全球山脉力矩时空变化及其与地球自转的关系

山脉力矩是大气轴向角动量变化的主要外部因子之一,是研究地球运动和大气相互作用的关键变量。利用NCEP/NCAR第一套再分析资料计算了1948—2011年的全球山脉力矩,定量分析了全球山脉力矩的时空变化趋势及其与地球自转速率(以日长表示)的关系。研究表明,近64年山脉力矩变化最为显著的地区集中在青藏高原和南美的安第斯山脉,青藏高原东西两侧的山脉力矩具有不同的变化趋势。滞后相关分析显示,全球山脉力矩与日长的相关系数在日长滞后5年时达到最大(滞后相关系数为-0.482),而南美安第斯山和青藏高原的山脉力矩则分别于日长滞后2年和9年时达到最大(滞后相关系数分别为-0.461和-0.689),因此山脉力矩的变化早于日长变化。从年代际变化看,全球积分的山脉力矩和南亚高压强度指数趋势上基本一致,可以作为表征天气、气候变化的一个强信号。     

大气角动量平衡的研究进展

重点分析了20世纪80年代以来国内外关于大气角动量平衡研究的一些代表性工作。总结了地气系统角动量交换、角动量输送及其与山脉和摩擦力矩异常、地转异常、ENSO等关系的研究结果。指出了一些应当深入研究的方向。     

基于多套再分析数据的全球山脉力矩计算及比较分析

山脉力矩是地球与大气角动量交换的重要途径之一,为了深刻地理解全球的大气环流变化,比较了NCEP再分析数据、欧洲中心中尺度天气预报的ECMWF再分析数据和NASA的MERRA再分析数据计算的1979-2012年的全球山脉力矩的时、空分布及其年际变化。研究发现三套数据计算的山脉力矩空间分布基本一致,均显示北半球的青藏高原、落基山脉以及南半球的安第斯山脉是对全球山脉力矩贡献最大的三个区域。NCEP再分析数据计算的山脉力矩空间差异和多年变化标准差明显高于其他两套数据,其在纬向上的积分廓线与其他两套数据也差异较大,但是全球积分以后其平均值与标准差与其他两套数据基本一致,而且其在欧亚、南美和北美区域的积分与其他两套数据也没有明显差别,因此,NCEP再分析数据适用于大尺度的山脉力矩模拟。在研究空间尺度较小的山脉力矩变化时,建议优先考虑ECMWF和MERRA再分析数据。三套数据对北美地区山脉力矩计算的一致性较高,其次是欧亚地区,对南美区域山脉力矩计算的一致性则较差,表明北美地区气象数据质量要高于亚洲,南美洲气象数据质量较差。欧亚地球山脉力矩与大西洋-欧洲环流有很强的相关,北美山脉力矩与太平洋区极涡面积关系密切。      

季风异常,ENSO事件和地气角动量交换

季风异常和ＥＮＳＯ事件是发生在低纬地区的年际大气和海洋异常现象。本文把近年来这方面的分散研究集中到固体地球，全球海气相互作用的地球系统中来，揭示出季风异常和ＥＮＳＯ事件以及其它的大气和海洋事件的固海气相互作用的反映。这一分析具体得到下列认识：（１）南方涛动（ＳＯ）是太平洋东西部海温异常与山脉地形共同作用在海平面气压场上的反映；（２）在地球系统的年际变化中，除了大气对海洋的动力作用和海洋对大气的热力     

地球自转减慢与厄·尼诺现象的形成

著名的厄·尼诺现象的成因,目前尚无一致的结论。本文得到,地球自转大幅度持续减慢与厄·尼诺现象的发生,两者有相当一致的同步演变关系。并且,后者比前者平均滞后14天,南方涛动也比地球自转减慢滞后。表明地球自转急剧减慢很可能是形成厄·尼诺现象的一个重要原因。文中还从固体地球、大气、海洋三者总角动量守恒的假定出发,讨论了地球自转减慢影响赤道洋流、信风减弱的量级及其形成厄·尼诺的物理途径。     

从海平面气压场的波谱分析比较南、北半球大气环流的变化

本文应用沿纬圈的谐波分析,对1951—1960年各年逐月南、北半球海平面气压进行分解,对比两个半球的副热带(30°N,30°S)及中纬度(50°N,50°S)的超长波活动发现:(1)南、北两个半球月平均大气环流都存在有性质不同的两类变化,即季节性变化与非季节性变化。在海陆对比明显的北半球,不论西风带还是副热带季节性变化都比较清楚。而南半球仅副热带季节性变化明显,西风带则是非季节性变化占优势。(2)南、北两个半球大气环流的季节变化,都有明显的年际差异。通常,北半球夏季建立(南半球是夏季结束)的年际差异大,北半球夏季结束(南半球是夏季建立)的年际差别较小。(3)超长波位置的年际变化与海陆分布有密切关系。陆地面积大的地区,占优势的超长波位置比较稳定,在几乎全为海洋的50°S,则超长波无论占优势与否,波槽位置的年际变化都较大。     

固体地球-海洋-大气耦合的一个简单线性模式及其试验结果

选取实际的海陆边界，建立了一个固体地球-海洋-大气耦合的简单线性模式，模式中包含了地气角动量守恒的关系，地转变速摩擦力对大气的作用，风吹流改变海温异常，海温异常又改变大气的质量分布。在无外源作用于地球系统的情况下，地球系统内部的各个部分(纬向风、海温和地转速度)都存在着准两年振荡(QBO)，由此可见，QBO是地球系统内部的一种固有振荡。     

1980-2010年冬季北极涛动季节内振荡的成因分析

采用NCEP/NCAR日平均再分析资料,对冬季热带外低频振荡(大气角动量收支及地形力矩)与AO(Arctic Oscillation)指数进行计算,通过功率谱和统计分析发现,它们都存在30~60 d的周期,大气角动量收支与山脉力矩的变化为正相关,且显著响应AO变化。通过动力学诊断分析初步认为,北半球两大地形的山脉力矩作用于纬向大气角动量,副热带纬向西风发生变化,改变南北西风偶极子结构,使得AO产生变化,而且在两大地形中以喜马拉雅山脉地形作用为主。通过对喜马拉雅山脉地区的动力学诊断发现,在高(低)AO指数阶段,喜马拉雅山脉地区激发准定常行星波并作用于副热带西风,导致副热带西风偏弱(偏强),高纬西风偏强(偏弱),因而AO偏强(偏弱),平流层极涡偏强(偏弱),极涡强(弱)中心偏向东北亚。     

北太平洋副热带西部模态水异常与东亚中高纬度大气环流关系的一些新认识

根据1958-2001年SODA(Si mple Ocean Data Assi milation)海洋同化资料和NCAR/NCEP再分析资料,利用等密度面P-矢量计算法,分析探讨了北太平洋副热带西部模态水(简称STMW)季节演变和年际变化与前期东亚-北太平洋中高纬度大气环流异常的关系。分析指出:(1)STMW的体积具有显著的季节变化特征:4月体积最大、强度最强,夏秋逐渐减弱,12月体积最小、强度最弱。研究进一步指出,STMW体积的季节变化与西北太平洋中纬度地区的海表风应力及净热通量的季节演变过程紧密联系在一起,它在一定程度上反映了西北太平洋中纬度大气环流季节性演变的特征。(2)年际尺度上,5-7月STMW指数具有显著的3年左右的振荡周期,其年际变化不仅与海洋自身动力过程有关,还与前冬亚洲-太平洋中高纬度大气环流异常引起STMW形成区风应力动力混合及海表净热通量等因子异常有关:冬季东亚季风环流偏强(弱),STMW形成区洋面风应力的动力混合作用及海表热力蒸发加强(减弱),使得海洋对流混合加强(减弱),进而加强(抑制)了混合均匀的低位涡水体进入温跃层,随着季节演变,造成5-7月STMW强度加强(减弱)。5-7月S...     

海洋环流对全球增暖趋势的调制：基于FGOALS-s2的数值模拟研究

在工业革命以来全球长期增暖趋势背景下,全球平均表面气温还同时表现出年代际变化特征,二者叠加在一起使得全球平均气温在某些年份增暖相对停滞(如1999～2008年)或者增暖相对较快(如1980～1998年).利用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(LASG)发展的耦合气候模式FGOALS-s2历史气候和典型路径浓度(RCPs)模拟试验结果研究了可能造成全球增暖的年代际停滞及加速现象的原因,特别是海洋环流对全球变暖趋势的调制作用.该模式模拟的全球平均气温与观测类似,即在长期增暖趋势之上,还叠加了显著的年代际变化.对全球平均能量收支分析表明,模拟的气温年代际变化与大气顶净辐射通量无关,意味着年代际表面气温变化可能与能量在气候系统内部的重新分配有关.通过对全球增暖加速和停滞时期大气和海洋环流变化的合成分析及回归分析,发现全球表面气温与大部分海区海表温度(SST)均表现出几乎一致的变化特征.在增暖停滞时期,SST降低,更多热量进入海洋次表层和深层,使其温度增加;而在增暖加速时期,更多热量停留在表层,使得大部分海区SST显著增加,次表层海水和深海相对冷却.进一步分析表明,热带太平洋表层和次表层海温年代际变化主要是由于副热带—热带经圈环流(STC)的年代际变化所致,然后热带太平洋海温异常可以通过风应力和热通量强迫作用引起印度洋、大西洋海温的年代际变化.在此过程中,海洋环流变化起到了重要作用,例如印度尼西亚贯穿流(ITF)年代际异常对南印度洋次表层海温变化起到关键作用,而大西洋经圈翻转环流(AMOC)则能直接影响到北大西洋深层海温变化.     

不同地转速度下的冬季大气环流及气候异常的数值模拟

利用IAP二层全球大气环流模式，进行改变地球自转速度下冬季大气环流及气候异常的数值模拟。其中试验1: 设25 h/d (350 d/a)；试验2:设23 h/d (381 d/a)；控制运行:24 h/d (365 d/a)。联系从古至今地球自转逐渐减慢的情况，主要讨论地转减慢对冬季大气环流和气候的影响。结果表明，地球自转速度减慢以后，能使西风急流加强，南极附近增温。     

地球自轉速率年变化的一个可能進一步的解釋

把大气和地球看成一个孤立的系统,则此系统之总角动量不改变。从冬到夏地球本身的角动量增加,则同一时期大气的总角动量减少,但是低层大气(从地面到800毫巴)的平均西风环流夏季反而强於冬季,因此作者认为:从冬到夏近地面西风环流的这种加强,可能就是同一期间地转角速加快的原因;同时也可能是夏季大气角动量消耗率较高的原因。     

中国华南春季季风及其与大尺度环流特征的关系

定义了中国华南春季季风，并用NCEP／NCAR再分析资料研究了春季风的气候特征以及春季风降水和大尺度环流在年际变化上的关系。结果表明，从降水和大气环流的变化来看，华南春季风在气候上发生于4月和5月；与华南春季风相联系的大气环流特征与夏季风和冬季风所对应的大气环流特征完全不同。华南春季风降水的年际变化主要与太平洋北部的异常环流相关联，而这种异常环流又与亚洲北部的西风急流和极地涡旋有联系；华南春季风降水的年际变化还与太平洋的海表温度异常有关；而亚洲热带大气环流的年际变化与华南春季风降水的变化关系不大。     

地球自转速率变化对气候的影响

引起气候变化的可能机制包括:由于太阳变化引起地球轨道变化的摄动效应、火山活动、地壳构造的运动、太阳输出的变化、冰川活动以及海洋反馈。而在一个几百万年这样的时间尺度里,对于气候变化有重要影响的因子则是地球自转周期的增长,但这一因子目前尚未受到普遍的重视。这种增长是很小的(～2.5毫秒/百年),并且正在延续着。现在已经知道地球自转速率对于大气和海洋环流有决定性的作用,因此必然会影响到气候变化。所以研究地球自转速率变化对于古气候演变的影响并检验这种推断是否符合已知事实,是很有意义的。     

大气平衡态的动力特征 II:大气的振荡机制和稳定平衡态的吸引机制

本文研究强迫耗散系统的时间积分特征。从各态出发的积分最终都跌入吸引盆。由于能量和角动量的约束,大气向稳定平衡态的跌入成为非随机的、确定的物理过程。由于山脉矩和摩擦矩的相互调整,大气向高能级跌入时伴有次临界的、周期为2—3天的高频次振荡;向低能级跌入时伴有跨临界的、周期为1—2周的低频主振荡。振荡的频率受地形的影响明显。研究还指出,所谓“突变”,实质上是由于大气的能级出现季节性变化,大气状态从一个吸引域转移到另一个吸引域,角动量平衡重新调整的伴随现象。     

春夏东亚大气环流年代际转折的影响及其可能机理

本文通过多变量联合经验正交分解(MV-EOF)方法揭示了近30年(1979~2010年) 春季和夏季东亚大气环流所发生的年代际转折及其与中国南方降水年代际季节反相变化的内在联系,探讨了局地性大气热源年代际变化影响东亚大气环流年代际转折的可能机理.结果表明:(1)东亚大气环流春季第一模态和夏季第二模态在90年代中期都发生了明显的年代际转折;(2)与春季大气环流第一模态和夏季大气环流第二模态年代际转折相对应的是中国南方降水明显的年代际季节反相变化,即春季降水年代际减少,夏季降水年代际增多;(3)春季青藏高原和夏季贝加尔湖地区大气热源年代际变化对东亚大气环流年代际转折有一定贡献,是造成中国南方降水年代际季节反相变化的直接原因;(4)春季青藏高原大气热源的年代际减弱,使得高原东南侧的西南风减弱,导致中国南方上空水汽输送不足,春季降水减少.夏季贝加尔湖大气热源偶极型分布由“南负北正”转变为“南正北负”,由此在贝湖上空激发高压异常,使得夏季雨带北进受阻而停滞南方,造成中国南方夏季降水增多.     

一个海陆气耦合模式中大气-植被的年际变化及其相互作用

含有动态植被过程的陆面模式Atmosphere-Vegetation Interaction Model(AVIM)与中国科学院大气物理研究所大气科学与地球流体力学数值模拟国家重点实验室(IAP/LASG)的9层大气环流模式AGCM 及20层的海洋环流模式(OGCM)耦合,建立了一个全球模式(GoALS-AVIM)并进行100年的模拟积分.后40年的结果分析表明,该耦合模式能够合理地模拟大气及陆地生态系统显著的年际变化.用奇异值分解(SVD)分析了东亚地区植被生长和气候变化的相互关系,发现在东业区域的植被净初级生产力(NPP)强弱的变化对血着大气环流的变化,特别是NPP分别与850 hPa的风场和500 hPa的高度场表现出很强的时空一致性.在东亚地区,由于植被类型的不同,导致NPP年际变化与降水、表面气温、短波辐射的年际变化的相关性不同,它们的年际变化与相关物理量场的年际变化表现出很强的植物种类的区别.     

平均经圈环流在大气角动量和感热收支中的作用

本文研究相对座标系中近地表角动量的制造和自由大气中角动量的辐散之间的平衡机制,并与绝对参考系中的机制进行比较。 对1982年元月全球角动量和感热的收支分析证明,被激发的平均经圈环流具有下述特征:其下部水平支施加于大气的惯性矩与近地表角动量的制造相平衡,上部水平支反号的惯性矩与涡动角动量通量的辐合(散)相平衡;而其垂直支的绝热加热效应则平衡着自由大气中热通量的辐散和/或大气的非绝热加热。因而,无论动力上还是热力上,平均经圈环流在大气总环流中都起着重要的作用。     

1998年5～6月区域大气角动量收支与东亚天气尺度系统变化

利用NCEP/NCAR再分析资料计算了1998年5～6月区域角动量收支的主要分量,对比分析了范围较大的欧亚区域角动量矩和限制在欧亚大陆范围内的喜马拉雅山角动量矩的差异,发现两者有很好的相关,限制较小范围的计算表明,喜马拉雅山山脉力矩的作用显著。角动量收支项占较大量级的山脉力矩和摩擦力矩,并与梅雨锋区域的700hPa高度...     

基于地球自转变化和时变重力场研究全球气候变化

全球气候变化引起大气、海洋、陆地水、冰川等地表流体质量在地球表面的重新分布,并引起地球自转变化和地球重力场变化。通过空间大地测量技术,可以高精度获取地球自转变化数据和地球重力场时变数据,反演地表流体质量在全球和区域的变化情况,揭示地表流体质量变化与全球气候变化的关系。地球自转变化也和厄尔尼诺、北大西洋涛动等气候涛动密切相关,并与地表流体质量的长期变化相关。因此,利用地球自转变化和时变重力场变化观测数据,可以更好地研究全球气候变化。