1979～2020年北极和青藏高原臭氧低值区的动力输送特征比较

基于ERA5月平均再分析资料,利用Lorenz环流分解方法从定常和瞬变以及基流和涡旋的角度对比了北极与青藏高原臭氧低值区的动力输送特征。结果表明：动力总输送在两地上平流层作用最强,均使其臭氧浓度降低,且定常输送均强于瞬变输送,纬向与经向输送的作用均大致相反。然而,动力输送在北极地区的作用强度远大于青藏高原地区。北极地区纬向输送使得平流层中上层臭氧浓度降低,平流层下层臭氧浓度升高,经向输送的作用与之相反且强度明显偏弱,二者均主要作用于上平流层。青藏高原地区纬向和经向输送除在上平流层均使得臭氧浓度降低外,二者作用大致相反且强度相当,输送大值区在垂直方向上存在双中心结构,分别位于上平流层与上对流层—下平流层（Upper Troposphere–Lower Stratosphere,简称UTLS）区。两地区纬向和经向输送的差异均主要由定常涡旋输送所造成。青藏高原地区定常与瞬变输送的强度差异没有北极地区大。此外,两地定常和瞬变输送中涡旋对臭氧纬向平均的输送均起到主要作用,体现出涡旋输送在两地臭氧浓度变化的动力输送过程中发挥着至关重要的作用。     

北半球定常波输送西风动量的气候态及其年变化

利用高分辨率的再分析资料ERA40，分析了纬向平均状态下北半球不同尺度的定常波对西风动量沿经向输送的气候态及其年变化。结果表明，对流层中定常波对西风动量输送最强的区域位于中纬度对流层的中上层，定常波在该区域长年向北输送纬向动量，且输送中心随季节有南北移动和强弱变化。此外，在高纬度地区的对流层中上层以及赤道对流层顶附近还有两个相对较弱的输送中心。前者对西风动量的输送长年向南，其垂直范围从对流层低层一直伸展到平流层下层，中心位置相对固定，强度有明显的季节变化。后者位置也相对固定，但输送方向随季节改变。平流层中定常波对西风动量的输送主要位于中高纬度的平流层中上层，定常波在该区域长年向北输送西风动量，中心位置非常稳定，而强度则随季节变化明显。行星尺度定常波的输送作用与总波动的输送作用非常一致，并在很大程度上决定了波动对动量输送强度的季节变化。天气尺度定常波和10波以上的短波的输送作用主要集中在中纬度对流层的中高层。前者与行星尺度定常波共同决定了该区域内的输送强度，并主导了输送中心的南北移动；后者的作用很小，除夏季外均可以忽略。作者给出的不同尺度定常波对西风动量输送的气候态分布不但可以作为日后研究其年际变化的基础，而且还可以为大气环流模式对大气环流模拟能力的评估提供重要的参考。     

北半球冬季副热带高压带维持的涡度机制

本文利用涡度平衡方程讨论北半球冬季副热带高压的维持,计算发现,30°N副热带高压带地区,大型扰动所造成的涡度输送的辐散是维持这地区反气旋涡度的主要因子,这种辐散作用所造成的反气旋涡度主要发生在对流层上层,平均经圈环流对地转祸度的输送可以把它引导到对流层下层来。此外,我们还根据涡度输送的计算,讨论了西风急流的维持。向北的扰动涡度输送在45°N上空达极大值,因此它对中纬度西风和纬向平均急流的维持起着重要作用。但30°N上空,扰动的涡度输送为零,而平均经圈环流对地转涡度和相对涡度的输送都比较大,因此,可以认为副热带急流是在平均经圈环流作用下维持的。     

2009年2—3月我国南方连阴雨天气过程分析

利用JRA-25再分析资料分析了2009年2—3月我国南方一次连阴雨过程的环流背景,以及该时期西太平洋副高和副热带西风急流的异常活动,并计算了降水区域内的水汽收支。结果表明:(1)这次过程中,欧亚大陆上空阻塞形势稳定,我国北方地区长期由槽后脊前的西北气流控制,而在中低纬地区,西太平洋副高稳定在菲律宾海上空,加强了南方地区对流层中低层的西南风。这种环流形势使得北方干冷空气和南方暖湿气流在长江流域长时间对峙,形成了稳定的准静止锋,是影响这次连阴雨过程的主要天气系统。(2)对流层高层的副热带西风急流异常偏北,急流轴入口处南侧的辐散环流与低层西南气流北侧的气旋性辐合环流相配合,在长江流域上空形成利于降水发展和维持的动力结构。(3)偏北的西太平洋副高伴随着反气旋性环流异常,其西边缘的偏南风造成了来自西太平洋及南海低纬地区至我国南方的偏南风水汽输送支异常,它主导的经向水汽输送是造成主降水区水汽通量辐合的重要原因,对降水发展和维持的影响更为显著。     

定常波和瞬变波在亚洲季风区大气水分循环中的作用

利用欧洲中心ＥＣＭＷＦ１０ａ逐日资料，对定常波和瞬变波在亚洲季风区大气水分循环中的作用进行了计算分析。结果表明，瞬变涡动总把水汽从高水汽含量区送到低水汽含量区，实现与平均环流相反的输送，维持了热带地区和中高纬地区水汽的平衡。夏季定常涡动输送的经向分量是将水汽从热带向副热带输送的主要机制，而瞬变涡动输送的经向分量则是把水汽从副热带输送到中高纬的主要机制。由于季风经圈环流的存在，使得亚洲季风区的热带地区为重要的水汽源区，而其副热带和中纬度地区是水汽汇区，这与同纬度其它地区相反。     

一次高空急流增强过程中的中尺度扰动和动量输送特征

本文利用中尺度数值模式的高分辨率模拟结果,研究了夏季东亚副热带西风急流一次短时间尺度强度变化过程中的中尺度西风扰动特征和相应的动量输送特征。结果表明,此次急流强度短时间尺度变化以急流轴线为界,北侧增强,南侧减弱。急流整体增强和急流内部中尺度西风扰动的积累效应有关。急流入口区(出口区)南侧主要为西风动量水平通量辐散区(辐合区),北侧为辐合区(辐散区),西风动量水平辐合辐散区的水平尺度只有百公里左右,也属于中尺度范围,并且辐合辐散区一般位于地形坡度较大区域上空。西风动量的垂直输送与西风动量水平通量散度分布几乎一致,但数值小一个量级以上。     

寒潮期间高空波动与东亚急流的相互作用

本文分析了东亚寒潮爆发过程中,高空波动和高空急流的相互作用,得出如下结果:(1)高空波动的动量和热通量输送,使高空急流迅速加速并同时导致急流入口区质量环流的加强.(2)质量环流引起中高纬度对流层顶下沉并使高空锋区加强.(3)对流层顶下沉和高空锋区的加强促使平流层下层的气流沿对流层顶折叠处下伸进入对流层,造成对流层中、上部层结及位涡分布的改变.(4)位涡分布的改变制约了斜压波发展的能量源,致使高空波动减弱.     

中国北方冬季特冷月和特暖月的定常涡旋与瞬变涡旋的热量和角动量输送

定常涡旋与解变涡旋的热量和角动量输送对局地的大尺度运动的维持与变化起重要作用。Ho-lopainen对时间平均环流的涡度和涡度拟能的维持的诊断分析结果表明瞬变涡旋对时间平均气流的作用包括热量输送和角动量输送。对局地热量收支的贡献,定常涡旋的作用大于瞬变涡旋的作用。然而,Green对造成英国1976年夏季罕见干旱的500 hPa高压脊的形成做了分析,认为瞬变涡旋的动量输送是重要的。     

1982—83年厄尼诺年夏季大气涡旋活动及其物理量输送特征

本文采用ECMWF/WMO格点资料分析了1982—83厄尔尼诺年夏季北半球大气定常涡旋和瞬变涡旋活动及其动量、热量、水汽的输送特征和静止涡的E—P通量,结果表明:厄尔尼诺事件发生前后,北半球夏季大气涡旋活动有很大差异;厄尔尼诺结束后,北半球大气的定常涡旋活动明显增强,其动量、热量和水汽的向北输送异常加强,结果使太平洋等地热带高层东风减弱,副热带西风急流增强,副热带高压加强,以及东亚等地降水异常增多。本文的研究有助于理解热带海温强烈增暖对出现异常大气环流影响的物理机制。      

1979年7月热带地区的动能平衡

应用欧洲中期预报中心的FGGEⅢ-b个客观分析资料计算了1979年7月热带大气的动能平衡。热带环流系统的动能主要集中在定常涡旋部分。对流层下层,105°E和150°E为两半球间瞬变涡旋的通道。对流层上层,瞬变涡旋的通道和洋中槽相联系,位于150°E和30°W附近。 索马里急流是对流层下层制造动能的主要环流系统。对流层上层,南亚东风急流入口区制造动能,出口区破坏动能,其动能收支与中纬度西风急流相似。 非洲-阿拉伯海季风区和孟加拉湾—南海季风区的动能平衡很不相同。动能的垂直输送可能在季风环流中很重要。     

1950年平均经圈环流与角动量的平衡

本文利用了Buch和Starr与White所计算的1950年各纬度上空的平均经向风速([V]),绘制了子午面上的平均环流(全年:图1,冬季:图2,夏季:图3),图中显示出三个环型(cell),低纬度和高纬度的两个正环型与中纬度的逆环型。 1950年平均西风急流的位置正好处于中纬度的逆环流之中。全年平均的赤道辐合线位于北纬5°左右。自夏至冬三个环型均向北移,冬季半球Hadley环型伸向夏季半球去。三个环型的强度都是冬季大。 对于1950年北半球10°—70°的角动量平衡也作了分析(图4),并绘制了这个空间中角动量输送流线图(图5),其中应该提出,就是通过东西风的界面流线是铅直的,也就是总的来说,在东风带里产生的角动量不是在水平方向上输送到西风带里去,而是在铅直方向上输送到低纬度的高空西风里去,再由那里在水平方向上送到中高纬度去。 最后对于平均纬圈环流的维持也作了讨论,结论是:在中高纬度大型扰动起着主导作用,在低纬度则平均经圈环流是重要的。     

The East Asian Upper-Tropospheric Jet Streams and Associated Transient Eddy Activities Simulated by a Climate System Model BCC_CSM1.1

In this paper, major features of the upper-tropospheric jet streams simulated by a coupled Climate System Model BCC_CSM1.1 are evaluated through comparison with the NCEP/NCAR reanalysis. The jet streams consist of the East Asian subtropical jet (EASJ) and the East Asian polar-front jet (EAPJ). Associated stationary wave and synoptic-scale transient eddy activities (STEA) are also examined. The results show that the climatological positions of the westerly jet streams are well captured by BCC_CSM1.1, but with slight intensity biases. Statistics from the 6-h model outputs reveal that the jet core number (JCN) of ESPJ is significantly underestimated. Examination of the simulated seasonal evolution of the westerly jet stream indicates that the model has produced a westward movement of the EASJ core in May, one month earlier than that in the reanalysis. Analysis of stationary wave activities shows that the overestimated meridional wind component may have caused considerable enhancement of meridional momentum and heat transport. The stationary Rossby wave represented by the wave activity flux at the southern flank of the Tibetan Plateau is favorable to the growth of asymmetric zonal wind and the multiple-center pattern of JCN. Unlike the stationary wave heat flux transport, the model tends to systematically generate weaker transient heat flux over East Asia. Further analysis of STEA exhibits a general consistent pattern between the simulation and the reanalysis, while the intensity of the northern STEA branch associated with the EAPJ is greatly reduced. The deficiencies of eddy momentum and heat flux transport and accompanied eddy forcing may contribute to the biases of the simulated upper-tropospheric jet streams, suggesting the potential importance of midlatitude internal atmospheric dynamics in shaping the tropospheric general circulation, which is not yet fully and accurately resolved in the current BCC_CSM1.1.     

东西风廓线特征与大气运动平衡态定常波的相关关系及共振条件的研究

本文采用简化数学模型探讨了东、西风廓线特征与外源强迫下大气环流平衡态定常波结构的相关关系。文中采用实际观测资料研究了西风廓线特征与大气环流型季节特征之间的联系。研究表明,西风廓线冬、夏季节差异与中、高纬度西风槽“冬三夏四”波数差气候特征有关,且低纬强东风切变可作为赤道东风波周期振荡成因之一。冬夏西风廓线季节特征可导致大地形强迫效应、海陆加热因子影响作用的显著季节差异。研究还揭示了大气环流型优势波转换的基流特征影响效应,并导出了流场与纬向加热强迫源共振状态的西风廓线特征函数与临界曲线。     

南海夏季风爆发早晚的经向环流异常的机理研究

南海夏季风爆发与东亚地区的局地经向环流密切相关.本文利用线性局地经向环流诊断模式,定量诊断分析了1979~2003年5月1~15日的局地经向环流及其在夏季风爆发早晚年的差异,分析找出了在该关键时段对经向环流异常有正贡献的主要因子,从而确立影响季风爆发的相应天气过程及贡献机制.结果表明,在季风爆发早年期间,局地经向环流异常呈现为"Hadley环流"形态:上升运动(下沉运动)影响南海中北部(江淮地区),低空非地转南风(北风)影响南海中南部(华南和江南地区).季风爆发晚年的情况则与季风爆发早年相反.对造成经向环流异常的各个因子进行定量分析发现,经向分布不均匀的潜热加热的贡献作用最大,其次是温度平流和西风动量输送过程,与越赤道气流有关的边界效应则对南海中南部的低空南风有一定贡献.相应的天气学分析表明,季风爆发偏早年的副热带高空急流强度偏强且位置偏南,其动量输送过程导致对流层上层出现非地转南风、急流轴南侧(北侧)的华南(华北)地区出现高空辐散(辐合)和低层辐合上升(辐散下沉).与此同时,中纬度西风带扰动的南下和副热带高压脊从南海地区的撤出,中低层温度平流导致华中地区冷却和南海中北部增暖,进一步加强低纬地区上升、中纬地区下沉的经向环流异常.华南地区异常的非地转北风与南海中南部异常的非地转南风,显著加强了南海中北部的低空水汽辐合和对流潜热释放,从而激发出强烈上升运动.由此可见,中低纬天气系统配置能有效调节中国东部及南海地区的潜热加热和冷暖平流的南北分布,从而引起与季风爆发对应的局地经向环流的显著变化.     

Atmospheric Angular Momentum Transport and Balance in the AGCM-SAMIL

NCEP/NCAR reanalysis data and the spectral atmospheric general circulation Model (AGCM) of IAP/LASG (SAMIL) are employed to investigate the transport and balance of atmospheric angular momentum (AAM). It is demonstrated that SAMIL depicts the general features of the AAM transport and balance reasonably well. The AAM sources are in the tropics and sinks are in the mid-latitudes. The strongest meridional transport occurs in the upper troposphere. The atmosphere gains westerly momentum and transports it upward in the areas of surface easterlies, and downward into the areas of surface westerlies. Consequently, AAM balance is maintained. Systematic biases of the model compared to the reanalysis and observations are revealed. Possible mechanisms for these biases are investigated. In SAMIL, the friction torque in the tropics is stronger compared to the observations, which is probably due to the excessive precipitation along the Inter-tropical convergence zone (ITCZ) in the model, since the simulated Hadley circulation is much stronger than observed. In the winter half of the year, the transport center is in the lower troposphere in the SAMIL model, but it is in the upper troposphere in the reanalysis and observations. These discrepancies also suggest that simulations of convection and tropical precipitation need to be improved and that higher resolution is necessary for a quantitative simulation of AAM transport and balance. Results also demonstrate that the analysis of the transport and balance of atmospheric angular momentum is a powerful tool in diagnosing climate models for potential improvement.     

关于《大气环流的若干基本问题》

本文简要回顾了《大气环流的若干基本问题》的主要内容.以书中部分内容为例,通过和近期大气环流理论的进展相联系,指出叶笃正和朱抱真在书中表达的主要观点,如对大型涡旋在经圈环流中的第一性作用及其作为联系大气环流各主要成员和物理量输送中心环节的认识,对大型涡旋涡度输送在急流形成和维持中作用的强调,以及对大气环流成员和过程的内在统一性的认识等等,能为后来的理论进展所证实,或者和后来的理论互为补充.两位作者对大气环流物理本质和整体图像的深刻理解对大气环流理论的进一步发展以及理解气候变化的基本动力学依然具有现实的意义.     

Simulation of the westerly jet axis in boreal winter by the climate system model FGOALS-g2

The major features of the westerly jets in boreal winter, consisting of the Middle East jet stream (MEJS), East Asian jet stream (EAJS) and North Atlantic jet stream (NAJS), simulated by a newly developed climate system model, were evaluated with an emphasis on the meridional location of the westerly jet axis (WJA). The model was found to exhibit fairly good performance in simulating the EAJS and NAJS, whereas the MEJS was much weaker and indistinguishable in the model. Compared with the intensity bias, the southward shift of the WJA seems to be a more remarkable deficiency. From the perspective of Ertel potential vorticity, the profiles along different westerly jet cores in the model were similar with those in the reanalysis but all shifted southward, indicating an equatorward displacement of the dynamic tropopause and associated climatology. Diagnosis of the thermodynamic equation revealed that the model produced an overall stronger heating source and the streamfunction quantifying the convection and overturning Hadley circulation shifted southward significantly in the middle and upper troposphere. The two maximum centers of eddy kinetic energy, corresponding to the EAJS and NAJS, were reproduced, whereas they all shifted southwards with a much reduced intensity. A lack of transient eddy activity will reduce the efficiency of poleward heat transport, which may partially contribute to the meridionally non-uniform cooling in the middle and upper troposphere. As the WJA is closely related to the location of the Hadley cell, tropopause and transient eddy activity, the accurate simulation of westerly jets will greatly improve the atmospheric general circulation and associated climatology in the model.     

东亚副热带西风急流与地表加热场的耦合变化特征

利用NCEP/NCAR月平均再分析资料，采用奇异值分解方法分析200 hPa纬向风场与东亚地表加热场的空间耦合变化特征，揭示影响东亚副热带西风急流位置及强度变化的加热关键区域。研究结果表明，冬季西太平洋黑潮暖流区是表面感热、潜热通量场的大值区，其加热强度主要影响东亚副热带西风急流的强度变化，当加热增强（减弱）时，急流加强（减弱）。热带和副热带地区地表加热的反相变化对应纬向风的整体一致变化，且影响关键区在热带地区， 这种耦合分布型主要体现为年代际的变化特征。夏季，海陆感热加热差异主要影响中低纬纬向风的变化，而影响急流位置南北移动的加热关键区位于阿拉伯海及印度半岛北部，这种加热分布体现感热的局地性变化，可能与高原大地形分布有关。由于夏季降水的不均匀性，潜热加热与200 hPa纬向风场的耦合关系较为复杂。通过分析加热异常年的环流形势差异发现，对流层中上层经向温差对地表加热场异常变化的响应是导致高层纬向风变化的原因，这种地面加热变化导致高层温度场及流场的响应可通过热力适应理论得到较好的解释。