大气科学

雷暴与强对流临近天气预报技术进展

俞小鼎，周小刚，王秀明

大气科学

雷暴与强对流临近天气预报技术进展

俞小鼎，周小刚，王秀明

目的：临近预报指0～6 h（0～2 h为重点）时段的高时空分辨率的天气预报，主要预报对象是该时段内出现明显变化的天气现象，主要包括雷暴、强对流、降水、冬季暴风雪、冻雨、能见度（雾）、天空云量等，其中以雷暴和强对流天气的临近预报最具挑战性。我国的临近预报业务起步较晚，随着多普勒天气雷达的布网，雷暴、强对流和降水的临近预报成为省级和地市级气象台的重要业务内容。为了增加对国内外临近预报业务应用及研究进展的了解，促进临近预报技术在我国的进一步应用和发展，本文重点从以下三个方面对临近预报技术进行了讨论：（1）雷暴生成、演化和消散的临近预报；（2）强对流天气包括冰雹、龙卷、雷暴大风和对流性暴雨的临近预报；（3）高分辨率数值预报模式在雷暴、强对流和降水预报中的应用。方法：基于雷暴或深厚湿对流生成和发展的临近预报基本理论，综合利用探空曲线、高分辨率卫星云图、多普勒天气雷达探测、风廓线雷达资料、地基GPS水汽总量资料和雷达回波客观自动算法及高分辨率数值预报模式等手段来确定雷暴生成、发展和衰减。在对强对流天气发生的潜势做出估计和判断，基于多普勒天气雷达探测，结合不同类型强风暴的概念模型和地面实况记录（尤其是高密度的自动气象站）对强对流天气作临近预警。结果：强对流天气的临近预报主要包括对环境条件的评估和基于多普勒天气雷达回波判别和外推。环境条件的评估主要包括层结稳定度、水汽条件、抬升机制和垂直风切变。强对流天气临近预警最有效的方式是在组合反射率因子CR图上叠加风暴路径信息STI、冰雹指数HI和中气旋M产品以确定可能产生强对流天气的对流风暴，确定各自最有可能的强对流天气类型。边界层辐合线是预报雷暴生成、加强和消散的主要线索之一，其在雷达反射率因子回波图上呈现为窄带回波。结论：雷暴和强对流天气的临近预报的主要技术方法目前仍是以预报员主观分析预报为主，客观自动算法产品为辅。客观直接预报产品还远远起不到数值天气预报产品在中短期预报中的基础性甚至是关键性的作用。虽然目前业内广泛认可的临近预报时段是0～6 h，实际上大多数情况下对雷暴和强对流能够真正做到定点、定时和定性的有效预报时效大多数情况下不超过 2 h，只有在较强天气尺度强迫情况下，通过将外推与高分辨率数值预报融合，可以给出0～6 h时效的较大尺度降水系统在中α尺度上大致正确的预报。目前对具体强对流天气的识别算法中，只有冰雹探测算法相对比较成熟，而对于其它强对流天气还没有业务上证明切实有效的自动识别算法。在明显的天气尺度强迫情况下，通过融合雷达回波外推和高分辨率数值预报模式延长临近预报有效时效的方法主要取决于两个方面：（1）高分辨率数值预报模式水平的提高；（2）雷达回波外推和数值预报模式融合技术的改进；考虑到数值预报模式的改进是一个相对缓慢的过程，目前最有希望的是改进回波外推和模式预报融合的技术，如何最大限度地做到各取所长。

临近预报；雷暴；强对流；多普勒天气雷达；卫星云图；高分辨率数值预报模式

来源出版物：气象学报, 2012, 70(3): 311-337

入选年份：2014

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，等

摘要：目的：东亚冬季风变异是影响我国冬季灾害性气候的重要因子，对我国经济和人民生产生活有着重要的影响。如 2008年 1月，我国南方发生了严重的低温雨雪冰冻灾害，造成了1500多亿元的经济损失。自1999年以来，我国北方和东部的持续暖冬结束，我国北方气温从偏高变成整体偏冷的现象，表现出显著的年代际变化特征。为了揭示我国冬季气温年代际变化的规律及其成因，本文利用近 50年我国的测站资料、再分析资料来分析和诊断我国冬季气温和东亚冬季风强度的年代际变化特征以及它们之间的联系，并进一步从海平面气压以及北极涛动和北半球冬季准定常行星波动力学来分析和讨论在 1990年代末发生的中国气温和东亚冬季风强度年代际跃变的内动力成因。方法：本文采用EOF、气候突变检测、合成分析和波流相互作用等气候诊断分析方法来研究近 50年我国冬季气温年代际变化的总体特征、大尺度环流异常背景及其内动力成因。首先，采用 EOF和气候突变检测方法分析我国冬季气温变异的主模态及其年代际变化的特征；其次，利用合成分析方法揭示其相关的大尺度气候异常背景；最后，利用气候诊断分析方法，研究东亚冬季风变化、北极涛动（AO）异常和准定长行星波活动与我国冬季气温1990s末年代际变化之间的联系。结果：观测分析结果表明：自 20世纪 90年代末以来，我国冬季气温发生了明显的年代际跃变，我国北方冬季气温从偏高变成偏低，低温雨雪冰冻灾害频繁发生，这次跃变不仅使中国冬季气温从全国一致变化型变成南北振荡型（即北冷南暖型），而且我国冬季气温和 EAWM的年际变化也发生了显著的年代际变化。进一步研究表明，这次年代际变化与冬季AO和北半球准定常行星波活动的年代际变化有着紧密的联系。在 1999—2012年期间，北半球冬季准定常行星波在高纬度地区沿极地波导传播到平流层加强，而沿低纬波导往低纬度对流层上层传播减弱，它造成了行星波E-P通量在高纬度地区上空辐合加强，而在副热带地区上空E-P通量辐散加强，从而引起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，这导致了AO减弱，因而利于西伯利亚高压和阿留申低压的加强，即东亚冬季风加强。这些变化与发生在 1988—1998年期间的北半球冬季准定常行星波活动的年代际变化特征有明显不同。结论：我国冬季气温在1990s末发生了明显的年代际跃变，我国北方冬季气温从偏高变成偏低，低温雨雪冰冻灾害频繁发生，这与东亚冬季风增强有关。并且，这次年代际变化与冬季AO和北半球准定常行星波活动的年代际变化有着紧密的联系。

来源出版物：大气科学, 2014, 38(4): 627-644

入选年份：2014

我国东部夏季降水异常主模态的年代际变化及其与东亚水汽输送的关系

黄荣辉，陈际龙，刘永

摘要：目的：基于东亚夏季风降水变化与上空水汽输送变化的紧密相关，本文分析我国东部季风区夏季降水与东亚地区上空水汽输送通量在年代际时间尺度上的变化特征及其它们之间的关联，从而说明水汽输送的年代际变化对我国东部夏季降水年代际变化的显著影响。方法：从经过筛选的我国516台站逐日降水资料和欧洲中心ERA-40逐日再分析资料推算出夏季平均的降水和水汽输送通量，利用经验正交函数（EOF）和分时段合成方法分析我国东部季风区夏季降水异常主模态的年代际变化特征以及与东亚夏季水汽输送变化之间的关系，并通过东亚季风区及欧亚上空中高纬西风带夏季水汽输送通量异常波列分布的年代际变化进一步讨论夏季水汽输送通量异常的变化对我国东部季风区夏季降水异常主模态年代际变化的影响。结果：分析结果表明我国东部季风区夏季降水的时空变化存在两种主模态：第1主模态不仅显示出明显的准两年周期振荡的年际变化特征且也有明显的年代际变化，在空间上具有经向三极子型分布；第2主模态显示出明显的年代际变化特征，且在空间上具有经向偶极子型分布。这表明我国东部季风区夏季降水异常主模态有明显的年代际调整。在1958—1977年期间我国东部夏季降水异常分布为从南到北“＋－＋”经向三极子型分布，即华北和东北南部及华南地区夏季降水偏多，而长江流域和江淮地区夏季降水偏少；在 1978—1992年期间降水异常出现了与1958—1977年相反的分布，为从南到北“－＋－”经向三极子型分布，即华北和东北南部及华南地区夏季降水偏少，而长江流域、汉水和四川盆地夏季降水偏多。然而，在 1993—1998年期间，由于第 2主模态的作用增大，我国东部夏季降水异常为从南到北经向“－＋－”三极子型与“＋－”偶极子型的叠加，致使南方夏季降水明显增加，逐渐形成南涝北旱的格局。分析结果还表明：这两主模态的年代际变化与东亚上空夏季水汽输送通量的时空变化密切相关，它不仅与东亚和西北太平洋上空似如东亚/太平洋型（EAP型）遥相关波列分布的夏季水汽输送通量异常年代际变化有关，而且与欧亚上空中高纬西风带似如欧亚型（EU型）遥相关波列的夏季水汽输送通量异常年代际变化密切相关。结论：东亚地区夏季风降水异常年代际变化的成因是比较复杂的，不仅与影响东亚地区夏季水汽输送的北太平洋中纬度海温年代际变化有关，而且与影响欧亚上空中高纬西风带水汽输送的大西洋海温年代际变化和中高纬度环流有关。同时，夏季蒙古高原上空环流和热带西太平洋上空环流的年代际变化对于我国东部季风区夏季降水异常的主模态年代际变化起着十分重要的作用。

来源出版物：大气科学, 2011, 35(4): 589-606

入选年份：2015

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

摘要：目的：长江、淮河同处东亚中纬度，受东亚高、低纬环流系统相互作用的影响，夏季江淮流域异常降水事件频繁发生，由于长江、淮河流域降水事件发生时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、淮河流域夏季降水时空变化分析发现，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，但成因机理并不十分清楚，本文重点探讨梅雨期长江、淮河流域异常降水事件发生时大气环流内部动力过程差异及成因。方法：根据 1979—2009年中国 160站降水观测资料及NCAR/NCEP再分析月平均高度场、风场等资料，首先计算1979—2009年6—7月（梅雨期）长江流域17个代表站、淮河流域7个代表站平均降水量变化，利用物理量诊断和现代统计学以及 TibaldiandMolteni（1990）提出的阻塞识别法（简称TM90），探讨长江流域梅雨期降水异常偏多年（1980、1983、1993、1996、1998和 1999年）、淮河流域梅雨期降水异常偏多年（1991、2000、2003、2005和2007年），南北半球大气环流内部动力过程（200 hPa纬向风场、500 hPa位势高度场、850 hPa矢量风场）的差异及北半球中高纬度阻塞变化特征。结果：南北半球大气环流内部动力过程最显著的差别表现为：（1）500 hPa位势高度场上鄂霍次克海阻塞频次比气候态偏多（偏少），造成亚洲地区位势高度距平场出现南北向“＋、－、＋”（东西向“－、＋、－”）的距平波列分布，对应长江（淮河）流域降水偏多；（2）200 hPa纬向风场上东亚中纬度40°N附近纬向（经向）型环流加强，造成（35°N～50°N，90°E～130°E）范围内东亚高空副热带西风急流加强（减弱），有利长江（淮河）流域降水偏多；（3）850 hPa矢量风场上南半球马斯克林高压及澳大利亚高压位置相对偏东（西），有利150°E～160°E（50°E～60°E）越赤道气流加强，东南（西南）气流加强是长江（淮河）流域降水偏多年主要水汽来源。结论：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～160°E（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）。结果：对提高短期气候预测的准确率及防灾减灾，有重要的理论意义和应用价值。

来源出版物：大气科学, 2014, 38(4): 656-669

入选年份：2014

我国冬季降水年际变化的主模态分析

王林，冯娟

摘要：目的：我国的冬季气候主要受到东亚冬季风的影响。在以往对东亚冬季风的研究中，关注较多的是寒潮和气温的变化特征以及与此相联系的物理机制，而对冬季降水的研究则相对要少一些。然而，冬季降水的异常变化也会产生重要的影响，尤其是当异常偏多的降水以雪或冻雨的形式出现时，则不仅会给大众的交通出行造成不便，甚至还可能威胁到人民的生命财产安全。一个典型的例子就是 2008年初发生在我国南方的雨雪冰冻灾害，其影响之广泛和和损失之巨大为建国以来同类灾害之最。然而，我国冬季降水自身的变化特征和成因是什么，这些问题目前都不清楚。因此，本文就将研究我国冬季降水年际变化的主模态，并分析与此相联系的大气环流和海温特征，从而揭示我国冬季降水变化的主要特征及其原因。方法：本文利用中国气象局发布的全国160个台站的月平均降水数据、美国国家环境预报中心和国家大气研究中心发布的全球逐月再分析数据、英国气象局哈德莱中心提供的全球逐月海表面温度（SST）数据。首先利用经验正交函数（EOF）分解的方法得到冬季降水变化的主要空间模态及其相应的时间系数，并用一元线性回归的方法揭示与各降水模态对应的大气环流和海温状况。结果：我国冬季降水年际变化的第一模态（EOF1）可以解释总方差的50%，其主要反映了我国冬季降水尤其是南方地区降水量的一致变化。对其时间序列的分析表明，20世纪80年代中期以前南方地区冬季降水偏少，1988年之后南方地区降水偏多，而进入21世纪后南方降水又又减少的趋势。这几次位相转变的时间恰好与东亚冬季风强度的年代际变化相对应，表明其受到东亚冬季风强度年代际变化的影响。对大气环流和海温的分析表明，该模态的正位相（华南降水偏多）对应于偏弱的东亚冬季风环流，此时东亚沿岸的南风异常会从低纬度带来更多的水汽，并与异常上升运动相配合，从而引起南方降水增加；热带太平洋ElNiño型的海温是这种环流型的重要驱动因子。我国冬季降水年际变化的第二模态（EOF2）可以解释总方差的17%，其主要反映了我国华南降水与长江中下游地区降水的反位相振荡形势。该模态主要受到一个类似于斯堪的纳维亚型遥相关的准正压波列的控制，而北大西洋挪威海附近的海温异常对引发第二模态的异常有重要贡献。结论：我国冬季降水的年际变化表现出两个主要模态，它们分别反映了长江以南地区降水量的一致变化和以及华南地区降水量与长江中下游地区降水量的反位相振荡。ENSO型海温异常以及东亚冬季风环流强度的变化会引起降水第一模态的变化，而北大西洋海温和斯堪的纳维亚型遥相关则对降水第二模态有重要贡献。

来源出版物：大气科学, 2011, 35(6): 1105-1116

入选年份：2015

基于季节内振荡的延伸预报试验

梁萍，丁一汇

摘要：目的：2～4周的延伸期预报是近年来国际上天气和气候业务预报发展的一个重要方向。目前，季节内振荡可作为开展延伸期预报的有效途径。本文以江淮梅雨区降水为例，利用集合经验模态分解（EEMD）及多变量EOF方法获取低频信号，进一步分别采用最优子集回归方法、经验波传播（EWP）方法及全球海气耦合模式（GCM）产品，对梅雨季节内演变的延伸期预报方法进行探索和试验。方法：采用EEMD方法获取江淮梅雨区降水及其影响系统的季节内低频信号。EEMD方法可获取具有真正物理意义的多时间尺度信号，又可避免经验模态分解（EMD）方法的模态混合缺陷，是目前处理非线性、非平稳时间序列的较好方法。此外，利用多变量EOF方法计算热带MJO（Madden-Julian Oscillation）指数RMM1）RMM2，进一步得到热带MJO活动的位相、强度。多变量EOF方法避开了传统滤波不能用于实时预测的弊端，是提取 MJO的有效方法。本文的预报试验方法包括：（1）采用最优子集回归方法建立延伸期预报的统计模型；（2）采用 EWP方法建立延伸预报的经验动力模型；（3）采用国家气候中心全球海气耦合模式输出产品评估动力模式方法的延伸预报性能。其中，EWP是基于谐波展开，并利用大气波动的传播特征，对不同季节、不同变量场进行预报的方法。该方法较持续性预报的预报技巧更高，更具优越性。结果：基于梅雨区降水季节内振荡信号建立最优子集回归模型，对梅雨区逐侯降水量的超前 30天预报是有可能的。该方法在涝年汛期延伸期预报的准确率较旱年高，这可能与旱涝年降水演变低频信号的强弱差异有关。基于影响因子低频信号的梅雨区降水延伸期预报试验，可为江淮梅雨的入梅、出梅延伸预报提供线索；热带低频信号对梅雨区降水季节内振荡演变的预报价值优于中纬度或中高纬度低频信号。该方法对各年的预报效果因年而异，预报效果不好的年份可能与低频信号的影响不明显有关，需要采用其它预报方法加以改进。采用EWP方法可预报出热带ITCZ异常活动的未来40 d的东传，亦可能较好地预报出梅雨区的风场距平演变。此外，该方法对20 d以内的MJO指数预报效果好于未来21～40 d的预报效果。全球海气耦合模式对梅雨的延伸期环流形势趋势有一定的预报效果。在对梅雨季节降水预报效果好的2001年，该模式能抓住梅雨的季节内振荡信号；在对梅雨预报效果差的1997年，情况则相反。此外，该模式可提前20 d预报出MJO指数的演变。结论：预报试验表明，统计模型、经验动力模型及数值模式等方法，是建立实时延伸预报业务的可能途径。在实时延伸期预报中，在获取大气低频信号的基础上，可分别进行统计模型预报、经验动力模型预报及动力模式预报，进一步对不同方法的预报结果进行集成，最后得到延伸预报结论。

来源出版物：大气科学, 2012, 36(1): 102-116

入选年份：2015

2009年6月一次飑线过程灾害性大风的形成机制

梁建宇，孙建华

摘要：目的：对2009年6月3—4日一次产生地面大风的“人”字形强飑线过程进行了观测资料分析和数值模拟研究。“人”字形强飑线与天气尺度的锢囚锋有明显的区别，国内对这类回波的研究比较少。因此，通过研究可以对这种系统的结构和形成机理有一个更深刻的了解，以便对以后的预报有指导意义。方法：采用NCEP再分析资料和中国气象局的常规高空观测资料分析此次过程的大尺度背景场。利用雷达回波和地面自动气象站的风场、气压、气温、变压、变温等要素，分析了飑线的结构和产生大风的可能机制。利用高分辨率的WRF模式的模拟结果进一步分析常规观测资料所不能得到的飑线结构特征和大风的可能发生机理。结果：2009年6月3—4日罕见强飑线突袭河南、安徽、江苏，6月3日东亚大气环流的主要特征是东北冷涡控制我国的东北和华北地区，该冷涡是一个深厚系统。冷空气南下造成的中高空的低温和河南地区低层的高温形成对比，形成热力不稳定条件，加上垂直风切变较大，有利于深厚对流的形成。根据地面观测和雷达回波的演变将此次强飑线的发展过程分为4个阶段：形成阶段、发展阶段、成熟阶段和消散阶段。从反射率和雷暴的分布来看“人”字形系统的左右部分的强度相当，但是“人”字形回波的左半部分没有大风的出现，对应的气温、气压的强度及变化也不明显。大风出现在“人”字形回波右半部分回波的后部，系统成熟阶段地面存在雷暴高压、出流边界、尾流低压等系统。本次过程的大风出现在右半分支的强回波区及后面的过渡区域内表明层状云对地面大风的形成有重要作用。尾部入流也导致了“人”字形回波右半支的弓状回波的形成，并且因为强烈的入流导致了右半分支的中部移速较快，最后导致了飑线的断裂。根据对观测资料和数值模拟结果的分析归纳出此次飑线过程的概念模型。地面气旋扰动的冷暖切变的作用导致系统由线状飑线转变为“人”字形系统，在冷切变上形成了有层状云的飑线（右半分支），该系统有从飑线前部向后的入流和中层从后面到前部的尾部入流，以及前部的低层入流到高层出流，在成熟期地面有清楚的雷暴高压、冷池、尾流低压等。而在暖切变上形成了无层状云的左半分支，没有后部入流。结论：本文通过观测资料和模拟结果的分析，给出了“人”字形回波的基本特征和地面大风形成的可能机制，以及系统的物理模型。“人”字形回波系统的右半支的结构与一般的飑线系统类似，灾害性大风的产生主要由这个“人”字形系统的右半支造成的。系统由线状转变为“人”字形系统的原因是由于气旋扰动的冷暖切变的作用，系统的右半分支在发展阶段和成熟阶段对流区有比较强烈的下沉气流，系统的后部的中层入流可能会加强这个下沉气流，中层入流是地面大风形成的重要原因之一。成熟阶段垂直于飑线系统主要有三股气流，包括从飑线前部向后的入流和中层从后部到前部的入流，以及前部的低层入流到高层的出流。

来源出版物：大气科学, 2012, 36(2): 316-336

入选年份：2015

2011年春末夏初长江中下游地区旱涝急转成因初探

封国林，杨涵洧，张世轩，等

摘要：目的：2011年春末至夏初，长江中下游地区发生一次旱涝急转现象，给人民生命、财产带来了重大损失。与以往不同，2011年长江中下游地区旱涝急转具有3个显著特征：前期干旱维持时间长、旱涝转折迅速剧烈、转折后降水量大。本文分析此次长江中下游地区旱涝急转特征，并探究其作用机制，为进一步认识旱涝急转现象及其影响机制提供参考。方法：分别利用巴特沃斯带通滤波、相关、距平分析、水汽输送和收支计算方法和美国 NOAA 的空气资源实验室开发的轨迹模式（Hysplit），对2011年初夏发生在中国长江中下游地区的由前期异常干旱转为急剧洪涝的降水异常事件及其影响机制进行初步分析；利用 SVD方法（奇异值向量分解法），分析前期海温异常对此次长江中下游地区降水异常的某些影响作用；利用10～30 d延伸期稳定分量提取方法，分析此次降水异常是否具有前期稳定分量信号场。结果：2011年春末夏初长江中下游尤其是（27°N～32°N，110°E～120°E）地区发生了1951年以来最显著的一次由前期严重干旱迅速转为区域洪涝灾害的旱涝急转事件。结合海温、环流、Hysplit等分析结果，建立此次旱涝急转的天气学概念模型：2011年前冬至春季，赤道中东太平洋发生强 LaNiña事件，海温较常年剧烈降温，西太平洋地区海温则较常年偏高，造成Walker环流较常年加强，使得赤道西太平洋上空上升气流加强，抑制高空副热带高压的西伸发展。另外，这一上升气流的加强，导致海平面气压降低，东亚大槽偏西、偏强，鄂霍次克海出现强烈阻塞形势，洋中槽偏强，形成较强的切断低压，二者向南发展，将西太平洋副高割裂成2个区域，并阻碍其西伸发展。同时，通过低纬间纬向Walker环流及次级环流的作用，使得低纬度之间对LaNiña现象的响应，激发出各种异常。印度洋上空Hadley环流则明显偏弱，北半球 Hadley环流在近地面层形成偏北风，不利于低空孟加拉湾水汽向北输送。在以上因素配置下，导致我国北方地区偏北气流盛行，而东南暖湿气流相对较弱，再加上冷暖空气配合不利，在江淮及华南等地区无法形成理想的降雨条件，出现了持续少雨的干旱天气。进入6月随着LaNiña的减弱，Walker环流减弱，西太平洋地区转为受持续性的强下沉运动控制，中高纬鄂霍次克海阻塞高压减弱消失，洋中槽向北收缩，导致副热带高压在第 31候突然西伸至110°E，之后维持在 120°E以东地区。Hadley环流有所增强，北半球Hadley环流消失，南半球低层偏南风强盛，形成越赤道气流，加强孟加拉湾水汽向北输送。这两者作用导致低纬水汽输送由弱转强，形成一支由孟加拉湾至长江中下游地区的强水汽输送带，并与中高纬向南传播的冷空气在长江中下游地区持续交绥，形成持续的大范围强降水，导致由旱向涝的急剧转折。结论：（1）第31候西北太平洋副热带高压的突然西伸致使中国长江中下游较常年偏早进入梅雨期，是此次旱涝急转的直接影响因子；（2）海温距平及 SVD分析表明，前冬赤道中东太平洋和印度洋中部海温为此次旱涝急转时间的关键区，2010年7月至2011年4月的LaNiña事件及印度洋海域海温冷异常是此次事件的前兆信号，为此次事件环流异常提供动力支持；（3）涡度低频振荡分析表明太平洋上空动力机制对6月长江中下游降水有重要的作用，前期造成涡度由北向南传播，而急转后表现为明显的由南向北传播。10～30 d延伸期中高纬环流形势的稳定分量维持是此次事件发生的重要因素及前期信号；（4）前期赤道中东太平洋为较强的拉尼娜事件，赤道印度洋为大范围的异常冷海温控制，受其影响，副热带高压异常偏东、Walker环流偏强、印度洋 Hadley环流偏弱，中国西南、东南水汽输送不足，致使长江中下游地区急转前发生持续严重干旱。随着赤道中东太平洋及印度洋冷海温异常的减弱，副热带高压的突然异常西伸（6月第1候）且持续、Walker环流减弱、印度洋Hadley环流增强，匹配中高纬度大尺度稳定维持的气候背景，使冷暖空气在长江中下游地区持续交绥，该地区降水异常偏多并持续，导致6月长江中下游持续性洪涝，最终造成此次“旱涝急转”事件的发生。讨论：LaNiña的减弱期或者转型期、海温和大气相互作用的不确定性、大尺度稳定分量的气候背景及配置、冷暖空气的异常及交绥等是造成旱涝急转的主要原因，但其内相互作用的具体过程如何，其前期干旱及后期降水持续的异常成因等还有待于进一步研究。

来源出版物：大气科学, 2012, 36(5): 1009-1026

入选年份：2015

东亚冬季风气候变异和机理以及平流层过程的影响

陈文，魏科，王林，等

摘要：目的：近年来我国冬季低温雨雪冰冻事件频发，以及 20世纪末以来大气科学界逐渐认识到平流层可能会影响对流层的极端天气气候事件。在全球增暖的背景下，为什么我国冬季常常出现严重的极端寒冷事件以及平流层是否会影响东亚气候异常就成为关于季风研究的前沿问题。本文在综述近几年来关于东亚冬季风变异特征和机理方面的研究的基础上，特别分析了东亚冬季风路径变化及其相联系的气候异常，并从东亚冬季风变异的基本模态上探讨了与平流层环流异常的关系。方法：采用的方法主要有经验正交分解（EOF）和旋转EOF以及线性回归、相关分析等统计方法，并利用t检验验证其显著性。文中为分析行星波的活动还采用了E-P通量作为诊断工具，并用 1～3波之和来代表行星尺度波动。另外也采用T-N通量描述准定常波的活动。结果：（1）东亚冬季风路径的年际变化可以用东亚大槽的第二模态（即倾斜状态）来描述。当东亚大槽偏竖时，沿东支路径进入北太平洋的冷空气减少，更多的冷空气沿东亚冬季风的南支路径进入低纬地区，使东亚地区呈现北高南低的温度异常分布。当东亚大槽偏横时，气候异常状况与上述基本相反。东亚冬季风路径的年际变化可以很好地解释中国冬季气温变异的第二模态（即南北反相变化），并导致东亚冬季风变异存在南北两个子系统。（2）进入本世纪后，由于全球增暖的影响，东亚冬季风的建立推迟，并且东亚冬季风在盛期明显减弱，但冬季风活动在早春比以往要更为活跃，东亚冬季风演变的变化与冬季气温南北反相变化也有密切的联系。（3）东亚冬季气温南北反相变化模态与平流层极涡强度密切相关，上述冬季风演变的变化同样与平流层极涡在前冬和后冬的变化联系在一起。当异常的平流层极涡向下传播时，可以引起东亚地区南北反相的温度变化。（4）在年代际时间尺度上东亚冬季风一个显著的变化是 1987年以后的持续减弱，它与纬向平均的行星波传播的年代际转变有关。在1987年之后，沿极地波导向平流层的传播较弱，而沿低纬波导向低纬度对流层顶附近的传播较强；导致东亚冬季风减弱。（5）对应1976年的气候突变，PDO进入暖位相，ENSO对东亚冬季风的影响显著减弱；同时，中太平洋型增暖型事件增多，它对东亚以及东南亚冬季气候异常的影响较小。然而，中高纬地区东亚上游的乌拉尔地区的冬季阻塞活动以及下游的 NPO对东亚冬季风的影响都明显增强。（6）太阳活动 11年周期变化可以通过热带地区海-气耦合作用得到强化或通过影响中高纬地区的AO进而影响东亚冬季气候异常。结论：在年际变化时间尺度上，东亚气温的南北反相变化是东亚冬季风变异的主要模态之一，该模态对应着东亚冬季风路径的变化，并且与平流层极涡强度密切相关；当异常的平流层极涡向下传播时，往往引起东亚地区南北反相的温度变化。在年代际变化时间尺度上，20世纪70年中后期以后，热带ENSO的影响变弱，而中高纬的NPO和乌拉尔地区阻塞强度的影响显著增强；而东亚冬季风在 1987年以后的持续减弱主要与准定常行星波活动年代际变化有关；进入 21世纪后，东亚冬季风的演变出现明显变化，这些变化与东亚冬季气温南北反相变化也有密切的联系；此外，太阳活动11年周期变化对ENSO和AO和东亚冬季气候异常之间的关系有显著的影响。

来源出版物：大气科学, 2013, 37(2): 425-438

入选年份：2015

2012年7月21日北京特大暴雨的多尺度特征

孙建华，赵思雄，傅慎明，等

摘要：目的：华北雨带是我国东部夏季三大降雨区之一。华北暴雨的次数虽少，但降水强度却较大，预报难度大。2012年7月21日，京津冀及山西北部等地出现特大暴雨过程，部分地区的降雨量突破历史记录，达到 260～460 mm。该次暴雨过程是北京地区自1951年以来最强的一次降水天气过程，其发生发展的机理尚未完全明了。本文开展了对以下问题的研究：暴雨过程是在何种有利的大尺度环流条件和影响系统下发生的？是否存在中低纬度系统之间的相互作用？大量水汽的源地和如何集中到华北？是否存在中尺度系统以及引发的对流活动？方法：采用中国气象局提供的全国逐小时加密降水资料、24 h降雨量和每3 h的地面观测，FY-2E气象卫星的亮温资料，以及NCEPFNL（National Center for Environmental Prediction，globalfinalanalysis）全球1°（纬度）×1°（经度）再分析资料，分析了此次暴雨过程的大尺度环流背景条件、中低纬度系统的相互作用、中尺度系统的发展过程以及与降雨的关系。采用美国NOAA（National Oceanic and Atmospheric Administration）空气资源实验室开发的轨迹模式 HYSPLIT（Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model）分析暴雨过程的水汽来源和输送路径。结果：降水发生前（7月20日12︰00 UTC），500 hPa中高纬度为“两脊一槽”形势，东亚沿岸的弱高压脊与副热带高压南北叠加，出现了典型“东高西低”的稳定天气形势。从孟加拉湾经南海至西太平洋，赤道辐合带（ITCZ）非常活跃，热带气旋韦森特已经进入南海北部。21日00︰00 UTC，华北地区低空风速的加强主要是由于低槽东移使气压梯度加大所致，华北北部地区虽然距离锋区较远，但在对流层低层为较强的条件对流不稳定层结，只要有触发条件，则对流比较容易发展起来。21日12︰00 UTC，当冷锋开始影响华北地区时，韦森特与副高之间的东南低空急流与东移低槽槽前的西南低空急流合并，使华北地区的低空急流明显加强。低涡西北侧的冷平流进入华北北部，偏北风与偏南风正好在北京附近相遇。HYSPLIT模式模拟的不同层次水汽轨迹表明，21日06︰00 UTC，3000 m的水汽主要来源于西南通道，从孟加拉湾、南海经我国的西南地区到华北，2000 m的水汽分别来源西南通道和黄淮，而对流层低层（约1000 m）的水汽主要来源于渤海和黄海。12︰00 UTC，3000 m和2000 m的水汽输送通道更宽，这使水汽的输送量增加。此次过程中，华北地区的水汽来源包括孟加拉湾和我国东部的渤海、黄海等，低层的水汽主要来自东部，而中层的水汽主要来自西南的孟加拉湾和南海，主要原因是中层是槽前的西南气流输送水汽，由于我国西部的地形高度较高，低层无法输送水汽。此次过程中造成北京地区暴雨的中尺度系统非常复杂，第1阶段在21日02︰00—12︰00 UTC，降雨系统与冷锋无直接关系，但与冷空气的活动有一定关系，且呈现强对流性降水特点，对流是冷空气、东风气流和太行山地形抬升的共同作用下所产生的。第2阶段降水在21日12︰00 UTC—21日22︰00 UTC，与冷锋有关。从雷达回波图上看，此阶段回波在层状云系的南侧组织成了线状对流，对流的强度比第一个时段有明显增加，组织形态为典型的层状云与对流云平行的类型。这段降雨虽然每小时雨量比上一个时段强，但由于系统的移动速度加快，使每个地区的累积雨量却不大。结论：2012年7月21日华北大暴雨过程是高低空与中低纬系统共同配合的结果，大尺度环流形势为“东高西低”，副热带高压与西风带高压脊叠加形成“高压坝”，使西风槽东移减慢；天气尺度影响系统包括低涡、切变线、低槽冷锋和低空急流等。低纬度从孟加拉湾至西太平洋上 ITCZ活跃，其中活动的热带低压及台风非常有利于水汽向东亚大陆输送。华北地区的水汽来源包括孟加拉湾和我国东部的渤海、黄海等，低层的水汽主要来自东部，而中层的水汽主要来自西南的孟加拉湾。在以上系统的共同影响下，暴雨中心出现在华北北部，特大暴雨中心出现在北京的西南部，与中尺度对流系统在该地区频繁发生、强烈发展有关。“7·21”北京强降雨第1段发生在冷锋前，但有明显冷空气的侵入，在地形和东风的作用下产生，第2段与冷锋相关。

来源出版物：大气科学, 2013, 37(3): 705-718

入选年份：2015

延伸期天气过程预报的一种新方法——低频天气图

孙国武，李震坤，信飞，等

摘要：目的：10～30 d延伸期预报介于常规的10 d以内逐日天气预报和月尺度以上短期气候预测之间，是目前业务预报中的一个“缝隙”，也是预报的难点问题。本文从技术要点、物理意义、优越性等方面介绍了延伸期天气过程预报的一种新方法，即低频天气图方法，并将其用于实际业务应用。方法：低频天气图延伸期预报方法是基于大气低频振荡客观存在的特征，利用统计学中的滤波方法提取大气中的低频（30—50 d）信号，制作低频天气图做延伸期的降水过程预报。低频天气图上的天气系统（低频气旋和低频反气旋）具有3个特性：时间周期性，缓变性；空间连续性、相似性；生成源地的准定常性（简称“三性”）。在低频天气图上，分析低频天气系统生成、移动和消失的地理位置（中心经纬度），在不破坏低频系统的地域性和完整性的前提下，在低频天气图范围内，划分若干个区域。归纳整理各个关键区低频系统逐日生成、维持、位移和消失的地理位置及周期，得到不同区域的低频系统在30～50 d的时间段内的振荡。分析某地区降水过程出现时，各个区域低频系统的演变特征，即低频系统是低频气旋或低频反气旋及其它们发生、持续、移动、消失和周期，以及各关键区低频系统的分布和配置，把低频系统的活动和降水过程的发生联系在一起。依据各个区域低频系统的分布和相互配置，从有利于冷、暖空气在本地区汇合的角度出发，建立预测模型。根据低频系统的活动特性，特别是起报日各关键区低频系统的动态，按照预测模型提供的思路，利用低频系统具有的“三性”，外推低频系统，即可做出未来10～45 d的预报。结果：低频天气图上的低频天气系统与日常天气图上的天气系统虽有差别，但有密切联系。低频天气系统恰好是造成某种天气过程的一些主要天气系统的发生、维持、加强、移动和减弱过程的原因。由于低频系统存在30～50 d的周期振荡，而且变化缓慢，持续性和连续性明显，预报天气系统相对容易且时效长；而实况天气图的环流系统不具备低频系统的这些特征，因而不可能在30 d前做出大气环流系统的预报。自2008年起，低频天气图延伸期预报方法在上海市气候中心投入了业务应用，结果表明：2008—2012年夏季时段内，上海地区中雨以上降水过程共出现44次，提前15～40 d预报出来37次，漏报5次，空报2次。结论：低频天气图延伸期预报方法利用滤波方法提取大气中的低频信号，制作低频天气图，其技术要点是分析大气低频系统及其相应的低频气流。低频天气图方法具有它独特的优势：其一是普适性。低频天气图方法通过将普通天气图转化为低频天气图，使传统的天气学原理和方法可以应用于低频天气图的分析。其二是简洁性。低频天气图方法的物理架构清晰，将延伸期预报问题转化为发掘低频天气系统活动规律与强降水过程之间的有机联系。其三是实时性。由于低频天气图方法的依托工具为逐日低频天气图，而实时资料每天由中国气象局下发，从而保证了延伸期预报制作的实时性。

来源出版物：大气科学, 2013, 37(4): 945-954

入选年份：2015

中国东部不同区域城市群下垫面变化气候效应的模拟研究

周莉，江志红，李肇新，等

摘要：目的：珠江三角洲、长江三角洲和京津冀是我国目前城市化水平最高的三大城市群，各城市群发展对区域气候的影响如何？其气候效应有无差异？机理如何？东部三大城市群下垫面变化的整体效应如何？这些问题都缺乏系统研究。本文利用法国动力气象实验室发展的高分辨可变网格全球大气环流模式LMDZ，模拟不同区域城市群下垫面变化的气候效应，探讨不同区域城市化气候效应及其可能机理。方法：本文利用法国动力实验室发展的全球大气环流模式（LMDZ），对珠江三角洲（简称珠三角）、长江三角洲（简称长三角）和北京市、天津市、河北省区域（简称京津冀）城市群下垫面变化的东亚气候进行模拟试验，分辨率约为3°×1.5°，模拟时间为1989年1月—2009年12月，共计21年。为模拟不同区域及中国东部主要城市群夏季气候效应，设计了4个敏感性试验，前3个敏感性试验设计方案为：分别将珠三角、长三角和京津冀地区下垫面植被类型中的C3、C4农作物改为最接近城市物理特性的裸土；第4个敏感性试验设计方案为：同时将珠三角、长三角和京津冀地区下垫面植被类型中的C3、C4农作物改为裸土。为进一步提高模拟结果的显著性，本文采用了集合试验的方案，分析7次模拟的夏季集合平均结果。结果：珠三角、长三角和京津冀城市群下垫面中农作物改为裸土后，地表潜热蒸发显著减少，即显著减弱了通过蒸发吸热作用降低气温的过程，地面温度升高，进而感热通量、地表有效长波辐射增强。而局地温度增加，虽有利于低层形成热低压，出现明显上升运动，但蒸发减弱使局地水汽明显减少，最终导致降水减少，表明水汽条件改变是降水减少的主要因素。无论单一城市群还是整个东部城市带的试验，都表明三个城市群下垫面改变引起的温度响应、地表能量变化具有显著的局地性，三城市群下垫面同时改变时，各区域温度变化基本是三个城市群单独改变的线性叠加。但由于中国东部高层呈现南正北负的异常变化，西太平洋副高加强西伸，导致降水减少区域并没有集中在局地，特别是东部城市带试验中，出现东部地区大范围的降水偏少。同时东南亚地区降水也减少，而我国内陆却有微弱的降水增加信号。不同地区城市化影响气候的强弱存在差异，各区域地表气温变化和能量变化有着较好的对应关系，珠三角、长三角城市群的总能量变化远高于京津冀城市群，其局地增温也是京津冀城市群的一倍以上。京津冀城市群降水的变化也明显弱于珠三角、长三角城市群。结论：各区域城市群下垫面变化的夏季气候效应及其机理基本一致。当各城市群下垫面类型改变后，地表潜热蒸发显著减少，为了平衡地面能量收支，地面温度升高，进而感热通量、地表有效长波辐射增强，地表通过升温对能量进行再分配和再平衡，且下垫面改变引起的温度、地表能量变化基本集中于城市群下垫面变化区域，温度响应具有显著的局地性，而水汽条件改变是降水减少的主要因素；对比不同区域城市化温度响应的强弱，发现各区域地表气温变化和能量变化存在较好的对应关系，长三角、珠三角城市群的总能量变化远高于京津冀城市群。

来源出版物：大气科学, 2015, 39(3): 596-610

入选年份：2015

北京气候中心气候系统模式研发进展——在气候变化研究中的应用

吴统文，宋连春，李伟平，等

摘要：目的：较全面地介绍北京气候中心气候系统模式（BCC_CSM）研发方面所取得的一些进展及其在气候变化研究中的应用，重点关注全球近280 km较低分辨率的全球海－陆－气－冰－生物多圈层耦合的气候系统模式 BCC_CSM1.1和 110 km中等大气分辨率的BCC_CSM1.1（m），以及大气、陆面、海洋、海冰各分量模式的发展，为模式的进一步推广应用提供参考。方法：基于 BCC_CSM1.1和 BCC_CSM1.1（m）参与CMIP5国际耦合模式相互比较计划的大量数值模拟试验结果，评估了对当代气候尤其是降水和温度的模拟性能，分析了对近千年历史气候的模拟结果，对比了与CMIP5其他气候模式在近百年气候变化模拟及未来百年气候变化预估方面的差异。结果：两个气候模式及其分量模式的研发进展以及评估结果如下：（1）全球大气环流模式BCC_AGCM在模式动力框架和部分物理过程方面得到了改进，对当今气候的平均态和季节变化、极端温度和强降水过程、热带季节内振荡等都具有较好的模拟性能。BCC_AGCM模式水平分辨率的提高对降水区域性特征的模拟有一定程度的改进。（2）研发的陆面过程模式 BCC_AVIM已具备对动态植被和陆面碳循环过程的模拟能力，是BCC_CSM1.1和BCC_CSM1.1（m）的陆面分量模式。（3）研发的多圈层耦合气候系统模式BCC_CSM1.1和BCC_CSM1.1（m）在给定的观测温室气体、气溶胶、火山、臭氧、太阳常数等外强迫条件下，对 20世纪地表气温的气候平均和长期趋势都已具有较强的模拟能力。在全球分布上，较大的模拟误差主要出现在极区和青藏高原及周边地形复杂地区。相对于BCC_CSM1.1模式，较高水平分辨率BCC_CSM1.1（m）模式模拟的地表气温气候场有所改进。（4）BCC_CSM1.1和BCC_CSM1.1（m）均能较合理的再现当今全球年平均和季节平均降水的主要空间分布特征，BCC_CSM1.1（m）对区域性降水的模拟误差相对于BCC_CSM1.1有所减小，但在热带太平洋地区仍存在非常明显的赤道双辐合带现象。此外，二者在东亚地区模拟的降水强度均较观测偏弱。（5）对近千年历史气候的模拟表明，BCC_CSM1.1可以再现中世纪气候异常期和小冰期近千年全球尺度的典型暖冷时期。（6）BCC_CSM1.1和BCC_CSM1.1（m）对全球百年气候变化已具有一定的模拟能力，与国际上同等分辨率的气候系统模式性能相当。两个模式与CMIP5多模式集合平均值较为一致，但与观测相比，均略微高估了 20世纪的增暖趋势。在RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5三种典型浓度路径情景下，21世纪末，多模式集合预估的中国区域平均增温幅度分别达到 1.4℃、2.5℃和 5.7℃。（7）BCC_CSM1.1和 BCC_CSM1.1（m）属于简单的地球系统模式，在给定人类活动碳排放情况下，可以模拟全球大气CO2浓度年际变化特征，对全球碳循环已具备初步的模拟能力。结论：北京气候中心在气候模式的各个分量研发方面都取得了较大进展，所发展的气候模式BCC-CSM1.1和BCCCSM1.1（m）模式，具备对动态植被和陆面碳循环过程的模拟能力，其对全球主要气候特征与观测较为接近，对近百年全球温度变化的模拟和未来气候变化预估结果与CMIP5多模式结果相当。对于区域气候平均态的模拟，中等分辨率的 BCC-CSM1.1（m）模式优于分辨率较低的BCC_CSM1.1。

来源出版物：气象学报, 2014, 72(1): 43098

入选年份：2015

高分辨率MRI模式对青藏高原夏季降水及水汽输送通量的模拟

冯蕾，周天军

摘要：目的：青藏高原由于非常活跃的水分循环而被称为“亚洲水塔”。青藏高原夏季降水及水汽收支的多寡直接影响着东亚及南亚许多地区的径流量和水资源状况。数值模式是研究青藏高原降水及水汽输送通量的重要工具。当前低分辨率模式对青藏高原降水及水汽输送的模拟还存在很多不足。本文通过分析统一边界条件驱动下的不同分辨率的 MRI模式结果，重点回答以下问题：（1）高分辨率MRI模式对青藏高原夏季气候平均降水和水汽输送通量的模拟能力如何？（2）高分辨率MRI模式对青藏高原夏季年际异常降水和水汽输送通量的模拟能力如何？3）与较低分辨率的MRI模式结果相比，高分辨率的 MRI模式对青藏高原降水和水汽输送通量的模拟有哪些改进？方法：使用日本气象研究所（MRI）大气环流模式在同一模式框架下的4种不同分辨率下的AMIP积分试验结果进行对比分析：（1）TL95L40（水平格点数为192×96，相当于180 km）；（2）TL159L40（水平格点数为320×160，相当于110 km）；（3）TL319L40（水平格点数为640×320，相当于60 km）；（4）TL959L60（水平格点数为1920×960，相当于20 km）。当模式水平分辨率提高到20 km时，模式表现出无组织的对流活动和热带气旋减少等模拟偏差，因此，对 20 km分辨率的MRI模式进行了一系列细微的参数调整。但总体上 4种分辨率的结果是基于基本相同的物理过程，彼此间的结果具有可比性。同时，为了与高分辨率模式结果

进行比较，本文使用高分辨率的中国区域逐日降水格点化数据集 CN05.1（分辨率为 0.25°（纬度）×0.25°（经度）），以及高分辨率（分辨率为0.75°×0.75°）的全球再分析数据集ERA-interim，对模拟结果进行评估分析。结果：MRI模式能够较为合理地模拟出青藏高原夏季气候平均的降水空间分布，但对气候平均水汽输送通量以及降水年际变化的模拟却存在较大的误差。随着分辨率的提高，该模式对青藏高原气候平均降水的模拟有明显改进，包括降水年循环以及夏季降水的空间分布等。分辨率为180、120、60、20 km的MRI模式模拟的青藏高原7月平均降水绝对误差分别为2.2、1.2、0.7、0.2 mm/d。另外，高分辨率模式模拟的青藏高原夏季水汽输送通量的年际变化也更接近观测。当分辨率达到20 km时，MRI模式模拟的西风水汽输送指数与观测的相关系数达到 0.43，通过了 0.1显著性水平的显著性检验。但MRI模式对青藏高原夏季降水的年际变化以及气候平均水汽输送通量的模拟技巧并不随分辨率的增加有明显提高。低分辨率模式中模拟降水量偏大、印度季风槽偏强的现象在高分辨率模式中仍然存在。结论：本文重点考察了模式分辨率对青藏高原这一复杂地形地区降水及水汽输送模拟的影响。从理论上来说，气候模式水平分辨率越高，所描述的地形特征和下垫面情况越细致，气候系统的模拟就越接近实际。然而，本文青藏高原降水和水汽输送不同时间、空间尺度上的模拟性能对 MRI模式分辨率提高的敏感性却不尽相同，反映出模式分辨率对青藏高原气候模拟结果影响的复杂性。

来源出版物：大气科学, 2015, 39(2): 386-398

入选年份：2015