赤道不稳定波能量收支的数值模拟分析

最新海表温度卫星观测资料分析表明在赤道东太平洋和大西洋附近存在赤道不稳定波（tropical instability waves）。赤道不稳定波通常于每年春末夏初出现,以约0.6 m/s速度向西传播,周期为20~40天左右,波长约为1 000~2 000 km,可改变赤道附近海洋的热量平衡,并引发强烈的局地海气作用。利用CCSR/NIES/FRCGC AOGCM MIROC 100年的模式输出结果,计算了赤道不稳定波的爆发时间、波长、传播速度、周期,并与观测资料作对比分析,以考察模式对赤道不稳定波的模拟能力。结果表明,模式较好地再现了热带太平洋的海洋内部中尺度动力-热力作用过程,成功模拟了赤道不稳定波的基本特征,发现赤道不稳定波主要存在赤道南北不超过6个纬度的浅层海洋中,除赤道表层外4~6 ?N海洋温跃层中也有赤道不稳定波。对赤道不稳定波的能量进行诊断分析表明其能量主要来自赤道附近洋流经向切变产生的正压不稳定,赤道以北海洋温跃层中赤道不稳定波能量主要来自由浮力作用产生的斜压不稳定,两者的共同作用形成了赤道不稳定波的赤道不对称结构。     

赤道地区向西传播的40天周期低频波

本文用滤波和EOF位相合成技术对1981年7—12月份赤道地区出现的向西传播的40天周期低频波进行了分析。结果认为东太平洋地区从南半球到北半球的越赤道40天周期温度波是产生这种西传波的主要原因。这种波动主要产生于两个源地:一个是赤道150°E附近的对流层下层;另一个是110°W的赤道对流层上层。这两处产生的低频波性质不一样,前者与对流密切相关。通过计算整层积分的非绝热加热Q_1和水汽汇Q_2,结果表明Q_1加热中心在东太平洋也有越赤道传播。在150°E以西Q_2加热中心是向西北传播的,与低频波方向一致,Q_1的传播特征不明显,这说明西太平洋地区的热带对流可能有这种周期振荡。     

热带对流层上部的波

从六十年代发现了赤道平流层下部行星尺度波以来,对热带波的研究产生了较大的兴趣。迄今已清楚地从平流层资料中分析出两种原型赤道波——Rossby-重力混合波和Kelvin波。早期的赤道波理论模式没有提供什么线索说明,大气赤道波生成的物理机制和以某种波占优势的物理机制。然而,现在我们已有热带波能量循环的一些观测证据。Yanai和Hayashi利用互谱分析方法,指出实测的Rossby-重力混合波是与对流层顶上波能向上通量相联系的,平流层赤道波的源地在对流层内。Nitta指出,热带西太平洋上空对流层波的涡动动能主要是由涡动有效位能转换来的,后者是由对流层上部凝结潜热释放所产生的。但是,     

热带大气对单一型赤道非对称热源的响应

本文采用Gill模式得到了热带大气对单一型赤道非对称热源响应的理论解析通解,从理论上完善了单一型赤道非对称热源激发的赤道非对称的大气响应结果。同时在单一型赤道非对称热源的位置、强度及范围变化对大气响应的影响方面做了详细的研究。当热源中心位置北移,北半球气旋强度增加、位置北移,同时赤道辐合气流减弱而越赤道气流增强;当热源强度增强(减弱),热源激发的大气响应整体增强(减弱),但大气分布型不发生变化;当热源范围不断增大(减小)时,北半球气旋强度增强(减弱)、位置西移(东移)、范围增大(减小),同时越赤道气流增强(减弱)。将上述结论应用于分析孟加拉湾地区海温对夏季风爆发影响的研究,指出当孟加拉湾地区经向最大暖海温位于赤道附近时,其两侧表现为Rossby波响应的Gill型气旋环流,而海温暖轴北移后,其南侧激发出有利于季风爆发的越赤道气流,这是Rossby重力混合波对热源响应的结果。这是上述理论结果的一个很好例证,同时也为孟加拉湾夏季风的爆发给出一种动力学解释。     

淮河流域夏季降水与低纬地区波列结构的关系

利用NCEP/NCAR再分析资料,通过合成分析、诊断分析等方法,研究了淮河流域夏季降水异常年份的大尺度环流背景,并且分析了造成这种环流背景的可能原因。得到以下主要结论:在副热带地区,对流层低层存在一个自低纬向高纬传播的波列结构。在多雨年从低纬到高纬呈现"+-+-"相间的波列结构,而少雨年则相反,但是多雨年的波列强度要比少雨年强。利用波活动通量进行诊断发现:在多雨年,菲律宾到南海是明显的波源区,我国淮河流域和印度尼西亚是波汇区;在少雨年,印度尼西亚和我国淮河流域是明显的波源区,南海地区是明显的波汇区。这种波列结构的差异可能与淮河流域降水异常存在密切的联系。大气加热的不同可能是产生波列结构的一个重要原因。研究表明,赤道西太平洋大气热源的变化与我国淮河流域降水有密切的联系。印度尼西亚附近的赤道地区加热强,则淮河多雨;加热较弱,则淮河少雨。诊断分析表明,赤道地区加热强度的变化所产生的Rossby波的不同位相,与我国淮河流域降水的异常有密切的联系。     

论热带大气垂直环流圈的结构和海洋加热尺度间的关系

应用本征模式的浅水运动方程,研究了热带大气中Walker环流和Hadley环流圈的垂直结构和海洋加热尺度间的关系,如热源的纬圈尺度为L,赤道Rossby变形半径为L_0,Ray-leigh摩擦和Newton冷却系数为ε,则垂直环流圈的结构依赖于加热尺度L的大小。当α(=L_0/L)>α_0(ε)时(即小尺度热源),其结果和Gill的定常解相似,即在热源中心西侧的Rossby波活动区,与Walker环流相联系的Hadley环流,是热力性的正环流。低层空气是向赤道辐合,高层空气是向极地的,并在副热带地区下沉;而在热源以东的Kelvin波活动区,经圈速度的垂直分布反过来,即低层气流是向极地的,高层气流是向赤道的。但当热源尺度变得适当大后,例如当α<α_0(ε)时,经圈环流在Rossby波和Kelvin波区的大部分地区,都是正的Hadley环流,而原来在Kelvin波区的反Hadley环流,将东移到离热源中心相当远的地区(例如超过10个赤道Rossby变形半径)。在后面这种情况下,一个大尺度的正的Hadley环流,将把大气从海洋中得到的热量或能量大量地输送到副热带或中纬度地区,使那里的大气环流发生异常性的变化。后面这一理论结果与统计事实相当符合,可以看成是对Bjerknes提出的遥相关现象的一个理论支持。     

论陆架波系动力学及其在厄尔尼诺信号传播中的作用

文中讨论了陆架波系和赤道波系在动力学上的相似性，和赤道波系一样，陆架波系也由惯性重力波、Ｋｅｌｖｉｎ波、Ｒｏｓｓｂｙ（长、短）波和有条件的Ｒｏｓｓｂｙ－重力混合波组成。指出，当　海洋三边存在陆架而一边为赤道时（如北太平洋），则陆架波系和赤道波系中的Ｋｅｌｖｉｎ波，　将以逆时针方向携带信号绕海盆一周，而两个波系中的Ｒｏｓｓｂｙ长波，将以顺时针方向绕海盆一周，即通过陆架波和赤道波为海洋中某些信号的传播组织成一个绕海盆的环路。这种物理　过程可望用以解释发生在海洋中的某些长周期现象，如Ｅｌ　Ｎｉ　ｏ现象。文中进一步　讨论了陆架波的各种简化运动。     

赤道不稳定波海气相互作用的数值模拟分析

赤道不稳定波(tropical instability waves)存在于热带东太平洋赤道附近, 通常于每年的春末夏初出现, 以约0.6 m/s速度向西传播, 波周期为20～40天左右, 波长约为1000～2000 km。本文利用一个全球高分辨率海气耦合模式对赤道不稳定波在赤道附近的热量输送进行分析, 表明赤道不稳定波产生指向赤道的热通量, 从而部分抵消了热带东太平洋地区由Ekman辐散和温度平流导致的强冷却效应, 维持热带地区的热量平衡。其对赤道冷舌区的增暖作用可以消除和减弱气候模式中热带东太平洋地区的系统性冷偏差, 能使冷舌的强度和分布得到合理的改善, 对气候模式的改进和发展具有潜在贡献。赤道不稳定波还可以改变赤道海洋上空低层大气层结稳定度, 导致近地层强的风场辐合辐散, 并进一步影响大气混合层的温度、 风场等气象要素。模拟分析结果还表明, 赤道不稳定波对大气强迫产生二次响应, 改变赤道上空逆温层的垂直位移和逆温强度。研究赤道不稳定波对热带海洋气候及其海气相互作用机理的理解具有重要意义。     

基本气流对赤道Rossby波和重力波的影响

应用考虑基本气流作用的赤道β平面线性模式，分析了基本气流对赤道Rossby波和重力波的影响。分析表明，基本西风气流中西传的赤道Rossby波和西传重力波仍有混合现象，基本西风气流将使Rossby波出现不稳定增长，而基本东风气流中的Rossby波和重力波是完全可分的。     

与季节内振荡-超级云团系统相关的赤道波的识别

文中重点研究与热带季节内振荡－超级云团系统相关联的赤道波的识别。考虑到赤道波的本质为截获在赤道地区的一般的气候平衡场附近的线性动力过程的固有模态,首先从原理上阐明了ＰＯＰｓ分析技术对于分离各类赤道波动的有效性,以后利用这种分析方法对日本静止气象卫星所观测到的黑体红外辐射温度资料进行了ＰＯＰｓ分析。结果表明,在热带季节内振荡－超级云团系统中,对应于４０ｄ振荡的模态基本表现为Ｋｅｌｖｉｎ波的结构;对应于１０ｄ左右的模态,亦为Ｋｅｌｖｉｎ波,而在２ｄ尺度上,则分别存在经向模态序号ｎ＝１和ｎ＝２的西进和东进惯性重力波。分析中还发现了西进的混合Ｒｏｓｓｂｙ重力波的存在。     

赤道不稳定波对海气相互作用影响的数值模拟分析

赤道不稳定波 (tropical instability waves) 存在于热带东太平洋赤道附近, 通常于每年的春末夏初出现, 以约0.6 m/s速度向西传播, 波周期为20～40天左右, 波长约为1000～2000 km.本文利用一个全球高分辨率海气耦合模式对赤道不稳定波在赤道附近的热量输送进行分析, 表明赤道不稳定波产生指向赤道的热通量, 从而部分抵消了热带东太平洋地区由Ekman辐散和温度平流导致的强冷却效应, 维持热带地区的热量平衡.其对赤道冷舌区的增暖作用可以消除和减弱气候模式中热带东太平洋地区的系统性冷偏差, 能使冷舌的强度和分布得到合理的改善, 对气候模式的改进和发展具有潜在贡献.赤道不稳定波还可以改变赤道海洋上空低层大气层结稳定度, 导致近地层强的风场辐合辐散, 并进一步影响大气混合层的温度、 风场等气象要素.模拟分析结果还表明, 赤道不稳定波对大气强迫产生二次响应, 改变赤道上空逆温层的垂直位移和逆温强度.研究赤道不稳定波对热带海洋气候及其海气相互作用机理的理解具有重要意义.     

西太平洋地区低频振荡特征及其同副高、台风关系的探讨

本文分析了1985年5—9月期间西太平洋地区850hPa上低频振荡的地区分布及其传播,除赤道辐合带活动区域外,西北太平洋副高及澳大利亚高压所在地区也是一个低频波十分活跃的区域。从时间上连续的低频天气图上发现,在低频分量方差大的地区有低频气旋和反气旋在准定常的位置上周期性地循环出现,其传播路径较有规则。它们同副高、台风的活动有较好的关系。北半球的低频振荡向南传播,可以激发南半球的低频波活跃,而南半球的低频波又可以通过影响越赤道气流进而影响台风的活动。     

行星波对平流层剩余环流的影响

运用欧洲中心ECMWF／ERA-40的资料,分析剩余环流速度v&#183;和W&#183;的变化,从而获得行星波的调整对气候的长期变化的影响。结果表明：赤道气流在低纬度赤道地区由对流层顶上升至平流层中层乃至顶部,而后在中纬度地区下沉,中心位置随季节变化在赤道附近南北移动;剩余环流呈现出准两年的周期变化,剩余速度v&#183;和W&#183;与行星波的振幅三者表现出较好的相关性。另外,行星波波数从1波调整为2波后,平流层低层50hPa以下剩余环流增强,30hPa之上减弱;行星波波数从2波调整为1波后,平流层中层30hPa以下剩余环流减弱,20hPa以上为增强。     

OLR资料所揭示的热带地区低频振荡的变化特征

本文使用1979年1月至1984年12月射出长波辐射(OLR)资料,对热带地区低频振荡的一些特性进行了研究,认为正常年份30—60天振荡的合成功率谱最强,El Nino年最弱。低频波活动冬夏差异较大,其年际变化大值区冬季在赤道地区,夏季位置偏北,位于印度洋和西太平洋。就六年平均而言,低频波在西太平洋及印度洋地区有明显的经向传播,赤道地区低频波的纬向传播主要集中在北半球夏季。此外,30—60天OLR滤波场的强弱与印度季风的爆发和减弱有较好的对应关系。      

切变基流中赤道Rossby包络孤立波(英文)

利用一个简单的赤道β平面浅水模式和多尺度摄动法，从描写赤道Ｒｏｓｓｂｙ波的正压大气位涡度方程中推导出在切变基本维向流中赤道Ｒｏｓｓｂｙ波包演变所满足的非线性Ｓｃｈｒｏｄｉｎｇｅｒ方程，并得到其单个包络孤立波子波解，并分析基本流切变对非线性赤道Ｒｏｓｓｂｙ孤立子的影响。     

切变东风基流和非绝热加热对热带扰动的作用

文中用斜压模式讨论了东风水平切变基流和非绝热加热对热带扰动的影响,指出:基本气流的切变有使西传波动加速,东传波动减速的倾向;切变会造成赤道Rossby波的不稳定发展;加热激发的赤道强迫波可以是垂直传播波.      

热带低频振荡影响中国东部冬季降水的机理

利用1979—2007年中国站点逐日降水记录、NCEP/NCAR大气再分析资料以及OLR资料等,分析了冬季热带低频振荡(MJO)与中国东部降水的关系及其伴随的大气环流扰动型,利用线性化全球大气环流模式模拟了大气对热带对流热源的响应,揭示了MJO影响中国东部冬季降水的机理。结果表明:热带对流活动从赤道印度洋西部东移至赤道西太平洋,中国东部冬季降水先后经历了长江流域多雨、整个南方多雨、华南多雨而长江流域少雨,这个过程大约经历了20 d左右时间。作为对东移性赤道热源的Rossby波型响应,当对流热源中心位于赤道印度洋中西部时,赤道以北地区的热源西部气旋式环流和热源东部反气旋式环流共同形成的西南气流扰动主要影响到中国长江流域,并造成那里多雨;而当对流热源中心东移到赤道印度洋东部时,西南气流扰动主要影响到中国华南地区,并造成那里多雨。     

索马里跨赤道气流对南海夏季风爆发的重要作用

通过分析NCEP/NCAR多年再分析资料,清楚地揭露了南海夏季风爆发与索马里跨赤道南风气流建立之间的重要关系.对应南海夏季风爆发,总是已先期在赤道印度洋地区有西风加强和索马里跨赤道南风气流的建立;而且,若南海夏季风爆发偏早(晚),赤道印度洋地区西风的加强和索马里跨赤道南风气流的建立也偏早(晚).可以认为,索马里跨赤道南风气流的稳定建立是南海夏季风爆发的重要物理机制之一,它的建立导致赤道印度洋地区西风的持续加强和向东扩展,并最终在南海地区形成西南气流.     

热带平流层低层的对称运动和反对称运动

文章从对赤道β平面上静止大气中线性方程分解着手,得出控制对称运动和反对称运动方程组,对方程求解,从理论上证实在热带子流层低层中存在两种特殊性质的运动即对称运动和反对称运动,并证实赤道Kelvin波是典型的对称运动,而混合罗斯贝-重力波是反对称运动。文章分析了非绝热加热对对称运动和反对称运动的影响,当非绝热加热为唯一的外源扰动时,对称的非绝热加热是产生Kelvin波的重要条件,而反对称的非绝热加热是产生赤道区域平流层混合罗斯贝-重力波的重要条件。另外,随着非绝热加热增加,对称运动和反对称运动强度也增加。     

IAP-AGCM对QBO模拟的动量收支分析（英文）

平流层准两年振荡(QBO)是赤道平流层(～100-1 hPa)变率的主要模态,可对中高纬地区的环流产生重要影响,但目前利用通用大气环流模式(GCM)对其进行准确模拟仍然是一个挑战.本文利用IAP大气环流模式(IAP-AGCM)的中高层大气模式版本(IAP-AGCML69)对QBO进行模拟,并对其动量收支情况进行分析.研究发现,QBO主要是由对流活动引起的重力波强迫(参数化)引起的,但该动量强迫被平流层赤道上升流所引起的平流过程显著削弱.模式可分辨尺度的波动强迫对赤道上空的QBO的总纬向风倾向有正贡献,在上平流层,其量值大小与参数化的重力波强迫相当.以上结果提供了对QBO形成机制以及模式模拟差异可能原因的认识.