波状基本气流中的若干扰动动力学问题

纯粹的平直西风是非常少见的。在平均图上大槽大脊非常清楚。这些平均槽脊表示在大气中有着位置比较稳定不变的大型扰动。波谱分析的研究证实了这一点。因此环流的最基本状态是波状的西风带,而不是平直西风带。本文就是研究波状西风带中扰动动力学。由扰动方程中可以看出通过西风带中的基本波动,不同波长的扰动有了相互制约的关系。以平直西风为基本气流的扰动方程中不出现这种现象。 本文给出了若干扰动相互制约的规则,并研究了初值为一单波的扰动在波状西风带中的演变过程。理论计算给出了若干符合于观测事实的现象,尤其是一个槽的加深过程颇似Bjerknes辐散槽的模式。     

大地形和外源激发的定常和非定常的行星波动

利用包括地形和外源的涡度方程，讨论了大地形和外源产生的定常和非定常行星波动，结果显示，在西风带，地形和外源都能激发出定常和非定常行星尺度波型扰动，在东风带只能产生地形和外源附近的衰减型扰动，对非定常流场，西风带中只能在地形或外源的下游激发行星波动，在地形和外源的上游没有扰动流场产生，当时间ｔ≥ｘ／ｕ时，在下游可得到稳定的行星波动，小于这一时间，行星波动处于建立过程中；在东风带，地形和外源激发的衰减     

地形对西风带常定扰动的多层模式

应用四层模式,讨论了西风带的常定扰动。结果表明,冬季波数1—2的地形常定扰动可以影响到平流层,而夏季的影响很小。     

大尺度热源、热汇和地形对西风带的常定扰动(二)

本文第二部分根据简单的两层斜压模式,用小扰动分别解出地形、热源的常定扰动和地形与热源的共同扰动.作者得到西藏高原对于东亚平均槽、脊的形成具有一定的作用.洛矶山加上格林兰高地后更能解释北美槽、脊的形成.在夏季由于西风带的北移,只有地形作用也使得平均槽的强度和位置发生变化.热源的扰动作用对平均槽的生成具有更显著的作用,冬季的西风急流和夏季小槽的生成都和热源扰动更有直接的关系.考虑了热源和地形的共同作用后所得的扰动流型更接近了实现.由此作者提出热源和地形作用通过动力过程在大气环流中相互制约的统一性.     

东亚加热场和大地形对大气环流季节变化影响的数值试验

众所周知,地球的地貌以及由其引起的热力差异对于大气活动中心和平均槽脊的形成及其季节变化有很重大的影响。为了研究这种影响,我们最近用钱永甫等人设计的 P—σ二层原始方程模式和姚兰昌等人计算的1979年1—12月东亚大气平均冷热源进行了一些数值试验。试验共分两类,一类是有地形无冷热源,一类是有地形有冷热源,都做了12个月。试验的主要结果是(1)大尺度地形产生的扰动及其年变化和实测的西风带平均槽脊形势及其年变化是相似的。(2)大地形扰动的强度和西风带的强度成正比,可是大地形扰动的季节变化主要是与急流的位置变化有关。(3)加热场的一个主要作用在于加深东亚大槽和减弱高原北面的地形脊。(4)无论冬夏加热场作用总能使最大西风有所增加。加热场对对流层急流位置的季节变化有所贡献。(5)东亚的加热场对盛夏南亚高压的建立有重大贡献。还需指出的是看来热源处在对流层平均风速很小的东西风交界处是南亚高压生成的必要条件。     

大尺度加热与东西风带中不稳定扰动的激发

文中通过一些简化假定,得到了包括非绝热加热的一参数模式。导得加热存在下的正压不稳定的必要条件是β-d~2u/dy~2 q~2u S~2H/K=0,研究了大尺度加热对东西风带不稳定扰动及定常波型扰动的作用。结果指出,加热场对东西风带正压不稳定扰动的影响与加热和流场的相对配置有关。此外,大尺度加热可以在西风带激发出定常波型扰动,而在东风带只能产生衰减型扰动。激发西风带定常波型扰动的非绝热加热场的水平半径尺度,应大于L_c=(u/β)~(1/2)。最后还考虑了摩擦的作用。     

斜压大气中的地形扰动

本文主要讨论地形对天气系统的影响,研究了斜压大气中地形背风气旋的问题。用小参数法简化基本运动方程,利用青藏高原和落基山脉的实际地形,采用FFT的数值方法,考虑了不同地形、风切变、大气层结等诸因素对地形扰动的影响。结果表明:青藏高原和落基山脉东侧的地形扰动与统计结果较一致;层结对地形扰动的影响较敏感。     

A Multilevel Perturbation Method-Hydrostatic Deduction and Its Applicability to Designing the Nonhydrostatic Model

在尺度分析的基础上,利用大气垂直运动方程中各项量级的分布特点,提出了多级扰动法.通过它可以使该方程中量级最大的垂直气压梯度力项(VPGF)和重力项(G)的相应扰动项的量级随级次n的增加明显减小,而其他项的量级不变;而且,方程中最大的垂直截断误差的量级也随n的增加而减小,直到高级扰动项不再是扰动方程中仅有的最大项时为止.另外,因截断误差的量级和被离散项的量级成正比,在方程中VPGF的截断误差就是该方程中最大的垂直截断误差,可以表示该方程的总的垂直截断误差.故垂直气压梯度力扰动项的量级的减小还可以使该方程中最大的垂直截断误差减小,用多级扰动法可以使最大垂直截断误差控制在可容许的范围内,使垂直气压梯度力扰动项和重力扰动项计算准确,可以较好地描写对流活动.这样,最大垂直截断误差对倾向的影响就不致歪曲或掩盖垂直柯氏力项和曲率项对倾向的贡献.还可以证明:扰动平衡方程的解是静力扰动.多级扰动法实质上是多次利用扰动平衡方程的解,从低级扰动中扣除其所含和解大小相同的静力扰动部分,使高一级扰动项的量级减小,达到其与其他项量级接近,以减小方程中的最大量级差的一种方法.而且,n的变化不影响方程的性质.可以说,多级扰动法使大气基本态垂直廓线有较大的改善,使其与大气实际垂直廓线很接近,通过静力平衡,使基本模式大气不包含垂直声波.     

近共振地形强迫Rossby孤立波

利用扰动展开和时空伸长变换导得了包括地形强迫的非齐次ＫｄＶ方程，讨论了近共振地形强迫Ｒｏｓｓｂｙｙ孤立波的产生，及其与自由孤立波的相互作用，得到了一些有意义的结果，显示出地形对扰动具有明显的增幅作用，在某种程度上可以解释局地地形在阻塞高压形成中的作用。     

包括大地形作用的大气环流模式的长时期性状

本文用一个两层斜压原始方程模式研究了包含大地形作用的大气环流模式的长时期性状.首先以刚体旋转为初值条件,用绝热无摩擦的两层斜压模式作了一个月的数值积分,研究了模式大气对纯粹地形强迫的响应.结果发现积分至第15天以后,中纬度西风渐弱,使得积分前期由地形强迫产生的槽脊难以辨认.本文通过不同模式之间的比较,对500hPa高度场上的球谐分析以及对动量方程的诊断,认为它是一种确定的动力学现象,而不是计算紊乱.在模式中引入纬向对称型加热和地面摩擦过程后,即使将模式积分长达5个月以上,由地形强迫激发的扰动所形成的槽脊仍可长久地维持,但它不是简单意义下的定常波,位相分析表明只有二波分量近似驻波,与转盘实验结果相似.     

夏季月份赤道西风的变动及其与低纬环流的关系

本文利用1979年5—8月的FGGE网格点资料,设计了一个判别指数|v/u|,用来确定赤道西风的存在及其演变特征。分析表明,赤道西风是印度洋低纬地区的一支重要的基本气流。文中分析了这支基本气流的三维结构,并粗略地论述了它与该地区环流的关系。     

决定大氣環流的基本因子

大氣環流一般理解為大氣准常定的平均狀態,也有理解為某一段時間內大氣中大型形勢的變化过程。其实,这兩种正是大氣環流一個問題的兩种表現,它們是密切的联系着,它們是一個整体。大氣環流顯然是一個錯綜複雜的問題。但自然界中現象的發生,必然存在一些客观的因子,探討其客观因子,对於大氣環流問題的認識与解决定有很大幫助的。本文所討論,就是对於决定大氣環流的因子提供一些具体意     

The application of a present-day climatic model to the late quaternary in southern Africa

A present-day climatic model is presented in which extended wet spells of near-decadal duration and dry spells of similar length are explained on the basis of surface and upper tropospheric circulation variations. Wet spells are shown to be the result of increased tropical atmospheric disturbances and tropical-temperate interaction, and to be linked to variations in the Walker Circulation. Conversely, dry spells are shown to result from diminished tropical activity over southern Africa, equatorward movement of westerly storm tracks and temperate perturbations in the westerlies.The present-day analogue is compared to preliminary spatial reconstructions of the climate of southern Africa over the last twenty-five millennia and is shown to have wide applicability in the explanation of the late-Quaternary palaeoclimates of the subcontinent. In particular, it is argued that the Last Glacial Maximum was associated with northward-displaced circulation conditions similar to those of present-day dry spells over the summer rainfall region, whereas the extensive moist conditions that prevailed for several thousand years after 9000 BP were analogous to present-day wet spell conditions with little apparent displacement of major circulation features.     

A reanalysis of the relationship between strong westerlies and precipitation in the Great Plains and Midwest regions of North America

A conceptual model relating expanded or strengthened mid-latitude summer westerlies with summer precipitation patterns has been used to explain past drought events in the Great Plains and Midwest of North America, including drought between 1200 and 1400 AD. However, this relationship was originally described using 20 years of instrumental data from the mid 20{th} century, and has not been verified with modern datasets. We reinvestigated the relationship between July westerlies and precipitation in the United States using instrumental records of the last 55 years. We also investigated whether changes in summer zonal flow patterns associated with precipitation anomalies represent a shift in the latitude of peak westerly winds or an increase in wind speed, or a combination of both.Finally, we briefly compare the pattern of precipitation anomalies to paleoclimatic records of drought between 1200 and 1400 AD. Results confirm that strong westerlies are associated with a band of decreased precipitation extending from the northern Rockies into the Midwest. Changes in summer westerlies associated with these patterns are characterized by a strengthening of mean westerly winds, with only a slight southward shift of peak winds over the Atlantic. Changes in the strength of the westerlies over both the Pacific and Atlantic appear to be important to precipitation deficits in the Midwest. Proxy-climate records from 1200 to 1400 AD indicate widespread drought in the Great Plains and Midwest, consistent with the hypothesis of stronger westerlies at this time. However, drought conditions also extended to other regions of North America, indicating a more detailed understanding of the potential causes and synoptic climatology is needed.     

Coupling effect diagnoses of quasi-stationary mesoscale vortex in Guangxi rainstorm process of China

The mesoscale weather system which affected the Guangxi flash-flood-producing rainstorm of China in June 2008 is a quasi-stationary mesoscale vortex. Its genesis and development is closely related to the coupling effects of weather systems in different scales and different latitudes. On the one hand, the coupling of synoptic scale high- and low-level jets provides the environmental conditions for development of vortices and vertical circulations in the mesoscale vortex; On the other hand, the coupling of waves in mid-latitude westerlies and perturbations in low-latitude warm-moist flow under the influence of complex terrain makes the mesoscale vortex circulations strengthened. With the piecewise potential vorticity (PV) inversion method, PV anomalies in different regions are analyzed; also the vortex-vortex interactions and vortex-background flow interactions are diagnosed. Thus, the reasons why the mesoscale is quasi-stationary at first, while developing and deepening later are indicated. Under the condition of coupling effects, the vertical motions accompanied with the mesoscale vortex can be diagnosed with the PV-ω inversion system based on the analysis of quasi-balanced flow.     

1982-1983年冬季厄尔尼诺期间大气环流异常的诊断分析

本文利用ECMWF的逐日资料,对比分析了1982年12月和1980年12月的平均大气环流情况,结论是:1982—1983年El Nino事件对全球大气环流有重大影响。(1)El Nino事件不仅使Hadley环流得到加强,而且使所有经圈环流都有所加强;(2)El Nino事件使两个半球(特别是北半球)的中纬度西风加强,使对流层低层及中纬度200hPa附近的温度升高,中纬度的对流层低层有弱的降温;(3)El Nino事件使大气湿度明显增加,但在北半球副热带地区除近地面层外湿度都明显减小。 同大气环流基本状态的异常相应,El Nino事件也导致了大气中动量、热量和水汽输送的明显异常。这些物理量输送的异常不仅同平均环流的异常有关,而且扰动(特别是行星尺度的扰动)对此也有着重要贡献。      

20世纪90年代以来东北暴雨过程特征分析

使用1990～2005年全国730站日降水资料和NCEP格点分析资料对1990～2005年东北地区大暴雨过程进行了分类研究,探讨21世纪前后夏季东北暴雨的主要特征.按照东北地区日降雨量大于50 mm的站点数不少于5个的标准,统计出1990～2005年东北地区的69个暴雨个例(共90天).在统计的基础上,进一步对造成大范围暴雨过程的天气形势进行分类研究.考虑阻塞高压、热带、副热带系统和西风带之间的相互关系,将暴雨过程的主要影响系统大致分为6类:(1)台风与西风带系统(西风槽、东北低涡)的远距离相互作用(20个,28.9%);(2)登陆台风(或南来低涡)北上与西风带系统(西风槽、东北低涡)相互作用(16个,23.2%);(3)台风直接暴雨(1个,1.5%);(4)低槽冷锋暴雨(16个,23.2%);(5)低空切变型暴雨(2个,2.9%);(6)东北低涡暴雨(14个,20.3%).在所有个例中与台风有关的共有37个,超过一半,占总数53.6%.台风的远距离水汽输送或登陆台风北上与西风带系统相互作用是东北地区产生大暴雨或持续性大暴雨的重要环流条件.此外,东北低涡和西风槽前系统造成暴雨个例也比较多,也是东北地区大范围暴雨的重要影响系统,低槽冷锋暴雨和东北低涡暴雨也各分为4小类.低空切变暴雨的切变线一般在低层较为明显.上述分析表明,夏季东北地区暴雨过程种类繁多,情况较为复杂,且进入新世纪以来该区降雨过程较为活跃,值得深入研究.     

西太平洋副热带高压的年际变率及其与ENSO的相关性

利用NCEP资料定义了西太平洋副高的强度指数、脊线指数，并对这两种指数进行功率谱分析，且分别与Nino3指数作相关性分析，发现副高强度指数、脊线指数都存在年际尺度的变率，而且与Nino3指数在年际尺度上存在很好的相关性。在此基础上，对可能引起副高年际变率的机理作了尝试性探讨：在年际尺度上，副高脊线位置首先出现异常南移，同时副高强度减弱，副高南侧正的西风距平加强了赤道纬向西风；异常的西风使得暖水向东传播，约2个月后Nino3区海温异常升高并西传，其后约1个月中太平洋海表温度异常升高，中太平洋海水升温的同时加热大气，在。Hardly环流作用下，约3个月以后，副高开始增强。     

2018年1月南方雨雪天气的形成及其与冬季风异常的关系

2018年1月3～7日和24～28日,我国南方地区出现了两次雨雪冰冻事件。本文利用台站观测资料和再分析资料,研究了它们的形成原因及其与冬季风异常的关系。结果表明,两次降水过程中,乌拉尔山地区有高压脊稳定维持,西风带多小波动活动,南支扰动活跃。受冷空气和南支槽等系统的影响,南方地区出现大范围降水、降雪,而这种稳定形势与平流层的环流特征有关系。1月平均的平流层极涡强度异常偏强,有利于低层环流的稳定。在1月份,南北不同纬带冬季风的强度有着显著的差别,大多数情况下呈现了不一致甚至相反的态势。南方雨雪冰冻天气往往发生在北方北风偏强、而南方南风偏强的时候。在季节尺度上,当冬季风呈现“北强南弱”的反相变化模态时,即北方北风、南方南风距平时,南方地区容易出现雨雪天气。     

欧亚地区500百帕上纬向风特征及其与中国天气的关系

本文定义了两个指数:一个是西风极区带面积指数，另一个是西风带强度指数。发现北半球纬向环流有几个周期振荡，中国的天气与北半球西风带强度及其南北迁移有密切关系。