)（EOF2）可以解釋總方差的17%，其主要反映了我國華南降水與長江中下游地區(qū)降水的反位相振蕩形勢。該模態(tài)主要受到一個類似于斯堪的納維亞型遙相關(guān)的準(zhǔn)正壓波列的控制，而北大西洋挪威海附近的海溫異常對引發(fā)第二模態(tài)的異常有重要貢獻(xiàn)。結(jié)論：我國冬季降水的年際變化表現(xiàn)出兩個主要模態(tài)，它們分別反映了長江以南地區(qū)降水量的一致變化和以及華南地區(qū)降水量與長江中下游地區(qū)降水量的反位相振蕩。ENSO型海溫異常以及東亞冬季風(fēng)環(huán)流強(qiáng)度的變化會引起降水第一模態(tài)的變化，而北大西洋海溫和斯堪的納維亞型遙相關(guān)則對降水第二模態(tài)有重要貢獻(xiàn)。

來源出版物：大氣科學(xué), 2011, 35(6): 1105-1116

入選年份：2015

基于季節(jié)內(nèi)振蕩的延伸預(yù)報試驗(yàn)

梁萍，丁一匯

摘要：目的：2～4周的延伸期預(yù)報是近年來國際上天氣和氣候業(yè)務(wù)預(yù)報發(fā)展的一個重要方向。目前，季節(jié)內(nèi)振蕩可作為開展延伸期預(yù)報的有效途徑。本文以江淮梅雨區(qū)降水為例，利用集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EEMD）及多變量EOF方法獲取低頻信號，進(jìn)一步分別采用最優(yōu)子集回歸方法、經(jīng)驗(yàn)波傳播（EWP）方法及全球海氣耦合模式（GCM）產(chǎn)品，對梅雨季節(jié)內(nèi)演變的延伸期預(yù)報方法進(jìn)行探索和試驗(yàn)。方法：采用EEMD方法獲取江淮梅雨區(qū)降水及其影響系統(tǒng)的季節(jié)內(nèi)低頻信號。EEMD方法可獲取具有真正物理意義的多時間尺度信號，又可避免經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）方法的模態(tài)混合缺陷，是目前處理非線性、非平穩(wěn)時間序列的較好方法。此外，利用多變量EOF方法計算熱帶MJO（Madden-Julian Oscillation）指數(shù)RMM1）RMM2，進(jìn)一步得到熱帶MJO活動的位相、強(qiáng)度。多變量EOF方法避開了傳統(tǒng)濾波不能用于實(shí)時預(yù)測的弊端，是提取 MJO的有效方法。本文的預(yù)報試驗(yàn)方法包括：（1）采用最優(yōu)子集回歸方法建立延伸期預(yù)報的統(tǒng)計模型；（2）采用 EWP方法建立延伸預(yù)報的經(jīng)驗(yàn)動力模型；（3）采用國家氣候中心全球海氣耦合模式輸出產(chǎn)品評估動力模式方法的延伸預(yù)報性能。其中，EWP是基于諧波展開，并利用大氣波動的傳播特征，對不同季節(jié)、不同變量場進(jìn)行預(yù)報的方法。該方法較持續(xù)性預(yù)報的預(yù)報技巧更高，更具優(yōu)越性。結(jié)果：基于梅雨區(qū)降水季節(jié)內(nèi)振蕩信號建立最優(yōu)子集回歸模型，對梅雨區(qū)逐侯降水量的超前 30天預(yù)報是有可能的。該方法在澇年汛期延伸期預(yù)報的準(zhǔn)確率較旱年高，這可能與旱澇年降水演變低頻信號的強(qiáng)弱差異有關(guān)?；谟绊懸蜃拥皖l信號的梅雨區(qū)降水延伸期預(yù)報試驗(yàn)，可為江淮梅雨的入梅、出梅延伸預(yù)報提供線索；熱帶低頻信號對梅雨區(qū)降水季節(jié)內(nèi)振蕩演變的預(yù)報價值優(yōu)于中緯度或中高緯度低頻信號。該方法對各年的預(yù)報效果因年而異，預(yù)報效果不好的年份可能與低頻信號的影響不明顯有關(guān)，需要采用其它預(yù)報方法加以改進(jìn)。采用EWP方法可預(yù)報出熱帶ITCZ異常活動的未來40 d的東傳，亦可能較好地預(yù)報出梅雨區(qū)的風(fēng)場距平演變。此外，該方法對20 d以內(nèi)的MJO指數(shù)預(yù)報效果好于未來21～40 d的預(yù)報效果。全球海氣耦合模式對梅雨的延伸期環(huán)流形勢趨勢有一定的預(yù)報效果。在對梅雨季節(jié)降水預(yù)報效果好的2001年，該模式能抓住梅雨的季節(jié)內(nèi)振蕩信號；在對梅雨預(yù)報效果差的1997年，情況則相反。此外，該模式可提前20 d預(yù)報出MJO指數(shù)的演變。結(jié)論：預(yù)報試驗(yàn)表明，統(tǒng)計模型、經(jīng)驗(yàn)動力模型及數(shù)值模式等方法，是建立實(shí)時延伸預(yù)報業(yè)務(wù)的可能途徑。在實(shí)時延伸期預(yù)報中，在獲取大氣低頻信號的基礎(chǔ)上，可分別進(jìn)行統(tǒng)計模型預(yù)報、經(jīng)驗(yàn)動力模型預(yù)報及動力模式預(yù)報，進(jìn)一步對不同方法的預(yù)報結(jié)果進(jìn)行集成，最后得到延伸預(yù)報結(jié)論。

來源出版物：大氣科學(xué), 2012, 36(1): 102-116

入選年份：2015

2009年6月一次颮線過程災(zāi)害性大風(fēng)的形成機(jī)制

梁建宇，孫建華

摘要：目的：對2009年6月3—4日一次產(chǎn)生地面大風(fēng)的“人”字形強(qiáng)颮線過程進(jìn)行了觀測資料分析和數(shù)值模擬研究?！叭恕弊中螐?qiáng)颮線與天氣尺度的錮囚鋒有明顯的區(qū)別，國內(nèi)對這類回波的研究比較少。因此，通過研究可以對這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和形成機(jī)理有一個更深刻的了解，以便對以后的預(yù)報有指導(dǎo)意義。方法：采用NCEP再分析資料和中國氣象局的常規(guī)高空觀測資料分析此次過程的大尺度背景場。利用雷達(dá)回波和地面自動氣象站的風(fēng)場、氣壓、氣溫、變壓、變溫等要素，分析了颮線的結(jié)構(gòu)和產(chǎn)生大風(fēng)的可能機(jī)制。利用高分辨率的WRF模式的模擬結(jié)果進(jìn)一步分析常規(guī)觀測資料所不能得到的颮線結(jié)構(gòu)特征和大風(fēng)的可能發(fā)生機(jī)理。結(jié)果：2009年6月3—4日罕見強(qiáng)颮線突襲河南、安徽、江蘇，6月3日東亞大氣環(huán)流的主要特征是東北冷渦控制我國的東北和華北地區(qū)，該冷渦是一個深厚系統(tǒng)。冷空氣南下造成的中高空的低溫和河南地區(qū)低層的高溫形成對比，形成熱力不穩(wěn)定條件，加上垂直風(fēng)切變較大，有利于深厚對流的形成。根據(jù)地面觀測和雷達(dá)回波的演變將此次強(qiáng)颮線的發(fā)展過程分為4個階段：形成階段、發(fā)展階段、成熟階段和消散階段。從反射率和雷暴的分布來看“人”字形系統(tǒng)的左右部分的強(qiáng)度相當(dāng)，但是“人”字形回波的左半部分沒有大風(fēng)的出現(xiàn)，對應(yīng)的氣溫、氣壓的強(qiáng)度及變化也不明顯。大風(fēng)出現(xiàn)在“人”字形回波右半部分回波的后部，系統(tǒng)成熟階段地面存在雷暴高壓、出流邊界、尾流低壓等系統(tǒng)。本次過程的大風(fēng)出現(xiàn)在右半分支的強(qiáng)回波區(qū)及后面的過渡區(qū)域內(nèi)表明層狀云對地面大風(fēng)的形成有重要作用。尾部入流也導(dǎo)致了“人”字形回波右半支的弓狀回波的形成，并且因?yàn)閺?qiáng)烈的入流導(dǎo)致了右半分支的中部移速較快，最后導(dǎo)致了颮線的斷裂。根據(jù)對觀測資料和數(shù)值模擬結(jié)果的分析歸納出此次颮線過程的概念模型。地面氣旋擾動的冷暖切變的作用導(dǎo)致系統(tǒng)由線狀颮線轉(zhuǎn)變?yōu)椤叭恕弊中蜗到y(tǒng)，在冷切變上形成了有層狀云的颮線（右半分支），該系統(tǒng)有從颮線前部向后的入流和中層從后面到前部的尾部入流，以及前部的低層入流到高層出流，在成熟期地面有清楚的雷暴高壓、冷池、尾流低壓等。而在暖切變上形成了無層狀云的左半分支，沒有后部入流。結(jié)論：本文通過觀測資料和模擬結(jié)果的分析，給出了“人”字形回波的基本特征和地面大風(fēng)形成的可能機(jī)制，以及系統(tǒng)的物理模型?！叭恕弊中位夭ㄏ到y(tǒng)的右半支的結(jié)構(gòu)與一般的颮線系統(tǒng)類似，災(zāi)害性大風(fēng)的產(chǎn)生主要由這個“人”字形系統(tǒng)的右半支造成的。系統(tǒng)由線狀轉(zhuǎn)變?yōu)椤叭恕弊中蜗到y(tǒng)的原因是由于氣旋擾動的冷暖切變的作用，系統(tǒng)的右半分支在發(fā)展階段和成熟階段對流區(qū)有比較強(qiáng)烈的下沉氣流，系統(tǒng)的后部的中層入流可能會加強(qiáng)這個下沉氣流，中層入流是地面大風(fēng)形成的重要原因之一。成熟階段垂直于颮線系統(tǒng)主要有三股氣流，包括從颮線前部向后的入流和中層從后部到前部的入流，以及前部的低層入流到高層的出流。

來源出版物：大氣科學(xué), 2012, 36(2): 316-336

入選年份：2015

2011年春末夏初長江中下游地區(qū)旱澇急轉(zhuǎn)成因初探

封國林，楊涵洧，張世軒，等

摘要：目的：2011年春末至夏初，長江中下游地區(qū)發(fā)生一次旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象，給人民生命、財產(chǎn)帶來了重大損失。與以往不同，2011年長江中下游地區(qū)旱澇急轉(zhuǎn)具有3個顯著特征：前期干旱維持時間長、旱澇轉(zhuǎn)折迅速劇烈、轉(zhuǎn)折后降水量大。本文分析此次長江中下游地區(qū)旱澇急轉(zhuǎn)特征，并探究其作用機(jī)制，為進(jìn)一步認(rèn)識旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象及其影響機(jī)制提供參考。方法：分別利用巴特沃斯帶通濾波、相關(guān)、距平分析、水汽輸送和收支計算方法和美國 NOAA 的空氣資源實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的軌跡模式（Hysplit），對2011年初夏發(fā)生在中國長江中下游地區(qū)的由前期異常干旱轉(zhuǎn)為急劇洪澇的降水異常事件及其影響機(jī)制進(jìn)行初步分析；利用 SVD方法（奇異值向量分解法），分析前期海溫異常對此次長江中下游地區(qū)降水異常的某些影響作用；利用10～30 d延伸期穩(wěn)定分量提取方法，分析此次降水異常是否具有前期穩(wěn)定分量信號場。結(jié)果：2011年春末夏初長江中下游尤其是（27°N～32°N，110°E～120°E）地區(qū)發(fā)生了1951年以來最顯著的一次由前期嚴(yán)重干旱迅速轉(zhuǎn)為區(qū)域洪澇災(zāi)害的旱澇急轉(zhuǎn)事件。結(jié)合海溫、環(huán)流、Hysplit等分析結(jié)果，建立此次旱澇急轉(zhuǎn)的天氣學(xué)概念模型：2011年前冬至春季，赤道中東太平洋發(fā)生強(qiáng) LaNi?a事件，海溫較常年劇烈降溫，西太平洋地區(qū)海溫則較常年偏高，造成Walker環(huán)流較常年加強(qiáng)，使得赤道西太平洋上空上升氣流加強(qiáng)，抑制高空副熱帶高壓的西伸發(fā)展。另外，這一上升氣流的加強(qiáng)，導(dǎo)致海平面氣壓降低，東亞大槽偏西、偏強(qiáng)，鄂霍次克海出現(xiàn)強(qiáng)烈阻塞形勢，洋中槽偏強(qiáng)，形成較強(qiáng)的切斷低壓，二者向南發(fā)展，將西太平洋副高割裂成2個區(qū)域，并阻礙其西伸發(fā)展。同時，通過低緯間緯向Walker環(huán)流及次級環(huán)流的作用，使得低緯度之間對LaNi?a現(xiàn)象的響應(yīng)，激發(fā)出各種異常。印度洋上空Hadley環(huán)流則明顯偏弱，北半球 Hadley環(huán)流在近地面層形成偏北風(fēng)，不利于低空孟加拉灣水汽向北輸送。在以上因素配置下，導(dǎo)致我國北方地區(qū)偏北氣流盛行，而東南暖濕氣流相對較弱，再加上冷暖空氣配合不利，在江淮及華南等地區(qū)無法形成理想的降雨條件，出現(xiàn)了持續(xù)少雨的干旱天氣。進(jìn)入6月隨著LaNi?a的減弱，Walker環(huán)流減弱，西太平洋地區(qū)轉(zhuǎn)為受持續(xù)性的強(qiáng)下沉運(yùn)動控制，中高緯鄂霍次克海阻塞高壓減弱消失，洋中槽向北收縮，導(dǎo)致副熱帶高壓在第 31候突然西伸至110°E，之后維持在 120°E以東地區(qū)。Hadley環(huán)流有所增強(qiáng)，北半球Hadley環(huán)流消失，南半球低層偏南風(fēng)強(qiáng)盛，形成越赤道氣流，加強(qiáng)孟加拉灣水汽向北輸送。這兩者作用導(dǎo)致低緯水汽輸送由弱轉(zhuǎn)強(qiáng)，形成一支由孟加拉灣至長江中下游地區(qū)的強(qiáng)水汽輸送帶，并與中高緯向南傳播的冷空氣在長江中下游地區(qū)持續(xù)交綏，形成持續(xù)的大范圍強(qiáng)降水，導(dǎo)致由旱向澇的急劇轉(zhuǎn)折。結(jié)論：（1）第31候西北太平洋副熱帶高壓的突然西伸致使中國長江中下游較常年偏早進(jìn)入梅雨期，是此次旱澇急轉(zhuǎn)的直接影響因子；（2）海溫距平及 SVD分析表明，前冬赤道中東太平洋和印度洋中部海溫為此次旱澇急轉(zhuǎn)時間的關(guān)鍵區(qū)，2010年7月至2011年4月的LaNi?a事件及印度洋海域海溫冷異常是此次事件的前兆信號，為此次事件環(huán)流異常提供動力支持；（3）渦度低頻振蕩分析表明太平洋上空動力機(jī)制對6月長江中下游降水有重要的作用，前期造成渦度由北向南傳播，而急轉(zhuǎn)后表現(xiàn)為明顯的由南向北傳播。10～30 d延伸期中高緯環(huán)流形勢的穩(wěn)定分量維持是此次事件發(fā)生的重要因素及前期信號；（4）前期赤道中東太平洋為較強(qiáng)的拉尼娜事件，赤道印度洋為大范圍的異常冷海溫控制，受其影響，副熱帶高壓異常偏東、Walker環(huán)流偏強(qiáng)、印度洋 Hadley環(huán)流偏弱，中國西南、東南水汽輸送不足，致使長江中下游地區(qū)急轉(zhuǎn)前發(fā)生持續(xù)嚴(yán)重干旱。隨著赤道中東太平洋及印度洋冷海溫異常的減弱，副熱帶高壓的突然異常西伸（6月第1候）且持續(xù)、Walker環(huán)流減弱、印度洋Hadley環(huán)流增強(qiáng)，匹配中高緯度大尺度穩(wěn)定維持的氣候背景，使冷暖空氣在長江中下游地區(qū)持續(xù)交綏，該地區(qū)降水異常偏多并持續(xù)，導(dǎo)致6月長江中下游持續(xù)性洪澇，最終造成此次“旱澇急轉(zhuǎn)”事件的發(fā)生。討論：LaNi?a的減弱期或者轉(zhuǎn)型期、海溫和大氣相互作用的不確定性、大尺度穩(wěn)定分量的氣候背景及配置、冷暖空氣的異常及交綏等是造成旱澇急轉(zhuǎn)的主要原因，但其內(nèi)相互作用的具體過程如何，其前期干旱及后期降水持續(xù)的異常成因等還有待于進(jìn)一步研究。

來源出版物：大氣科學(xué), 2012, 36(5): 1009-1026

入選年份：2015

東亞冬季風(fēng)氣候變異和機(jī)理以及平流層過程的影響

陳文，魏科，王林，等

摘要：目的：近年來我國冬季低溫雨雪冰凍事件頻發(fā)，以及 20世紀(jì)末以來大氣科學(xué)界逐漸認(rèn)識到平流層可能會影響對流層的極端天氣氣候事件。在全球增暖的背景下，為什么我國冬季常常出現(xiàn)嚴(yán)重的極端寒冷事件以及平流層是否會影響東亞氣候異常就成為關(guān)于季風(fēng)研究的前沿問題。本文在綜述近幾年來關(guān)于東亞冬季風(fēng)變異特征和機(jī)理方面的研究的基礎(chǔ)上，特別分析了東亞冬季風(fēng)路徑變化及其相聯(lián)系的氣候異常，并從東亞冬季風(fēng)變異的基本模態(tài)上探討了與平流層環(huán)流異常的關(guān)系。方法：采用的方法主要有經(jīng)驗(yàn)正交分解（EOF）和旋轉(zhuǎn)EOF以及線性回歸、相關(guān)分析等統(tǒng)計方法，并利用t檢驗(yàn)驗(yàn)證其顯著性。文中為分析行星波的活動還采用了E-P通量作為診斷工具，并用 1～3波之和來代表行星尺度波動。另外也采用T-N通量描述準(zhǔn)定常波的活動。結(jié)果：（1）東亞冬季風(fēng)路徑的年際變化可以用東亞大槽的第二模態(tài)（即傾斜狀態(tài)）來描述。當(dāng)東亞大槽偏豎時，沿東支路徑進(jìn)入北太平洋的冷空氣減少，更多的冷空氣沿東亞冬季風(fēng)的南支路徑進(jìn)入低緯地區(qū)，使東亞地區(qū)呈現(xiàn)北高南低的溫度異常分布。當(dāng)東亞大槽偏橫時，氣候異常狀況與上述基本相反。東亞冬季風(fēng)路徑的年際變化可以很好地解釋中國冬季氣溫變異的第二模態(tài)（即南北反相變化），并導(dǎo)致東亞冬季風(fēng)變異存在南北兩個子系統(tǒng)。（2）進(jìn)入本世紀(jì)后，由于全球增暖的影響，東亞冬季風(fēng)的建立推遲，并且東亞冬季風(fēng)在盛期明顯減弱，但冬季風(fēng)活動在早春比以往要更為活躍，東亞冬季風(fēng)演變的變化與冬季氣溫南北反相變化也有密切的聯(lián)系。（3）東亞冬季氣溫南北反相變化模態(tài)與平流層極渦強(qiáng)度密切相關(guān)，上述冬季風(fēng)演變的變化同樣與平流層極渦在前冬和后冬的變化聯(lián)系在一起。當(dāng)異常的平流層極渦向下傳播時，可以引起東亞地區(qū)南北反相的溫度變化。（4）在年代際時間尺度上東亞冬季風(fēng)一個顯著的變化是 1987年以后的持續(xù)減弱，它與緯向平均的行星波傳播的年代際轉(zhuǎn)變有關(guān)。在1987年之后，沿極地波導(dǎo)向平流層的傳播較弱，而沿低緯波導(dǎo)向低緯度對流層頂附近的傳播較強(qiáng)；導(dǎo)致東亞冬季風(fēng)減弱。（5）對應(yīng)1976年的氣候突變，PDO進(jìn)入暖位相，ENSO對東亞冬季風(fēng)的影響顯著減弱；同時，中太平洋型增暖型事件增多，它對東亞以及東南亞冬季氣候異常的影響較小。然而，中高緯地區(qū)東亞上游的烏拉爾地區(qū)的冬季阻塞活動以及下游的 NPO對東亞冬季風(fēng)的影響都明顯增強(qiáng)。（6）太陽活動 11年周期變化可以通過熱帶地區(qū)海-氣耦合作用得到強(qiáng)化或通過影響中高緯地區(qū)的AO進(jìn)而影響東亞冬季氣候異常。結(jié)論：在年際變化時間尺度上，東亞氣溫的南北反相變化是東亞冬季風(fēng)變異的主要模態(tài)之一，該模態(tài)對應(yīng)著東亞冬季風(fēng)路徑的變化，并且與平流層極渦強(qiáng)度密切相關(guān)；當(dāng)異常的平流層極渦向下傳播時，往往引起東亞地區(qū)南北反相的溫度變化。在年代際變化時間尺度上，20世紀(jì)70年中后期以后，熱帶ENSO的影響變?nèi)?，而中高緯的NPO和烏拉爾地區(qū)阻塞強(qiáng)度的影響顯著增強(qiáng)；而東亞冬季風(fēng)在 1987年以后的持續(xù)減弱主要與準(zhǔn)定常行星波活動年代際變化有關(guān)；進(jìn)入 21世紀(jì)后，東亞冬季風(fēng)的演變出現(xiàn)明顯變化，這些變化與東亞冬季氣溫南北反相變化也有密切的聯(lián)系；此外，太陽活動11年周期變化對ENSO和AO和東亞冬季氣候異常之間的關(guān)系有顯著的影響。

來源出版物：大氣科學(xué), 2013, 37(2): 425-438

入選年份：2015

2012年7月21日北京特大暴雨的多尺度特征

孫建華，趙思雄，傅慎明，等

摘要：目的：華北雨帶是我國東部夏季三大降雨區(qū)之一。華北暴雨的次數(shù)雖少，但降水強(qiáng)度卻較大，預(yù)報難度大。2012年7月21日，京津冀及山西北部等地出現(xiàn)特大暴雨過程，部分地區(qū)的降雨量突破歷史記錄，達(dá)到 260～460 mm。該次暴雨過程是北京地區(qū)自1951年以來最強(qiáng)的一次降水天氣過程，其發(fā)生發(fā)展的機(jī)理尚未完全明了。本文開展了對以下問題的研究：暴雨過程是在何種有利的大尺度環(huán)流條件和影響系統(tǒng)下發(fā)生的？是否存在中低緯度系統(tǒng)之間的相互作用？大量水汽的源地和如何集中到華北？是否存在中尺度系統(tǒng)以及引發(fā)的對流活動？方法：采用中國氣象局提供的全國逐小時加密降水資料、24 h降雨量和每3 h的地面觀測，F(xiàn)Y-2E氣象衛(wèi)星的亮溫資料，以及NCEPFNL（National Center for Environmental Prediction，globalfinalanalysis）全球1°（緯度）×1°（經(jīng)度）再分析資料，分析了此次暴雨過程的大尺度環(huán)流背景條件、中低緯度系統(tǒng)的相互作用、中尺度系統(tǒng)的發(fā)展過程以及與降雨的關(guān)系。采用美國NOAA（National Oceanic and Atmospheric Administration）空氣資源實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的軌跡模式 HYSPLIT（Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model）分析暴雨過程的水汽來源和輸送路徑。結(jié)果：降水發(fā)生前（7月20日12︰00 UTC），500 hPa中高緯度為“兩脊一槽”形勢，東亞沿岸的弱高壓脊與副熱帶高壓南北疊加，出現(xiàn)了典型“東高西低”的穩(wěn)定天氣形勢。從孟加拉灣經(jīng)南海至西太平洋，赤道輻合帶（ITCZ）非常活躍，熱帶氣旋韋森特已經(jīng)進(jìn)入南海北部。21日00︰00 UTC，華北地區(qū)低空風(fēng)速的加強(qiáng)主要是由于低槽東移使氣壓梯度加大所致，華北北部地區(qū)雖然距離鋒區(qū)較遠(yuǎn)，但在對流層低層為較強(qiáng)的條件對流不穩(wěn)定層結(jié)，只要有觸發(fā)條件，則對流比較容易發(fā)展起來。21日12︰00 UTC，當(dāng)冷鋒開始影響華北地區(qū)時，韋森特與副高之間的東南低空急流與東移低槽槽前的西南低空急流合并，使華北地區(qū)的低空急流明顯加強(qiáng)。低渦西北側(cè)的冷平流進(jìn)入華北北部，偏北風(fēng)與偏南風(fēng)正好在北京附近相遇。HYSPLIT模式模擬的不同層次水汽軌跡表明，21日06︰00 UTC，3000 m的水汽主要來源于西南通道，從孟加拉灣、南海經(jīng)我國的西南地區(qū)到華北，2000 m的水汽分別來源西南通道和黃淮，而對流層低層（約1000 m）的水汽主要來源于渤海和黃海。12︰00 UTC，3000 m和2000 m的水汽輸送通道更寬，這使水汽的輸送量增加。此次過程中，華北地區(qū)的水汽來源包括孟加拉灣和我國東部的渤海、黃海等，低層的水汽主要來自東部，而中層的水汽主要來自西南的孟加拉灣和南海，主要原因是中層是槽前的西南氣流輸送水汽，由于我國西部的地形高度較高，低層無法輸送水汽。此次過程中造成北京地區(qū)暴雨的中尺度系統(tǒng)非常復(fù)雜，第1階段在21日02︰00—12︰00 UTC，降雨系統(tǒng)與冷鋒無直接關(guān)系，但與冷空氣的活動有一定關(guān)系，且呈現(xiàn)強(qiáng)對流性降水特點(diǎn)，對流是冷空氣、東風(fēng)氣流和太行山地形抬升的共同作用下所產(chǎn)生的。第2階段降水在21日12︰00 UTC—21日22︰00 UTC，與冷鋒有關(guān)。從雷達(dá)回波圖上看，此階段回波在層狀云系的南側(cè)組織成了線狀對流，對流的強(qiáng)度比第一個時段有明顯增加，組織形態(tài)為典型的層狀云與對流云平行的類型。這段降雨雖然每小時雨量比上一個時段強(qiáng)，但由于系統(tǒng)的移動速度加快，使每個地區(qū)的累積雨量卻不大。結(jié)論：2012年7月21日華北大暴雨過程是高低空與中低緯系統(tǒng)共同配合的結(jié)果，大尺度環(huán)流形勢為“東高西低”，副熱帶高壓與西風(fēng)帶高壓脊疊加形成“高壓壩”，使西風(fēng)槽東移減慢；天氣尺度影響系統(tǒng)包括低渦、切變線、低槽冷鋒和低空急流等。低緯度從孟加拉灣至西太平洋上 ITCZ活躍，其中活動的熱帶低壓及臺風(fēng)非常有利于水汽向東亞大陸輸送。華北地區(qū)的水汽來源包括孟加拉灣和我國東部的渤海、黃海等，低層的水汽主要來自東部，而中層的水汽主要來自西南的孟加拉灣。在以上系統(tǒng)的共同影響下，暴雨中心出現(xiàn)在華北北部，特大暴雨中心出現(xiàn)在北京的西南部，與中尺度對流系統(tǒng)在該地區(qū)頻繁發(fā)生、強(qiáng)烈發(fā)展有關(guān)?！?·21”北京強(qiáng)降雨第1段發(fā)生在冷鋒前，但有明顯冷空氣的侵入，在地形和東風(fēng)的作用下產(chǎn)生，第2段與冷鋒相關(guān)。

來源出版物：大氣科學(xué), 2013, 37(3): 705-718

入選年份：2015

延伸期天氣過程預(yù)報的一種新方法——低頻天氣圖

孫國武，李震坤，信飛，等

摘要：目的：10～30 d延伸期預(yù)報介于常規(guī)的10 d以內(nèi)逐日天氣預(yù)報和月尺度以上短期氣候預(yù)測之間，是目前業(yè)務(wù)預(yù)報中的一個“縫隙”，也是預(yù)報的難點(diǎn)問題。本文從技術(shù)要點(diǎn)、物理意義、優(yōu)越性等方面介紹了延伸期天氣過程預(yù)報的一種新方法，即低頻天氣圖方法，并將其用于實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用。方法：低頻天氣圖延伸期預(yù)報方法是基于大氣低頻振蕩客觀存在的特征，利用統(tǒng)計學(xué)中的濾波方法提取大氣中的低頻（30—50 d）信號，制作低頻天氣圖做延伸期的降水過程預(yù)報。低頻天氣圖上的天氣系統(tǒng)（低頻氣旋和低頻反氣旋）具有3個特性：時間周期性，緩變性；空間連續(xù)性、相似性；生成源地的準(zhǔn)定常性（簡稱“三性”）。在低頻天氣圖上，分析低頻天氣系統(tǒng)生成、移動和消失的地理位置（中心經(jīng)緯度），在不破壞低頻系統(tǒng)的地域性和完整性的前提下，在低頻天氣圖范圍內(nèi)，劃分若干個區(qū)域。歸納整理各個關(guān)鍵區(qū)低頻系統(tǒng)逐日生成、維持、位移和消失的地理位置及周期，得到不同區(qū)域的低頻系統(tǒng)在30～50 d的時間段內(nèi)的振蕩。分析某地區(qū)降水過程出現(xiàn)時，各個區(qū)域低頻系統(tǒng)的演變特征，即低頻系統(tǒng)是低頻氣旋或低頻反氣旋及其它們發(fā)生、持續(xù)、移動、消失和周期，以及各關(guān)鍵區(qū)低頻系統(tǒng)的分布和配置，把低頻系統(tǒng)的活動和降水過程的發(fā)生聯(lián)系在一起。依據(jù)各個區(qū)域低頻系統(tǒng)的分布和相互配置，從有利于冷、暖空氣在本地區(qū)匯合的角度出發(fā)，建立預(yù)測模型。根據(jù)低頻系統(tǒng)的活動特性，特別是起報日各關(guān)鍵區(qū)低頻系統(tǒng)的動態(tài)，按照預(yù)測模型提供的思路，利用低頻系統(tǒng)具有的“三性”，外推低頻系統(tǒng)，即可做出未來10～45 d的預(yù)報。結(jié)果：低頻天氣圖上的低頻天氣系統(tǒng)與日常天氣圖上的天氣系統(tǒng)雖有差別，但有密切聯(lián)系。低頻天氣系統(tǒng)恰好是造成某種天氣過程的一些主要天氣系統(tǒng)的發(fā)生、維持、加強(qiáng)、移動和減弱過程的原因。由于低頻系統(tǒng)存在30～50 d的周期振蕩，而且變化緩慢，持續(xù)性和連續(xù)性明顯，預(yù)報天氣系統(tǒng)相對容易且時效長；而實(shí)況天氣圖的環(huán)流系統(tǒng)不具備低頻系統(tǒng)的這些特征，因而不可能在30 d前做出大氣環(huán)流系統(tǒng)的預(yù)報。自2008年起，低頻天氣圖延伸期預(yù)報方法在上海市氣候中心投入了業(yè)務(wù)應(yīng)用，結(jié)果表明：2008—2012年夏季時段內(nèi)，上海地區(qū)中雨以上降水過程共出現(xiàn)44次，提前15～40 d預(yù)報出來37次，漏報5次，空報2次。結(jié)論：低頻天氣圖延伸期預(yù)報方法利用濾波方法提取大氣中的低頻信號，制作低頻天氣圖，其技術(shù)要點(diǎn)是分析大氣低頻系統(tǒng)及其相應(yīng)的低頻氣流。低頻天氣圖方法具有它獨(dú)特的優(yōu)勢：其一是普適性。低頻天氣圖方法通過將普通天氣圖轉(zhuǎn)化為低頻天氣圖，使傳統(tǒng)的天氣學(xué)原理和方法可以應(yīng)用于低頻天氣圖的分析。其二是簡潔性。低頻天氣圖方法的物理架構(gòu)清晰，將延伸期預(yù)報問題轉(zhuǎn)化為發(fā)掘低頻天氣系統(tǒng)活動規(guī)律與強(qiáng)降水過程之間的有機(jī)聯(lián)系。其三是實(shí)時性。由于低頻天氣圖方法的依托工具為逐日低頻天氣圖，而實(shí)時資料每天由中國氣象局下發(fā)，從而保證了延伸期預(yù)報制作的實(shí)時性。

來源出版物：大氣科學(xué), 2013, 37(4): 945-954

入選年份：2015

中國東部不同區(qū)域城市群下墊面變化氣候效應(yīng)的模擬研究

周莉，江志紅，李肇新，等

摘要：目的：珠江三角洲、長江三角洲和京津冀是我國目前城市化水平最高的三大城市群，各城市群發(fā)展對區(qū)域氣候的影響如何？其氣候效應(yīng)有無差異？機(jī)理如何？東部三大城市群下墊面變化的整體效應(yīng)如何？這些問題都缺乏系統(tǒng)研究。本文利用法國動力氣象實(shí)驗(yàn)室發(fā)展的高分辨可變網(wǎng)格全球大氣環(huán)流模式LMDZ，模擬不同區(qū)域城市群下墊面變化的氣候效應(yīng)，探討不同區(qū)域城市化氣候效應(yīng)及其可能機(jī)理。方法：本文利用法國動力實(shí)驗(yàn)室發(fā)展的全球大氣環(huán)流模式（LMDZ），對珠江三角洲（簡稱珠三角）、長江三角洲（簡稱長三角）和北京市、天津市、河北省區(qū)域（簡稱京津冀）城市群下墊面變化的東亞氣候進(jìn)行模擬試驗(yàn)，分辨率約為3°×1.5°，模擬時間為1989年1月—2009年12月，共計21年。為模擬不同區(qū)域及中國東部主要城市群夏季氣候效應(yīng)，設(shè)計了4個敏感性試驗(yàn)，前3個敏感性試驗(yàn)設(shè)計方案為：分別將珠三角、長三角和京津冀地區(qū)下墊面植被類型中的C3、C4農(nóng)作物改為最接近城市物理特性的裸土；第4個敏感性試驗(yàn)設(shè)計方案為：同時將珠三角、長三角和京津冀地區(qū)下墊面植被類型中的C3、C4農(nóng)作物改為裸土。為進(jìn)一步提高模擬結(jié)果的顯著性，本文采用了集合試驗(yàn)的方案，分析7次模擬的夏季集合平均結(jié)果。結(jié)果：珠三角、長三角和京津冀城市群下墊面中農(nóng)作物改為裸土后，地表潛熱蒸發(fā)顯著減少，即顯著減弱了通過蒸發(fā)吸熱作用降低氣溫的過程，地面溫度升高，進(jìn)而感熱通量、地表有效長波輻射增強(qiáng)。而局地溫度增加，雖有利于低層形成熱低壓，出現(xiàn)明顯上升運(yùn)動，但蒸發(fā)減弱使局地水汽明顯減少，最終導(dǎo)致降水減少，表明水汽條件改變是降水減少的主要因素。無論單一城市群還是整個東部城市帶的試驗(yàn)，都表明三個城市群下墊面改變引起的溫度響應(yīng)、地表能量變化具有顯著的局地性，三城市群下墊面同時改變時，各區(qū)域溫度變化基本是三個城市群單獨(dú)改變的線性疊加。但由于中國東部高層呈現(xiàn)南正北負(fù)的異常變化，西太平洋副高加強(qiáng)西伸，導(dǎo)致降水減少區(qū)域并沒有集中在局地，特別是東部城市帶試驗(yàn)中，出現(xiàn)東部地區(qū)大范圍的降水偏少。同時東南亞地區(qū)降水也減少，而我國內(nèi)陸卻有微弱的降水增加信號。不同地區(qū)城市化影響氣候的強(qiáng)弱存在差異，各區(qū)域地表氣溫變化和能量變化有著較好的對應(yīng)關(guān)系，珠三角、長三角城市群的總能量變化遠(yuǎn)高于京津冀城市群，其局地增溫也是京津冀城市群的一倍以上。京津冀城市群降水的變化也明顯弱于珠三角、長三角城市群。結(jié)論：各區(qū)域城市群下墊面變化的夏季氣候效應(yīng)及其機(jī)理基本一致。當(dāng)各城市群下墊面類型改變后，地表潛熱蒸發(fā)顯著減少，為了平衡地面能量收支，地面溫度升高，進(jìn)而感熱通量、地表有效長波輻射增強(qiáng)，地表通過升溫對能量進(jìn)行再分配和再平衡，且下墊面改變引起的溫度、地表能量變化基本集中于城市群下墊面變化區(qū)域，溫度響應(yīng)具有顯著的局地性，而水汽條件改變是降水減少的主要因素；對比不同區(qū)域城市化溫度響應(yīng)的強(qiáng)弱，發(fā)現(xiàn)各區(qū)域地表氣溫變化和能量變化存在較好的對應(yīng)關(guān)系，長三角、珠三角城市群的總能量變化遠(yuǎn)高于京津冀城市群。

來源出版物：大氣科學(xué), 2015, 39(3): 596-610

入選年份：2015

北京氣候中心氣候系統(tǒng)模式研發(fā)進(jìn)展——在氣候變化研究中的應(yīng)用

吳統(tǒng)文，宋連春，李偉平，等

摘要：目的：較全面地介紹北京氣候中心氣候系統(tǒng)模式（BCC_CSM）研發(fā)方面所取得的一些進(jìn)展及其在氣候變化研究中的應(yīng)用，重點(diǎn)關(guān)注全球近280 km較低分辨率的全球海－陸－氣－冰－生物多圈層耦合的氣候系統(tǒng)模式 BCC_CSM1.1和 110 km中等大氣分辨率的BCC_CSM1.1（m），以及大氣、陸面、海洋、海冰各分量模式的發(fā)展，為模式的進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供參考。方法：基于 BCC_CSM1.1和 BCC_CSM1.1（m）參與CMIP5國際耦合模式相互比較計劃的大量數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果，評估了對當(dāng)代氣候尤其是降水和溫度的模擬性能，分析了對近千年歷史氣候的模擬結(jié)果，對比了與CMIP5其他氣候模式在近百年氣候變化模擬及未來百年氣候變化預(yù)估方面的差異。結(jié)果：兩個氣候模式及其分量模式的研發(fā)進(jìn)展以及評估結(jié)果如下：（1）全球大氣環(huán)流模式BCC_AGCM在模式動力框架和部分物理過程方面得到了改進(jìn)，對當(dāng)今氣候的平均態(tài)和季節(jié)變化、極端溫度和強(qiáng)降水過程、熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩等都具有較好的模擬性能。BCC_AGCM模式水平分辨率的提高對降水區(qū)域性特征的模擬有一定程度的改進(jìn)。（2）研發(fā)的陸面過程模式 BCC_AVIM已具備對動態(tài)植被和陸面碳循環(huán)過程的模擬能力，是BCC_CSM1.1和BCC_CSM1.1（m）的陸面分量模式。（3）研發(fā)的多圈層耦合氣候系統(tǒng)模式BCC_CSM1.1和BCC_CSM1.1（m）在給定的觀測溫室氣體、氣溶膠、火山、臭氧、太陽常數(shù)等外強(qiáng)迫條件下，對 20世紀(jì)地表氣溫的氣候平均和長期趨勢都已具有較強(qiáng)的模擬能力。在全球分布上，較大的模擬誤差主要出現(xiàn)在極區(qū)和青藏高原及周邊地形復(fù)雜地區(qū)。相對于BCC_CSM1.1模式，較高水平分辨率BCC_CSM1.1（m）模式模擬的地表氣溫氣候場有所改進(jìn)。（4）BCC_CSM1.1和BCC_CSM1.1（m）均能較合理的再現(xiàn)當(dāng)今全球年平均和季節(jié)平均降水的主要空間分布特征，BCC_CSM1.1（m）對區(qū)域性降水的模擬誤差相對于BCC_CSM1.1有所減小，但在熱帶太平洋地區(qū)仍存在非常明顯的赤道雙輻合帶現(xiàn)象。此外，二者在東亞地區(qū)模擬的降水強(qiáng)度均較觀測偏弱。（5）對近千年歷史氣候的模擬表明，BCC_CSM1.1可以再現(xiàn)中世紀(jì)氣候異常期和小冰期近千年全球尺度的典型暖冷時期。（6）BCC_CSM1.1和BCC_CSM1.1（m）對全球百年氣候變化已具有一定的模擬能力，與國際上同等分辨率的氣候系統(tǒng)模式性能相當(dāng)。兩個模式與CMIP5多模式集合平均值較為一致，但與觀測相比，均略微高估了 20世紀(jì)的增暖趨勢。在RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5三種典型濃度路徑情景下，21世紀(jì)末，多模式集合預(yù)估的中國區(qū)域平均增溫幅度分別達(dá)到 1.4℃、2.5℃和 5.7℃。（7）BCC_CSM1.1和 BCC_CSM1.1（m）屬于簡單的地球系統(tǒng)模式，在給定人類活動碳排放情況下，可以模擬全球大氣CO2濃度年際變化特征，對全球碳循環(huán)已具備初步的模擬能力。結(jié)論：北京氣候中心在氣候模式的各個分量研發(fā)方面都取得了較大進(jìn)展，所發(fā)展的氣候模式BCC-CSM1.1和BCCCSM1.1（m）模式，具備對動態(tài)植被和陸面碳循環(huán)過程的模擬能力，其對全球主要?dú)夂蛱卣髋c觀測較為接近，對近百年全球溫度變化的模擬和未來氣候變化預(yù)估結(jié)果與CMIP5多模式結(jié)果相當(dāng)。對于區(qū)域氣候平均態(tài)的模擬，中等分辨率的 BCC-CSM1.1（m）模式優(yōu)于分辨率較低的BCC_CSM1.1。

來源出版物：氣象學(xué)報, 2014, 72(1): 43098

入選年份：2015

高分辨率MRI模式對青藏高原夏季降水及水汽輸送通量的模擬

馮蕾，周天軍

摘要：目的：青藏高原由于非?；钴S的水分循環(huán)而被稱為“亞洲水塔”。青藏高原夏季降水及水汽收支的多寡直接影響著東亞及南亞許多地區(qū)的徑流量和水資源狀況。數(shù)值模式是研究青藏高原降水及水汽輸送通量的重要工具。當(dāng)前低分辨率模式對青藏高原降水及水汽輸送的模擬還存在很多不足。本文通過分析統(tǒng)一邊界條件驅(qū)動下的不同分辨率的 MRI模式結(jié)果，重點(diǎn)回答以下問題：（1）高分辨率MRI模式對青藏高原夏季氣候平均降水和水汽輸送通量的模擬能力如何？（2）高分辨率MRI模式對青藏高原夏季年際異常降水和水汽輸送通量的模擬能力如何？3）與較低分辨率的MRI模式結(jié)果相比，高分辨率的 MRI模式對青藏高原降水和水汽輸送通量的模擬有哪些改進(jìn)？方法：使用日本氣象研究所（MRI）大氣環(huán)流模式在同一模式框架下的4種不同分辨率下的AMIP積分試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析：（1）TL95L40（水平格點(diǎn)數(shù)為192×96，相當(dāng)于180 km）；（2）TL159L40（水平格點(diǎn)數(shù)為320×160，相當(dāng)于110 km）；（3）TL319L40（水平格點(diǎn)數(shù)為640×320，相當(dāng)于60 km）；（4）TL959L60（水平格點(diǎn)數(shù)為1920×960，相當(dāng)于20 km）。當(dāng)模式水平分辨率提高到20 km時，模式表現(xiàn)出無組織的對流活動和熱帶氣旋減少等模擬偏差，因此，對 20 km分辨率的MRI模式進(jìn)行了一系列細(xì)微的參數(shù)調(diào)整。但總體上 4種分辨率的結(jié)果是基于基本相同的物理過程，彼此間的結(jié)果具有可比性。同時，為了與高分辨率模式結(jié)果

進(jìn)行比較，本文使用高分辨率的中國區(qū)域逐日降水格點(diǎn)化數(shù)據(jù)集 CN05.1（分辨率為 0.25°（緯度）×0.25°（經(jīng)度）），以及高分辨率（分辨率為0.75°×0.75°）的全球再分析數(shù)據(jù)集ERA-interim，對模擬結(jié)果進(jìn)行評估分析。結(jié)果：MRI模式能夠較為合理地模擬出青藏高原夏季氣候平均的降水空間分布，但對氣候平均水汽輸送通量以及降水年際變化的模擬卻存在較大的誤差。隨著分辨率的提高，該模式對青藏高原氣候平均降水的模擬有明顯改進(jìn)，包括降水年循環(huán)以及夏季降水的空間分布等。分辨率為180、120、60、20 km的MRI模式模擬的青藏高原7月平均降水絕對誤差分別為2.2、1.2、0.7、0.2 mm/d。另外，高分辨率模式模擬的青藏高原夏季水汽輸送通量的年際變化也更接近觀測。當(dāng)分辨率達(dá)到20 km時，MRI模式模擬的西風(fēng)水汽輸送指數(shù)與觀測的相關(guān)系數(shù)達(dá)到 0.43，通過了 0.1顯著性水平的顯著性檢驗(yàn)。但MRI模式對青藏高原夏季降水的年際變化以及氣候平均水汽輸送通量的模擬技巧并不隨分辨率的增加有明顯提高。低分辨率模式中模擬降水量偏大、印度季風(fēng)槽偏強(qiáng)的現(xiàn)象在高分辨率模式中仍然存在。結(jié)論：本文重點(diǎn)考察了模式分辨率對青藏高原這一復(fù)雜地形地區(qū)降水及水汽輸送模擬的影響。從理論上來說，氣候模式水平分辨率越高，所描述的地形特征和下墊面情況越細(xì)致，氣候系統(tǒng)的模擬就越接近實(shí)際。然而，本文青藏高原降水和水汽輸送不同時間、空間尺度上的模擬性能對 MRI模式分辨率提高的敏感性卻不盡相同，反映出模式分辨率對青藏高原氣候模擬結(jié)果影響的復(fù)雜性。

來源出版物：大氣科學(xué), 2015, 39(2): 386-398

入選年份：2015