大气自由模与中高纬准双周振荡

用数值方法研究了自由模对强迫耗散系统解的轨线的影响。首先,用变分法得到实际大气自由模,并设计一族解析自由模——理想大气自由模;其次,以两类自由模分别作强迫场,初始场取1993年7月1目的500hPa流函数场,然后应用强迫耗散正压涡度方程的全球谱模式积分300d,得到：(1)以1992年12月27—28日500hPα的实际大气自由模作强迫场时,①α=γ=k≥0．02,强迫、耗散系数相等且足够大时．随着时间演变,大气总是接近自由模态;②强迫系数α=0．1,耗散系数γ=0．02时．中高纬出现局地性准双周振荡。(2)以理想大气自由模作强迫场时,固定耗散系数γ=0．01,强迫系数0．0095≤α≤0．011时,振荡周期与强迫系数呈正相关关系。     

印度洋海温异常对中高纬大气低频振荡影响的数值试验

用数值试验的方法,应用强迫耗散准地转正压涡度方程的全球谱模式,在方程中考虑了偶（单）极子的热力强迫作用,并在三个行星波准共振的条件下,模式共积分90d,得到：在偶、单极强迫热源和基本气流强度的共同作用下,三个行星波之间存在很强的波．波相互作用,且波动振荡呈现准双周和季节内振荡。同时偶、单极强迫源及基本气流的强度变化对中高纬大气的低频振荡调制作用不同。在准共振三波流函数场随时间变化的试验结果中,进一步证实了中高纬大气存在较好的低频振荡。     

ENSO事件与北半球中高纬低频振荡

采用诊断方法研究了E1 Nino和La Nina事件与北半球中高纬大气低频振荡。用1950—2003年北半球中高纬逐日500hPa高度场资料进行功率谱分析得出：（1）ENSO事件对中高纬大气低频振荡有调频作用，即夏季低频振荡较弱，冬季低频振荡较强。（2）E1 Nino（La Nina）事件有使低频振荡周期缩短（延长）的趋势。（3）ENSO事件对中高纬大气低频振荡的调频作用比中低纬明显。     

中高纬大气30—60天低频振荡的一种动力学机制

本文着重考虑非均匀基本流的正压局地不稳定性，研究中高纬低频振荡产生的动力机制。基本流是取1980年冬、夏300 hPa的位势场。结果表明正压局地不稳定性能较好地解释中高纬大气30—60 d天振荡。这似乎表明，低频振荡是大尺度大气运动和扰动相互作用的一种固有特征，而不是外源强迫的结果。本文还讨论了适于激发季节内低频振荡的基本流场。初值问题的研究发现中高纬大气30—60 d振荡呈纬向三波模态发展，与初始扰动和基本气流的冬、夏差别无关。     

用自由模对1998年夏季阻塞形势的诊断分析

签于大气自由模和阻塞高压的重要性 ,首先简要介绍阻塞高压与中国夏季降水的关系及 1998年夏季 5 0 0hPa异常环流场 ;然后利用 2 1波菱形截断的谱方法求出无粘性、无强迫正压涡度方程的自由解 ,即和实际大气流场十分接近的大气自由模 ,并讨论其特征 ;最后利用大气自由模的特征诊断分析了实际大气的环流特征 ,并重点用其分析了 1998年夏季的大气环流异常形势。结果表明大气自由模能很好地反映大气环流大尺度特征 ,而略去了中、小尺度涡旋 ;大气自由模的流场和绝对涡度场之间的散点图反映了 (q ,Ψ )的函数关系是分段线性或非线性的 ,尽管实际流场与绝对涡度场之间的点阵图反映两者之间成不同斜率的线性函数关系 ,但点阵比较发散 ,不能突出某些重要系统 ;1998年夏季实际大气自由模态突出了大气环流的重要特征 ,例如 ,越赤道气流、西风急流、副热带高压、阻塞高压及两极的边界效应等 ;通过自由模态的特征可以识别出纬向流及阻塞高压的持续异常 ,利用自由模的稳定性判断阻塞高压的稳定性 ,不稳定模态可以维持一段较长的时间 ,且由于这些不稳定的模存在 ,才使 1998年 6月中旬到下旬的中高纬阻塞高压稳定维持。     

ENSO事件对中高纬大气低频振荡的调频作用

采用诊断方法研究了El Nino和La Nina事件对中高纬大气低频振荡的调频作用。应用1950—1996年北半球中高纬逐日500 hPa高度场资料进行功率谱分析得出：夏季低频振荡较弱,冬季低频振荡较强;El Nino事件有使低频振荡周期缩短的趋势,La Nina事件有使低频振荡周期延长的趋势。     

中高纬度大气低频模态研究进展

大气低频模态是导致中高纬地区季节及气候变化的主要因素,加强低频模态动力机制的认识对于提高短期气候预测水平具有十分重要的科研意义和应用价值。由于中高纬大气低频环流本身的复杂性,关于其动力机制的研究仍然是大气动力学中重点难点问题。本文简单回顾了激发维持低频模态的前两种机制,即:外源强迫、气流的纬向非均匀性对大气低频模态的影响。从观测事实和模式结果出发,着重介绍了瞬变波与基本气流相互作用激发维持低频模态的第三种机制,且详细阐述了线性假设条件下,瞬变波与基本气流相互作用的动力机制。本文最后针对瞬变波与基本气流相互作用研究中一些尚未解决的问题进行了讨论。     

强迫耗散正压大气中四波共振

本文首次研究了含Ekman摩擦和非绝热加热的四波共振动力学．使用新的双时间尺度和新的时间变换式，由四波共振的广义Landau方程，导得普遍的非线性低频周期解，Ekman摩擦使得低频周期具有滞后和突变返回两个重要特征，而非绝热加热作用与中高纬准双周振荡有关，中高纬的30－50天振荡则与自由Rossby波准共振有关．本文还研究了四波共振产生的爆发性不稳定，指出较大振幅波产生的爆发性不稳定可能是阻塞迅速形成的又一重要原因，还首次得到在正压大气中Ekman摩擦能够激发爆发性不稳定．本文结果纠正了Craik于1985年提出的在流体力学中广泛应用的两个错误论断．     

大气对南极冰异常的遥响应及其季节内振荡

运用ＩＡＰＡＧＣＭ模式证实了大气对南极冰异常的强迫遥响应是激发产生全球大气季节内振荡的重要机制,进而着重考察了候平均偏差结果的时间序列,并且通过带通滤波处理,特别分析了响应场中３０～６０ｄ低频振荡的特征及其活动。通过分析发现：大气对南极冰减退的响应是一种具有３０～６０ｄ周期的低频遥响应,并呈现出清楚的二维Ｒｏｓｓｂｙ波列特征;强迫场中的３０～６０ｄ季节内振荡具有着同实际大气中的低频振荡相类似的垂直结构和传播特征。大气响应场中３０～６０ｄ振荡能量在垂直方向上随高度的增加而增加,在纬向上表现出明显的区域性特征,即季节内振荡的最大动能区（由于ＣＩＳＫ机制）分布在大洋内;ＥＵＰ,ＰＮＡ,ＡＳＡ和ＲＳＡ波列可能是全球大气低频扰动传播的主要路径,３０～６０ｄ低频扰动在波列路径上的传播具有很大的一致性和系统性,从而使中高纬和热带地区、以及南北半球的３０～６０ｄ大气振荡相互联系起来,而且可以认为,赤道中太平洋和赤道中大西洋地区是南北半球３０～６０ｄ低频振荡间相互作用和相互联系的重要通道。     

太平洋-印度洋海表温度加热对中高纬低频振荡的调频作用

用数值试验的方法，分别以无热源型、El Nino初期、El Nino成熟期对应的赤道中东太平洋与赤道印度洋海表温度作为外强迫源，应用强迫耗散准地转正压涡度方程的全球谱模式，考虑了摩擦耗散及3波准共振的共同作用，采用非定常、定常加热两种形式积分90d，研究了对中高纬大气低频振荡的调频作用。结果表明：（1）3个行星波之间存在很强的波-波相互作用，且波动振荡呈现准双周和季节内振荡；（2）在El Nino初期和El Nino成熟期，无论是赤道中东太平洋海温还是赤道印度洋海温在逐渐增暖的过程中，大气低频振荡周期都有缩短的趋势。1997年2月-1997年4月，赤道印度洋调节作用强；而在1998年5月，赤道中东太平洋调节作用强；（3）赤道印度洋西区对大气低频振荡的调节作用要强于赤道印度洋东区；Nino3区对大气低频振荡的调节作用要强于Ninol＋2区；（4）太平洋-印度洋海温异常模态在1997年10月为高指数（简称PIMI一型），在1996年9月为低指数（简称PIMI二型），前者对应的东太平洋-西印度洋区对大气的调频作用要大于后者对应的西太平洋一东印度洋区。     

非绝热加热对中高纬大气低频振荡的调频作用

用诊断方法和数值试验两种方法,研究了非绝热加热对中高纬大气低频振荡的调频作用,首先应用１９７９～１９８９年欧洲中心资料进行功率谱分析,得到：（１）夏季与冬季相比,波动的主周期有有缩短的趋势,（２）ＥｌＮｉｎｏ事件和ＬａＮｉｎａ事件期间,冬夏两季的波动主要周期分别有缩短和变长的趋势,然后,应用强迫耗散准地转正压涡度方程的全球谱模式,考虑三个行星波准共振,积分９０ｄ,得到：（１）三个行星波之间存在的很     

正压大气中地形波与自由Rossby波的四波准共振

本文研究了正压大气中一个地形波与三个自由Rossby波的四波准共振动力学特征。由含大地形的准地转正压涡度方程，引入双时间尺度，导得了地用波与自由Rossby波的四波准共振耦合方程组，并求得其低频周期解．由数值计算表明，对于Charney所用地形高度，此解正是准双周振荡。大地形强迫是激发三个自由Rossby波相互输送能量的重要物理机制，使得二个自由Rossby波同时向第3个2波型自由Rossby波输送能量以形成准双周振荡或阻塞。这一结果与观测事实也比较一致。     

强迫二维Rossby波传播特征的数值试验

Bjerknes提出了大气对外界强迫响应的概念。大量研究已证明这一遥响应机制的存在,且大气对强迫源的遥响应及其低频活动的共同特征都表现为类似大圆路径的波列,Hoskins的理论研究揭示了这现象的实质,他把叶笃正所提出的Rossby波的频散理论推广到球面上。黄荣辉曾利用波折射指数平方与EP通量系统地研究了北半球冬夏准定常行星波的传播规律。邹晓蕾、叶笃正、吴国雄提出了中高纬的相关链、定常地形波链,并指出北美与东亚相关型的差异与两区域地形准定常波在不同纬向流中传播的差异有关。观测分析亦表明,青藏高原是大气低频振荡的强迫源,且在此区域可产生向北、向南或向东、向西传播的波列。     

热带和中高纬地区季节内振荡的特征及其动力学诊断

使用5年低阶全球谱模式资料,对中高纬大气和热带大气季节内振荡的动力学性质和传播特征进行了诊断研究。分析发现模式再现了大气中季节内振荡在热带和中高纬地区的传播特性以及它们之间的差异。热带大气30—60天振荡在速度势场上表现为纬向—波结构和行波特性,而在散度风场上反映了赤道西太平洋—印度洋东西向偶极子型的振荡。中高纬大气30—60天振荡表现为定常波位相和振幅的变化,即波包络的传播特征。它与中高纬地区遥相关型的转换有关,通过遥相关位相和振幅的变化,不仅完成了热带和中高纬地区之间以及热带不同区域之间的能量输送,而且通过这种能量输送过程把南、北半球中高纬地区季节内振荡联系起来。      

全球大气季节内振荡的机制研究

本文利用经过滤波的1980—1988年欧洲中心资料及1980—1983年OLR滤波资料,初步分析了全球大气季节内振荡的机制,得到如下结果:全球大气的季节内振荡有内在联系。赤道区域势函数场的季节内振荡表现为行星波的东传。OLR场在60E—150W范围有东传,60W—0有明显的40—50天振荡。散度场则表现为散度中心的孤立局地振荡。在季节内时间尺度上,暖水域上OLR振荡中心与散度振荡中心相对应;冷水域上散度振荡中心则没有OLR振荡中心对应。低纬散度场的40—50天振荡与中高纬季节内振荡有很好的相关。低纬区域60E—150W与60W—0范围的OLR季节内振荡可能是南北半球中高纬大气季节内振荡的源。     

地形对大气低频振荡影响的数值研究

使用五层全球谱模式研究地形对月、季尺度低频振荡的影响。该模式为三角形截断，截断波数为１０，并含有较为完善的物理过程参数化，对分别用有地形和无地形模式来模拟的低通滤波资料进行了分析和比较。结果表明，地形强迫产生的月、季尺度低频波列有明显的季节特征。北半球夏季由地形影响产生的热带热源是南北半球低频波列的源。模拟结果进一步指出北半球地形强迫产生的波列扰动可以引起赤道纬向流的异常，这种纬向流的瞬变强迫可以     

东亚和西太平洋地区 30～60天振荡的传播及其与月平均基流的相互作用

选取1985年和1988年这两个东亚和西太平洋地区月平均流场差异很大的年份,研究30～60天低频振荡的传播及其与月平均基流的相互作用.结果表明:在这两年,东亚和西太平洋地区的30～60天低频振荡受到两支低频涡旋的影响,其中一支来源于热带东印度洋,另一支源自中太平洋.在大部分时间里,这两支低频涡旋相遇于20～30°N地区,并影响到该地区位势高度场的变化.当低频气旋(反气旋)移经西太平洋的时候,该地区的位势高度场相应地降低(升高).另一方面,该地区的30～60天振荡还有着显著的年际差异.1985年的波列活动显著,中高纬低频涡旋南移至日本南部洋面.与1985年不同的是,虽然1988年的波列活动不明显,但中高纬的低频涡旋可向南传播至南海地区.从30～60天振荡和月平均基流的动能和有效位能相互转换来看,正压过程、湿斜压过程和干斜压过程的值相当,因而上述3种过程均有可能起主导作用.但转换强度存在年际差异,1985年的值远比1988年的大.研究还表明,暖池地区的30～60天振荡向月平均基流输送能量,中高纬地区的30～60天振荡则从月平均基流获取能量.     

原始方程系统中的无加速定理II:纬向平均温度的变化

利用作者在本文第Ⅰ部分提出的原始方程系统中的无加速定理,这部分讨论大气动量、热量的内外源强迫对纬向平均温度场的作用。数值计算结果表明:外源热力强迫引起的温度场的变化主要在对流层下层;而热力内强迫的作用在中高纬对流层中分布较均匀,两者在维持纬向平均温度场的变化中十分重要。机械外强迫和机械内强迫各自的贡献次之。平均经圈环流的贡献则主要在对流层顶附近及平流层中,由于热力内强迫产生的位温变化在一定程度上大致被热力外强迫所平衡,而机械内、外强迫则具有相似的空间分布,从而,总的热力强迫所引起的位温变化的分布基本上为总的机械强迫作用所平衡,纬向平均位温的准定常状态由此得以维持。     

原始方程系统中的无加速定理——Ⅱ:纬向平均温度的变化

利用作者在本文第Ⅰ部分提出的原始方程系统中的无加速定理,这部分讨论大气动量、热量的内外源强迫对纬向平均温度场的作用。数值计算结果表明:外源热力强迫引起的温度场的变化主要在对流层下层;而热力内强迫的作用在中高纬对流层中分布较均匀,两者在维持纬向平均温度场的变化中十分重要。机械外强迫和机械内强迫各自的贡献次之。平均经圈环流的贡献则主要在对流层顶附近及平流层中,由于热力内强迫产生的位温变化在一定程度上大致被热力外强迫所平衡,而机械内、外强迫则具有相似的空间分布,从而,总的热力强迫所引起的位温变化的分布基本上为总的机械强迫作用所平衡,纬向平均位温的准定常状态由此得以维持。     

中高纬大气季节内振荡特征的诊断研究

本文采用ECMRWF1980—1988年u,v,z格点资料,进行Munakami带通滤波,分析中高纬大气季节内振荡的动力学特征及传播特征,以及与热带地区季节内振荡的差异。 在全球高度场单点相关图上,南北半球都有类似于波列的分布结构,它们有相同的视源区与视汇区,季节内振荡具有全球尺度特征。超前或滞后相关图上,可以发现季节内振荡具有40—50天振荡周期。 在高度场四个位相合成图上,我们发现中高纬高度场上反映的季节内振荡为定常波的振荡,即波列位相与振幅的振荡。 低纬地区速度势函数冬季为纬向一波结构,夏季为二波结构。合成的赤道区域时剖图上,冬季X场东传明显,夏季则仅东半球有东传现象。OLR场冬季主要为150E为节点的东西向偶极形式的振荡以及60W—O范围的局地振荡。 热带区域季节内振荡主要表现为行星波的传播,而中高纬大气的季节内振荡表现为定常波的振荡。