正压准平衡海洋模型及其解（Ⅰ）：中纬度大尺度风场强迫情况

本文建立了风场强迫下考虑瑞利摩擦的水平二维正压准平衡海洋模型,并对中纬度大尺度风场强迫的情况做了解析求解。结果表明,在近地面西风急流的强迫下,在理想海洋的西海岸以东会出现由气旋涡与反气旋涡构成的涡旋偶;当西风强迫越大,粘性越小时其强度越大,而β越大,β通道的半宽越小,则其沿纬向的变化越剧烈;该涡旋偶的性质属准平衡的涡旋波。将该结果与北太平洋上层流场异常的复EOF分析的第一模态作比较后可见,两者有类似之处。最终,该海洋模型的解则趋于该风场强迫特解。     

两层海洋对风场气候异常响应的解析解及其讨论

利用一个β通道线性化两层正压准平衡海洋模型,解析求解了两层海洋流场对时变风场(风场异常)的响应,得到了时变风场强迫下该海洋流场响应的斜压模态,而该模型中的正压模态则因其与实际情况不符,应弃之.在海洋上层该斜压模态中,西边界附近的海洋流场响应表现为一对由气旋性曲率和反气旋性曲率组成的涡旋偶;在时刻t=0和t=T/2(T为风场变化周期),β通道中线上分别有西风异常和东风异常最大,故响应表现为东向流和西向流;而在β通道的南北侧边界上响应表现为逆流;此时响应变化较缓慢,但强度大.在时刻t=T/4和t=3 T/4,虽无大气风场异常强迫,但因海洋运动的惯性,响应仍不为0;此时,响应变化较剧烈,但强度小,且.其流向也发生反转,这时上述涡旋偶也表现得最清晰.存海洋下层,海洋流场响应的强度和时间变化与上层相似,但流向却相反,而这体现了响应的斜压性.该海洋流场响应的频率与时变风场异常的频率相同,但存在位相差.因模型中采用了无辐散近似,故响应的性质为准平衡涡旋波,当风应力强迫和瑞利摩擦不太大时,即为海洋Rossby波.对该流场响应的振幅做了估计,发现风应力越大,β通道半宽越大,耗散越小,风应力变化的频率越低,则该响应就越大;在其他因子相同时,低频的风应力异常比高频的能激发出更大的海洋流场响应.得到的斜压模态的解析解与中纬度北太平洋在日本本州岛以东、以南的实际海洋上层流场异常相像,故其在一定程度上能够反映中纬度北太平洋海洋上层流场对实际风应力异常的响应情况;且其较我们以前得到的结果要优,适用性也更广,而这有助于揭示该响应的性质和机理.     

东亚—北太平洋大气环流和瞬变扰动的年代际变化

用NCEP/NCAR再分析资料,分析了东亚—北太平洋大气环流、大气斜压性和天气尺度瞬变扰动活动的年代际变化特征。东亚—北太平洋地区低层大气温度和比湿及高层的西风急流都存在明显的年代际变化。西风年代际异常与大气斜压性年代际异常之间有密切联系。夏季北太平洋北部到西伯利亚高原上空的天气尺度瞬变扰动活动年代际增强,但夏季低层瞬变热力和瞬变水汽强迫的年代际异常对北太平洋中纬度低层平均温度和比湿年代际异常的作用并不显著。冬季,西太平洋西风急流年代际增强与急流下方大气斜压性年代际增加相一致,使该地区瞬变扰动年代际增强,增强的瞬变扰动将更多能量传送给西风气流,巩固了西风急流的年代际异常。年代际尺度上冬季异常的瞬变热力强迫和瞬变水汽强迫对低层大气温度和比湿异常有显著的削弱作用。     

东亚副热带西风急流位置异常对长江中下游夏季降水的影响

利用NCEP/NCAR 200 hPa月平均风场再分析资料,定义东亚大陆对流层上层不同经度上最大西风所在位置的平均纬度为东亚副热带西风急流轴线指数,该指数能准确反映东亚副热带西风急流位置的南北变化及其对长江中下游降水的影响,并能较好地体现东亚夏季风盛行期间对流层低层与高层的纬向风场变化特征。分析表明,该指数的时间变化具有与长江中下游夏季降水较一致的年代际变化及年际振荡特征。对东亚副热带西风急流位置异常年的大气环流差异分析表明,急流异常偏北时,南亚高压偏弱,位置偏北偏西,呈伊朗高压型;西太平洋副热带高压(下称西太副高)偏弱、位置偏东偏北;气流的辐合上升区北移至华北一带,而长江流域低层风场为辐散异常,上升气流较常年偏弱,降水偏少。急流异常偏南时,南亚高压偏强,位置偏南偏东,呈青藏高压型;西太副高偏强、位置偏西偏南;长江流域地区上空低层有较强辐合上升气流,高层有较强的气流辐散,对流旺盛,雨带在此维持,容易引发洪涝。     

青藏高原热力状况对东亚夏季副热带西风急流的影响

利用1961--2004年NCEP／NCAR月平均温度5层和200hPa风场再分析格点资料,以及通过倒算法得到的热源资料,采用SVD方法研究了夏季东亚地区副热带西风急流与青藏高原平均温度场的耦合特征,考察了青藏高原热源及其与西太平洋热源差对夏季东亚副热带西风急流的影响。结果表明,夏季整个青藏高原特别是高原北部平均温度场与急流中心强度变化联系紧密,而高原东南部平均温度场主要体现了夏季西风急流位置纬向一致的南北移动;其次,夏季副热带西风急流的变化还与青藏高原西南部与菲律宾以东的西太平洋热源差变化有密切联系。     

北太平洋冬季海-气耦合的主模态及其与瞬变扰动异常的联系

利用45年的ECMWF再分析资料,使用SVD方法研究了冬季北太平洋地区表层海温(SST)异常与大气环流异常间的主要耦合模态,探讨了大尺度海-气耦合型与天气尺度瞬变扰动的相互关系。分析结果表明,中纬度北太平洋地区冬季存在两种主要的海-气耦合型,第1种耦合型反映了与ENSO紧密相关的中纬度北太平洋冬季海温异常分布型以及大气的PNA型,第2种耦合型SST异常集中在东亚沿海以及中纬度北太平洋海流区,相应的大气场则为暖(冷)SSTA上空东西向带状区域内位势高度偏高(低),明显独立于ENSO型。进一步的合成分析表明,在第1种耦合型SST正(负)异常年里,冬季阿留申低压主体位置偏西南(东北),从东北亚到北美西海岸的西北—东南向带状区域内是低层大气温度正(负)异常区和高层西风负(正)异常区,西风负(正)异常中心位于西风急流出口处的北太平洋中东部,而西风急流主体区的风速变化很小。在第2种耦合型东亚沿海至中纬度北太平洋海流区SST偏暖(冷)时,阿留申低压整体偏弱(强),SST暖(冷)异常上空的大气温度偏暖(冷),高层西风急流区西风偏弱(强)。两种耦合型均显示出在北太平洋中纬度地区大气和海洋的异常相关中心有很好的空间对应性。在两种耦合型下,中纬度北太平洋冬季的大气斜压性也发生截然不同的改变,引起中纬度天气尺度瞬变扰动活动异常。瞬变扰动异常的动力强迫作用对北太平洋西风异常的形成存在正反馈作用,而其热力作用则试图破坏与两种海-气耦合模态相关的大气温度异常型。     

两层正压准平衡海洋模型的中纬度自由涡旋波动解

建立了具有瑞利摩擦且仅考虑大洋西海岸或同时考虑大洋东、西海岸的两层正压准平衡海洋模型,并做了解析求解,用以研究中纬度的自由涡旋波。得到的主要结论有:模型中该波动的解为波包。在仅考虑大洋西海岸时该波包的载频频率是连续谱;而同时考虑大洋东、西海岸时其为离散谱;且均有载频频率越高(周期越短)水平尺度越大的特点,对过分低频的波动,则会使准平衡的假定不再适用。模型中该波动波包载频的周期约在26天至24年。因考虑了摩擦,该波包的振幅随时间呈指数衰减,但摩擦系数的大小仅影响其衰减程度而不改变其空间结构,最终该波包振幅趋于0,故该两层正压海洋模型的解就趋于大气风场的强迫特解。模型中该波包的载频都是西传的;频率较高则西传较快,波包的特性和变形都很明显;频率低,则西传慢,其波形接近平面简谐波。在该两层正压模型中,该波动上层流场与正压模型中的流动类似,而下层海洋流动则其流速与上层海洋相同,而流向相反。该模型中该波动的性质是准平衡(准无辐散)的涡旋波,当摩擦不太大且其水平尺度在10km以上时,其性质则为准地转的Rossby波。     

冬季黑潮暖流区加热异常对东亚副热带西风急流影响的数值研究

通过对大气环流格点模式GAMIL性能的检验表明, 模式较好地再现了东亚地区大气环流型态、高空西风急流变化及表面加热场的季节变化。在此基础上, 设计敏感性试验研究了冬季西太平洋黑潮暖流关键区加热异常对高空西风急流影响, 数值试验结果表明冬季西太平洋黑潮暖流区加热正异常将引起东亚大槽偏东, 大陆冷高压、阿留申低压及位于低纬太平洋上的西太平洋副高均有所增强, 从而导致了冬季风环流加强。相应地, 东北太平洋上出现了明显的气旋差值环流, 而在中高纬大陆海洋交界地区出现反气旋式差值环流; 同时, 西风急流区南侧的低纬地区位势高度及温度场为正异常, 而北侧的中高纬地区为负异常, 这种分布将使得急流区经向气压梯度和南北温差加大, 导致急流的增强。模式结果分别从热力适应理论及热成风的角度验证了黑潮暖流区表面加热异常对急流的影响机理。     

夏季东亚西风急流与陕西降水的关系

定义了西风急流位置指数和强度指数,利用NCEP/NCAR1948—2006年全球再分析风场资料,分析6、7、8月和夏季平均东亚西风急流的气候变化特征,并探讨夏季逐月东亚西风急流异常与陕西降水的关系。分析表明:6—8月西风急流位置显著北抬,位置和强度都存在着显著的年际、年代际变化特征。夏季陕西降水多少与东亚西风急流月际变化密切相关。6月急流轴北侧西风加强、南侧西风减弱,急流位置较常年偏北,有利陕西降水偏多;而7-8月及夏季表现为陕西降水偏多时,东亚西风急流位置偏南。     

夏季东亚高空副热带西风急流季节内异常的环流特征及前兆信号

位于东亚中纬度上空的东亚高空副热带西风急流是东亚季风环流系统中的重要成员,我国夏季降水雨带的季节内变化受东亚高空副热带西风急流位置季节内异常变化影响。根据1979~2008年中国降水资料、NCEP/NCAR再分析资料以及NOAA ERSST V3月平均海表温度资料,利用统计分析和物理量诊断方法对夏季东亚高空副热带西风急流位置季节内异常的东亚大气环流特征及外强迫信号的物理过程进行了探讨。研究指出:6月东亚高空副热带西风急流位置异常主要受欧亚大陆中高纬东传的Rossby波列位相变化影响,春季北大西洋海温异常是欧亚大陆中高纬度Rossby波列位相变化的最显著的外强迫信号;7月东亚高空副热带西风急流位置异常主要受西太平洋热带向副热带传播的Rossby波列位相变化影响,春季西太平洋热带海温异常是西太平洋热带向副热带传播的Rossby波列位相变化的最显著的外强迫信号;8月东亚高空副热带西风急流位置异常主要受南亚大陆向东亚大陆热带、副热带传播的Rossby波列位相变化影响,春季印度洋海温异常是南亚大陆向东亚大陆热带、副热带传播的Rossby波列位相变化的最显著的外强迫信号。     

梅雨锋云带内α-中尺度对流系统周边水汽风的分析

应用准静止卫星水汽图像导出的风 (简称为水汽风 )分析东亚梅雨锋云带内中尺度对流系统 (MCS)在对流层上层的流出通道。结果表明梅雨锋云带内MCS有二类流出通道。一类MCS在对流层上层呈现为一个中尺度反气旋。MCS的东部有一支中尺度高空急流 ,这支中尺度高空急流向东流出后转向南 ,流入 2 0°N附近的南亚东风急流内 ,是MCS在对流层上层的主要流出通道。另一类MCS发生在中纬度西风急流的南侧。中纬度西风与MCS南部的偏东北风构成一个反气旋环流带。MCS前方的流出通道 (中尺度高空急流 )是中纬度西风急流的一个中尺度分支。梅雨锋云带内垂直方向水平风速切变小于 1m/ (s·10 0hPa) ,垂直方向“不通风”有利于云带内MCS的维持。初步分析验证了以前数值模拟得到的中尺度高空急流及其流出通道。     

用风廓线资料分析热带气旋“帕布”的风场结构

使用香港风廓线资料,进行时空转换,得到热带气旋“帕布”近香港时的水平和垂直风场剖面结构：气旋近地面层风场以径向风为主;气旋东西两侧水平风场结构明显不同,东侧偏东风明显,西侧随高度增加切向风不断增强,并监测到东北风急流的向下传播;尽管两侧风场结构不同,水平风速却表现出较好的对称性,但气旋西侧由于急流的存在,风速总体较东侧高;近中心上升气流明显偏于中心西侧,下沉气流总体较上升气流要强,且更对称。     

Oceanographic features of Hecate Strait and Queen Charlotte Sound in Summer

Abstract

We present evidence of previously unresolved oceanographic features in Queen Charlotte Sound and Hecate Strait using data collected in the summer of 1990 and interpreted using a three‐dimensional, finite‐element diagnostic numerical model for two separate simulations: baroclinic flow without wind‐forcing and barotropic flow with wind‐forcing. Features include a strong, prevailing southward flow along the east coast of Moresby and Kunghit Islands, clockwise circulation around the edge of Middle Bank and a cold‐water plume flowing from the shallows at the north end of Aristazabal Island toward the south and through the trough between Middle Bank and Goose Island Bank A persistent (near‐surface) outflow into the Pacific Ocean is found near the surface within 20 km of Cape St. James at the southern tip of the Queen Charlotte Islands and intermittent surface outflows are observed across the mouth of Queen Charlotte Sound. In central Hecate Strait, to the north of Middle Bank, prevailing along‐strait currents are weak and there is an east‐west interleaving of two water masses: warm water from the west side of the strait and cold water from the east side.     

准平直长路径与多折向路径东移高原涡的环境场特征

利用1998—2018年NCEP/NCAR 全球最终分析数据、大气观测资料、青藏高原低涡切变线年鉴,采用合成方法分析了准平直长路径和多折向路径东移高原低涡的环境场特征,探讨了低涡折向的主导因素。结果表明: 准平直长路径低涡、多折向路径低涡长时间活动的共同环境场特征是有明显影响低涡活动的天气系统, 副热带高压（简称副高）位于高原低涡东南方,高原低涡以北上空伴有东、西段急流;低涡有正涡度平流输入,高原低涡上空为辐散区,高空高位涡下传到低涡。同时,二者环境场特征存在明显差异,多折向路径低涡伴有较强的热带低压活动,是在副高、西风带天气系统、热带低压相互作用的环流背景下,高原涡东移受阻而折向; 准平直长路径低涡是在西风带天气系统为主导的环流背景下向东移动;准平直长路径低涡受冷空气、西南气流与高空锋区的影响比多折向路径低涡强,造成了准平直长路径低涡的正涡度平流、位涡、斜压性、高空辐散比多折向路径低涡强。多折向路径低涡折向的主导因素是环境场条件使低涡在减弱、东移受阻的情况下高空高位涡中心在低涡西部上空,高位涡下传使低涡加强的强正位涡异常区出现在低涡西部,低涡移向低涡加强的区域。      

热带太平洋海温年际变化对海表风应力的响应及其敏感性试验

在GFDL海洋模式的基础上发展了一个高分辨率的太平洋环流模式,模式较好地模拟出太平洋上层海温的气候状态及其季节和年际变化的主要特征。用观测的1985～1995年海表风应力去强迫模式,清楚地模拟出相应的暖事件和冷事件。敏感性试验揭示,日界线附近持续的西风距平愈强,赤道中、东太平洋增暖愈大,其影响向东传播扩展,5个月左右可达太平洋东岸,传播速度与西风应力距平强度关系不大。     

海陆分布对于大气环流的地形与热力的影响

关於海陆分布对大气环流的影响,有两派意见.一派著重於热力的影响,另一派则着重於动力的影响.对海洋而言,在冬季大陆可以看作冷源,在夏季则好似一热源.由於海洋上与大陆上受热不同的结果,冬季在西伯利亚可长期维持着一强大高压.关於冬夏季风的产生,一般也都认为是由於海陆受热不同的效果.     

表层洋流对外强迫响应敏感度的数值研究

利用数值模拟研究了海表流场对外强迫（风应力和海表热通量）的响应特征,探讨了其对该类外强迫异常响应的敏感性以及较敏感区域。在确认本文所用的海洋环流模式能够较好地模拟表层海洋流场的气候状态之后,通过几个敏感性试验与控制（对照）试验结果的比较,发现海洋表层环流对海表风应力异常响应的敏感区域主要在赤道附近及大洋西边界海区;相对于热带外地区,热带海域（20°S～20°N）的风应力异常对于大洋表层环流的变化有着更重要的显著作用,它不仅会导致热带海域表层流场有较大的变化,对中高纬海区的表层流场特别是西边界流也有明显影响;海洋表层环流对海表热通量异常的响应除了在赤道附近海域明显之外,在中高纬海区也十分显著;在外强迫有同等异常幅度（20%）的情况下,大洋西边界海域对热通量的响应明显要强于对风应力的响应。此外,热通量异常还对南太平洋东海岸的洋流和南极大陆的绕极环流有较为明显的影响。