大尺度大气运动的浑沌形态

本文用一个确定的强迫耗散的八维非线性自治系统描述大尺度斜压大气的运动。在一定的热力强迫范围,流型演变显示出浑沌形态。随着热力强迫的渐变,发生了浑沌形态与周期形态之间的多次转换。在浑沌区内又清楚地显示出周期3和周期6的窗口。 流型演变的周期形态,相应于夏半年对流层上层副热带高压中心沿东西方向的周期的低频振荡。转为浑沌形态后,这种规则性的低频振荡即遭到破坏。这个副热带高压周期性东西振荡的建立与破坏的现象,与实际大气的观测事实十分相似。     

副热带对流层高层夏季准定常涡旋系统动力成因的初步探讨

本文采用一个高截断的斜压谱模式、探讨了在热力强迫作用下副热带夏季对流层高层准定常涡旋系统形成和维持的动力机制。模式中考虑了纬向不对称的热力强迫作用,带状流与波动分量之间的非线性相互作用以及随纬度而变的基本气流的共同影响,所得到的一类稳定平衡态的高层流场特征说明了上述准定常涡旋系统的一些主要特点,并进而讨论了热力强迫的控制作用等问题。     

非绝热加热和地形共同强迫下斜压大气的环流突变

本文用低谱途径研究了非绝热加热和地形共同强迫下斜压大气流型的突变,结果与由夏至冬季节转换期间,对流层上层副热带高压从高原经度急速东移到大洋上空的观测事实相似.     

线性准地转模型中基本流和辐射冷却对感热加热强迫的副热带高压形态的影响

通过求取定常线性准地转位涡模式的数值解,研究了感热型垂直非均匀分布的冷、热源强迫所激发的副热带环流的结构特征,讨论了副热带背景风场和洋面辐射冷却对洋面副热带高压“三角形偏心”结构形成的重要作用。结果表明,基本流对感热加热强迫的副热带环流有重要影响,当基本流为常数时,感热加热强迫的气旋和反气旋主要集中在对流层中下层,且地面系统远强于中高层。当基本流为非常数时,其经向切变能改变气旋和反气旋中心的经向位置,使它移至0风速所在纬度附近;其垂直变化加强了中高层气旋和反气旋,中心位于对流层上层,与南亚高压的位置基本一致。研究结果还表明,在大洋东部洋面辐射冷却与副热带地区背景风场的共同作用下,形成了洋面副热带高压特有的“三角形偏心”结构。副热带高纬度的西风使感热强迫的洋面副热带高压东移,低纬度的东风使其西移,形成东北—西南走向的“平行四边形”结构,且中心位于大洋西部。大洋东部强洋面辐射冷却激发的洋面反气旋加强了大洋东部的副热带高压,使其中心东移至大洋东部,从而表现出东北—西南走向的“三角形偏心”结构。      

P-σ区域气候模式对东亚副热带西风急流的数值模拟

为评估P-σ九层区域气候模式模拟对流层上层东亚副热带西风急流季节变化的能力,比较模式模拟的东亚副热带西风急流季节变化与NCEP/NCAR再分析资料之间的差异及其与对流层中上层大气南北温度差异的关系。结果表明,模式模拟东亚副热带西风急流的能力在洋面上空强于大陆上空,模拟低纬度急流的能力好于高纬度。模拟的东亚副热带西风急流垂直结构、水平结构和季节变化等的主要特征与NCEP/NCAR再分析资料基本一致,但模拟的急流强度全年偏弱。分析急流与对流层中上层经向温度梯度的季节变化发现,急流出现的位置总是对应着经向温度梯度较大区域,急流中心有随气温南北差异大值中心移动的趋势,急流中心与最大温差中心相对应,表明急流中心的位置变化是对气温南北差异季节变化的响应。与再分析资料相比,模拟的经向温度梯度比再分析资料偏小约2K/10纬距,与此相对应的模拟的急流中心风速偏小约10 m.s-1。由于大气温度变化与非绝热加热有关,进一步分析发现,模式模拟的夏季副热带急流偏差与东亚地区的地面感热及潜热等非绝热加热的模拟偏差具有密切的关系。     

夏季亚洲-太平洋遥相关季节演变与大气环流和降水

利用1981-2007年逐日大气再分析资料和降水资料以及统计分析方法,研究了夏季(5-9月)亚洲与太平洋区域的大气遥相关,并分析了其季节演变与夏季亚洲-太平洋大气环流和亚洲季风区降水的联系.结果表明:在5-9月逐日对流层上层扰动温度场上,亚洲与北太平洋中纬度存在着类似于亚洲太平洋涛动的遥相关现象,即在季节尺度上,当亚洲大陆中纬度对流层上层偏暖时,北太平洋中纬度对流层上层偏冷,反之亦然;亚洲与太平洋对流层上层温度的反位相变化特征也出现在对流层中下层和平流层低层.亚洲-太平洋涛动指数不仅可以指示夏季亚洲与太平洋中纬度纬向热力差异的变化特征,也可以较好地指示亚洲与热带印度洋经向热力差异的变化特征.亚洲-太平洋涛动指数最大值常出现在7月中旬到8月初,并且从1981年到2007年该最大值出现时间有偏早趋势.当夏季亚洲太平洋涛动指数偏高(低)时,亚洲大陆上空的南亚高压和其下方的亚洲大陆低压系统偏强(弱),太平洋副热带高压偏强(弱)并偏北(南),亚洲-非洲上空的热带东风急流和低层的西南风偏强(弱),从印度到中国华南的广大地区、中国华北以及东北亚等地降水偏多(少).     

夏季副热带高压北移的非线性机理探讨

文中建立了含22个变量的强迫、耗散、非线性的斜压大气动力系统。该系统包含了超长波、长波和纬向气流三者的相互作用;反映了北半球两大洋、两大陆的“二波型”的纬向和经向非均匀热力强迫;采用相轨线图、流函数图以及Poincar啨图相结合的方法,归纳出若干典型的流动体制和环流型式;用长方形通道中的流动近似地表征北半球环流。结果表明:(1)该系统能很好地刻画斜压大气中7种流动体制及其转换;随着夏季热力强迫的增大,系统状态经历了R1R12V-NVR12的变化。(2)刻画了4种主要的环流型式及其转换;随着夏季热力强迫的增大,环流型从G2转G3,即副高季节性北移西伸。(3)系统的流动体制和环流型式之间的联系表现为:夏季副热带高压北移西伸即G2转G3的变化,对应着流动体制由Rossby流转振荡态(R12V-NV);副热带高压在偏北位置上的南北向和东西向的振荡活动,则对应着系统振荡态的维持。     

2003年夏季异常天气与西太副高和南亚高压演变特征的分析

通过入梅前后东亚环流与多年平均的对比,表明2003年夏季我国东部旱涝分明、长江以南高温少雨、淮河流域持续多雨、强降水过程频繁等特点是与西太平洋副热带高压(下称西太副高)活动特征有关。该年副高偏强、位置异常偏西,垂直结构呈现较强的动力性特征,即低层为辐散下沉运动、高层为辐合,脊线随高度向北倾斜。副高西北侧的梅雨锋区强,且风切变明显。动力和热力诊断结果表明,200 hPa南亚高压脊线以北东传的负涡度平流产生的辐合下沉运动,有利于对流层中下层副高的加强西伸。500 hPa副高西北侧的雨带位置与对流层上层副热带急流的位置和东伸的南亚高压对应。高层西风带和南亚高压的动力作用也会引发副高短期的东西振荡。降水区对流层高层产生的潜热释放,使副高西北侧加热率垂直方向的非均匀分布增加,导致了副高加强西进。热带天气系统的活动,对副高维持和加强也有不可忽视的作用。正是西风带、副热带和热带系统相互作用,动力和热力因素的综合影响,造成了该年副高及其所带来的天气异常。     

平流层大气对对流层大尺度热力强迫的线性、定常响应

本文采用一个关于大气定常波的16层线性化原始方程三维谱模式,研究了冬季平流层大气对于对流层各种定常大尺度热力强迫的响应。研究结果表明,对流层中的热力强迫作用对于冬季平流层中垂直向上传播的行星定常波的维持有显著的贡献,平流层中强迫扰动的水平结构及其与对流层中扰动的差异与加热场的垂直结构有密切的关系。相对于强度和空间结构相同的强迫源而言,中纬强迫对于平流层的作用比低纬强迫更为显著。     

青藏高原和亚洲夏季风动力学研究的新进展

亚洲夏季风环流受海陆和伊朗高原—青藏高原大地形的热力作用调控.亚洲季风所释放的巨大潜热又对大气环流形成反馈.这种相互反馈过程十分复杂,揭示其物理过程对理解气候变化格局的形成和变化以及提高天气预报及气候预测的准确率十分重要.夏季北半球副热带对流层上层环流的主要特征是存在庞大的南亚高压(SAH)以及强大的对流层上层温度暖中心(UTTM).本文介绍了温度—加热垂直梯度(T-Q_Z)理论的发展,并用以揭示SAH和UTTM的形成机制.指出沿副热带欧亚大陆东部的季风对流潜热加热及其中西部的表面感热加热和高层长波辐射冷却是导致SAH和UTTM在南亚上空发展的原因.文中还介绍了Gill模型用于上部对流层研究的局限性及解决的办法.     

热带对流层上空东风带扰动影响西太平洋副热带高压的个例分析

利用NCEP/NCAR1000—10hPa2.5°×2.5°日平均和每日4次再分析资料,分析了2003年6月19—25日热带对流层上空东风带扰动对西太平洋副热带高压东西向进退的影响。结果表明:热带对流层上空东风带扰动从对流层中低层伸展到50hPa高度附近,在200hPa上表现最为明显,在热力场上表现出“上暖强,下冷弱”的垂直分布特征。当西太平洋副热带高压南/北侧的东/西风带上的扰动在相向运动中抵达同一经度上时,对应于西太平洋副热带高压的异常东退。垂直涡度方程的诊断分析表明:在东风带扰动附近,涡度倾向效应贯穿于对流层整层到50hPa高度上,在200hPa高度附近表现最显著,当高层东风带扰动东/西侧的负/正变涡增强时,当东/西风带扰动在相向移动过程中,它们涡度倾向正值区在130°E南北打通时,西太平洋副热带高压出现突然东撤。涡度方程分析还表明,对于涡度倾向变化的贡献中,水平涡度平流的贡献最大、β效应的贡献最小;当东风带扰动附近的水平涡度平流和β效应增强时、且由β效应所引起的东/西风带扰动中的南、北风分量在130°E附近南北同相迭加出现“正压发展”时,有显著的正涡度增长,对应于西太平洋副热带高压的东撤。     

夏季东亚高空急流与太平洋-日本遥相关型的关系

利用NCEP/NCAR和NOAA月平均资料,采用奇异值分解方法分析了夏季东亚高空纬向风场和西北太平洋海表温度(SST)的耦合关系,并据此研究了东亚副热带高空急流和太平洋-日本(Pacific-Japan,PJ)遥相关型的可能联系。合成分析结果表明,东亚副热带高空急流正模态年,急流偏南偏强,对流层上层南亚高压增强东进,中层西太平洋副热带高压加强西伸,菲律宾周边海域SST升高,中纬度黑潮延伸体区SST降低,菲律宾海和热带西太平洋地区对流活动偏弱,日本海和黑潮延伸体海区对流活动增强,对应PJ遥相关型的负位相;而东亚副热带高空急流负模态年,急流偏北偏弱,对流层上层南亚高压减弱西退,中层西太平洋副热带高压减弱东撤,菲律宾周边SST降低,中纬度黑潮延伸体区SST升高,菲律宾海和热带西太平洋地区对流活动强盛,日本海和黑潮延伸体海区对流活动减弱,对应PJ遥相关型的正位相。由于夏季东亚副热带高空急流活动与PJ遥相关型存在关联,PJ遥相关型可能是东亚副热带高空急流响应太平洋海温异常的纽带。     

大气季节内振荡对西北太平洋台风路径的影响研究

台风路径一直是天气预报的难点之一。本文研究了大气季节内振荡 (ISO) 对西北太平洋台风路径的影响, 指出大气ISO对台风路径预报有重要参考意义。细化传统台风路径的划分方法, 将台风路径进一步分为5种: 西移型、 西北移型、 日本以西型、 日本登陆型、 日本以东型。分别对不同路径的台风所对应的低频流场进行超前滞后合成分析, 发现台风生成时850 hPa低频气旋的正涡度带走向往往预示着台风的未来走向, 200 hPa低频环流形势, 意味着上层引导气流的方向, 对台风的路径也有一定的指示作用。低频流场演变特征表明, 大气ISO在对流层低层到中层通过低频气旋或低频反气旋的环流形势影响季风槽及副热带高压的位置和强度, 从而影响台风的活动。低频气旋的作用使台风易于沿着低频气旋的正涡度带移动。菲律宾以东热带地区生成的低频气旋的加强有利于季风槽的加强和东伸, 另外, 它的经向北传对副热带高压的位置也有影响。在副热带地区存在大气ISO流型以低频波列的形式向西传播, 对副热带高压的季节内时间尺度东西振荡有重要作用。热带与副热带地区大气ISO的共同作用, 对台风路径有决定性意义。初步认为, 对于西移路径和西北移路径, 热带大气ISO的影响起着更为重要的作用; 对于日本登陆型和日本以东型路径, 副热带大气ISO的影响起着更为重要的作用。大气季节内振荡的环流场可以作为台风路径预报的依据之一。     

盛夏亚洲和西太平洋副热带地区高压活动规律的若干研究

盛夏亚洲和西太平洋地区除存在强大又稳定的太陆青藏高压外，西太平洋副热带高压也是对流层大气中深厚的高压实体． 这是两个既独立又有紧密联系的高压系统． 本文研究指出，它们之间的演变关系有两种情况：一种是整个环流调整，促使两个高压相向或相背而行，调整到一个位置或者分离在一定波长范围内；另一种是西太平洋副热带高压稳定存在，副热带地区环流作新的调整，大陆青藏高压东移与副高合并． 本文还分析太平洋中部槽与西太平洋副热带高压的关系，指出两者存在一定的对应关系．但其制约关系如何，有特进一步研究．     

春季中国东海黑潮区大气热源异常对中国东部降水的影响

采用ERA-interim逐日再分析数据集与中国东部389个站逐日降水资料,通过相关和合成分析讨论了不同时间尺度上,春季中国东海黑潮区上空大气热源异常对东亚大气环流和中国东部降水的影响。观测分析表明,春季中国东海黑潮区上空为一显著的大气热源,大气对该热源的响应在不同时间尺度上表现出不同的形式。在较长时间的季节和年际尺度上,春季中国东海黑潮区大气热源增强时,可在大气对流层低层强迫出偏南气流,同期春季及后期夏季西太平洋副热带高压增强并西伸,相比于热源低值年西北太平洋副热带地区为一反气旋式异常环流所控制,中国长江中下游以南地区降水增多;反之亦然。与年际和季节时间尺度不同,在较短的天气时间尺度上,中国东海黑潮区上空大气热源增强可在其下方强迫出气旋式异常环流。大气热源的增强与中国东部对流层低层气旋式异常环流的东移有关,相应地在中国东部地区出现了显著的降水增多。     

夏季西太平洋副热带高压的客观定量化预测及其对汛期降水的指示

基于动力统计相似预报原理,将模式误差动力统计预报方案应用于西太平洋副热带高压的客观定量化预测,通过交叉检验距平相关系数,筛选出对副热带高压区域的500 hPa高度场模式预报结果订正较好的因子作为前期关键因子集.对2003-2010年的副热带高压区域的500 hPa高度场进行了回报检验,结果显示该方案在数值模式预报结果基础上有了进一步提高,显示出较高的预测水平.在此基础上,从高度场预测结果中提取出与中国降水关系最为密切的两个典型副热带高压特征指数(脊线指数与西伸脊点指数),将其投影在二维平面上,并根据不同类型的副热带高压特征下对应的雨型分类特征得到预报年副热带高压所属类型下中国夏季降水的分布类型,多年检验结果表明,预测的投影类型所对应的降水合成分布与实况的降水具有较好的一致性,进一步验证此种副热带高压与雨型分类的合理性,达到通过副热带高压的定量化预测对夏季的旱涝分布形式进行预测的目的,为进一步提高汛期降水预测水平提供一种可能的思路.     

副热带高压季节性移动与海温场的联系

本文通过EOF分解，分析讨论了西北太平洋副热带高压季节性移动与海温场之间的联系。结果表明:副高的两次北跳与东西进退都与海温场的扰动加热有关，海洋的热力强迫作用是引起大气环流系统季节变化的重要原因之一。     

梅雨季西太平洋副热带高压异常主要模态及其对东亚降水的可能影响

利用近42 a NCEP/NCAR再分析资料,NOAA（National Oceanic and Atmospheric Administration）海表温度,CPC（Climate Prediction Center）降水以及中国台站降水观测资料等,对6—7月西太平洋副热带高压（Western Pacific Subtropical High,WPSH）变动的主要模态和形成原因,及其对中国梅雨期降水分布的影响进行了探讨。结果表明,WPSH主要异常模态依次为全区一致型（Ⅰ）,南北异常型（Ⅱ）、东西异常型（Ⅲ）和中心异常型（Ⅳ）。不同异常型的出现受中纬度上游西风带准定常扰动和低纬扰动的不同影响,而后者又与对流层低层大气对不同海温异常型热力强迫响应有关。来自热带中东太平洋的海平面气温异常（Sea Surface Temperature Anomaly,SSTA）信号有利于副热带高压出现第Ⅰ、Ⅱ型异常;第Ⅲ、Ⅳ型异常则分别受海洋性大陆或西北太平洋下垫面热力影响。长江—黄河—日本沿线以及江南和东北地区降水与副热带高压第Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ型异常密切联系。     

大气环流的季节变化和季风

利用多年平均气候资料计算了全球各地和各等压面上的大气环流季节变率（即冬季和夏季环流之差或者1月和7月环流之差再除以年平均）,发现在对流层低层环流有5个很突出的季节变率极大值的区域,分别位于热带和南北两半球的副热带和中-高纬度带（温-寒带）,它们分别对应于经典所谓的热带季风区,太平洋、印度洋和大西洋的副热带高 压季节性移动区域,以及温-寒带气旋的风暴轴线区域。这5个区域也可分别称为热带季风区、副热带季风区和温-寒带季风区。季节变率带有鲜明的斜压性:在对流层低层热带季风和副热带季风虽相互连接然而仍然明显可分,但越往上,副热带季风一支就越往低纬移动,结果在200 hPa处与热带季风混合为一,形成为斜交赤道的带,和所谓的行星季风区相对应;再往上,在平流层上层,则南北两半球各在中纬度带有一完好的非常鲜明的季节变率极大值带,它们与黑夜急流的维持和崩溃有关。此外,文中还探索了各季节来临的时空分布以及年际变化等问题。     

东亚副热带季风特征及其指数的建立

基于大气对流活动和非绝热加热的分析,给出东亚夏季风区域变化特征,客观地确定东亚副热带季风及热带季风对流强度,并由此建立其与大尺度季风环流的内在联系,提出分别用所对应区域经向风垂直切变来构造季风指数.对比分析显示,上述季风指数在反映夏季环流和降水等方面效果显著,能很好地刻划东亚夏季风强度.同时指出,东亚副热带季风指数与西太平洋副热带高压及长江中下游降水密切相关,在空间场上表现出东亚/太平洋型(EAP型)遥相关特征.高指数年副高偏南,长江中下游为涝;低指数年则相反.