线性准地转模型中副热带感热加热强迫的定常波

通过求取定常线性准地转位涡模式的解析解,研究了感热加热强迫所激发的副热带定常波的结构特征,讨论了基本流、牛顿冷却及地面摩擦等对定常波振幅和位相的影响。结果表明,东风时定常波在垂直方向上表现为上、下层反位相的第一斜压结构,且地面系统远强于中高层;西风时定常波呈现出向上的传播特征,在高层,随着风速增大振幅随高度的升高有增大趋势。在近地层,东风时气旋（反气旋）主体位于加热西（东）侧;西风时气旋（反气旋）主体位于加热东（西）侧,近地层以上相反。此外,发现东、西风基本流的作用具有对称特征,这与潜热加热显著不同。研究结果还表明,牛顿冷却对定常波有重要影响,基本流越弱影响越显著。在静止大气中,感热加热强迫下无斯韦尔德鲁普（Sverdrup）解,考虑牛顿冷却时,感热强迫在热源范围内的近地层和中高层分别激发出气旋式和反气旋式环流,气旋中心位于加热中心略偏西的位置。在非静止大气中,牛顿冷却项使地面系统中心向上风方向移动,东风时向东移。牛顿冷却对高、低层系统均有削弱作用。地面摩擦则明显不同,它总会使低层系统减弱,高层系统增强。     

七月中、低纬地区定常波动和加热场的模拟特征

本文利用P-σ混合坐标原始分程球带模式的最新版本,对七月中、低纬地区的定常波动及非绝热加热场进行了数值模拟。结果表明,模式成功地模拟出了北半球夏季对流层中波数为2的定常波动。高层波峰出现在大陆,波谷出现在海洋上,低层则相反。南半球的副热带高压带也模拟出来了。降水量的模拟也是成功的,特别是位于ITCZ中的积云对流性降水。加热场的模拟结果指出,七月份的热源区除了主要分布在北半球的几个主要大陆上,还分布在热带海洋上ITCZ所在区;其余的广大洋面则显示出冷源的性质。其中热带海洋的热源以潜热加热为主(主要分布于大气的中高层),大陆上的热源有的以感热为主(主要分布于大气的低层),有的仍以潜热加热贡献较大。海洋的冷源是由长波辐射冷却造成的。      

南海夏季风建立的模式诊断研究

应用全球谱模式 (T42L9)对 1 986年和 1 987年个例进行了一系列有、无凝结潜热加热和地表感热以及地形作用的单因子敏感性数值预报试验 ,对预报模式输出的大气凝结潜热量和地面感热通量的时空变化特征进行了诊断分析。个例敏感性试验结果表明 ,大气凝结潜热对南海地区西南风的建立极为重要。诊断分析结果指出 ,在南海夏季风建立前 ,中南半岛地区是强大的凝结潜热加热区 ,远比印度半岛地区强。地形和中南半岛凝结潜热的共同作用可能是导致南海夏季风早于印度夏季风建立的重要原因。 1 987年 5月份在中南半岛地区的凝结潜热量比 1 986年明显偏低 ,直到 5月底 6月初才明显上升 ,这可能是该年南海夏季风建立晚的一个原因 ,中南半岛地区凝结潜热的变化可能是影响季风建立早晚的重要因子之一。     

中国地表热源的气候学特征

利用研制的地表热量平衡各分量的气候计算方法，结合全国６个热平衡站资料，计算并讨论了地表热源在全国的分布特征，分析了地面对大气加热的特点以及地表热源的参数化问题。指出季风气候背景、纬度、地形和地表湿润状况是决定地表热源特征的重要因素。就全年来说，在我国湿润、半湿润地区，潜热是地面加热大气的主要形式，西北干燥区则以感热加热为主。     

非绝热加热对赤道地区平均纬向环流的作用——非线性响应

本文设计了一个两层非线性原始方程模式,做低谱展开,求出非线性方程组的解;讨论了在外参数变化情况下解及其相应环流的演变;并与线性响应作了对比。此外,还讨论了定常解的稳定性。 主要结论是:(1)非绝热加热各分量在非线性响应中能强迫出更为接近实际的赤道地区平均纬圈环流圈。(2)在非线性响应中,潜热加热对纬圈环流的作用是最主要的。随着外参数——湿度的变化,解出现突变现象,其对应的赤道地区平均纬圈环流从一个定常态变到另一个定常态;其中对流潜热的作用最为明显,感热加热的作用是次要的。(3)在非线性响应和线性响应中,辐射加热对环流的作用不同;潜热加热对环流的作用相似,但在前者中它要强得多。      

一个大气定常波的非线性初始方程谱模式

本文提出了一个可以用于大气定常波数值模拟的非线性初始方程三维谱模式,模式的动力学框架与文献[1]中的线性模式是相互对应的。利用线性模式的定常解作为初值,通过Newton-Raphson迭代法求出了收敛的非线性定常解。文中给出了这一模式大气对于北半球大尺度地形和1979年1月平均非绝热加热场的响应作为计算实例,并与对应的线性响应以及观测事实进行了对比,证明在考虑了大气中波动之间的非线性相互作用之后数值模拟的结果确实比线性模式有显著的改进,尤其是对于低纬环流系统更是如此。这表明了非线性作用对于热带环流系统的极端重要性。      

非绝热加热对赤道地区平均纬向环流的作用—非线性响应

本文设计了一个两层非线性原始方程模式，做低谱展开，求出非线性方程组的解；讨论了在外参数变化情况下及其相应环流的演变；并与线性响应作了对比。此外，还讨论了定常解的稳定性。主要结论是：（1）非绝热加热各分量在非线性响应中能强迫出更为接近实际的赤道地区平均纬圈环流圈。（2）在非线性响应中，潜热加热对纬圈环流的作用是最主要的。随着外参数－湿度的变化，解出现突变现象，其对应的赤道地区平均纬圈环流从一个定常态变到另一个定常态；其中对流潜热的作用最为明显，感热加热的作用是次要的。（3）在非线性响应和线性响应中，辐射加热对环流的作用不同；潜热加热对环流的作用相似，但在前者中它要强得多。     

南海海气相互作用对热带气旋生成的影响——个例诊断

利用NCEP气候预报系统再分析资料（CFSR）和日本JRA-25再分析资料,对2010年西太平洋第5号热带风暴“蒲公英”的形成过程进行诊断,揭示南海海气相互作用对其初始涡旋生成的影响。分析表明,“蒲公英”的初始涡旋最早于8月20日00时出现在吕宋岛以东的对流层低层。西太平洋偏东风受到吕宋岛地形强迫可能是初始扰动形成的原因之一。在初始涡旋生成阶段,南海海域盛行较强的东南风,因风应力造成的Ekman输送导致南海中东部较暖海水流向吕宋岛附近,使得局地海温升高,自海洋向大气输送的感热通量增大。异常感热加热使其上空低层气压下降,近地层出现上升运动。但根据热力适应理论,感热加热随高度减小制造的低层负涡度不利于初始涡旋在异常感热加热区上空向高空进一步发展,可是在感热加热区东侧因涡度平流随高度增加,强迫出上升运动。该上升运动引起的凝结潜热释放,使得最大加热中心出现在对流层中层。于是,在对流层中低层非绝热加热随高度增加,制造正的相对涡度,使得初始涡旋在感热加热区的东侧生成,继而在对流层中低层增强。因此在初始涡旋增强阶段,凝结潜热加热及其对涡度的制造起主要作用。      

线性准地转模型中副热带环流对潜热加热的定常响应I.基本性质及特征分析

利用线性理论模型进行解析和模拟是大气科学的重要基础研究方法之一, 其简单明了, 解释了如Rossby波形成等重要的环流现象。近年, 有研究 (Chen et al., 2001) 运用定常线性准地转模型研究副热带高压的形成, 在相似加热强迫下, 其结果与理论研究和GCM的研究不同。本文运用该模型系统研究了由季风降水产生的潜热加热所激发的副热带定常波的结构特征, 以理解其结果与GCM不一致的原因。研究表明基本流对热强迫的定常波的结构有重要的影响: (1) 当基本流为东风或为零时, 定常波在垂直方向上表现为第一斜压结构, 波动振幅随东风的增大而减小; (2) 当基本流为西风时, 呈现向上的传播特征, 振幅随高度的升高而增大。而且存在一个临界风速Uc(约3 m/s), 此时, 波动振幅最强; 基本流的平流作用具有非对称性, 西风时平流作用远远强于东风。由此揭示了该线性模型解的本质: 加热在热源区所激发的经向地转涡度输送必须能够平衡加热的位涡制造和纬向位涡平流; 基本流的经向和垂直方向的变化使得气旋和反气旋中心偏向热源中心北侧, 并进一步发现当基本流为夏季亚洲季风区纬向平均的纬向风场时, 线性模型的解中位于中低层的反气旋中心显著抬升, 而不出现在地面上, 与完整的大气环流模式的结果接近。说明即使在线性模式中, 洋面副高的形成也不能完全用季风潜热加热来解释; 另外, 静力稳定度对热强迫的副热带环流的影响也很重要, 使热源的强迫作用放大。     

印度洋海气热通量交换研究

基于综合海洋大气资料集(COADS)资料的研究表明,热带印度洋的海气热通量交换具有明显的区域性特征,在部分海域,如冬季热带印度洋的中东部、夏季的热带西印度洋和北印度洋,它主要表现为海洋对大气的强迫.海洋对大气的这种强迫,主要是通过潜热加热实现的.与潜热加热相比,感热加热尽管是一个小量,但感热异常与表层海温的显著相关,较之潜热明显超前.无论冬季还是夏季,热带印度洋都存在大面积海域,其SST变化难以通过海气热通量交换来解释.     

The impact of doubled CO2 on the energetics and hydrologic processes of mid-latitude transient eddies

The Northern Hemisphere winter (DJF) stationary eddy response of a general circulation model (GCM) to a doubling of atmospheric CO₂ is simulated with a linear steady state model as a response to anomalies in diabatic heating (latent, sensible and radiative), mountain and transient eddy effects. For this analysis the doubled CO₂ experiment performed by Wilson and Mitchell (1987) is used. The linear simulations of the control and perturbation climate capture most of the important features of the GCMs stationary eddies. The simulation of the anomalous stationary eddy pattern in the Northern Hemisphere captures only some of the important features of the GCMs anomalies. The climate anomalies in the Southern Hemisphere are poorly simulated. In the Northern Hemisphere the climate anomalies are dominated by the effect of transient eddies and mountains. In low latitudes also the contribution of latent heating is important. The contributions of sensible and radiative heating are small.     

大气环流模式SAMIL模拟的夏季全球加热场和东亚夏季风

各国科学家一直致力于从理论和数值模拟上对季风系统进行全面地研究。本文根据“热力适应”理论, 从分析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的最新版本大气环流谱模式(SAMIL2.4.7) 对全球非绝热加热场的模拟性能出发, 分析并解释了SAMIL对东亚夏季风 (EASM) 子系统的模拟情况。通过与再分析资料Reanalysis-2 ( NCEP/DOE AMIP-II Reanalysis ) 对比分析发现, SAMIL能很好地模拟出夏半球副热带地区加热场的四叶型分布 (LOSECOD), 但模拟的各加热场在强度上存在一定的偏差, 主要表现在感热加热在大陆上普遍偏高, 而潜热加热在印度半岛两侧、西太平洋地区(尤其在南北纬10°) 偏高, 赤道带、中南半岛、中国南海等地区偏弱。而对EASM子系统的分析发现, SAMIL能很好地模拟南亚高压; 较好地模拟西太平洋副热带高压的主体, 但西太平洋 (30°N附近) 潜热偏强使得模拟的副高强度偏强、 西伸脊点过于偏西; 模式也能较好地抓住夏季西风急流的两个中心, 但中纬度潜热、 感热的模拟偏弱造成急流两中心风速均小于Reanalysis-2资料 10 m/s左右。进一步的讨论可知, 造成感热和潜热偏差的主要原因是模式中云参数化方案和积云对流参数化方案的不足, 改进模式中相关的物理参数化方案将是SAMIL后续发展的首要工作。     

Quantitative relationships between precipitation and temperature over Northeast China, 1961–2010

This paper investigates monthly and seasonal precipitation–temperature relationships (PTRs) over Northeast China using a method proposed in this study. The PTRs are influenced by clouds, latent and sensible heat conversion, precipitation type, etc. In summer, the influences of these factors on temperature decrease are different for various altitudes, latitudes, longitudes, and climate types. Stronger negative PTRs ranging from ?0.049 to ?0.075 °C/mm mostly occur in the semi-arid region, where the cold frontal-type precipitation dominates. In contrast, weaker negative PTRs ranging from ?0.004 to ?0.014 °C/mm mainly distribute in Liaoning Province, where rain is mainly orographic rain controlled by the warm and humid air of East Asian summer monsoon. In winter, surface temperature increases owing to the release of latent heat and sensible heat when precipitation occurs. The stronger positive PTRs ranging from 0.963 to 3.786 °C/mm mostly occur at high altitudes and latitudes due to more release of sensible heat. The enhanced atmospheric counter radiation by clouds is the major factor affecting increases of surface temperature in winter and decreases of surface temperature in summer when precipitation occurs.     

海平面月平均气压场低频波的时空谱分析

本文根据Hayashi提出的时空谱分析方法,对1951—1974年10—60°N的海平面月平均气压场格点资料进行分析,给出了瞬变低频波及其分量(纯东进波、纯西退波和驻波)的时空特性。分析了不同谐波、不同纬度上盛行的周期,并对主要周期的特性加以分析。最后,文章分析了南方涛动与北半球行星1波的关系。指出南方涛动对北半球星行星1波的影响主要表现为热带东传的低频波,北半球副热带也存在着涛动系统,造成准3年周期的低频驻波。      

热带太平洋和印度洋热源对大气影响的季节变化特征

本文利用1970—1979年COADS2°×2°格点月平均资料,计算了30°S—30°N热带太平洋和印度洋洋面上的有效长波辐射、感热和潜热通量以及它们的季节变化和年变化。结果指出:在冬季半球热带海洋外侧有大量的长波辐射、感热和潜热向大气输送,输送通量的季节变化大;热带太平洋地区西北部热通量的季节变化最大,赤道洋面地区热通量的年变化最小,潜热是洋面上热量输送的最大项,季节变化也最大;感热的输送量虽不及有效长波辐射,但其季节变化与有效长波辐射的变化相当;赤道地区是有效长波辐射和潜热通量的低值区,暖池地区是有效长波辐射的低值中心,靠近秘鲁海域的东南赤道太平洋是感热通量的负值区;热带太平洋西北部和阿拉伯海、孟加拉湾地区的热通量及年、季变化与亚洲季风有密切的关系,同时对我国和南亚地区的气候有重要的影响。      

夏季我国干旱、半干旱区陆面过程能量平衡及其局地大气环流

利用NCEP资料分析得出,夏季我国干旱,半干旱区在整个欧亚大陆上是陆面感热通量最强的地方,与此对应的陆面潜热通量则最弱.陆面所接收的太阳短波辐射主要以感热和长波辐射的能量形式释放.该区降水量很少,降水量的年际变率也很弱;因此,该区的陆面热量通量都显出很弱的年际变率;然而,这些通量的年代际变率信号则比较显著.我国干旱、半干旱区大气环流的热力过程与其陆面过程特征密切相关.该区对流层大气的辐射冷却很强,达-3 K d-1.由于缺乏水汽和上升运动,大尺度凝结加热率、深对流加热率、浅对流加热率都非常弱.因此,600hPa以上的大气以绝热下沉加热来平衡辐射冷却;600hPa以下,陆面感热引起的垂直扩散加热率非常强,多达8 K d-1,它除了平衡辐射冷却以外还制造对流层低层的对流运动,以绝热上升冷却来平衡多余的垂直扩散加热.总之,我国干旱、半干旱区的陆面过程特征决定了该区大气运动的特殊垂直结构,即对流层低层对流上升运动及其上层的下沉运动.我国干旱、半干旱区陆面能量平衡及其局地大气环流的年代际变率,是全球气候系统年代际变率的必然结果.     

多年月平均500毫巴图上60°N和30°N纬圈的波谱分析

本文对北半球多年月平均500毫巴图上60°N和30°N纬圈的高度和纬圈平均的经向运动动能进行了波谱分析,探讨了前3个波幅和位相角的季节变化,以及在高低纬度之间的差异。主要结果如下:1位势场的高度主要贡献,集中在准静止长波范围内,并具有明显的季节变化。2波数为1的波在高低纬度性质有显著的不同,其分界线大约在50°-60°N之间。此外,准静止的长波愈向低纬度去逐渐有向西偏移的现象。例如,在30°N上准静止的长波比60°N上要偏西(1/4)-(1/2)波长。360°N纬圈平均的经向运动动能主要部分亦集中在准静止长波范围内。虽然峰值有明显的季节变化,但最大的极值都出现在波数n=2-4之间。30°N纬圈平均的经向运动动能谱有着明显的季节变化,大致可分成如下3个类型:(1)冬季型:纬圈平均的经向运动动能谱存在着两个极值,最大的极值稳定于准静止长波范围内(n=3附近),次极植位于移动性行星波范围内(n=5-8)。(2)夏季型:纬圈平均的经向运动动能谱只有一个极值,稳定于波数为6-7的波内。(3)过渡型:纬圈平均的经向运动动能谱分布较平坦,没有稳定的极值存在。     

An assessment of the latent and sensible heat flux on the simulated regional climate over Southwestern South Atlantic Ocean

A Regional Climate Model (RegCM3) 10-year (1990–1999) simulation over southwestern South Atlantic Ocean (SAO) is evaluated to assess the mean climatology and the simulation errors of turbulent fluxes over the sea. Moreover, the relationship between these fluxes and the rainfall over some cyclogenetic areas is also analyzed. The RegCM3 results are validated using some reanalyses datasets (ERA40, R2, GPCP and WHOI). The summer and winter spatial patterns of latent and sensible heat fluxes simulated by the RegCM3 are in agreement with the reanalyses (WHOI, R2 and ERA40). They show large latent heat fluxes exchange in the subtropical SAO and at higher latitudes in the warm waters of Brazil Current. In particular, the magnitude of RegCM3 latent heat fluxes is similar to the WHOI, which is probably related to two factors: (a) small specific humidity bias, and (b) the RegCM3 flux algorithm. In contrast, the RegCM3 presents large overestimation of sensible heat flux, though it simulates well their spatial pattern. This simulation error is associated with the RegCM3 underestimation of the 2-m air temperature. In southwestern SAO, in three known cyclogenetic areas, the reanalyses and the RegCM3 show the existence of different physical mechanisms that control the annual cycles of latent/sensible heating and rainfall. It is shown that over the eastern coast of Uruguay (35°–43°S) and the southeastern coast of Argentina (44°–52°S) the sea-air moisture and heat exchange play an important role to control the annual cycle of precipitation. This does not happen on the south/southeastern coast of Brazil.     

2003年淮河洪涝与西太副高异常及成因的关系

分析了2003年夏季西太平洋副热带高压的异常特征,结果表明,副高总体偏强、偏西,长时间在24 °N南北2个纬距范围内摆动,导致淮河流域30多天的连续强降水.并对2003年淮河洪涝与西太副高异常及其成因作了初步分析:(1) 南半球中高纬的冷空气活动、90 °E附近越赤道气流偏弱和赤道辐合带偏弱、偏南是造成淮河流域雨带稳定和降水集中的重要原因;(2) 6月下旬～7月上旬亚洲极涡偏强和冷空气活动可能是淮河流域出现强降水又是副高位置变化的主要影响因子;(3) 由高低空急流耦合在淮河流域产生持久的上升运动是淮河流域强降水的主要物理机制;(4) 地表潜热释放是使副高加强和维持的主要热力因子之一.