2003年淮河大水期间亚洲北部阻塞高压的形成特征

利用观测资料和NCEP再分析资料分析2003年淮河大水期间亚洲北部阻塞高压的形成维持机制, 结果表明, 2003年淮河梅汛期亚洲中高纬地区阻塞高压的异常活动中, 波流作用十分显著。6月上旬, 阻高建立前期和维持过程中, 上游地区天气尺度波动活跃, 欧洲斜压区不断有瞬变动能生成, 并在阻塞区向阻高平均流转化。从瞬变涡动的作用来看, 上游传播而来的瞬变波不断将较低纬度的低位涡空气向阻塞区输送, 有利于阻塞高压的建立维持; 平均流则使位涡呈相反形势发展, 引导阻塞高压向东频散, 削弱了扰动位涡输送的作用, 对阻高的维持起到耗散作用。阻高建立前, 瞬变涡位涡输送作用强于平均流位涡平流, 造成阻塞区位涡降低, 有利于阻高生成; 阻高维持期间, 瞬变涡位涡输送与平均流位涡平流输送量相当; 6月25～30日, 阻塞高压明显西退, 该阶段瞬变涡动明显强于平均耗散作用, 引导低位涡场向西移动。研究表明, 大气内部的波波作用对阻高的建立维持也十分重要。1波与5波在一定范围内的共同作用可能是阻高建立维持的决定因素, 而天气尺度波动扰动则对阻塞高压的建立、 维持和崩溃起到重要的作用。波波作用表明, 2003年6月份阻塞高压建立、 维持时, 尺度较长的波一般从平均动能得到扰动动能的转化, 尤其5波, 斜压能的转换不但是其能量的来源, 同时非线性作用也使得尺度更小或更长的波向其提供能量; 阻高衰退时, 5波则通过非线性作用向其他波动输送能量, 同时也存在斜压耗散, 能量逐渐失去。     

北太平洋冬季西部发展型天气尺度涡旋对平均流的影响

在中纬度北太平洋大气强斜压区,存在频繁的天气尺度涡旋活动,通过水分、动量和能量输送维持大气环流。为了进一步研究天气尺度涡旋发生发展与大尺度环流之间的联系,利用1981—2013年再分析资料,筛选出西部发展型天气尺度涡旋114个偏强日和87个偏弱日,给出了西部发展型天气尺度涡旋异常导致的动力和热力强迫的变化,同时从能量转换的角度分析了西部发展型天气尺度涡旋与平均流之间的相互作用,并探讨了其与西太平洋遥相关型的关系。结果表明:西部发展型天气尺度涡旋通过动力强迫和热力强迫影响平均流,其中动力强迫主要造成北太平洋中纬度上空的西风气流加速并向北移动;热力强迫的作用则是减弱中纬度大气斜压性。同时,强西部发展型天气尺度涡旋有利于西北太平洋上空对流层低层斜压有效位能向扰动动能的转化增大和扰动动能向平均流的转化增大,有利于中纬度地区对流层高层平均流向扰动动能的转化增大。此外,西部发展型天气尺度涡旋通过与平均流的作用,对维持西太平洋遥相关型的负位相有一定影响。     

能量转化视角下一次引发冬季区域强对流的南支槽研究

2020年1月24—25日广西出现一次罕见区域性强对流,过程伴随近20年最大范围冰雹天气。南支槽异常发展东移是此次过程的扰动背景,提供了必要的热动力及水汽条件。基于波作用通量及多尺度能量诊断方法,利用常规观测资料、风云卫星资料、NCEP/NCAR以及ERA5再分析资料,从能量转化角度对此次引发区域强对流的南支槽过程进行研究。结果表明:整个过程中纬度和副热带西风急流均较历史同期偏强,有利于上游扰动向下游传播。欧亚大陆上空存在南北两支活跃Rossby波列。源自地中海一带的南支副热带西风急流Rossby波列对南支槽起到主要调控作用,Rossby波能量沿急流频散并在南支槽区辐合,促进了南支槽发展东移。源自北大西洋阻塞高压内部的北支Rossby波列则起到协同作用,促进了乌拉尔山冷槽发展及其与中东槽合并,从而增强了南支波列向下游的传播,进一步增强南支槽;天气尺度有效位能向天气尺度动能的转换以及由背景场向天气尺度的动能输送是南支槽天气尺度扰动发展的主要贡献项。动能的平流输送将获得的天气尺度动能在空间上再分配,维持南支槽稳定发展东移。在此背景下,天气尺度向对流尺度的降尺度动能串级是区域强对流最主要能量...     

青藏高原大气热源及其影响的研究进展

青藏高原及其热源效应对东亚以及全球的天气气候起着举足轻重的作用。青藏高原大气热源及其影响的相关研究有助于进一步加深对青藏高原大气热源及其影响的认识,提高高原地区天气系统发生发展的预报能力,提升高原地区降水的预报水平。本文较为系统地梳理了青藏高原大气热源的相关研究,涉及青藏高原大气热源的获取与特征,包括青藏高原大气热源的计算和青藏高原大气热源的时空分布及演变特征;青藏高原大气热源对季风、对降水的影响;青藏高原大气热源对天气系统的影响和作用,包括青藏高原大气热源对南亚高压、西太平洋副热带高压、高原低涡以及高原切变线的影响。在总结已有研究进展和成果的基础上,对今后青藏高原大气热源研究做出一定展望,提出值得进一步加强研究的方面。     

轴对称涡旋非线性运动平衡态、失稳和突变影响因子的研究

本文采用非线性动力系统数学模型,探讨了轴对称涡旋运动平衡态、失稳和突变现象的影响因子。提出了低涡、台风系统扰动异变现象不仅与对流加热、耗散因子相关,而且还与系统外界热量、动量的非线性平流、下垫面的感热、潜热输送结构相关。本文还导出了系统突变相关因子的临界关系式。     

北大西洋涛动位相转换的数值研究

借助一个非线性准地转正压模型,模拟了基本西风气流的强弱、不同空间分布的天气尺度扰动涡对北大西洋涛动(NAO)位相转换的作用,以及大尺度双波地形对其的影响.通过一系列的对比试验发现,适当弱的基本西风气流有利于下游系统西退使NAO由正(负)位相转换为负(正)位相;振幅强、活动范围大的天气尺度扰动波是NAO由负位相转换为正位...     

一次中亚低涡中期过程的能量学特征

中亚低涡是中期时间尺度（4天以上）的对流层深厚切断低压系统,也是造成新疆暴雨（雪）、持续低温天气的重要影响系统之一,对其形成、维持和减弱的能量特征还不十分清楚。利用美国国家环境预报中心/国家大气研究中心（NCEP/NCAR）2.5°×2.5°逐日再分析资料和有限区域能量循环方程,对1996年7月10—20日造成新疆区域两次暴雨过程的中亚低涡系统进行分析,以揭示低涡持续活动11天的能量循环和转换特征。分析结果表明,中亚低涡活动具有明显的阶段性能量学特征。这次低涡发展和减弱过程处于斜压不稳定状态,扰动动能来源于扰动位能的转换和区域开放边界扰动动能的输入,且两者作用相当,它们使得低涡快速发展,同时区域内部非绝热加热制造的一部分扰动有效位能向外输出,在减弱期扰动有效位能向外输出大于扰动位能的转换和区域开放边界扰动动能的输入,因此低涡逐渐减弱。低涡成熟期处于正压不稳定状态,系统内部的能量转换很小,扰动动能来自于外界扰动位能输入,支出项为向开放边界的扰动动能输出。低涡过程各个时期纬向平均动能向扰动动能的转换都很小,即正压不稳定造成的能量转换较弱。低涡活动过程中,在对流层中、高层扰动动能很强,表明中亚低涡是主要在对流层中、高层活动的天气尺度系统,低涡内部的能量转换及其与外界的能量输送主要发生在中、高层,扰动位能和扰动动能的变化很好地反映低涡的强度变化和发展阶段,且能量的垂直输送对低涡系统的发展也有一定促进作用。     

用能量和动力因子结合的方法预报盛夏暴雨

大气中内能(显热能、潜热能)和外能(动能、位能)两种形态的转换,基本遵循守恒定律,而内能、外能的各因子在不同的条件下,相对地起着不同的重要作用,在大尺度天气分析时,动能往往以触发机制而显示出与其他能量之间的特殊关系,从这个观点出发,我们计算了“相对位涡度”、“差动能量平流”,目的使动力因子与能量相结合、能量场与高度场相结合,用这些方法分析暴雨的征兆,效果比较好。 一、天气尺度系统与能量积累和释放的关系 天气尺度系统同能量之间究竟存在什么关系?暴雨究竟集中分布在能量场的什么地方?暴雨预报在能量场上究竟有何征兆?这是我们最关切的三个问题。 对于第一个问题,我们认为天气系统与能量分布是相辅相成的。天气系统发展加强的过程正是能量产     

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。     

北半球阻塞高压的维持Ⅱ:瞬变扰动强迫和平均流位涡平流的形成

着重探讨大西洋阻高和东亚阻高个例中瞬变扰动位涡（涡度）输送强迫和太平洋阻高中平均流位涡平流的形成机理。结果表明，扰动在阻高西南部西风分流区因形变而产生的扰动拟能向更小尺度串级过程，并不是扰动位涡输送强迫形成的必要机理。扰－流相互作用在阻高西（北）部非分流气流中也十分显著。数值试验表明，这一相互作用也可能是扰动强迫作用形成的机理。而青藏高原和附近海陆对比的强迫作用则可能是太平洋阻高中平均流的位涡平流形成的重要因素。对比分析表明，阻高维持机制的地域性差别可能与其上游（如青藏高原地区、落基山脉）地形和热源强迫作用不同有关。     

STUDY ON THE STABILITY STRUCTURE OF SYNOPTIC SCALE SYSTEMS,THE BIFURCATION OF PHASE PATH CHARACTERISTICS AND THE INFLUENCE OF THE TIME-OSCILLATION OF HEAT SOURCE

This paper discusses the stability structure and the bifurcation of phase path characteristics of synoptic scale system.The analytic results show that the catastrophe of the synoptic scale disturbance may be caused by the nonlinear effects of barotropic and baroclinic instability and advection of ambient large-scale flow.Also,foregoing nonlinear effects on the speed of development and decay of the system are presented in the processes deviating from or approaching to equilibrium state.It has been found that there is a resonance phenomenon between the time-oscillation of heat source and the atmospheric disturbance.     

THE IMPACT OF MID-LATITUDE CIRCULATION OVER THE TIBETAN PLATEAU ON THE TRACK OF TYPHOON OVER THE NORTHWEST PACIFIC

There is a close relationship between variation of middle latitude synoptic system over theTibetan Plateau and movement of typhoon over the Northwest Pacific.This paper tries to discussthe mechanism of it through the numerical simulation and dynamic diagnosis.25-year statistical results during the period from 1970 to 1995 indicate that the relationshipbetween middle latitude circulation over the Plateau and the track of typhoon over the NorthwestPacific are as follows.When longwave trough in 500 hPa isobaric surface over the Plateau.it isfavourable to typhoon's westward movement:on the contrary,large scale anticyclone over thePlateau is favourable to typhoon's recurvature.We simulated the typhoon under these two flowpatterns with MM5 model.Numerical simulation results showed that:(a)Longwave trough on500 hPa surface over the Plateau makes subtropical high extended westward so as to typhoon southto high moves westward in easterly steering flow.(b)Anticyclone over the Plateau will bringabout the longwave trough developing along the east coast of Asia,it'will usually cause typhoonrecurring in front of the developed trough.In addition,the results of dynamic diagnosis show the physical mechanism on impact ofsynoptic system over the Plateau on the downstream synoptic system,that is,the transport ofdisturbance kinetic energy over the upstream Plateau makes the downstream trough developed.And then it affects the steering flow of typhoon.Because of existence of the high ridge over thePlateau.the energy transport channel moves to north.On the contrary,the trough exists over thePlateau,the energy transport channel moves to south.The southerly in front of trough over thePlateau and the southerly in the east part of typhoon transport low potential vorticity of lowlatitude into subtropical high.That is beneficial to development of subtropical high and affectstyphoon's movement.These results fully reflect the impact of interaction between mid-latitude andlow latitude on synoptic system.     

THE IMPACT OF MID-LATITUDE CIRCULATION OVER THE TIBETAN PLATEAU ON THE TRACK OF TYPHOON OVER THE NORTHWEST PACIFIC*

There is a close relationship between variation of middle latitude synoptic system over the Tibetan Plateau and movement of typhoon over the Northwest Pacific.This paper tries to discuss the mechanism of it through the numerical simulation and dynamic diagnosis.25-year statistical results during the period from 1970 to 1995 indicate that the relationship between middle latitude circulation over the Plateau and the track of typhoon over the Northwest Pacific are as follows.When longwave trough in 500 hPa isobaric surface over the Plateau.it is favourable to typhoon's westward movement:on the contrary,large scale anticyclone over the Plateau is favourable to typhoon's recurvature.We simulated the typhoon under these two flow patterns with MM5 model.Numerical simulation results showed that:(a)Longwave trough on 500 hPa surface over the Plateau makes subtropical high extended westward so as to typhoon south to high moves westward in easterly steering flow.(b)Anticyclone over the Plateau will bring about the longwave trough developing along the east coast of Asia,it'will usually cause typhoon recurring in front of the developed trough.In addition,the results of dynamic diagnosis show the physical mechanism on impact of synoptic system over the Plateau on the downstream synoptic system,that is,the transport of disturbance kinetic energy over the upstream Plateau makes the downstream trough developed.And then it affects the steering flow of typhoon.Because of existence of the high ridge over the Plateau.the energy transport channel moves to north.On the contrary,the trough exists over the Plateau,the energy transport channel moves to south.The southerly in front of trough over the Plateau and the southerly in the east part of typhoon transport low potential vorticity of low latitude into subtropical high.That is beneficial to development of subtropical high and affects typhoon's movement.These results fully reflect the impact of interaction between mid-latitude and low latitude on synoptic system.     

“96.8”暴雨过程中不同尺度系统的相互作用

利用动能方程计算了天气尺度,次天气尺度的动能以及非线性相互作用的动能,分析了“９６．８”暴雨过程强降水时段的主要动力过程,结果表明：在暴雨系统中,存在着天气尺度和次天气尺度系统间的相互作用,天气尺度动能减小,次天气尺度动能增加,即对于次天气尺度系统而言,天气尺度系统是一个动能源,通过非线性相互作用,天气尺度系统把动能传递给次天气尺度系统,使暴雨系统得以发展。     

宁夏地区"6.8"暴雨天气过程的可能物理成因

本文应用天气学分析及诊断分析方法,对2002年6月8日发生在宁夏的罕见暴雨天气过程进行分析。研究结果表明,暴雨天气是在有利的“东高西低”降水形势下产生的,其主要的触发天气系统是500hPa冷槽、700hPa高原低涡及地面锢囚锋。从动力学理论的分析角度来说,在宁夏地区的垂直方向上风速廓线线性和非线性分布激发产生了中尺度重力惯性波以及涡旋Rossby波,这两种中尺度扰动在切变基流中有可能发生不稳定,最终导致宁夏地区“6．8”暴雨天气过程的产生。而稳定的“东阻形势”和西南低空急流的维持是暴雨爆发与持续的可能主要原因。     

不同纬度天气尺度扰动影响2020年夏季梅汛期降水的数值模拟

利用观测资料和区域气候模式RegCM4.6,研究了高纬和低纬天气尺度扰动对2020年梅雨期降水的可能影响。观测分析表明:2020年6月、7月长江中下游降水在周期上表现为10 d以下的天气尺度扰动,在降水过程中存在多次中高纬度天气尺度扰动的南传与低纬扰动的北传。在此基础上,设计改变不同纬度天气尺度扰动(10 d)输入的侧边界敏感性试验。数值模拟结果表明:从平均环流来看,当中高纬西北侧边界的天气尺度扰动减弱时,大气平均环流动能向天气尺度扰动动能转换的位置发生北移,影响副高北侧纬向西风带北移,使得梅雨期降水中心从长江中下游地区北移到淮河流域;从时间演变来看,当去除中高纬西北侧边界的天气尺度扰动时,850 hPa上E矢量散度南传减弱,低纬纬向风异常能够向北传播。纬向风异常产生的涡度变化有利于副热带高压北抬,使得雨带可以较早北抬到34°N以北,标志江淮地区出梅。低纬南侧边界的天气尺度扰动减弱时,梅雨期降水略有增强,但对雨带的进退影响较小。因此,观测和数值模拟结果表明,2020年夏季梅雨期降水强度和雨带的维持主要与中高纬度天气尺度扰动异常密切相关,中国北部尤其中国西北部到巴尔喀什湖地区天气尺度扰动偏强且南传是此次梅雨强度偏强和雨带维持的重要原因。     

THE EFFECTS OF VERTICAL VARIATION OF BASIC FLOW AND HORIZONTAL GRADIENT OF TEMPERATURE ON LINEAR AND NONLINEAR GRAVITY WAVES

By using two-dimensional dynamical equations in x-z plane with Boussinesq approximation,the effects of the second-order vertical shear of the basic flow u_zz and the horizontal gradient of temperature (M) on the gravity wave and the isolated gravity wave are discussed.The magnitudes of u_zz and M corresponding to the linear and nonlinear stabilities of the gravity waves are worked out,respectively.The results show that amplitude and width of the isolate dgravity wave are closely related to u_zz and M.It is indicated that the isolated gravity wave with a width of about 10 km can be motivated by the disturbance of sub-synoptic scale in the certain ranges of flow field shear and temperature gradient,while the motivated waves may be associated with the cold surge ahead of a cold front and the other mesoscale synoptic systems.     

使用不同的天气尺度初值作强对流暴雨预报的差别及其原因

分别用暴雨开始前和暴雨刚开始两个探空时次的天气尺度初值场作1982年6月19～20日鄂东特大暴雨过程的中尺度模拟预报.前者相当成功,后者完全失败.探究其原因说明中尺度数值预报可以用天气尺度初始场的一个重要条件是模式初始时刻在关注的区域及其附近不存在即将造成或已经造成强降水的强中尺度扰动.如若不然,则可能由于模式起转(Spinup)的延误,实际存在的中尺度扰动对天气尺度变化的强大反馈作用不能体现,会使天气尺度的预报从一开始就显著歧离实际,其带来的结果不是中尺度时、空细节的预报误差,而是全区域性的预报失败.这个试验还进一步证实伴随暴雨的强非绝热反馈作用是暖切变型梅雨锋发展和准静止持续乃至周边区域形势维持的最重要的直接因子.     

大范围暴雨过程涡旋场特征的滤波试验

本文着眼于大范围暴雨过程天气尺度系统的诊断研究。采用平滑滤波的方法分解行星尺度及天气尺度谱,计算了暴雨过程不同尺度谱的涡旋场、散度场分布及演变趋势,对天气尺度系统的分布特征、低空急流发展的动力因素进行了分析,且运用描述不同尺度谱的变形涡度方程,对天气尺度系统的移动、发展进行了诊断研究。本文的数值分析表明滤波方法有助于进一步揭示大气运动的多尺度特征,深入认识暴雨过程的动力机制。     

THE LYAPUNOV STABILITY OF NONLINEAR WAVE MOTION IN THE BAROTROPIC NONDIVERGENT ATMOSPHERE

Introducing the concept of pseudo-momentum, a generalized Arnold-Dikii functional is established, and then thesufficient condition for stability of nonlinear wave motion in the barotropic nondivergent atmosphere is derived by useof variational principle. It is found that the stability of nonlinear wave motion depends not only on its streamfield distri-bution, but also on its phase speed for the propagating nonlinear wave motion. Moreover, the stability criterion of trav-elling modon is also obtained, and it is shown that the travelling modon is stable if the scale of disturbance superimposedon the travelling modon remains to be less than that of the travelling modon.