长江中下游地区冬季极端降水事件与天气尺度瞬变波活动的可能联系

利用ERA40、NCEP/NCAR逐日再分析资料和长江中下游地区85站逐日降水资料,从大气内部天气尺度瞬变波的角度对长江中下游地区极端降水事件进行了成因分析。研究发现瞬变波活动与极端降水的发生关系密切;冬季在两支急流并存的欧亚大陆上空存在南北两支瞬变波活跃带。南支瞬变波在冬季极端降水频发、少发年存在较明显的差异。总体而言,极端降水频发年,瞬变波活动活跃,欧亚大陆上空的瞬变波持续时间长、传播连续、强度偏强;极端降水少发年,则反之。从逐日变化来看,南支瞬变波的强度和能量传播过程与极端降水的发生频次均具有一定的对应关系。北支瞬变波的传播及瞬变波对水汽的输送和极端降水的发生也有一定促进作 用。这些结果均表明,冬季极端降水的发生与天气尺度瞬变波的活动联系紧密,天气尺度瞬变波的异常活动及传播可能是极端降水发生的重要条件,研究可为极端降水的成因研究提供新的思路。     

旋转二维可压缩流动的谱和特征函数——Ⅱ:谱和谱函数结构的分析

本文第一部分(Ⅰ)已给出了线性化旋转二维可压缩流动方程的谱分布,并作了初步分析。本部分(Ⅱ)对这些谱及谱函数作进一步的分析讨论。设基流是低速流,此时可用摄动法求得谱和谱函数,将它们与用差分法所得结果进行比较,表明二者吻合得很好。摄动法中的离散谱初级近似就是无基流时的相应的谱,而连续谱对应的谱函数初级近似则与准地转模式的结果一致。由初级近似和一级修正项可以清楚地说明计算所得的谱和谐函数的许多重要性质。 在低速基流情况下:(1)重力一惯性波为准简谐波,基流和可变的Coriolis参数只给以较小的修正。(2)由于基流在Coriolis力作用下使自由表面有一坡度,Kelvin波必定具有横穿波射线的速度分量,同时顺传和逆传的Kelvin波不再在形态上相似;当基流愈强时上述两性质愈明显;Coriolis参数随空间的变化也改变了顺传和逆传波的相似性,此外,Kelvin波是准非频散的。(3)不为零的基流或科氏参数的变化使慢波离散谱变为非简并的即分立的,它们或者有无穷多个且基流流速为相速的聚点(当基流为常数时),或者只有有限个,甚至不存在;而当基流有切变时则有连续谱。对应于离散谱的谱函数为准简谐波;而对应于连续谱的谐函数则为广义解,但有有限能量。 本问题的谱函数与其伴随算子的谐函数正交,满足同样边界条件     

大气环流中期变化和寒潮中期过程的研究

寒潮中期预报理论和方法研究课题经过4年工作, 对冬半年大气环流变化进行了多方面的研究, 全面揭示了寒潮中期演变过程的能量学机制, 开始建立了具有一定生命力的十天左右寒潮中期预报方案。 对于指数循环、中期周期变化,从能量学诊断、数值试验、非线性动力学等方面进行了研究。 研究了定常波的维持和瞬变波的增衰。 定常波与瞬变波的相互作用, 波与波相互作用对阻塞高压的形成和崩溃的影响, 以及对极涡分裂和重建的影响。 寒潮中期过程由倒Ω流型开始并持能量聚集于中纬度, 通过斜压作用、波与波相互作用等, 最后导致东亚寒潮爆发。     

旋转二维可压缩流动的谱和特征函数 II：谱和谱函数结构的分析

本文第一部分(Ⅰ)已给出了线性化旋转二维可压缩流动方程的谱分布,并作了初步分析。本部分(Ⅱ)对这些谱及谱函数作进一步的分析讨论。设基流是低速流,此时可用摄动法求得谱和谱函数,将它们与用差分法所得结果进行比较,表明二者吻合得很好。摄动法中的离散谱初级近似就是无基流时的相应的谱,而连续谱对应的谱函数初级近似则与准地转模式的结果一致。由初级近似和一级修正项可以清楚地说明计算所得的谱和谐函数的许多重要性质。 在低速基流情况下:(1)重力一惯性波为准简谐波,基流和可变的Coriolis参数只给以较小的修正。(2)由于基流在Coriolis力作用下使自由表面有一坡度,Kelvin波必定具有横穿波射线的速度分量,同时顺传和逆传的Kelvin波不再在形态上相似;当基流愈强时上述两性质愈明显;Coriolis参数随空间的变化也改变了顺传和逆传波的相似性,此外,Kelvin波是准非频散的。(3)不为零的基流或科氏参数的变化使慢波离散谱变为非简并的即分立的,它们或者有无穷多个且基流流速为相速的聚点(当基流为常数时),或者只有有限个,甚至不存在;而当基流有切变时则有连续谱。对应于离散谱的谱函数为准简谐波;而对应于连续谱的谐函数则为广义解,但有有限能量。 本问题的谱函数与其伴随算子的谐函数正交,满足同样边界条件的一切扰动可按本问题的谱函数展开。在低速基流情况下,可用摄动法求解,初级近似下的伴随算子是自伴的。 关于高速基流情况的结果将在本文的第三部分(Ⅲ)发表。     

大气的能量谱和风速谱

本文提出了在大气体系中是否存在类似麦克斯韦提出的分子速率分布和普郎克提出的黑体辐射光谱那样的问题,即对全球大气是否有稳定的风速谱和能量谱问题. 本文给出了大气的风速谱和各种能量谱.指出它类似于统计物理中常见的分布形态.这不仅对认识大气规律有重要意义,也可用于数值天气预告和气候变迁研究中.     

用青藏高原考察订正的FGGEⅢb资料作中期预报的数值试验

利用1979年5—8月青藏高原科学实验取得的资料,对1979年6月15日00GMT100—850hPa 等9层 FGGEⅢb 分析的高度和风场进行了客观分析订正,并以订正前后的资料为初值,用 T21L5和 T42L9两种不同分辨率的北半球谱模式作了5个5天预报的数值试验。研究结果表明,通过高原实验资料对 FGGEⅢb 资料的订正,将使 FGGEⅢb 资料在高原地区的分析得到改善。对流层上层的资料订正比下层效果明显。高原地区初值场的订正对数值预报结果有显著影响,并且对较高分辨率模式的预报结果影响更大。初值订正后不仅影响未来高原地区的预报,而且通过能量频散可以影响到我国东部和日本,大约经过5天左右,甚至可以影响到阿拉斯加和北美。     

旋转二维可压缩流动的谱和特征函数 Ⅰ:谱点的分布

本文对旋转二维可压缩流(正压原始方程模式)中的谱和谱函数进行了分析和数值计算。这一部份主要讨论谱的分布,结果表明:在正压原始方程中存在三支谱系。当基流为稳定时,这三支谱系均是实的,其中两支为离散谱,分别对应于顺风和逆风传播的重力惯性波(快波),另一支则对应于Rossby波(慢波)。当基流无切变时,慢波由离散谱点组成,慢波相速以基流速度为聚点;且基流为零和科氏参数为常数时退化为无穷维重迭谱点,与聚点重合当基流有切变时,慢波由离散谱和连续谱组成,其中离散谱还可能不存在。当基流速度接近或超过C_0时,最靠近“慢波”的二个或几个原来的重力-惯性波转化为混合型波。当基流为不稳定时,则存在复数的谱点(此时该谱点必定是离散谱)。理论分析和数值计算都得到了广义正压不稳定、超高速不稳定和混合类型的不稳定,而广义正压不稳定属于慢波。我们将在本文的第二部分中讨论相应的谱函数。     

假谱诊断分析模式——(二)理想场与实例检验

本文利用理想解析流场及FGGEⅢ_b实况资料,对假谱诊断模式进行了检验,並与二价和四阶差分法的结果进行了对比。结果表明,对于次天气尺度的诊断分析而言,在给定格距条件下,假谱分析方法最好,四阶精度差分法次之,而通常用的中央差效果较差。因此假谱诊断模式对短波的诊断具有较高的精度,更适合于次天气尺度系统的诊断分析。     

用青藏高原考察订正FGGE Ⅲ b资料作中期预报的数值试验

利用1979年5—8月青藏高原科学实验取得的资料，对1979年6月15日00 GMT 100—850 hPa等9层FGGE Ⅲ b分析的高度和风场进行了客观分析订正，并以订正前后的资料为初值，用T21L5和T42L9两种不同分辨率的北半球谱模式作了5个5天预报的数值试验。研究结果表明，通过高原实验资料对FGGE Ⅲ b资料的订正，将使FGGE Ⅲ b资料在高原地区的分析得到改善。对流层上层的资料订正比下层效果明显。高原地区初值场的订正对数值预报结果有显著影响，并且对较高分辨率模式的预报结果影响更大。初值订正后不仅影响未来高原地区的预报，而且通过能量频散可以影响到我国东部和日本，大约经过5天左右，甚至可以影响到阿拉斯加和北美。     

旋转二维可压缩流动的谱和特征函数——Ⅰ:谱点的分布

本文对旋转二维可压缩流(正压原始方程模式)中的谱和谱函数进行了分析和数值计算。这一部份主要讨论谱的分布,结果表明:在正压原始方程中存在三支谱系。当基流为稳定时,这三支谱系均是实的,其中两支为离散谱,分别对应于顺风和逆风传播的重力惯性波(快波),另一支则对应于Rossby波(慢波)。当基流无切变时,慢波由离散谱点组成,慢波相速以基流速度为聚点;且基流为零和科氏参数为常数时退化为无穷维重迭谱点,与聚点重合当基流有切变时,慢波由离散谱和连续谱组成,其中离散谱还可能不存在。当基流速度接近或超过C_0时,最靠近“慢波”的二个或几个原来的重力-惯性波转化为混合型波。当基流为不稳定时,则存在复数的谱点(此时该谱点必定是离散谱)。理论分析和数值计算都得到了广义正压不稳定、超高速不稳定和混合类型的不稳定,而广义正压不稳定属于慢波。我们将在本文的第二部分中讨论相应的谱函数。     

地形驻波与地形瞬变波

本文用二层准地转截断谱模式,解析地指出,在一定的条件下,地形强迫作用能够激发出地形驻波或地形瞬变波.给出了地形驻波的表达式并初步讨论了地面摩擦、垂直向及水平向内摩擦在地形驻波形成中的作用.地形瞬变波振荡频率的解析表达式及有关计算表明,两周左右的中期波振荡,就其动力学性质而言,有些是自由的斜压波,有些是受地形强迫影响的地形瞬变波.Charney曾解析地讨论了正压大气中一种地形驻波的稳定性,本文将此扩展到斜压的情况,所得的结果基本上是一致的.     

强厄尔尼诺事件下2016年1月中国南方超级寒潮的动力学机制:瞬变波对大气长波异常的调制

本文采用Plumb三维波活动通量和局地Eliassen-Palm通量诊断方法,利用欧洲中期天气预报中心的逐日再分析资料ERA-Interim,分析了超强厄尔尼诺背景下2016年1月下旬中国南方超级寒潮的动力学机制：瞬变波对大气长波异常的调制。前期2015年12月的北大西洋海表热通量正异常,有助于后期大西洋阻塞形势的维持。大气长波能量沿大圆路径从大西洋阻高经乌拉尔地区向东亚中低纬度传播并在此辐合,导致了乌拉尔阻高和华北横槽的经向结构,更多强冷空气聚集在异常偏南的纬向槽线附近。寒潮爆发前夕,2支瞬变波列活跃在亚欧大陆。北支瞬变波列调制了北方的大气长波,使横槽转竖;南支瞬变波列协同调控了南方的大气长波,使南支印缅槽减弱;两者共同作用,促使冷平流大举南下,直达华南沿海,南方寒潮发生。     

球面长波模式的设计和应用

本文介绍一两层准地转的球面长波谱模式(LWM)。它包括非绝热加热、地表摩擦和山脉分布。试验表明,由于引进瞬变涡旋输送特征参数化,LWM较低阶谱模式(LOM)有显著改进。它除具有LOM经济简明的优点外,还更合理地描述大气的能量循环和角动量平衡,更准确地模拟纬向西风和定常波。因而适于理论研究和数值模拟。     

大气环流形态的分支现象

本文用二层准地转截断谱模式,研究了大气环流形态的分支现象.结果指出:依赖于热力强迫的不同取值,模式大气将显示出等温静止或Hadley环流两类定常流型,Hadley流型并具有基本解的属性.在热力强迫达到Hadley流型的分支点以前,Hadley流型是稳定的;到达分支点后,Hadley流型不稳定,激发出新的流型,显现出分支现象.绝热无地形时,分支出瞬变斜压波;绝热有地形时,在不同的分支点分别激发出地形驻波与地形瞬变波;非绝热时,分支出非绝热驻波或非绝热驻波与瞬变斜压波的混合波型,非绝热驻波失稳激发出二级分支,     

用线性化全球原始方程谱模式研究地形强迫行星波垂直传播特征

本文用线性化全球原始方程谱模式来研究地形强迫行星波的垂直传播过程及演变特征.模式的积分结果表明:行星波的能量沿两支波导进行传播,在波从对流层向平流层传播中,极地波导起着主要作用.由于重力波破碎的阻尼作用,地形强迫的行星波无论它的波作用量或振幅都呈现振荡状态.     

2003年淮河大水期间亚洲北部阻塞高压的形成特征

利用观测资料和NCEP再分析资料分析2003年淮河大水期间亚洲北部阻塞高压的形成维持机制, 结果表明, 2003年淮河梅汛期亚洲中高纬地区阻塞高压的异常活动中, 波流作用十分显著。6月上旬, 阻高建立前期和维持过程中, 上游地区天气尺度波动活跃, 欧洲斜压区不断有瞬变动能生成, 并在阻塞区向阻高平均流转化。从瞬变涡动的作用来看, 上游传播而来的瞬变波不断将较低纬度的低位涡空气向阻塞区输送, 有利于阻塞高压的建立维持; 平均流则使位涡呈相反形势发展, 引导阻塞高压向东频散, 削弱了扰动位涡输送的作用, 对阻高的维持起到耗散作用。阻高建立前, 瞬变涡位涡输送作用强于平均流位涡平流, 造成阻塞区位涡降低, 有利于阻高生成; 阻高维持期间, 瞬变涡位涡输送与平均流位涡平流输送量相当; 6月25～30日, 阻塞高压明显西退, 该阶段瞬变涡动明显强于平均耗散作用, 引导低位涡场向西移动。研究表明, 大气内部的波波作用对阻高的建立维持也十分重要。1波与5波在一定范围内的共同作用可能是阻高建立维持的决定因素, 而天气尺度波动扰动则对阻塞高压的建立、 维持和崩溃起到重要的作用。波波作用表明, 2003年6月份阻塞高压建立、 维持时, 尺度较长的波一般从平均动能得到扰动动能的转化, 尤其5波, 斜压能的转换不但是其能量的来源, 同时非线性作用也使得尺度更小或更长的波向其提供能量; 阻高衰退时, 5波则通过非线性作用向其他波动输送能量, 同时也存在斜压耗散, 能量逐渐失去。     

南方地区低温雨雪事件的时空分布和成因研究

选用1961~2011年中国南方地区降水、气温和ERA-Interim再分析资料,采用旋转EOF方法,对发生低温雨雪的台站进行分析,发现南方地区的低温雨雪天气可大致划分为4个区域。筛选出1月4个典型低温多雨雪年和高温少雨雪年,将高度场进行滤波,滤出2.5~6天的天气尺度瞬变波动部分来研究我国南方地区持续性低温雨雪天气与天气尺度瞬变扰动的关系。发现大西洋上空强天气尺度瞬变扰动在欧亚大陆以波列的形势向下游传播,在频发年,瞬变扰动的强度较少发年强,且较少发年有更多的扰动波列东传;波动能量的向东频散为下游的槽脊活动提供了源源不断的能量,有利南方地区大气斜压不稳定维持和持续低温雨雪天气的维持。      

大气经圈环流对波动和能量传输的影响

本文用斜压准地转模式讨论了经圈环流作为基流的一部分对不同风系中波动和能量传输的影响。特别指出在东风带中因经圈环流的存在,就可能形成定常和非定常的经向行星波,使夏季低纬度东风气流中的波动及其能量向中、高纬度传播。 文中还分析和计算了定常经向波和瞬变波的群速度和一些动力学性质。     

冷暖事件对大气能量循环和纬向平均环流影响的模拟研究

利用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新发展的GOALS 5全球海 陆 气耦合模式研究了暖事件 (ElNi no)和冷事件 (LaNina)对大气能量循环和纬向平均环流的影响 ,并用观测资料进行了对比分析。结果表明 :对于纬向平均资料来说 ,冷、暖事件在热带和副热带地区的大气环流相关量的反相变化特征非常清晰 ,中高纬度地区并不明显。此外 ,还发现 ,暖事件时定常涡动的经向热通量的变化是北半球对流层热带外地区温度异常的主要原因 ,而瞬变波的影响则起抵消作用。冷事件时定常波和瞬变波相互抵消的局地特征也依然存在 ,但瞬变波的影响有所增强。     

大气环流的不连续振荡和指数循环

本文利用两层斜压准地转模式,在低谱简化下,得到一个热力强迫波,瞬变波与纬向气流相互作用的非线性方程组。在近共振和弱斜压不稳定的假定下,利用多尺度方法和不连续振动分析方法,详细讨论了相空间中解的性质。初步讨论了大气环流非均匀指数循环的物理机制。