論气压波和温度波的移动

利用一个修正的二层模式,作者推导了在均匀基本气流情况下大气中层气压波和其以下平均溫度波的移速公式.其主要結果如下: 1) 在一般情况下除波数为3—10的波外,溫度波的移动速度大子气压波; 2) 当地面基本气流为西风时,气压槽接近地势高的地方加速,离开时減速,而气压脊則相反. 把这些結果和气压波、溫度波的发生发展联系起来,可以解释一些天气图上出現的現象。 作为上述情况的推广,对在不均匀基本气流情况下气压波和溫度波的移速也进行了討論,其主要結果是: 1) 气压波、溫度波的移速和基本气流的分布有极密切的关系,并主要由后者所决定; 2) 一般气压波和溫度波在高原北侧比在高原南側移动快,但在它們之間位相差很小而振幅差較大时則有例外. 最后,对这些結果和高原以西斜槽、急流沿高原分支、切断低压形成等的联系也作了討論。     

正压大气中长波的演变

本文研究正压大气中非均匀气流(特别是非平直基流)上扰动的演变过程,对[1]进行了推广,对迭加于超长波基流之上的长波扰动和迭加于超长波或长波基流之上的中、短波的扰动的演变特性进行了统一的处理。结果表明:当小槽、小脊的波长变长时,其振幅(能量)增大,扰动发展;波长变短时,振幅变小,扰动衰减。当小扰动已经发展成长波的时候,或者当我们一般地研究长波的演变过程的时候,则上述规律更为明显,即长波发展时,波长变长更为明显;长波衰减时,波长变短也更为明显。利用这些结果,可以解释大气中槽、脊发展时总是伴随着扰动加宽,而槽、脊收缩时,波长很快减小。其次,扰动发展与否完全由扰动的结构所决定,其中主要是由扰动轴线的方向及其与基流的相对位置所决定。北半球发展型扰动的轴线是:在急流以北呈东北—西南向,急流南呈西北—东南向;而衰减型的轴线是:急流北呈西北—东南向,急流南呈东北—西南向。这些结论和角动量传送理论结果以及天气实际都是符合的。     

大地形和热源的动力控制与超长波活动关系的初步研究

考虑静力稳定度在垂直方向上的不均匀性,给出一个简单的讨论对流层中层、平流层下层运动的一参数模式。在线性化下研究了大地形和热源对超长波活动的控制作用: (1)地形和热源可使超长波在固定的地理区域摆动和加深,说明一些大槽和阻塞高压易于在一定的地区维持。 (2)超长波振幅变化存在10—30天的周期,长短决定于大气运动的尺度、结构和地球自转。 (3)在一定的大气参数保持不变的情况下,扰动在极长时间中建立了定常状态。计算表明,在对流层中层所观测到的平均槽脊正是地形和热源所造成的定常超长波系。     

冬季平流层大气环流平均槽脊的形成

本文利用一个π坐标的3层模式描写对流层和平流层的大气运动。由线性化方程的解,讨论了大尺度地形和加热分布的控制作用和定常扰动。 结果得到:(1)地形和对流层热源的超长波扰动,可以传播到平流层中,扰动振幅向上增强,地形波的位相近于垂直,而热源波的位相随高度向西倾斜。(2)地形和热源对平流层平均槽脊的形成都是重要的。但对流层和平流层大气的热源、热汇对30mb阿留申高压的形成起了主要作用。(3)平流层扰动的强大振幅主要是由于平流层大气密度很小所造成的。     

冬季全国性持续低温事件过程中的平流层—对流层相互作用

利用1959～2017年ERA40/ERA-Interim逐日再分析资料和国家气候中心的逐日站点资料,针对发生在当年11月至次年3月（NDJFM）的全国性持续低温事件（EPECEs）,分析了热带外环流的变化特征,以及平流层—对流层相互作用。结果表明,全国性EPECEs可划分为冷空气在乌拉尔山—西伯利亚关键区堆积和冷空气爆发以及消亡三个阶段,分别与对流层中层乌拉尔山—西伯利亚一带大型斜脊的建立、发展和崩溃以及平流层极涡强度的恢复、维持和再次减弱相对应,其中伴随着显著的平流层—对流层相互作用。首先,以大西洋地区异常扰动为主的热带外对流层形成2波型行星波异常,并上传影响平流层;随后在平流层2波调整为1波型的过程中,出现了行星波的异常下传以及平流层极涡强度的恢复,在对流层形成的1波型的高度正异常中心位于东欧地区,有利于乌拉尔山高度脊的建立以及源于北冰洋的冷空气在高压脊前形成堆积;随后由于平流层极涡强度维持,对流层行星波上传持续受到抑制,并主要在欧洲一带出现显著的异常向下反射,对应对流层1波型高度正异常中心逐步东移至中西伯利亚地区,从而有助于乌拉尔山脊向下游发展成一个横跨西伯利亚地区的大型斜脊,冷空气堆积区也东移到中西伯利亚地区。进入冷空气爆发阶段,随着斜脊前的大型横槽与上游移来的短波槽形成阶梯槽形势,横槽很快转竖引导低层冷空气向我国大范围爆发;同时大型斜脊的维持也使行星波再次出现1波型异常上传,影响平流层极涡再次减弱。最后,随着冷空气爆发,大型槽脊迅速崩溃,对流层波动减弱,低层气团的经向输送也随之减弱,EPECEs消亡。     

正压大气中扰动的演变

本文应用WKBJ方法研究正压准地转模式中小扰动的演变过程,提出扰动发展的判据应是扰动总能量和平均振幅同时增长。理论推导给出:正压扰动发展时波长变长,衰减时波长变短。文中详细地讨论了基本气流为平直西风的情况,得出急流南导波、急流北曳波为发展型,发展过程中槽线渐趋南北指向;急流北导波、急流南曳波为衰减型,槽线日渐趋于东西向。文中还讨论了基本气流为非平直气流情况,指出所谓“超长波后退”过程在一些情况下是发展型槽东移和波长变长所致。     

梅雨锋中大振幅重力波的活动及其与环境场的关系

本文分析了梅雨锋暴雨过程中中-β尺度大振幅惯性重力波的活动及其与环境场的关系。突发性降水所构成的雨峰线能表征这类波的活动,重力波平均波长为200km,振幅2hPa。周期6—8h,移速为60—80km/h,强降水全部位于中尺度气压波槽后和脊前的辐合区内,波动的传播方向各异,靠近低空急流的波动大体沿低层盛行风方向传播;有的则受中尺度散度场移动、变化的影响;或受冷锋前先期到达的冷涌性中尺度锋区的影响,并与它一起移动。这类短波活动对环境风场的影响是:它破坏近地层的急流状结构和日变化,却使对流层中、下层环境风增强,急流轴上抬以至消失,这类短波活动使大尺度风场获得能量。     

第八讲 长波和超长波动力学

在对流层中上层,流场型式多呈波状,系统的尺度比较大,一般围绕整个地球有3—6个波,且自西向东缓慢移动,这就是大气长波(或称Rossby波)。在对流层上层和平流层低层,有更大尺度的波动,其水平波长比一般长波长,通称为超长波。长波和超长波的活动同天气演变有密切关系,往往是造成大范围天气变化的重要条件。本讲将讨论长波和超长波的一般动力学特性及其活动的基本规律。     

夏季青藏高原动力和热力的强迫定常扰动

本文应用一个球面和σ坐标原始方程线性定常模式,模拟夏季青藏高原的动力和热力强迫作用下的定常扰动.计算得到的定常扰动,在对流层上层槽脊分布和实况基本相符,但南亚高压的位置稍偏东,中太平洋高空槽较弱.在对流层中层计算的扰动振幅较实况强,特别是西太平洋副高.对偏差的可能原因进行了讨论.文中比较了不同基本气流、热源的垂直分布和热力耗散的影响,结果表明不同的热源垂直分布可以影响定常扰动的位相分布;还指出线性模式中,随高度增强的热力耗散机制对解释定常扰动的位相和结构可能是重要的.     

2007年3月3—5日辽宁省暴雪和大风天气的中尺度分析

使用中尺度数值模式WRFV2.2.1对辽宁省2007年3月3-5日的暴雪和大风天气过程进行了数值模拟,结合10min一次的地面自动观测站资料和数字化多普勒天气雷达探测资料,研究了中尺度重力波的结构及其环境场特征,探讨了波动的激发机制.对流层上层中尺度重力波生成在350-250 hPa(约9-11 km),周期为2-3h,水平波长30-40 km,波动沿水平方向传播约9h.地面气压扰动振幅约为2 hPa,周期为2-3 h,波动由西南向东北方向传播,方向与地面风向相反.沿波的传播方向,地面观测的逐时降水量呈波动特征,周期约为2h.对流层上层中尺度重力波减弱后,雷达降水回波强度出现显著的波动特征.对流层上层中尺度重力波生成在朝向脊区传播的高空急流出口区下方,300 hPa环境场具有显著的切变不稳定特征.波动生成在理查逊数小于0.25的地区,在中尺度重力波生成的高度上,暖平流强,风速低,风切变大.中尺度重力波生成地区出现显著的不平衡气流,拉格朗日罗斯贝数大于0.7,水平散度倾向出现明显的大值,其中-▽w·(e)v/(e)v的量级明显大于其他各项,表明对流层上层重力波的生成及发展与环境场的显著风切变有关.     

最优测站距离、最优垂直分层和最优观测时间间隔的决定

考虑观测误差、截断误差和数值天气预报的需要,本文给出了决定最优相邻测站之间距离d、最优垂直网格距Δp和最优观测时间间隔Δt的公式。这些公式和预报所考虑的最短波长,以及最大观测误差和波幅的比有关,对于不同尺度的天气系统,结果很不一样。 对于过滤大气模式,d,Δp,Δt的值和世界气象组织对全球观测系统所要求的相近;但对于原始方程大气模式,Δt的值则远比过滤大气模式的为小。因而,用现有常规观测系统研究大气运动的快过程并不适宜,只能借助于以地面为基础的和以空间为基础的最优的混合观测系统才有可能。     

正压大气中地转偏差引起的非线性Rossby波

正压大气中的非线性波动的研究业已在60年代开始,70年代到80年代取得了丰硕的成果。在我国巢纪平等(1980)首先讨论了旋转大气中的正压Rossby椭圆余弦波。之后刘式适、黄思训等也做了大量的工作。特别是刘式适等,鉴于以前的工作多采用多尺度方法,比如约化摄动法,而这种方法中的G-M变换本身就意味着将要导出的结果。考虑到长波的弱非线性近似,将非线性项在平衡点附近展开为Taylor级数,求得了方程的非线性近似解。黄思训等认为应用展开法只能求得原方程的近似解,问题的解析解尚未找到。于是利用类似的模式导出了方程的解析解,且给出了存在非线性     

水面蒸发量的一种气候学计算方法

用北京日射站和官厅蒸发站的辐射和蒸发资料对彭曼公式进行订正,得出修正公式 E_0=(ΔH_0+γE_α)/(Δ+γ) H_0=1/59[0.95Q_A(0.167+0.583n/N)-σT_a~4(0.32-0.26e_a~(1/2))(0.30+0.70n/N)] E_a=0.13(e_a-e_d)(1+0.77u),其中H_0是表示为蒸发量单位的辐射平衡,E_a是由风速和饱和差决定的“干燥力”。 自由水面的蒸发量E可用下式表示 E=E_0-F/L,其中F是水面向下的热通量,在升温季节为正值,在降温季节为负值。由于缺少水温梯度观测资料,F不能直接计算。本文建议,对升温或降温季节分别建立水面蒸发E倚蒸发势E_0的回归方程。得出北京地区各月蒸发量的计算公式如下 0.963 E_0-7.0 4—7月 E=0.902 E_0+26.0 9—10月 E_0 8月     

关于处理初始资料和取某些参数的问题

针对目前处理初始资料中存在的问题,提出了一个满足能量守恒和整层无辐散等约束条件的变分方案,并就风的调整进行了试验。结果表明,在严格满足约束条件的情况下,调整后的风及其分布比调整前改变并不大。调整值可以作为预报方程的初值。 文中还针对某些参数因人、因地而取值不同的问题,提出了一个可以随流场、温度场调整的方案。     

行星反照率的取值和假设的讨论

首先分析了Wang的有关行星反照率假设的错误之处,而后分别对Budyko、North的行星反照率假设提出修改方案,最后提出了有关行星反照率的非线性分段、反馈假设:     

北京地区一次强对流大暴雨的环境条件及动力触发机制分析

通过对1998年6月29日北京地区发生在天气尺度脊中的强对流大暴雨过程分析, 得出该过程是由中层的高压脊和低层的辐合系统、近地面的冷空气之间的相互作用形成了具有聚能机制的中低空经向环流圈, 维持了暴雨区中低空的上升运动, 形成了近地面的动力锋生, 使中低层的潜在不稳定加剧.而对流层高层短波扰动的正涡度平流通过非地转平衡过程, 引发中高层产生的上升运动, 触发了潜在不稳定的释放.该短波扰动与风场的波动不相匹配, 其位相传播特征与重力波相似.     

地形对长波和超长波不稳定发展的影响

图3.2.1—3.2.5表示了地形对长波和超长波移动和发展影响的一般规律。如以地形脊对东移西风冷槽的影响为例,当地形相当涡度和扰动涡度的振辐比a_m/a_(20)较小时,在它越过地形脊时,首先流场槽减弱而温度槽加强,减弱的流场槽以较快的速度移动,而温度槽则相对减慢,越过地形脊后,流场槽又重新增强。 我们根据地形的影响,初步讨论了一锢囚气旋在向风坡填塞,在背风坡又重新产生的物理过程。超长波的斜压不稳定的不能发展,是由于温度场东进和流场西退造成的。根据地形脊对超长波脊移动的影响,可以推测,在两个地形超长波脊之间的地区,最有利于超长波脊的不稳定发展。阻塞脊出现频数的地理分布的观测结果和理论推测有很好的一致性。     

RESEARCH ON THE INTERANNUAL AND INTERDECADAL VARIABILITIES OF THE MONSOON TROUGH AND THEIR IMPACTS ON TROPICAL CYCLONE GENESIS OVER THE WESTERN NORTH PACIFIC OCEAN

In this paper, we mainly summarize and review the progresses in recent climatological studies (by CMSR, IAP/CAS and some associated domestic and international institutions) on the interannual and interdecadal variabilities of monsoon troughs and their impacts on tropical cyclones and typhoons (TCs) geneses over the western North Pacific Ocean. The climatological characteristics of monsoon troughs and four types of circulation patterns favorable to TCs genesis over the western North Pacific Ocean in summer and autumn are given in this paper. It is also shown in this paper that the monsoon trough over the western North Pacific Ocean has obvious interannual and interdecadal variabilities. Especially, it is revealed in this paper that the interannual and interdecadal variabilities of the monsoon trough over the western North Pacific Ocean influence the TCs genesis not only through the impact on distributions of the vorticity in the lower troposphere and the divergence in the upper troposphere, the water vapor in the mid- and lower troposphere and the vertical shear of wind fields between the upper and lower troposphere over the western North Pacific Ocean, but also through the dynamical effects of the transition between convectively coupled tropical waves and providing disturbance energy. Besides, some climatological problems associated with TCs activity over the western North Pacific Ocean that need to be studied further are also pointed out in this paper.     

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.     

青藏高原高空流型对西太平洋台风路径影响的诊断分析

利用观测研究,动力诊断分析等手段,从上下游效应、中低纬相互作用的角度来探讨青藏高原高空天气系统的变化与西太平洋台风运动两者之间的关系。1970~1995年25年间的统计结果表明,青藏高原高空流型与台风路径有如下关系:高原高空500 hPa为低值系统控制时,有利于台风西行;反之,高原高空500 hPa为高压时,近海台风往往转向。动力诊断分析的结果揭示了高原上空系统影响下游系统的物理机制,即高原上游扰动动能的传递使得下游的槽发展,并进一步影响台风的引导气流。高原脊的存在,使得涡动动能的输送通道偏北;高原上为槽时,涡动动能的输送通道偏南。高原槽前的南风和台风东侧南风将低纬度的低位涡输入副热带高压,有利于副热带高压的发展,影响台风运动,体现了中低纬相互作用对天气系统的影响。