高原热力作用下的非绝热Rossby波

从含非绝热项的准地转运动方程组出发，分析了青藏高原大尺度热力作用下非绝热Rossby波的一些性质。从理论上证明当背景西风气流为正压时，冬季高原冷却作用有利于Roosby波的经向传播。又由非绝热Rossby波的频率方程说明冬季高原的热力作用是中高纬季节内振荡的重要激发机制。此外，当背景西风气流为斜压时，求解了高原热力作用下非绝热Rossby波的频率，并由频率方程说明冬季高原冷却作用有利于波动向不稳定方向发展，而夏季高原的大尺度热力作用对波动稳定性的影响存在临界值。     

“青藏高原加热引起的海陆热力差异对新疆夏季降水的影响机理研究”项目

正一、立项背景青藏高原是世界上最大最陡峭的大地形,其动力和热力作用是形成和维持北半球大气环流的重要原因之一,气流对热源的热力适应形成高原上空近地层低压和中高层的青藏高压,高原上空大尺度大气热源(汇)激发出的热力波及与之相联系的热量、动量传播对周边地区的天气气候有着重要影响。夏季青藏高原对流层低层环绕高原的气旋式环流加强,高原上空盛行上升气流,与之联系的高原北侧有补偿的下沉气流生成,在高原东南侧形成潮湿气候,西北侧形成干旱气候对新疆夏季降水有重要影响的副热带西风急流、南亚高压等大尺度环流系统,均和青藏高原下垫面热力异常     

夏季沿西亚急流Rossby波活动异常的波源和能量传播及转换特征

用1958-2003年NCEP/NCAR再分析资料,利用涡度源方程、Eliassen-Palm通量(EP通量)和非绝热效应的波能方程,分析了夏季沿西亚急流Rossby波活动(WAJRA)异常的波源、能量传播和转换特征,从大气动力学内部机制上进一步认识WAJRA异常的成因,提高对中高纬大气环流异常机理的理解.研究表明,对流层高层位于地中海和北大西洋-斯堪的纳维亚半岛的负涡度源区和EP通量强辐散区为夏季WAJRA异常的波源区.当波源区位置和强度出现异常时,波源所激发东传的Rossby波活动也出现异常,从而导致WAJRA强弱变化.WAJRA强(弱)年冰岛-斯堪的那维亚半岛(斯堪的那维亚半岛以东)EP通量强辐散区激发Rossby波并沿2条路径向东传播,一支向东传播在乌拉尔山附近转向东南并在里海、咸海-新疆上空进入亚洲副热带西风急流传播增强(减弱),另一支直接向东南方向传播在地中海东部-黑海附近进入亚洲西风急流增强(减弱),此外,地中海上空EP通量辐散也增强(减弱),它们共同作用使得WAJRA增强(减弱).沿西亚地区副热带西风急流(简称西亚急流,指亚洲副热带西风急流的15°-60°E部分)非绝热加热产生扰动有效位能远大于基本气流动能向扰动动能的转换和基本气流有效位能向扰动有效位能的转换.西亚急流Rossby波活动强年(弱年)伊朗高原及其北侧的西亚地区非绝热加热产生的有效位能增强(减弱)显著,是WAJRA增强(减弱)的能量源.     

辐散风作用下低频Rossby波的能量传播

文中研究了热力强迫所激发的辐散风对低频Rossby波能量传播的影响 ,推导出辐散风作用下的Rossby波的频散关系和群速度表达式。理论分析表明 :如果扰动流函数与速度势的位相差α∈ (0 ,π) ,那么辐散风将减小Ross by波的圆频率 ,增大群速度的纬向分量 ,加速Rossby波在纬向方向上的传播 ;辐散风对经向群速度的影响是比较复杂的。波射线的分析表明 ,在纬向基本气流为常数的情况下 ,辐散风作用下的低频Rossby波从初始位置到反射纬度的传播路径表现为一段光滑的大弧 ;对于周期为 30d、纬向波数k =3,4的Rossby波 ,当辐散风减弱时 ,波能量经向传播距离和纬向传播距离都增大。对于k =3的Rossby波 ,当辐散风减弱时 ,Rossby波的经向传播范围增大 ,但振幅强度减小。     

地形追随垂直运动方程在南疆极端暴雨中的诊断分析

针对2021年6月15～17日发生在昆仑山脉北坡的南疆极端暴雨过程,本文综合考虑地形对暴雨发生、发展的作用后,利用地形追随坐标控制方程并采用Boussinesq近似推导建立了地形追随坐标的非静力平衡广义垂直运动方程。诊断结果表明,经向气压梯度力耦合经向散度项（项一）、垂直气压梯度力耦合纬向散度项（项二）和非绝热加热经向梯度项（项三）是激发暴雨垂直运动发展演变的三个主要强迫项。项一体现了偏北风逐渐增强,在昆仑山脉的阻挡下导致经向辐合增强,触发了垂直上升运动。经向气流辐合始终是对流活动最主要的强迫过程,其次为纬向气流辐合。在地形追随坐标形式下,经向和垂直气压梯度能够增强项一和项二。对流发展阶段,水汽辐合与非绝热加热过程增强了非绝热加热经向梯度,促进了垂直上升运动发展。在地形的影响下,对流层中高层西风过山气流波动特征明显。重力波活动导致的高层辐散进一步促进了山脉迎风坡对流活动。经向和纬向气流辐合、非绝热加热过程以及重力波活动等多个因素共同造成了此次南疆极端暴雨。     

一个简单的准地转海气耦合模式

文章采用准地转带耗散因子的大气和海洋的动量、热力学方程,建立了一个简单的描写大尺度运动的准地转海气耦台浅水模式,分别在中高纬和低纬地区讨论了海气的耦合效应,分析了耦合低频模(海洋模)的振荡周期随耦合频率和经向波数的变化转征,并由此而说明低频振荡与海气相互作用有关。然后从海洋和大气的频散曲线中揭示出耦合强度对Rossby波传播的影响,还从缓变波列的观点,讨论了两种模之间的转换机制。 结果表明:Newton冷却Rayleigh摩擦对海洋Rossby波起稳定作用。随着耦合频率的增加,耦合低频模的周期也相应增加;经向波数越大,这种增加就越迅速。当耦合频率趋近于临界值时,海洋Rossby波趋于静止。当海气耦合强度增加到一定程度时,海洋Rossby波的传播方向变成与原来相反。通过海气相互作用,海洋Rossby波的一部分将转换成大气Rossby波,本文求解了其能量转换系数。      

基本气流对赤道Rossby波和重力波的影响

应用考虑基本气流作用的赤道β平面线性模式，分析了基本气流对赤道Rossby波和重力波的影响。分析表明，基本西风气流中西传的赤道Rossby波和西传重力波仍有混合现象，基本西风气流将使Rossby波出现不稳定增长，而基本东风气流中的Rossby波和重力波是完全可分的。     

夏季沿亚洲副热带西风急流Rossby波传播及其与我国降水异常的联系

利用1960—2015年夏季(6—8月)NCEP 2.5°×2.5°全球逐日再分析资料,采用涡度源方程和Eliassen-Palm通量,对夏季沿亚洲副热带西风急流Rossby波活动的波源、能量传播及其与我国降水异常的关系进行了分析和研究。结果表明:夏季200 hPa大气准静止行星波产生的源地主要集中在地中海地区,亚洲副热带西风急流(ASWJ)中的准静止Rossby波在此激发并沿急流向东传播,东传过程中在急流轴南侧波流相互作用相对活跃。波作用通量的辐合辐散中心沿副热带西风急流交替分布,波流相互作用是ASWJ上西风强弱交替变化的动力机制。沿ASWJ交替分布的五个波作用通量辐合辐散关键区散度具有较强的关联性,表现为同一Rossby波列的不同部分,其中波源处Rossby波动能量的传播对其下游ASWJ的强弱影响最大,而急流关键区内纬向风的大小也与波作用通量散度场的强弱和分布密切相关。波源处以及位于我国青藏高原东部至黄土高原上空的波作用通量散度指数WFD-Ⅰ和WFC-Ⅱ与我国南、北方降水相关性较为显著,在WFD-Ⅰ为正异常年时,对应南方关键区降水偏多年份占比为62.5%,在WFD-Ⅰ为负异常年时,对应北方关键区降水偏多年份占比为80%;在WFC-Ⅱ为正异常年时,对应南方关键区降水偏少年份占比为66.7%,在WFC-Ⅱ为负异常年时,对应北方关键区降水偏少年份占比为81.8%。研究夏季波源处WFD-Ⅰ异常年导致我国降水异常的环流成因发现,WFD-Ⅰ为正异常年时,由上游波源地区激发的Rossby波向下游地区的能量频散偏强,位置偏南,波流相互作用导致我国南方上空高空急流加强,高低空辐散辐合配置加强,垂直上升运动增强,易造成我国南方地区降水异常偏多。WFD-Ⅰ为负异常年时,Rossby波能量的经向传播较强而纬向传播较弱,北方降水关键区受波通量辐散控制,高空西风急流加强,高低空辐散辐合配置和垂直上升运动增强,有利于我国北方地区降水的发展。     

热力适应、过流、频散和副高II.水平非均匀加热与能量频散

利用位涡方程和热力适应原理，讨论了因非绝热加热的空间不均匀性导致的大气 动力特征的变化，进一步阐明了副热带地区的深对流凝结潜热加热的垂直非均匀性使副热带高压在中低空出现在热源区以东，在高空出现在热源区以西。在此基础上，深入研究了水平非均匀加热对大气环流的影响。结果表明加热区以北，虽然非绝热加热消失，但存在加热的水平梯度在西风环流的背景下在高低层造成深厚的负涡度强迫。因而高层热源北部边界附近的西风向南偏转进入加热区，造成加热区北部边界及其以北发生次级辐散；低层热源区的南风发生反气旋偏转，汇入加热区外的西风气流中，造成低层加热区北部边界及其以北发生次级辐合。结果该区域产生了垂直上升运动及负的涡度强迫源，对应着异常强烈的反气旋环流。该负涡度强迫源还通过能量频散，在西风带中以Rossby波的形式向中高纬传播，影响中高纬地区的异常环流型。     

青藏高原地表非绝热加热模态及其与中国北方环流异常的联系

利用青藏高原非均匀下垫面热力输送系数及地表有效辐射的EOF分析结果,计算了2000年以来的高原地表非绝热加热资料,并将1958—2013年地表非绝热加热资料进行重建得到高原地表非绝热加热指数,以表征高原不同气候分区的地表热力状况。根据EOF分析结果将高原分为4个气候区,并从波能传播的角度分析其对中国北方环流异常的影响。结果表明,高原地表非绝热加热指数在西部边缘(气候Ⅰ区),除了冬季为微弱下降趋势以外,其他季节都为微弱的上升趋势;在高原中西部腹地(气候Ⅱ区),四季均为下降趋势;在高原东北部(气候Ⅲ区),除了冬季表现为微弱的下降趋势外,其他季节均为微弱的上升趋势;而在高原东南部(气候Ⅳ区),四季均表现为下降趋势。高原西部边缘地表非绝热加热异常增强时,高原200 h Pa上空为波能辐散区,并向东传播,初夏在北方辐合加强,有利于降水,干旱减弱;盛夏在北方地区处于辐散区,加剧干旱。在高原东北部地表非绝热加热异常增强时,该区200 h Pa上空为波能辐散区,并向东传播,无论是在初夏还是盛夏,除了东北地区北部,北方其他地区辐合加强,有助于干旱减弱。     

IOD influence on the early winter tibetan plateau snow cover: diagnostic analyses and an AGCM simulation

Using diagnostic analyses and an AGCM simulation, the detailed mechanism of Indian Ocean Dipole (IOD) influence on the early winter Tibetan Plateau snow cover (EWTPSC) is clarified. In early winter of pure positive IOD years with no co-occurrence of El Ni?o, the anomalous dipole diabatic heating over the tropical Indian Ocean excites the baroclinic response in the tropics. Since both baroclinic and barotropic components of the basic zonal wind over the Arabian Peninsula increase dramatically in early winter due to the equatorward retreat of the westerly jet, the baroclinic mode excites the barotropic Rossby wave that propagates northeastward and induces a barotropic cyclonic anomaly north of India. This enables the moisture transport cyclonically from the northern Indian Ocean toward the Tibetan Plateau. The convergence of moisture over the plateau explains the positive influence of IOD on the EWTPSC. In contrast, the basic zonal wind over the Arabian Peninsula is weak in autumn. This is not favorable for excitation of the barotropic Rossby wave and teleconnection, even though the IOD-related diabatic heating anomaly in autumn similar to that in early winter exists. This result explains the insignificant (significant positive) partial correlation between IOD and the autumn (early winter) Tibetan Plateau snow cover after excluding the influence of ENSO. The sensitivity experiment forced by the IOD-related SST anomaly within the tropical Indian Ocean well reproduces the baroclinic response in the tropics, the teleconnection from the Arabian Peninsula, and the increased moisture supply to the Tibetan Plateau. Also, the seasonality of the atmospheric response to the IOD is simulated.     

青藏高原抬升加热气候效应研究的新进展

对近4年来关于青藏高原加热影响气候的研究进行回顾.首先介绍利用位涡方程和热力适应理论,揭示;夏季高原上空低层气旋式及高层反气旋式环流结构稳定维持的动力学机理.结果表明高原加热作用造成的低层正涡源是低层气旋式环流得以稳定维持的重要原因.而边界层摩擦产生的负位涡是平衡正位涡的主要因素.高原加热还在高原上空形成负位涡,它影响着盛夏的大气环流,是青藏高原上空强大而稳定的反气旋环流得以维持的重要因素.在春夏过渡季节青藏高原非绝热加热对大气环流季节变化以及亚洲季风爆发的影响力方面,进一步确认了感热加热在过渡季节早期(5月中旬以前)环:流演变中的重要作用.青藏高原非绝热加热的时间演变引起了海陆热力差异对比的变化,使副热带高压带首先在孟加拉湾东部断裂,亚洲季风因而在孟加拉湾爆发.结果还表明,用纬向风垂直差异的时空分布能更准确地表示季节变化的区域差异.在青藏高原非绝热加热与北半球环流系统年际变化的联系方面,发现夏季青藏高原的加热强(弱)的年份,高原感热加热气泵(SHAP)高(低)效工作,使高原加热对周边地区低层暖湿空气的抽吸效应和对高层大气向周边地区的排放作用加强(减弱),高原及邻近地区的上升运动,下层辐合和上层辐散均增强(减弱),从而影响着高原和周边地区的环流以及亚洲季风区大尺度环流系统.而且高原的加热强迫还能够激发产生一支沿亚欧大陆东部海岸向东北方向传播的Rossby波列,其频散效应可影响到更远的东太平洋以至北美地区的大气环流.研究还表明,盛夏的南亚高压存在"青藏高压型"和"伊朗高压型"的双模态,它们与高原加热状态有关,且显著地与亚洲季风区的气候分布密切联系.     

青藏高原加热与亚洲环流季节变化和夏季风爆发

利用逐日NCEP/NCAR再分析资料分析了春夏过渡季节青减高原非绝热加热和大气环流季节变化以及亚洲季风爆发的关系.结果表明,过渡季节的早期(5月中旬以前)青藏高原总非绝热加热与感热加热的时间演变曲线趋势一致,感热加热在过渡季节早期的环流演变中有很重要的作用.青藏高原非绝热加热的时间演变与北半球环流的季节变化和亚洲夏季风爆发有很好的相关.在过渡季节里,青藏高原非绝热加热的变化引起了海-陆热力差异对比的变化,给亚洲夏季风的爆发建立了有利的背景环境,对亚洲夏季风爆发有明显的影响.结果还表明,用各区域纬向风垂直差异的时空分布能更准确地表示季节变化的区域差异.     

夏季青藏高原低涡的切向流场及波动特征分析

从大气动力学原理出发,将高原低涡视为受热源强迫的边界层内涡旋,建立了柱坐标下满足梯度风平衡的低涡控制方程组,分析高原低涡切向流场的基本特征.在此基础上,通过求解线性化涡旋模式,得出高原低涡中各类波动的频散关系及其特征,同时定性讨论了热力作用对混合波动的影响以及混合波动与高原低涡流场特征的联系.使用中尺度数值模式WRF分...     

青藏高原大地形的动力、热力作用与低频振荡

在对青藏高原大地形的动力和热力作用作物理分析的基础上, 着重分析了青藏高原大地形的高度、地形坡度和非绝热加热对中高纬低频振荡的影响, 指出:青藏高原大地形的高度、合适的地形坡度和地形加热都可以促进低频振荡的形成, 而且, 这些因子都会影响低频Rossby波的稳定性.     

冬季青藏高原大气热状况分析Ⅰ:气候平均

通过诊断3套再分析资料的非绝热加热场,研究冬季青藏高原上空大气的热力特征.结果表明,与夏季为强热源的特征不同,冬季高原上空不是欧亚大陆上最强的冷源中心.冬季高原上空整体是偏弱的冷源,在高原西侧及东南地区上空甚至出现非绝热加热正值区,这一分析对以往研究提出的高原是冷源的特性给出了修正.各种非绝热加热分量的诊断表明,冬季高...     

Impact of Dynamic and Thermal Forcing on the Intensity Evolution of the Vortices over the Tibetan Plateau in Boreal Summer

The Tibetan Plateau Vortex (TPV) is one of the main weather systems causing heavy rainfall over the Tibetan Plateau in boreal summer. Based on the second Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications (MERRA-2) reanalysis datasets provided by the National Aeronautics and Space Administration (NASA), 8 cases of TPV over the Tibetan Plateau generated in June–August with a lifetime of 42 hours are composited and analyzed to reveal the impact of dynamic and thermal forcing on the intensity evolution of TPVs. The results are as follows. (1) The TPVs appear obviously at 500 hPa and the TPVs intensity (TPVI) shows an obvious diurnal variation with the strongest at 00LT and the weakest at 12LT (LT=UTC+6h). (2) A strong South Asia high at 200 hPa as well as a shrunken Western Pacific subtropical high at 500 hPa provide favorable conditions for the TPVI increasing. (3) The vorticity budget reveals that the divergence is indicative of the variation of TPVI. TPVI decreases when the convergence center at 500 hPa and the divergence center at 200 hPa lie in the east of the TPVs center and increases when both centers coincide with the TPVs center. (4) Potential vorticity (PV) increases with the enhancement of TPVI. The PV budget shows that the variation of TPVI is closely related to the diabatic heating over the Tibetan Plateau. The increased sensible heating and radiative heating in the boundary layer intensify the ascent and latent heating release. When the diabatic heating center rises to 400 hPa, it facilitates the development of TPVs.     

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。     

Dynamic and Numerical Study of Waves in the Tibetan Plateau Vortex简

In terms of its dynamics, The Tibetan Plateau Vortex （TPV） is assumed to be a vortex in the botmdary layer forced by diabatic heating and friction. In order to analyze the basic characteristics of waves in the vortex, the governing equations for the vortex were established in column coordinates with the balance of gradient wind. Based on this, the type of mixed waves and their dispersion characteristics were deduced by solving the linear model. Two numerical simulations with triple-nested domains--one idealized large-eddy simulation and one of a TPV that took place on 14 August 2006---were also carried out. The aim of the simulations was to validate the mixed wave deduced from the governing equations. The high-resolution model output data were analyzed and the results showed that the tangential flow field of the TPV in the form of center heating was cyclonic and convergent in the lower levels and anticyclonic and divergent in the upper levels. The simulations also showed that the vorticity of the vortex is uneven and might have shear flow along the radial direction. The changing vorticity causes the formation and spreading of vortex Rossby （VR） waves, and divergence will cause changes to the n~otion of the excitation and evolution of inertial gravity （IG） waves. Therefore, the vortex may contain what we call mixed ：inertial gravity-vortex Rossby （IG-VR） waves. It is suggested that some strongly developed TPVs should be studied in the future, because of their effects on weather in downstream areas.