非绝热加热及地形动力作用下的大气环流长期演变过程

本文建立了一个理想的大气环流数值试验模式,其中简单地考虑了辐射、湍流、凝结加热及地形的动力作用。模式中放了两个陆地和两个海洋,海陆的影响由给定的下垫面温度表现出来。把方程组化成常微分方程组后,用Runge-Kutta方法在电子计算机上求数值解。 首先,在非绝热加热的作用下,由静止大气开始经过40天就建立起基本气流。其次,在具有年周期的太阳辐射、下垫面温度及凝结加热的作用下,基本气流以年周期变化。扰动也有明显的年周期,夏季扰动振幅变小,冬季扰动振幅变大,而且海陆温度的季节变化能控制波数为2的超长波的进退。夏季温度槽位于海洋东部,冬季位于大陆东部。 最后,在数值试验中看到初始场的影响只有100天左右。     

夏季热带对流层上层超长波的振荡机制

本文应用波数—频率空间的动能方程,采用ECMWF/WMO资料,讨论了1983年6月11日至8月13日64天热带对流层上层200百帕东风带纬向平均气流以及各种尺度波动动能的振荡机制。动能20天左右的周期振荡特别明显,纬向平均气流、2—7波动能都具有20天周期的振荡。1波动能似乎存在40天左右的周期振荡.另外,1波、4波及7波动能的准一周振荡也很显著。纬向平均气流动能20天左右的振荡主要是由于平均气流与波动相互作用的强弱变化引起的。波动动能的振荡原因是多方面的,有效位能的转换、侧边界的气压做功以及波动间的非线性作用都很重要。波动动能的高、低频振荡之间存在明显制约关系。在低频振荡出现峰值时,高频振荡的振幅最大;在低频振荡出现低值时,高频振荡的振幅最小。     

不同尺度波动的非线性相互作用和大气的指数循环过程

本文用两层准地转截谱模式,考虑基本气流、超长波和长波之间的非线性相互作用,得出了大气环流指数循环这种准周期振荡过程,其周期为8—15天.数值计算表明:非线性相互作用可以产生大气行星波螺旋状槽线倾斜的谐振、不同尺度波动的振幅谐振以及大型环流波数变化的准周期振荡.     

热带基本气流对冬季北半球中高纬度准定常行星波的影响

本文利用一个包括Rayleigh摩擦、Newton冷却及水平涡旋热力扩散的准地转34层球坐标模式来研究冬季北半球地形与热源强迫所产生的准定常行星波与热带基本气流的关系。 计算结果表明,冬季热带平流层基本气流是西风时,其北半球中高纬度平流层波数2准定常行星波的振幅偏大;而当冬季热带平流层基本气流是东风时,其北半球中高纬度平流层波数2准定常行星波的振幅偏小,这与实际结果比较一致。 计算结果还表明冬季热带对流层基本气流对中高纬度准定常波的影响要比平流层基本气流的影响大。     

逐日环流指数的最大熵谱分析

用最大熵方法对1956—1977年逐日500毫巴亚洲环流指数分别按年和季进行了谱分析。结果指出:指数循环是一种可变周期,周期长度从2周至9周不等,但优势周期处在4周至6周。多年平均值的主周期为32天,次周期为17天。指数变化速率的优势周期处在11—15天,主周期平均长度为13天。周期的季节性差异并不明显,其长年变化呈现出5—6年的阶段性。     

非线性斜压不稳定问题中的摩擦和对流凝结加热作用

本文用β平面两层准地转斜压模式,讨论了具有摩擦耗散作用和对流凝结加热作用的斜压不稳定有限振幅问题,并对所得的有限振幅斜压波的振幅控制方程进行了数值积分。结果指出,在无耗散作用时,斜压不稳定波的振幅是周期振荡的。当摩擦耗散作用仅存在于下层时,不稳定波振幅最终趋于一个为零的平衡态;当上下层都存在摩擦耗散时,对流加热强度较弱(即m~*<1),则存在着一个振幅为零,另外两个为非零的多平衡态,而扰动波振幅最终趋于非零的平衡态。对流加热较强时(即m~*≥1),则仅存在振幅为零的单个平衡态,扰动波振幅最终趋于这个平衡态。     

旋转大气中有限振幅扰动波包与基本气流的非线性共振相互作用

本文应用多重尺度法研究了在旋转球面上正压大气中有限振幅扰动波包与纬向基本气流的非线性共振相互作用。首先,导出了同时包含色散效应和耗散效应的三波共振非线性耦合方程。然后,在零耗散极限和无规相位近似下,求得了不同模态波包的非线性共振耦合方程。并着重讨论了有限振幅扰动波包与纬向基本气流之间的能量输运过程。结果表明,在旋转球面上正压大气中的有限振幅扰动波包通过非线性共振相互作用能够激发出纬向基本气流,而且其能量最终都要输运给纬向基本气流,直至大气运动成为完全的带状环流为止。从而阐明了非线性共振相互作用是大气旋转适应过程的重要物理机制。     

500毫巴角动量输送波谱的周期变化

用三年冬半年15个月500毫巴逐日资料,计算写成谱函数形式的角动量涡动输送,研究其周期变化。输送总值(波数k=1—12的总和)盛行准两周的周期,逐年差别不大。k=3波输送值也盛行准两周周期,近于同输送总值同位相,而且负担了50％以上的输送总值。其他波数,k=2盛行26天左右周期,k=4盛行12天左右周期,但这些波的变化幅度比k=3波小得多。初步考察了准两周周期同寒潮的关系。 用解纬圈谱法,选例考察k=3波的槽脊走向和振幅,有同角动量输送准两周变化相应的变化。 最后采用功率谱和交叉谱的分析法,对1976—1977年角动量输送进行统计上处理,得到一些与定性分析相同的结果。     

台风路径与各等压面上基本气流的关系

本文通过71次个例,对台风的移动与地面到200毫巴各个主要等压面上基本气流的关系作了分析。所得结果如下:台风的路径对于700毫巴及以上的各层气流和以下的低层气流表现两种不同的偏离倾向。作者认为:采用上下两层做引导气流比目前一般所用的单独某一等压面上的引导气流要优越些,并不一定需要采用好几层等压面上的引导气流。     

中尺度斜交不稳定的波动性质及其数值模拟

使用三维中小尺度扰动动力学方程组,讨论了一类与基本气流方向成任意夹角的纬向线状扰动的斜交不稳定问题,其主要分析结论如下:(1)在基本气流的切变为线性切变的情况下,可以发生斜交不稳定。但是发生斜交不稳定必须要求沿着线状扰动方向的基本气流存在切变或者垂直于线状扰动方向的基本气流存在切变。此时,斜交不稳定的波动性质是重力惯性内波,而不存在涡旋Rossby波。(2)对于基本气流具有非线性二阶切变的情形,此时斜交型不稳定中的扰动除了包含重力惯性内波之外,还包含了涡旋Rossby波。对于本文所讨论的纬向线状扰动来说,涡旋Rossby波产生的物理根源是基本流场的经向风速V二次切变(β*=Vzz≠0),该涡旋Rossby波相对于基本气流V0是单向传播的。在中尺度斜交不稳定中,涡旋Rossby波的产生主要是由于在与线状扰动相垂直的方向上存在基本气流的二阶切变,而与线状扰动相平行的方向上基本气流是否存在二阶切变无关。(3)对于通常讨论的纬向线状扰动的情况,在基本流场的南北风速V存在二次切变(β*=Vzz≠0)时,即与线状扰动相垂直的方向上存在基本气流的二阶切变,则斜交不稳定有可能是混合的涡旋Rossby—重力惯性内波的不稳定。最后采用WRF模式,对2006年6月的一次福建闽江暴雨过程进行了数值模拟,部分验证了上述结论。通过分析6月6日13时降水区域平均的东西方向风速U随高度变化的曲线,发现在950—100 hPa的大气中,纬向风速U随高度的变化具有二次切变,在对流层低层以及高层附近纬向风速较小,而在对流层中层400 hPa附近的纬向风速则较大。在这种情况下,平均纬向风速随高度变化的二阶导数不为零,因此激发产生沿着纬向传播的涡旋Rossby波,这对于暴雨区域中β中尺度雨团的移动起到比较重要的作用。再分析6月5日23时和6月6日13时的850 hPa以及500hPa降水区域平均纬向风随南北方向的变化,发现在6月5日23时和6月6日13时的850 hPa层次上,都显示出平均纬向风速在南北方向具有二次切变;而在这两个时次的500 hPa层次上,平均纬向风速在南北方向不具有二次切变,只具有线性切变。说明在垂直方向上,对流层低层涡旋Rossby波容易被激发产生;而在对流层中层以上,由于不具备产生涡旋Rossby波的条件,因此不容易激发产生涡旋Rossby波,波动只是具有重力惯性内波的特征。     

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。     

长波的垂直結构和它的移动与发展的关系

本文利用线性两层模式討論了对流层上部和下部扰动的发展和移动,以及它們之間相互关系。有以下主要結果: 1.一般常用的“溫度波落后于气压波,扰动发展”这一規則,对于超长波(波长大于10000公里)只适用于对流层上部,对于波长为7000公里左右的长波自对流层中部以上皆可应用,对于較短的长波整个对流层皆可应用。 2。当槽线或脊线随高度向西傾斜时,扰动的上层发展,下层阻尼;向东傾斜时,上层阻尼,下层发展;当时,上下层同时发展. 3.溫度波和高度波的移速可以不同,甚至方向可以相反;无論在上层或下层,当脊移进輻散区或槽移进輻合区时,扰动发展;当脊移进輻合区或槽移进輻散区时,扰动阻尼. 4.扰动的振幅和移速随时間而变,它不仅决定于基本流場的参数和扰动的波长,同时决定于扰动本身的上下結构. 5.周期性变化的稳定波在发展时期,其振幅的发展一天可达两倍半以上.因此日常所观測到的环流的巨大变化是否都属于一般所謂的西风带不稳定的現象值得深入研究.     

50hPa距平场13个特征波型的相关性及其季变年变规律的研究

本文给出了平流层50hPa距平场13个特征波型和用288个格点距平资料计算的自相关系数分布图和500hPa288个格点及敏感区6个格点距平资料计算的相关系数分布图。三者之间非常相似。这意味着平流层和对流层之间是紧密相关的。50hPa自相关系数图反映的是超长波1—3波系统演变趋势,而500hPa相关系数图在秋季反映的是3波槽脊系统,冬夏季却反映的是2波系统,这足以说明50hPa距平场13个特征波型是平流层大气客观存在的运动形式。我们还发现它们在各自的季变年变过程中存在着显著的演变规律和相当长的稳定性,是大气环流未来变化和发生各种灾害性天气气候过程的重要影响因子。     

基本气流和大地形对于正压波动的作用

本文利用能量变化的观点,分析了正压波动发展的机制。结果表明,大地形的作用只能影响涡度拟能的变化,而不能直接影响动能。但基本气流的特征,对于动能与涡度拟能都起一定的作用。如果基本气流是均匀的而且地形的影响可略,则平均动能和涡度拟能都是守恒的,也就是说,这些量都是有界的。但是在切变气流或者波状基本气流中,波动的发展与基本气流的特征以及波动本身的结构具有非常密切的关系。在一般情况下,动能与涡度拟能就不再是守恒的。在本文中,还对某些简单地形作了分析与讨论。     

斜压气流中波包的演变及其对外压不稳定波的激发

把斜压气流中的短波槽看成波包，并把波包作为准地转模式的初值进行研究，发现波包的结构对其演变有重要影响，初始阶段急流轴下面向西倾斜的波包能够获得较快的发展，而向东倾斜的波包则是衰减的，这与ＷＫＢＪ方法得出的结论［１］是一致的，但是无论西倾还是东倾的波包，除了其自身随时间的演变外，还会激发出斜压不稳定波动，而且随着扰动的发展，不稳定斜压波会逐步在扰动中占主导地位。由此可以解释某些中纬度气旋的发生发展问题。     

Signature of quasi–biennial oscillation and long-period equatorial disturbances in the lower atmosphere over Thiruvananthapuram

Summary An attempt has been made in this paper to examine different modes of oscillation in the wind field during different seasons over Thiruvananthapuram (lat. 8.29° N, long. 76.59° E, located at the extreme southwest coast of India) based on daily upper air observations for the period from January 1997 to December 1999. A power spectral analysis is carried out with the upper air data of the station. The study shows that one and half cycle of Quasi–Biennial Oscillation (QBO) and the power spectra of the meridional wind component exhibit peaks between the period of four days and seven days (corresponding frequency range between 0.25 day⁻¹ and 0.15 day⁻¹) during all seasons. The seasonal variation of these large-scale oscillations over the station depends upon the background mean zonal flow, which in turn closely related to the QBO structure. The time sequence of power spectra shows that the disturbances with periods between four days and seven days dominantly prevail in the upper troposphere and lower stratosphere throughout the year. The regimes of high power spectral intensity in this period range are maintained in the levels where the mean zonal flow (westerly or easterly) weakens and changes with height. The study establishes the fact that disturbances (mixed Rossby-gravity waves) acquire maximum power in the winter season whereas the south-west monsoon exhibits minimum spectral intensity when spreading of energy over a frequency range takes place.     

1958年初夏北半球对流层上部大气环流演变的分析

本文利用1958年5月下旬至7月初北半球的对流层顶图,分析这段时期内大气的结构,以及副热带急流和副热带高压的变化,得到以下一些事实:(1)在初夏大气的三折结构也是很清楚的。对流层顶图在夏季仍可以作为分析对流层上部环流情况的一个工具。(2)在这段时期内,副热带急流在全球范围一般有6—7个波,波动振幅和波数呈有规律的循环变化,一循环约15天左右。(3)副热带急流的平均纬度在这段时期内有了显著的季节性北移,北移不是逐渐的而是集中在6月初和6月底副热带急流波动振幅加大的时候。(4)200毫巴上副热带高压轴线的北移与副热带急流的北移是一致的。     

大气环流的一个数值试验

考虑地形及加热作用,建立了一个大气环流数值试验准地转二层模式。在辐射加热中考虑了云对长短波辐射的影响,而假定云的出现与否仅依赖于垂直速度。在模式中放置了北半球实际的地形及海陆分布,而下垫面的温度由求解下垫面热传导方程得出。把方程组化成非线性常微分方程组,用Runge-Kutta方法在电子计算机上求解。 在不计扰动的情况下,在具有年周期的太阳短波辐射的作用下,逐渐建立起下垫面纬圈平均温度梯度及基本气流。下垫面温度具有很清楚的季节变化,位相落后于太阳短波辐射一个月,求得的冬夏季的下垫面温度值与实际的气候值相当。基本气流也有明显的季节变化,夏季风速减弱,急流向北移,冬季风速增强,急流向南移,位相落后于太阳短波辐射一个多月。 北半球实际的海陆分市的热力特性,在冬季能使亚洲及太平洋上空变冷,并能使大西洋及欧洲上空变暖。在非绝热加热和地形的共同作用下,在冬季出现了随时间变化着的东亚大槽和北美大槽,以及冷空气活动过程。这种冷空气活动有其偏爱地区:起源于苏联新地岛上空,并向东南方向移动。     

正压大气中长波的演变

本文研究正压大气中非均匀气流(特别是非平直基流)上扰动的演变过程,对[1]进行了推广,对迭加于超长波基流之上的长波扰动和迭加于超长波或长波基流之上的中、短波的扰动的演变特性进行了统一的处理。结果表明:当小槽、小脊的波长变长时,其振幅(能量)增大,扰动发展;波长变短时,振幅变小,扰动衰减。当小扰动已经发展成长波的时候,或者当我们一般地研究长波的演变过程的时候,则上述规律更为明显,即长波发展时,波长变长更为明显;长波衰减时,波长变短也更为明显。利用这些结果,可以解释大气中槽、脊发展时总是伴随着扰动加宽,而槽、脊收缩时,波长很快减小。其次,扰动发展与否完全由扰动的结构所决定,其中主要是由扰动轴线的方向及其与基流的相对位置所决定。北半球发展型扰动的轴线是:在急流以北呈东北—西南向,急流南呈西北—东南向;而衰减型的轴线是:急流北呈西北—东南向,急流南呈东北—西南向。这些结论和角动量传送理论结果以及天气实际都是符合的。     

Evolution of Asian Summer Monsoon and the Slowly Varying Disturbances

卢佩生ＥｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆＡｓｉａｎＳｕｍｍｅｒＭｏｎｓｏｏｎａｎｄｔｈｅＳｌｏｗｌｙＶａｒｙｉｎｇＤｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｓ￥ＬｕＰｅｉｓｈｅｎｇ（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃＰｈｙｓｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅ...