地球旋转水平分量对Rossby波的影响

利用合理的β平面近似方程组,研究β效应和地球旋转水平分量共同作用下大气中Rossby波动的特征.结果分析表明,若扰动与纬度有关,科里奥利参数分量fH=2Ωcosψ将影响波动传播的频率特征,并加强水平散度对斜压Rossby波的作用;如果扰动与纬度无关,则科里奥利参数分量fH的影响消失.     

锋面波发展演变与气旋形成的数值研究

本文将锋面作为密度的零级不连续面，对锋面上扰动的非线性发展演变进行了数值研究，所用的锋面模型是f平面上的浅水、两层模型，差分格式具有位涡拟能守恒和动能守恒的性质。锋面波的发展与初始扰动尺度有关，天气尺度的扰动可以维持较长的发展时间，形成较大振幅的波动，其结构类似于具有锢囚锋结构的气旋，相反，较小尺度扰动不易形成锢囚锋结构。同时，锋面波的发展演变受Richardson数(Ri)的影响，Ri越小，锋面波发展的时间越长，波动振幅越大；Ri越大时，锋面波发展的时间越短，波动容易衰减。锋面波的发展类似于气旋的形成过     

论Rossby波在东、西风带中传播与频散Ⅰ——谐波扰动Rosshy波和指数扰动Rosshy波

传统Bossby波最初求解于局地直角坐标系(Cartesian coordinate)准地转、准水平无辐散正压大气运动微扰方程,在所谓"卢平面"近似下,归于求解一个关于经向风扰动的二阶常微分方程,它存在可在卢-平面经向-纬向传播的简谐波解,其物理机制是,扰动气流在科氏参数随纬度变化(所谓"β效应")作用下的绝对涡度守恒。本文先讨论传统Rossby波二阶常微分方程"经向谐波扰动-纬向简谐波"(谐波扰动Bossby波)通解,指出传统Rossby波只被描述为谐波扰动Bossby波,即在扰动区内形成谐波扰动可在扰动区外作经向-纬向简谐波的连续传播;又讨论数学上存在的"经向指数扰动-纬向简谐波"(指数扰动Bossby波)另一通解,并且分析与比较两个通解的纬向波速与群速诊断方程。认为,谐波扰动和指数扰动"传播"与"频散"可以在相邻边界上保持为分段"零阶"连续且为有界。从而Bossby波定义为:大气运动受到连续或分段"零阶"连续谐波扰动和(或)指数扰动和(或)其它函数扰动、在β效应与绝对涡度守恒作用下、可以在全球(东、西风带)传播与频散的波动,作"纬向简谐波"传播是Bossby波的唯一识别特征。最后,作为对传统Rossby波的补充,单纯用指数扰动Rossby波波速和群速方程,对西风带中的长-中-短波槽脊传播、阻塞高压建立与后退、大槽建立与寒潮,以及气候上的遥响应,做出新的解释,更对东风带中的东风波(倒槽)与台风传播、副热带高压西进与东退,做出传统Bossby波尚不能解释的初步解释。     

台风麦莎登陆后粘性摩擦对正压特征波动的影响

本文推导出柱坐标系下含有粘性摩擦项的正压方程组。选取2005年台风麦莎登陆浙江过程中的8月6日15时的WRF(Weather Research and Forecasting)模式输出资料,利用数值差分方法对该正压方程组求特征波解,分析粘性摩擦对台风麦莎内部正压特征波动的影响。结果表明,重力惯性外波在粘性摩擦的影响下,最不稳定波的波数为45左右,波动在摩擦的影响下衰减,波动沿逆时针传播,在半径1000 km处,1波波速为47.43 m/s,在半径r>800 km的范围内,径向风分量扰动加大,辐合辐散运动增强;而摩擦影响下的涡旋Rossby波,2波最不稳定,波动增长率减小,在半径r=200 km处波动相速度为4.282~29.172 m/s,扰动涡度大值区范围减小,涡旋Rossby波的波动区域沿着径向向台风中心收缩。分析包含所有波动时,考虑摩擦后,最不稳定波数在45左右且波动衰减,1波波速在r=1000 km处(外螺旋雨带)为26.374 m/s;在半径r=200 km(内螺旋雨带)为5.275 m/s,考虑径向基本气流后,最不稳定波的波数保持不变,半径r=1000 km处的波速增加为30.324 m/s,r=200 km(内螺旋雨带)处波速为6.065 m/s,摩擦使得径向风分量扰动明显增大,辐合辐散运动加强。     

台风螺旋雨带——涡旋Rossby波

台风中的螺旋云雨带是由多种探测手段被观测到的现象 ,是为大家所共识的不争事实。但是 ,对它的形成、维持的理论解释 ,虽有多种学说 ,一直以来人们都倾向于重力惯性波说。而重力惯性波说有一个致命的弱点 ,即波的相速理论值为 10 1m/s量级 ,它要比螺旋云雨带实测移速只有 10 0 m/s几乎大一个量级。于是从前几年开始 ,人们又回到 30多年前提出的涡旋 Rossby波说那里去寻找合适的解释。经典的Rossby波是 β =(df/dy)作用的大尺度波动 ,而适用于台风中螺旋云雨带的涡旋———Rossby波乃是 f平面 (β =0 )上的中尺度波动。那末 ,对这两类尺度不同和成波机理不同的波动 ,何以均冠予Rossby波一词 ?本文试图从动力学等价原理上 ,对此作统一联系的说明。其结果是 :台风基本气流的涡度 ζ随径向 (r)变化的梯度d ζdr=1rr(r vλ) ,在动力学上等价于科氏参数 f随纬度变化的梯度即β=df/dy ;或者说它们在绝对涡度守恒的前提下 ,作为波扰动的成波机理是等价的     

热带月平均风场谱结构的傅立叶分析Ⅰ——气候风场分析

用风场傅立叶分析方案,分析了NCEP/NCAR再分析资料的热带(30°S~30°N)850、200 hPa气候风场V8 50、V2 00的谱结构,讨论热带风场定常波的成因,以弥补热带气候风场此类分析工作的空白。研究结果表明,(1)有低维、低阶特征,|m|=0,4-、0,3-波对月8 50、2 00的累积模方拟合率年均达90%、98%。(2)纬向平均分量0最重要,它对8 50、2 00的单波拟合率ρ0年均达52%、85%。850 hPa0主要由北、南半球的两支信风带构成,冬半球强、夏半球弱,轴线位置与所在半球Hadley环流中心对应;200 hPa0由强的外热带西风带和弱的内热带东风带构成。0的季节变化850 hPa层明显强于200 hPa,北半球明显强于南半球。(3)风场定常波的最大波分量全年两层均为|1|*,它对850*、200*的拟合率ρ|*1|年均达39%、55%;ρ|1|*作年双周振荡,北半球夏、冬季达极大,秋、春季达极小。次大波分量在北半球冬、夏季时同为3、2波,过渡季节也以3、2波为主(10—12月850*4波是例外)。(4)1、7月射出长波辐射定常波OLR*最大、次大波与同期V*相同,1月为1、3波,7月为1、2波;OLR*重要波分量上的极值区与*相应波分量散度场的垂直配置符合动力学原理。(5)7月青藏高原及以东以南的广阔区域,*的主要分量|1|*、|2|*同为下层辐合、上层辐散,1OLR*、2OLR*同为负值,是同纬度上最有利于降水和潜热释放的气候区。     

切变基流中β中尺度扰动的特征波动

利用Bussinesq方程,通过数值计算的方法,讨论了中尺度扰动的特征波动,发现β中尺度波动(一对重力惯性波和一支涡旋波)的波谱特征与背景场有关,在基流存在垂直切变的情况下,三支波动都存在连续谱.随着风切变的增大,连续谱发生重叠.在连续谱的重叠谱区,谱函数也发生了变化,即扰动结构发生了变化,这一点与α中尺度扰动的特征波动不同.     

地形对低空地转气流上重力惯性波稳定性的影响

研究指出,对西风地转气流,地形的南坡有利于重力惯性波的不稳定,北坡不利于波动的不 稳定发展;对东风气流,情况与此相反.重力惯性波不稳定的条件是(u+g~*A/f)~2≥g~*H.     

热带风暴中波动特征的研究进展和问题

在分析热带风暴眼壁和螺旋雨带中尺度波动特征最新研究的基础上，指出这些研究所忽略的问题，其中包括重力惯性波和涡旋Rossby波波解存在的前提条件和约束、理论分析与观测研究存在的差异等。提出一种基于准平衡动力条件下，热带风暴内中尺度扰动涡散运动共存时，区别于标准模混合的不可分的混合涡旋Rossby-重力惯性波，并讨论了位涡守恒条件下这一类不可分混合波的可能成波机制。利用高分辨率的模式大气资料，采用非对称波分量的分解方法分析了Bonnie飓风中的中尺度波动特征，结果表明，热带风暴中1波型扰动既具有涡旋波性质，但也存在散度扰动的变化，而2波型扰动则体现了明显的不可分混合波的特性。     

热带平流层Kelvin波的能量、动量铅直输送特征的理论分析

本文利用赤道β平面近似下的线性化扰动方程组,假定无外源强迫和基本大气为等温大气的情况下求解,对于v’=0的Kelvin波的特解,得到了波动的能量和动量的铅直输送的结果。在波动位相下传的情况下,波动向上输送能量和西风角动量。这从理论上印证了Kelvin波在铅直方向的能量和动量输送特征,也提示了Kelvin波对准两年振荡(QBO)中西风位相的建立和下传的作用。      

大气中行星尺度孤立波的动力特征

大气中的非线性波一直是气象学界所关心和重视的问题,Long和Benney等人最早把孤立波理论应用到大气中来,成功地解释了大气中的一些天气现象,后来我国学者巢纪平、刘式达、刘式适等又进行了这方面的研究工作,取得了一些有意义的结果。本文利用行星大气中的相当正压模式和Burger模式,在一定的条件下分别导出了它们所满足的KdV方程,     

地球大气行星波的螺旋结构

本文从描写大气大尺度运动的动力方程组出发,讨论了地球大气行星波的螺旋结构,给出了这种螺旋结构的“宏图”,指出:(1)螺旋状的行星波在整个大气三度空间都存在;(2)准水平面上的行星波是对数螺旋结构,这种行星波在垂直方向上也呈对数螺旋分布;(3)螺旋行星波存在一个相速条件(即存在范围),它的形状与波位相速紧密相关,而且它有频散作用;(4)螺旋波的形成,主要由于南北方向和垂直方向空气的较差转动及Coriolis参数随纬度的变化。     

大气定常波传播的运动学特征的时空变化

利用时间平均全球大气环流资料,本文计算了纬向平均位涡的南北梯度的时空分布,以及波动水平传播的临界波数n_s,和垂直传播的临界波数K_c的时空分布。由此研究全球大气定常波传播的运动学特征及其年变化。     

NUMERICAL EXPERIMENTS OF EFFECT OF SSTA OVER THE INDIAN OCEAN ON ATMOSPHERIC LOW-FREQUENCY OSCILLATION IN THE EXTRATROPICAL LATITUDE

Numerical experiments on forcing dissipation and heating response of dipole (unipole) are carried out using global spectral models with quasi-geostrophic barotropic vorticity equations. For each experiment model integration is run for 90 days on the condition of three-wave quasi-resonance. The results are given as follows: Under the effects of dipole (unipole) forcing source and basic flow intensity, there exist strong interactions among the three planetary waves and quasi-biweekly and intraseasonal oscillation of the three planetary waves. In the meantime, the changes in the intensity of dipole or unipole forcing source and basic flow have different frequency modulation effects on LFO in the middle and higher latitudes. The results of the stream function field of three quasi-resonant waves evolving with time confirm that the low-frequency oscillation exists in extratropical latitude.     

地球斜压大气纬圈平均运动特征的振动(二)——各向异性准涡旋运动

本文是文[3]的一个续篇,以简单的水平动能各向异性假定替换文[3]中的各向同性假定。结果是纬圈平均运动特征随纬度的分布由勒尚德多项式改为车贝雪夫多项式。在较一般的水平动能各向异性分布情况下,葛根保尔多项式代替了车贝雪夫多项式。其随时间的变化仍是谐波振动。其他结论与文[3]基本相同。 这反映线性理论在大气宏观中期过程的研究工作中,还有较大的潜力可供开发。 本文为以实际资料检验准涡旋运动观点作了准备。     

SPATIAL AND TEMPORAL VARIATIONS OF THE KINEMATIC CHARACTERISTICS IN THE PROPAGATION OF ATMOSPHERIC STATIONARY WAVES

Time-mean global general circulation data are employed to analyze the temporal and spatial variations ofthe meridional gradient of zonal mean potential vorticity,the critical wavenumber n_s for horizontal wave-propagation,and the critical wavenumber K_c for vertical wave-propagation.Thereby the kinematic charac-teristics in the propagation of atmospheric stationary waves and their annual variations are studied.Resultsshow that in the troposphere n_s and K_c usually decrease with the increase of either latitude or altitude.Synoptic and near-resonant Rossby waves could be trapped during their upward and meridional propagations.These characteristics possess prominent annual variations,especially in the Northern Hemisphere.It is foundthat the spatial and temporal variations of these kinematic characteristics are in good agreement with those ofthe atmospheric wave patterns.     

全球资料分析中重力波的重要性

本文用哈佛(Hough)调和分析方法作全球(实测)资料的展开,发现重力波分量在风场和高度场的客观分析中是重要的。对全球范围内一些重要天气系统的描写若忽略重力波分量,则许多天气系统分析的强度就会明显偏弱,甚至分析不出来。低纬地区高、低压中心值偏弱4—8位势什米,中高纬地区也有较大的误差。含有重力波(一定分量)的风场的分析也比地转流函数的风场分析更合理,而且不零乱。 本文对按频率大小编号的重力波分量和涡旋波分量的截取项数,也提供了一些试验结果,似乎以分别取15和25项为宜。     

EFFECTS OF OROGRAPHY AND HORIZONTAL DIFFUSION ON THE GENERATION OF THE ASYMMETRIC MOTION IN THE BAROTROPIC FILTERED MODEL ATMOSPHERE

By utilizing the barotropic vorticity equation including effects of orography and horizontal diffusion,the linearized equations describing symmetric and antisymmetric motions and their analytic solutions are pre-sented.It can be found from the solutions that no matter what kind of motion may be,each solution consistsof three waves,namely,Rossby wave related to initial values,marching wave propagating at Rossby wavevelocity and stationary wave.The latter two are closely related to orography and horizontal diffusion.However,if the motion is symmetric at the initial instant,then the antisymmetric components of orographyand of horizontal diffusion are likely to lead to the generation of antisymmetric motion.In the steady state,the symmetric flow is connected with symmetric orography and horizontal diffusion and the antisymmetricflow with antisymmetric orography and horizontal diffusion.Further,in order to verify the above analysis,three numerical experiments have been made.The results show that antisymmetric orography can produceantisymmetric motion.Finally,the atmospheric interactions between Northern and Southern Hemispheresare discussed.     

在正压过滤模式大气中地形和水平扩散对非对称运动形成的作用

利用考虑地形和水平扩散作用的正压涡度方程,在线性情况下,给出了描写对称运动和反对称运动(都是对赤道来说的)的方程和它们各自的解析解。分析这些解可以看出,不论对于对称运动或反对称运动,解都由三部份组成:一是与初始流场有关的Rossby波;一是以Rossby波波速传播的,与地形和水平扩散有关的行进波;另一是与地形和水平扩散有关的定常波。但是,如初始时刻运动是对称的,则地面拔海高度和水平扩散系数的反对称分布可以引起反对称运动,从而,引起非对称的运动。在定常情况下,则对称的流场,和地面拔海高度、水平扩散系数的对称分布有关,反对称的流场,和地面拔海高度、水平扩散系数的反对称分布有关。最后,还用数值试验,证明反对称地形可以引起反对称运动;还讨论了南北半球的相互影响的问题。     

平流层大气重力波时空分布特征及其可能影响机制

大气重力波是一种普遍存在于大气层中的波动现象,与多种不同尺度天气现象均有密切联系,研究平流层重力波的时空分布特征及其可能影响机制对于全球大气环流、大尺度气候变化和各类中尺度天气系统的研究具有重要意义.利用基于PANGAEA数据中心提供的2002—2015年逐月平流层重力波参数资料和SPARC数据中心提供的1992—1997年逐月纬向风资料,分析了平流层重力波参数的时空分布特征,并讨论了影响平流层重力波变化的可能机制.结果表明,对于重力波参数的纬向平均分布,平流层重力波扰动温度和垂直波长随高度增加而增大,而水平波数和绝对动量通量则相反.在夏半球的中低纬度和冬半球的高纬度存在重力波参数的大值区,在赤道附近全年存在重力波参数的低值区.平流层重力波参数水平分布表现为纬向上的带状分布,强度随季节发生变化.在相同纬度,重力波参数的大值中心出现在大陆,特别是山脉地区.平流层纬向风和重力波参数二者的分布具有一致性,说明背景风对大气的扰动是影响重力波参数的可能机制之一.