空间非均匀加热对副热带高压带形成和变异的影响Ⅰ:尺度分析

利用全型垂直涡度倾向方程,讨论了空间非均匀非绝热加热（Ｑ）对副热带高压形态变异的影响。通过简单的空间尺度分析指出,Ｑ的垂直非均匀分布比其水平非均匀分布对副热带高压带断裂成闭合中心的影响更大。在时间尺度较长时,低空的β效应和高层的涡度平流对副热带高压形态的形成有重要作用。在它们影响下,低空副热带高压出现在表面感热加热西侧、深对流凝结加热东侧;而高空副热带高压出现在表面感热加热的东侧、深对流凝结加热的西侧     

孟加拉湾季风爆发对南海季风爆发的影响Ⅱ:数值试验

通过数值试验研究了孟加拉湾季风爆发期间该地区旺盛的对流凝结加热对南海季风爆发和副热带高压“撤出”南海的影响,结果证明在孟加拉湾地区引入模拟的对流凝结潜热使该地区出现了强烈的上升运动,引起了孟加拉湾季风的爆发。同时由于对凝结加热的非对称Rossby响应,在南海北部导致西风出现和增强及垂直上升运动。因低层水汽平流的共同作用下,在南海北部引起了对流的发展。而正是南海北部的凝结加热促使南海地区温度经向梯度逆转,使副热带高压脊面的倾斜从冬季型转为夏季型,即低层的副热带高压减弱南移。最后当对流在南海地区发展起来时,副热带高压移出南海地区。     

降水与副热带高压位置和强度变化的数值模拟

利用国家气象中心的T63业务数值模式,通过不同的对流潜热加热的敏感性试验,研宄降水对西太平洋反气旋中、短期运动的影响.结果表明,非绝热加热在垂直方向的不均匀将引起加热区附近风场的变化,从而影响到副热带高压位置和强度的改变.而副热带高压的变化又会反过来影响降水区位置的变化.由此证明,在中短期过程中,降水与副高之间存在着相互作用.     

1998年夏季西太副高活动与凝结潜热加热的关系

利用1998年南海季风试验逐日再分析资料,分析了1998年夏季梅雨期内凝结潜热加热对西太平洋副热带高压(下称西太副高)中短期活动的影响。结果表明,不同位置的凝结潜热加热对西太副高的作用是不同的:当西太副高西侧的降水在它的边缘发生时,释放的凝结潜热加热可能迫使西太副高东退,离它较远处的降水则可能诱使西太副高西伸;西太副高北侧降水释放的凝结潜热加热将阻止它北进;南侧降水则有推动西太副高北进的作用。当南北两侧的凝结潜热加热等强度时,它原地不动,但强度增强,达到一定强度时西伸;若某一侧加热强度减弱,西太副高则有向该侧移动的趋势。     

线性准地转模型中基本流和辐射冷却对感热加热强迫的副热带高压形态的影响

通过求取定常线性准地转位涡模式的数值解,研究了感热型垂直非均匀分布的冷、热源强迫所激发的副热带环流的结构特征,讨论了副热带背景风场和洋面辐射冷却对洋面副热带高压“三角形偏心”结构形成的重要作用。结果表明,基本流对感热加热强迫的副热带环流有重要影响,当基本流为常数时,感热加热强迫的气旋和反气旋主要集中在对流层中下层,且地面系统远强于中高层。当基本流为非常数时,其经向切变能改变气旋和反气旋中心的经向位置,使它移至0风速所在纬度附近;其垂直变化加强了中高层气旋和反气旋,中心位于对流层上层,与南亚高压的位置基本一致。研究结果还表明,在大洋东部洋面辐射冷却与副热带地区背景风场的共同作用下,形成了洋面副热带高压特有的“三角形偏心”结构。副热带高纬度的西风使感热强迫的洋面副热带高压东移,低纬度的东风使其西移,形成东北—西南走向的“平行四边形”结构,且中心位于大洋西部。大洋东部强洋面辐射冷却激发的洋面反气旋加强了大洋东部的副热带高压,使其中心东移至大洋东部,从而表现出东北—西南走向的“三角形偏心”结构。      

热力适应、过流、频散和副高II.水平非均匀加热与能量频散

利用位涡方程和热力适应原理，讨论了因非绝热加热的空间不均匀性导致的大气 动力特征的变化，进一步阐明了副热带地区的深对流凝结潜热加热的垂直非均匀性使副热带高压在中低空出现在热源区以东，在高空出现在热源区以西。在此基础上，深入研究了水平非均匀加热对大气环流的影响。结果表明加热区以北，虽然非绝热加热消失，但存在加热的水平梯度在西风环流的背景下在高低层造成深厚的负涡度强迫。因而高层热源北部边界附近的西风向南偏转进入加热区，造成加热区北部边界及其以北发生次级辐散；低层热源区的南风发生反气旋偏转，汇入加热区外的西风气流中，造成低层加热区北部边界及其以北发生次级辐合。结果该区域产生了垂直上升运动及负的涡度强迫源，对应着异常强烈的反气旋环流。该负涡度强迫源还通过能量频散，在西风带中以Rossby波的形式向中高纬传播，影响中高纬地区的异常环流型。     

空间非均匀加热对副热带高压形成和变异的影响Ⅱ:陆面感热与东太平洋副高

在文献［４］尺度分析的基础上,通过对 Ｎ Ｃ Ｅ Ｐ／ Ｎ Ｃ Ａ Ｒ 月平均资料的分析,并利用 Ｉ Ａ Ｐ／ Ｌ Ａ Ｓ Ｇ Ｇ Ｏ Ａ Ｌ Ｓ全球气候模式进行模拟和试验,研究了东太平洋北美地区副热带高压主体的形成及变化规律。基于全型垂直涡度方程的诊断分析指出,北美陆地的表面感热通量是决定该地区副热带高压中心位置及其季节变化的关键因素。数值模拟和敏感性试验进一步表明,夏半年陆面感热加热是导致１０００ ｈ Ｐａ 太平洋副热带高压及５００ ｈ Ｐａ 北美副热带高压形成和变化的最重要原因。     

孟加拉湾季风爆发对南海季风爆发的影响Ⅰ:个例分析

利用南海季风试验分析场和NCAR向外长波辐射通量(OLR)资料研究了1998年孟加拉湾季风和南海季风爆发期间副热带环流的大尺度和天气尺度特征,探讨了孟加拉湾季风爆发与南海季风爆发之间的物理联系及孟加拉湾季风气旋的对流凝结潜热释放对副热带高压“撤出”南海的影响。结果表明,1998年5月爆发的东亚季风展现出典型的从孟加拉湾地区东传发展到南海地区的过程。随着孟加拉湾季风爆发和对流活动增强、北移,南海北部出现了低层西风和对流活动,领先于副热带高压在南海地区减弱和撤退。结果还显示南海北部地区的对流凝结加热有助于该地区经向温度梯度的反转,在热成风关系的制约下南海上空副热带高压脊面的垂直倾斜由冬季型转向夏季型,季风爆发。     

我国东部季风区夏季持续非绝热加热的特征分析和数值试验

首先用NCEP/NCAR再分析资料统计了我国东部季风区华南、江淮、华北的夏季持续非绝热加热情况, 然后针对非绝热加热的主要贡献因子凝结潜热进行不同区域的数值试验, 从而探讨了各区凝结潜热加热对大气环流的可能影响途径。所有数值试验都揭示了凝结加热可以首先在对流层中低层的加热区附近激发气旋性异常, 然后异常向东北传播, 并最终在中高纬地区形成正负中心相间的波列状结构, 这在一定程度上体现了潜热加热能的向东向极频散过程。此外, 不同个例年试验结果的差异说明了大气环流对凝结加热的最初响应情况比较复杂, 很大程度上依赖于加热初始阶段的大气环流场, 而呈现出与垂直环流结构相类似的异常分布是可能的响应方式之一。     

热力适应、过流、频散和副高Ⅱ．水平非均匀加热与能量频散

利用位涡方程和热力适应原理，讨论了因非绝热加热的空间不均匀性导致的大气动力特征的变化，进一步阐明了副热带地区的深对流凝结潜热加热的垂直非均匀性使副热带高压中低空出现在低源区以东，在高空出现在热源区以西。在此基础上，深入研究了水平非均匀加热对大气环流的影响。结果表明加热区以北，虽然非绝热加热消失，但存在加热的水平梯度在西风环流的背景下在高低层造成深厚的负涡度强迫。因而高层热源北部边界附近的西风向南偏转进入加热区，造成加热区北部边界及其以北发生次级辐散；低层热源区的南风发生反气旋偏转，汇入加热区外的西风气流中，造成低层加热区北部边界及其以北发生次级辐合。结果该区域产生了垂直上升运动及负的涡度强迫源，对应着异常强烈的反气旋环流。该负涡强度迫源还通过能量散射，在西风带中以Rossby波的形式向中高纬传播，影响中高纬地区的异常环流型。     

副热带高压和对流潜热加热与南海台风的耗散及维持

利用自适应网格模式对９５０５号及９６１８号南海台风进行了数值模拟及试验,试验结果表明：南海台风的耗散主要与副热带高压加强有关,地形的影响较小。副高的活动对台风的加强与减弱十分敏感,当副高减弱时台风加强,副高加强时台风减弱。潜热释放是台风维持的主要因子。副高强度与潜热加热的大小成反比。分析发现,台风登陆后若与西风槽接近,则有利于台风维持。     

凝结潜热加热与对流反馈对一次高原低涡过程影响的数值模拟

利用WRF模式对2009年7月29日的一次高原低涡个例进行数值模拟,研究了凝结潜热加热及其与对流活动的反馈在高原低涡发生发展过程中的作用及影响机制。通过模拟结果与实况资料的对比分析,发现WRF模式能够较好地模拟此次低涡的移动路径、中心强度和降水场分布。不考虑凝结潜热加热效应的敏感性试验结果中,模式模拟的低涡移动迟滞,降水量减少,并在移动至高原中部后迅速减弱消失。进一步分析高原低涡的结构发现,凝结潜热加热使得低涡中心附近的上升运动延伸至高层,并产生较强的对流活动,而更为深厚的上升运动又释放出较多的潜热,从而形成一种正反馈机制。位涡收支诊断分析表明,低层凝结潜热加热垂直梯度项产生的正位涡变化有利于高原低涡的增强与东移,位涡垂直通量散度项与凝结潜热加热垂直梯度项引起的位涡变化趋势相反。在高原低涡的形成和发展阶段,由于凝结潜热加热与对流活动间的正反馈机制,潜热加热垂直梯度项引起的正位涡增强,凝结潜热加热对低层的位涡变化起主要作用,有利于高原低涡的增强与东移;低涡进入成熟阶段后,凝结潜热的贡献减小,位涡水平通量散度项与位涡垂直通量散度项对位涡的变化起主要作用。     

2003年夏季异常天气与西太副高和南亚高压演变特征的分析

通过入梅前后东亚环流与多年平均的对比,表明2003年夏季我国东部旱涝分明、长江以南高温少雨、淮河流域持续多雨、强降水过程频繁等特点是与西太平洋副热带高压(下称西太副高)活动特征有关。该年副高偏强、位置异常偏西,垂直结构呈现较强的动力性特征,即低层为辐散下沉运动、高层为辐合,脊线随高度向北倾斜。副高西北侧的梅雨锋区强,且风切变明显。动力和热力诊断结果表明,200 hPa南亚高压脊线以北东传的负涡度平流产生的辐合下沉运动,有利于对流层中下层副高的加强西伸。500 hPa副高西北侧的雨带位置与对流层上层副热带急流的位置和东伸的南亚高压对应。高层西风带和南亚高压的动力作用也会引发副高短期的东西振荡。降水区对流层高层产生的潜热释放,使副高西北侧加热率垂直方向的非均匀分布增加,导致了副高加强西进。热带天气系统的活动,对副高维持和加强也有不可忽视的作用。正是西风带、副热带和热带系统相互作用,动力和热力因素的综合影响,造成了该年副高及其所带来的天气异常。     

4～5月南亚高压在中南半岛上空建立过程特征及其可能机制

利用NCEP/NCAR再分析资料, 发现菲律宾群岛以东洋面上空反气旋在4月第5候分裂成位于中南半岛上空的西部中心和仍位于菲律宾以东洋面上空的东部中心两部分, 其中位于中南半岛上空的反气旋中心加强后形成南亚高压。中南半岛高空反气旋生成加强和菲律宾群岛以东洋面高空反气旋减弱消亡的同时发生是4~5月南亚高压在中南半岛上空建立过程的主要特征, 其主要促发因子是亚洲南部大气非绝热加热状态的改变。事实上, 随着对流沿亚澳 “大陆桥” 北移和中南半岛对流建立, 中南半岛上升运动加强, 高空辐散加剧, 西部中心在中南半岛南部生成, 南亚高压初步建立。随后, 菲律宾群岛以东洋面上热源突然东撤至150°E以东, 中南半岛热源成为主导, 在加热区东面对流层高层激发出气旋式环流, 造成西太平洋高压在120°E附近分裂。之后, 孟加拉湾[CD*2]中南半岛夏季风建立, 孟加拉湾[CD*2]中南半岛对流加强, 在深对流作用下, 中南半岛上空释放大量潜热, 上升运动进一步加强, 西部中心加强北抬。同时, 南海对流开始加强, 其释放的潜热加热会在加热区东部的对流层高层激发出正涡度变率, 令东部中心减弱消亡, 南亚高压在中南半岛上空完全建立。     

凝结潜热释放对温带气旋相对涡度倾向的影响

潜热释放的作用在温带气旋的研究中一直是研究的重点。江苏省气象台沈阳等以一个产生极端降水的温带气旋为研究对象,基于全型涡度方程,计算了凝结潜热释放对气旋相对涡度倾向的贡献。结果表明,对流凝结潜热加热率最大可达稳定凝结潜热加热率的40倍。两类潜热加热中心均位于700 hPa以上,加热率垂直梯度在对流层低层为正,因而在加热中心下方形成正涡源中心。对流凝结潜热垂直梯度引发的涡度倾向比稳定凝结潜热高出1个数量级。虽然总的凝结潜热水平梯度引发的涡度倾向可以贡献气旋涡度实际增长值的65%,但对流凝结潜热垂直梯度的贡献高达其2倍。凝结潜热释放不仅能够直接引发涡度倾向,亦可通过改变位温梯度,进一步造成涡度倾向。     

大气环流模式SAMIL模拟的夏季全球加热场和东亚夏季风

各国科学家一直致力于从理论和数值模拟上对季风系统进行全面地研究。本文根据“热力适应”理论, 从分析中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室的最新版本大气环流谱模式(SAMIL2.4.7) 对全球非绝热加热场的模拟性能出发, 分析并解释了SAMIL对东亚夏季风 (EASM) 子系统的模拟情况。通过与再分析资料Reanalysis-2 ( NCEP/DOE AMIP-II Reanalysis ) 对比分析发现, SAMIL能很好地模拟出夏半球副热带地区加热场的四叶型分布 (LOSECOD), 但模拟的各加热场在强度上存在一定的偏差, 主要表现在感热加热在大陆上普遍偏高, 而潜热加热在印度半岛两侧、西太平洋地区(尤其在南北纬10°) 偏高, 赤道带、中南半岛、中国南海等地区偏弱。而对EASM子系统的分析发现, SAMIL能很好地模拟南亚高压; 较好地模拟西太平洋副热带高压的主体, 但西太平洋 (30°N附近) 潜热偏强使得模拟的副高强度偏强、 西伸脊点过于偏西; 模式也能较好地抓住夏季西风急流的两个中心, 但中纬度潜热、 感热的模拟偏弱造成急流两中心风速均小于Reanalysis-2资料 10 m/s左右。进一步的讨论可知, 造成感热和潜热偏差的主要原因是模式中云参数化方案和积云对流参数化方案的不足, 改进模式中相关的物理参数化方案将是SAMIL后续发展的首要工作。     

南亚高压的季节变化与趋暖性

利用NCEP／NCAR再分析资料，分析了南亚高压的季节变化，讨论了对流层中高层温度、整层大气视热源和非绝热加热率的时空变化对南亚高压季节变化的影响。结果表明，南亚高压存在两个季节平衡态，即夏半年的大陆高压和冬半年的海洋高压，大陆高压又可分为青藏高压和伊郎高压。加热场对南亚高压的季节变化有重要作用，南亚高压是一个暖性高压，其中心有“趋热性”，通常位于或趋于加热率的相对大值区。南亚高压的年循环过程，主要受南亚地区潜热和感热季节变化的支配。夏季北方地区和高压地区的强烈短波辐射加热对高压中心北移和维持也有作用，长波辐射的冷却作用则是高压减弱的重要原因。     

线性准地转模型中副热带环流对潜热加热的定常响应 Ⅱ.边界约束及风场与层结稳定度的自适应

本文着重研究了线性模型中副热带环流对潜热加热的响应过程中影响高、低压系统中心位置的因子,剖析出边界层中基本流的垂直切变影响低层环流的根本原因,并且探讨了线性模式中基本流和静力稳定度自调整过程的重要作用.结果表明,在β效应和f效应、基本流在经向和垂直方向的二阶切变、以及东、西风基本流作用的非对称性等因素的共同作用下,高、低压中心位于热源北侧.结果还表明,当近地面基本流的垂直切变为零或者当风速随高度减小时,低层气旋和反气旋中心位于地面上,当风速随高度增大具有类似亚洲季风区的结构时,低层气旋和反气旋中心抬升离开地面;进一步考虑热源区附近静力稳定度和基本流自调整过程的作用后,反气旋中心继续抬升至中层,证明对流降水对其东侧对流层中低层副高的形成有重要贡献.指出基于传统线性准地转模式来研究副热带高压形成的缺陷在于应用不适当的下边界条件以及缺乏静力稳定度的自调整机制和基本流对热源的反馈机制,从而得到"潜热加热激发的低层反气旋中心位于洋面上"的不切实际的解.     

亚——非季风区非绝热加热与夏季环流关系的诊断研究

基于热力适应理论,本文利用 ＮＣＥＰ／ ＮＣＡＲ再分析资料对撒哈拉沙漠、青藏高原和孟加拉湾地区的非绝热加热与夏季环流进行了诊断研究。在非洲撒哈拉沙漠地区,以感热输送为主的加热仅局限于近地面层,边界层以上的大气则以辐射冷却占优势。因而除了边界层内存在着浅薄的正涡度和微弱的上升运动以外,整个对流层几乎都维持负涡度并盛行下沉运动。对于青藏高原地区,强大的表面感热通量引起的垂直扩散是近地面大气加热的主要分量,与大尺度上升运动相关的凝结潜热对低层大气的加热也有一定的贡献。长波辐射造成的对流层中、上层大气的冷却则主要由深对流潜热释放来补偿。夏季高原地区总非绝热加热是正值,且最大加热率出现在边界层内。低空大气辐合产生正涡度,而中、高层大气辐散伴有较强的负涡度。因而高原盛行上升运动,最大上升运动位于近地面层。夏季孟加拉湾地区的深对流凝结潜热释放远大于长波辐的冷却作用,因而整个对流层几乎都保持较强的非绝热加热。４００ｈＰａ层附近的最大加热率引起３００－４００ｈＰａ最强的上升运动。对流层上层是负涡度区,而中、低层为正涡度区。结果还表明,垂直和水平辐散环流与大气的热源和热汇区密切相联：在高层,辐散气流从热源区流向热汇区;在低层则相     

线性准地转模型中副热带环流对潜热加热的定常响应II.边界约束及风场与层结稳定度的自适应

本文着重研究了线性模型中副热带环流对潜热加热的响应过程中影响高、低压系统中心位置的因子, 剖析出边界层中基本流的垂直切变影响低层环流的根本原因, 并且探讨了线性模式中基本流和静力稳定度自调整过程的重要作用。结果表明, 在β效应和f效应、基本流在经向和垂直方向的二阶切变、以及东、西风基本流作用的非对称性等因素的共同作用下, 高、低压中心位于热源北侧。结果还表明, 当近地面基本流的垂直切变为零或者当风速随高度减小时, 低层气旋和反气旋中心位于地面上, 当风速随高度增大具有类似亚洲季风区的结构时, 低层气旋和反气旋中心抬升离开地面; 进一步考虑热源区附近静力稳定度和基本流自调整过程的作用后, 反气旋中心继续抬升至中层, 证明对流降水对其东侧对流层中低层副高的形成有重要贡献。指出基于传统线性准地转模式来研究副热带高压形成的缺陷在于应用不适当的下边界条件以及缺乏静力稳定度的自调整机制和基本流对热源的反馈机制, 从而得到“潜热加热激发的低层反气旋中心位于洋面上”的不切实际的解。