全球大气能量的时空特征及变化趋势分析

大气能量学是大气科学重要的组成部分，了解大气能量的时空分布和变化特征，能够为大气科学研究，尤其是气候变化研究提供新的思路和手段。本文基于1948～2016年NCEP逐月再分析资料，从大气的总能量及其内能、位能、潜热和动能的分布、变化趋势和主模态变化等方面阐释了全球大气能量变化的整体特征。主要结论如下:（1）除高海拔地区外，总能量呈现从赤道向两极逐渐递减的分布，且全球大部分地区呈增加趋势，内能和位能的分布和变化与总能量较为接近；潜热能的极大值区和显著变化区均位于赤道及低纬地区；动能的极大值区分布在中纬度长波槽和西风急流出口区，其在南半球双西风急流区的变化最为显著。（2）总能量呈现出不连续的阶段性跳跃式增长特征；北半球的总能量多于南半球，而增速却慢于南半球，即两半球间的能量呈趋同趋势；海洋上空的总能量多于陆地，且海陆间差额有增大趋势；火山爆发事件可能对大气能量在年际尺度上的减少有重要作用。（3）大气各能量第一模态的空间特征与其各自变化趋势分布非常相似，并先后在1975年左右发生了年代际突变。就第二模态而言，大气的总能量、内能和位能从整体上反映出南北极与其它地区呈反向变化的特征；部分低纬度地区的潜热能与其它地区呈反向变化；动能主要呈现从热带太平洋向南北两极的经向波列分布；它们的时间系数均有一定的多年代际变化特征，可能与气候系统的内部变率有关。     

马古列斯问题解析

文章从流体力学基本能量方程出发，设计并解析出理想马古列斯问题的锋面模式（Margules′model）。据此讨论了大气环流中冷暖气团运动、能量得失有有效能量转化动能问题：从有效能量角度证明热带暖湿气团是能量源，极地冷气团是能量汇。此外还解答了与此有关的锋面能量和水汽能量转化动能问题。     

大气运动的动能在湍流边界层中的耗散

在大气能量学中,大气平均运动的动能通过湍流摩擦力转化为脉动运动的能量并最终转化为内能的“变性能量”是大气动能的“汇”,正确估计其大小对研究动能的收支,以至天气系统的生衰,发展均有一定意义。此项由于与湍流通量有关,因而难于从大尺度气象参数计算。以往的研究中,或是将动能平衡方程中其余各项算出,而将此项作为余项估计出,或用地转风由粗浅的边界层模式算出。     

频散效应对Rossby波动量和热量输送的影响

本文分析了扰动的频散效应对Ｒｏｓｓｂｙ波动量和热量输送的影响，分析指出：（１）频散效应是大气大尺度运动中扰动动能向平均动能转换（即能量逆转）的根本原因，也是扰动有效位能转化为扰动动能所必不可少的。（２）正压大气大尺度运动扰动动能转化为平均动能的充分条件为基本气流水平切变的特征宽度Ｌ（１）小于临界宽度Ｌｃ≡｜γ     

北半球大气环流能量循环的气候特征

利用1958—2011年NCEP/NCAR逐日再分析资料,根据Lorenz能量循环理论框架,分析了北半球大气能量循环的年变化特征,在此基础上给出了更具普适性的多年平均的大气能量循环框图.结果表明:北半球大气能量循环的年变化特征十分明显.大气能量及能量转换率均表现为冬季高、夏季低、春秋季过渡的演变特征;纬向平均有效位能、纬向平均动能和涡动动能中有少许能量在冬季时由南半球向北半球进行越赤道输送,夏季时则由北半球向南半球输送,而涡动有效位能的输送方向则与此相反;纬向平均有效位能的制造在秋季最大,涡动有效位能的制造在夏季最大;动能的耗散冬季最强,夏季最弱.就年平均而言,相较于能量转化过程,能量越赤道交换过程非常微弱.在经向上,纬向平均有效位能主要分布于高纬地区,纬向平均动能主要分布于中低纬地区,而涡动能量主要贮存在中纬和高纬地区;此外,能量转化过程一般在中纬度地区较活跃.     

亚洲季风变动与大气正压/斜压运动动能变化的气候特征

使用ＮＣＥＰ／ＮＣＡＲ４０年（１９５８～１９９７年）月平均再分析资料,通过动力学论断研究了大气斜压／正压运动动能的变化及其相互转换,分析了亚洲季风变动与这两种动能变化的联系。指出：季风区大气运动动能的组成和变化具有独特的特征。冬季风时期大气斜压运动动能与正压运动动能具有正相关线性关系,斜压运动能向正压运动动能转换;春、秋季无论是东亚还是印度季风区斜压运动动能与正压运动动能之间转换都处于极小值,只是     

变分原理与大气波动的Lagrange函数

本文从大气波动所满足的方程出发,应用变分原理求得了各种大气线性波动的Lagrange函数和平均Lagrange函数。应用平均Lagrange函数可以求得大气波动的频散关系、平均能量、波作用量和波作用量方程。 本文还分析了Lagrange函数与大气波能量间的关系,分析指出:Lagrange函数是物理量φ及其导数的二次式。对大气基本波动而言,非频散波的Lagrange函数是动能与位能(弹性位能或重力位能)之差,频散波的Lagrange函数是动能与恢复力的位能(有效位能、惯性位能或Rossby位能)之差。     

南海夏季风爆发前后华南地区大气结构和能量收支的变化

本文计算、分析了1981年南海夏季风爆发前后华南地区平均的大气动力学和热力学结构,水汽和能量收支情况。分析表明,在季风爆发前后这些物理量场,特别是垂直运动场,都经历了一次明显的变化。南海夏季风的建立,是以副热带高压从南海东撒,越赤道气流北进为特征。它与以"爆发性涡旋"为开始,降水与西南气流同时开始的印度夏季风有所不同。另外,南海夏季风建立过程,主要变化发生在中、上层大气之中。这说明夏季风的建立,主要是大气环流季节性调整的结果,海陆差异需要有合适的大气环流配合才能产生明显的季风。对大气能量收支的分析表明,夏季风爆发前,华南地区主要是动能向总位能转换。所产生的总位能部分辐散到边界之外,部分消耗在对流层上层非绝热冷却过程之中,因而在对流层下部总位能才有稍明显的增长。夏季风爆发后,整个能量循环几乎相反。总位能大量转换为动能,以维持南海夏季风的增长。而整层大气中的非绝热加热以及总位能的辐合又补充了大气中总位能的损耗。潜热释放是夏季风爆发后大气的主要非绝热加热过程,它是南海夏季风维持,发展的主要能源。      

一次梅雨锋暴雨过程中多尺度能量相互作用的研究II.实际应用

本文利用中国自动站与CMORPH（Climate Prediction Center Morphing technique for the production of global precipitation estimates）融合的逐时降水量0.1°网格数据集资料挑选出一次典型的梅雨锋暴雨个例,运用WRF中小尺度模式进行模拟,对模拟得到的高分辨率结果进行Barnes滤波,最后将滤波结果代入动能和位能方程中,目的是定量地分析各个尺度能量的变化以及它们之间的相互作用对暴雨强度的影响。研究发现:模式模拟的降水过程和强度与实况较为吻合,推导的能量方程适用于这次暴雨过程。三种尺度能量之间的相互作用包含了各种跨尺度能量的相互作用。在整个暴雨过程中,跨尺度之间的斜压能量转换包括位能向动能的能量转换和动能向位能的能量转换。同尺度之间的斜压能量转换总是单向的,且量值较大,动能的强度主要靠位能向动能的能量转换来维持。斜压能量转换的多少影响着暴雨的强弱。大尺度斜压能量转换在中高层比较强,中尺度斜压能量转换在低层较强,尤以β中小尺度系统变化最为显著,β中小尺度系统扰动是影响暴雨强度的关键系统。风切变的大小影响各尺度动能之间的能量转换。温度或位温梯度的大小影响各尺度位能之间的能量转换。位能与动能之间的能量转换主要与各尺度垂直速度和温度的垂直分布有关,暖空气上升冷空气下沉是各个尺度位能向动能转换的主要过程。     

2007号台风“海高斯”的多尺度能量分布及转化特征分析

2020年第7号台风“海高斯”在广东省造成大风、暴雨灾害,细致研究其多尺度能量分布及转化特征有助于更好地认识和防御类似的台风灾害。运用WRF模式对台风“海高斯”进行了数值模拟,使用Barnes滤波方法将模拟结果分离为大尺度背景场(> 2 000 km)、α中尺度系统(200～2 000 km)、β中小尺度系统(<200 km)等三个尺度分量,分别计算三个尺度动能、有效位能的分布及变化。结果表明：(1)台风“海高斯”活跃期内,大尺度背景场动能先增加后稳定,α中尺度动能先增加后减少,β中小尺度动能变化不明显。动能的主要来源是有效位能的转化及气压梯度力做功,主要去向是水平输送及跨尺度转化。三种尺度动能主要分布于对流层低层。(2)大尺度背景场有效位能有两次先增加后减少的过程,α中尺度和β中小尺度有效位能先增加后减少。有效位能的主要来源是非绝热加热,主要去向是转化为动能和水平输送及跨尺度转化。三种尺度有效位能主要分布于对流层高层。(3)台风“海高斯”能量转化区域主要为距台风中心200 km以内台风眼壁及中心密集云盖区域对流层上层、距台风中心200—700 km台风外围区域对流层上层、...     

北京地区一次PM2.5重污染过程的边界层特征分析

利用北京市环境保护监测中心和美国大使馆的细颗粒物（PM2.5）逐时监测数据,中国科学院大气物理研究所325 m气象梯度塔资料以及实况天气图和探空资料,对2015年11月27日至12月1日北京的PM2.5重污染过程的边界层特征进行了分析。研究发现:这次重污染过程持续时间长、强度大,其中PM2.5浓度超过75 μg/m3的时次共计126 h,超过150 μg/m3共计116 h,小时最高PM2.5浓度为522 μg/m3。在高低空环流场配置的影响下,近地面静风和多层逆温结构抑制了污染物在水平和垂直方向上的输送,加上边界层内的深厚湿层,使得其中气溶胶不断吸湿增长,高PM2.5浓度得以维持。在重污染期间,湍流动能较低,不利于污染物的水平和垂直扩散。垂直方向的湍流动能一直占水平方向的15%~20%左右,水平湍流动能占主要贡献。摩擦速度与湍流动能呈现出相似的变化趋势,不同高度之间的摩擦速度差别不大。超出前后时次一个数量级的湍流强度尖峰的出现是湍流场发生调整的一个信号,是PM2.5浓度发生剧烈转变的前兆,预示着污染状况更加糟糕。重污染过程中感热通量的输送方向为从地面向大气输送,感热通量和潜热通量都大幅减少,并且表现出明显的日变化特征。对湍流功率谱计算和分析表明,在重污染过程期间,时间尺度为5 min至6 h的中尺度过程对从地面到大气方向的动量和热量通量输送做出了重要贡献。     

Sampling errors in estimation of the small scales of monthly mean climate

Abstract

We examine the sampling errors in the estimation of the small scales of monthly average mean atmospheric climate as seen in mean kinetic energy. The relationships between the small‐scale mean and transient kinetic energy in the atmosphere and atmospheric flow simulations are discussed. We elucidate how the estimation of the mean depends on the number of realizations or the length of the time period of the data. Studies based on both a barotropic model and on the Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO) Mark 3 general circulation model (GCM) are performed focusing on 500 hPa and vertically averaged spectra. Results for perpetual January simulations are presented for 32, 62 and 1500 member ensembles within the barotropic model and for 1, 10 and 60 month integrations with the GCM. We find that, with too few realizations in the ensemble or averaging over just one month, the mean kinetic energy has a spurious spectrum with similar power law to the transient kinetic energy but with smaller values by about two orders of magnitude. For larger ensembles or longer averaging periods, the mean kinetic energy falls off more rapidly than the transient kinetic energy. Our results lead to the conclusion that mean kinetic energy spectra based on just one month of data, such as reported in the literature, most recently by Boer (2003), are dominated by sampling errors at the small scales.     

热带大气季节内振荡的进一步分析

利用ＥＣＭＷＦ的格点资料对热带大气季节内振荡作了进一步分析研究,表明热带大气季节内振荡既有Ｋｅｌｖｉｎ波型扰动,也有Ｒｏｓｓｂｙ波型扰动;影响热带大气季节内振荡移动的主要因素有扰动波型和积云对流活动的异常;伴随ＥｌＮｉｎｏ事件的发生,热带大气季节内振荡的动能急剧减小,而准定常扰动动能急剧增大,既反映了热带大气季节内振荡对ＥｌＮｉｎｏ的激发作用,也说明了在ＥｌＮｉｎｏ期间热带大气季节内振荡偏弱的原因。     

Activities of Low-Frequency Waves in the Tropical Atmosphere and ENSO

ＥＮＳＯ,ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙｔｈｅｏｃｃｕｒｅｎｃｅｏｆＥＮＳＯｉｓｓｔｉｌａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｏｂｊｅｃｔｉｎｃｌｉｍａｔｉｃｖａｒｉａｔｉｏｎ．ＵｓｉｎｇｔｈｅＥＣＭＷＦｄａｔａ,ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｎＥＮＳＯａｎｄｔｈｅａｃｔｉｖｉｔｉｅｓｏｆｌｏｗ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｗａｖｅｓｉｎｔｈｅｔｒｏｐｉｃａｌａｔｍｏｓｐｈｅｒｅｉｓａｎａｌｙｚｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．ＩｔｉｓｓｈｏｗｎｔｈａｔｔｈｅｏｃｕｒｅｎｃｅｏｆＥＮＳＯｉｓｃｌｏｓｅｌｙｒｅｌａｔｅｄｔｏｔｈｅｉｎｔｒａｓｅａｓｏｎａｌｏｓｃｉｌａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｑｕａｓｉ－ｓｔａｔｉｏｎａｒｙｗａｖｅｓ（ｔｈｅｐｅｒｉｏｄ＞９０ｄａｙｓ）ｉｎｔｈｅｔｒｏｐｉｃａｌａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ．ＡｓｏｃｉａｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅｏｃｕｒｅｎｃｅｏｆＥｌＮｉｎｏｅｖｅｎｔ,ｔｈｅｋｉｎｅｔｉｃｅｎｅｒｇｙｏｆｌｏｗ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｗａｖｅｓｈａｓｏｂｖｉｏｕｓｖａｒｉａｔｉｏｎ：ｔｈｅｋｉｎｅｔｉｃｅｎｅｒｇｙｏｆａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｉｎｔｒａｓｅａｓｏｎａｌ（３０－６０ｄａｙｓ）ｏｓｃｉｌａｔｉｏｎ     

Activities of low-frequency waves in the tropical atmosphere and enso

ENSO, particularly the occurrence of ENSO is still an important research object in climatic variation. Using the ECMWF data, the relationship between ENSO and the activities of low-frequency waves in the tropical atmosphere is analyzed in this paper. It is shown that the occurrence of ENSO is closely related to the intraseasonal oscillation and the quasi-stationary waves (the period > 90 days) in the tropical atmosphere. Associated with the occurrence of El Nino event, the kinetic energy of low-frequency waves has obvious variation: the kinetic energy of atmospheric intraseasonal (30–60 days) oscillation (ISO) decreases abruptly and the kinetic energy of quasi-stationary waves increases abruptly. Moreover, the ISO and quasi-stationary waves propagate eastward clearly corresponding to El Nino; but they clearly propagate westward in La Nina cases.     

2009年“莫拉克”台风登陆过程阵风特征分析

利用上海台风研究所移动观测车获取的“莫拉克”台风登陆过程中超声风、温等观测资料对地面阵风特性进行了诊断分析.结果表明,在风速时间序列中叠加有周期为3-7 min的阵风扰动,显现出明显的相干结构,即沿顺风方向阵风风速峰期有下沉运动,谷期有上升运动;阵风扰动的各向异性特征明显,沿顺风方向的阵风扰动能量最大,其次是沿侧向和垂直方向的扰动能量;沿顺风方向的阵风垂直动量通量向下传播,而沿侧风方向阵风扰动动量垂直通量总体贡献接近于0.阵风扰动沿顺风方向的积分空间尺度和时间尺度最大,沿侧风方向和垂直方向其次,均明显大于湍流的积分空间和时间尺度.此外,阵风扰动的其他特征还包括:感热垂直通量极小;当平均风速较大时阵风风向变化幅度较小,而风速较小时阵风风向变化幅度则较大;动力学分析表明,阵风扰动主要表现出重力内波的一些特性.     

一次大暴雨过程的物理量平衡分析

本文分析了1977年7月一次大暴雨过程的动能、感热和水汽的平衡。结果表明暴雨系统把来自周围大气的感热能和潜热能变成动能,在高层又将动能输送给周围大气。次网格尺度运动对天气尺度系统的作用是感热源、潜热汇。对于动能,在强对流的中心区是动能源,在包括中心周围的较大范围内是汇。 本文所得结果对于降水数值预报模式的设计有一定意义。     

三维静力适应过程中声重力波的特性和能量转换研究

为了研究三维静力适应过程的机理,推导三维静力适应方程组并导出声重力波的频散特征、解析解和能量转换关系以及位涡方程。结果表明,三维静力适应过程实际上就是三维声重力波和重力内波的频散过程,声重力波和重力内波的频率在水平方向上可以区分开来。声重力波的频率随着水平波数和垂直波数的增大而增大。取近轴近似,其解析解在空间上呈螺旋曲面,为大气中热通量和动量从一个区域向另一个区域的输送提供了一种机制,从而为研究大气提供了新的视角。垂直速度在动能与有效势能的转换、有效势能与有效弹性势能的转换中发挥着重要的作用,并且只发生在垂直方向上。在静力适应过程中总能量和位涡是守恒的。适应终态中有效势能比有效弹性势能大一个数量级。      

四川地形扰动对降水分布影响

引入一维加权平均的谱分析方法定量研究四川地形强迫对该区域降水分布的影响。结果表明:纬向地形和冬季降水谱峰锁相于同一波长（475.8 km）,呈共振关系,地形与其他季节降水呈漂移关系,这与经向和纬向上环流变动有关,即冬季纬向环流占主导,纬向地形触发的大气波动对冬季降水策动作用大;夏季降水是各种不同尺度系统相互作用的结果,地形是重要因素之一。经向和纬向地形特征尺度分别为296.8 km和475.8 km,反映了地形强迫的中尺度特征,且纬向地形谱峰比经向大1个数量级,纬向强迫更明显。夏季降水谱峰比冬季大2个数量级,降水系统纬向特征尺度比冬季小约150 km,说明夏季在纬向地形强迫下,降水系统尺度减小的同时其强度大大增加,这在一定程度上可以解释中尺度对流性降水在夏季偏多。四川夏季最大降水位于雅安地区,其地形扰动比四川整体扰动更明显,故产生的降水也更大。夏季降水和经向地形锁相于同一波长（37.1 km）,经向地形对雅安夏季强降水起关键作用。     

Changes in the normal mode energetics of the general atmospheric circulation in a warmer climate

Changes in the normal mode energetics of the general atmospheric circulation are assessed for the northern winter season (DJF) in a warmer climate, using the outputs of four climate models from the Coupled Model Intercomparison Project, Phase 3. The energetics changes are characterized by significant increases in both the zonal mean and eddy components for the barotropic and the deeper baroclinic modes, whereas for the shallower baroclinic modes both the zonal mean and eddy components decrease. Significant increases are predominant in the large-scale eddies, both barotropic and baroclinic, while the opposite is found in eddies of smaller scales. While the generation rate of zonal mean available potential energy has globally increased in the barotropic component, leading to an overall strengthening in the barotropic energetics terms, it has decreased in the baroclinic component, leading to a general weakening in the baroclinic energetics counterpart. These global changes, which indicate a strengthening of the energetics in the upper troposphere and lower stratosphere (UTLS), sustained by enhanced baroclinic eddies of large horizontal scales, and a weakening below, mostly driven by weaker baroclinic eddies of intermediate to small scales, appear together with an increased transfer rate of kinetic energy from the eddies to the zonal mean flow and a significant increase in the barotropic zonal mean kinetic energy. The conversion rates between available potential energy and kinetic energy, C, were further decomposed into the contributions by the rotational (Rossby) and divergent (gravity) components of the circulation field. The eddy component of C is due to the conversion of potential energy of the rotational adjusted mass field into kinetic energy by the work realized in the eddy divergent motion. The zonal mean component of C is accomplished by two terms which nearly cancel each other out. One is related to the Hadley cell and involves the divergent component of both wind and geopotential, while the other is associated to the Ferrel cell and incorporates the divergent wind with the rotationally adjusted mass field. Global magnitude increases were found in the zonal mean components of these two terms for the warmer climate, which could be the result of a strengthening and/or widening of both meridional cells. On the other hand, the results suggest a strengthening of these conversion rates in the UTLS and a weakening below, that is consistent with the rising of the tropopause in response to global warming.