地气角动量交换与ENSO循环

用1976～1989年的地球自转速度、赤道东太平洋海温和气压及大气角动量资料,研究了地气之间角动量交换与ENSO循环的关系结果表明:固体地球自转速度、赤道东太平洋海温、不同纬带及全球大气角动量之间存在着协同的变化关系;低纬局地海气相互作用通过Hadley环流可形成类似ENSO事件的循环;固体地球和全球海气相互作用通过山脉力矩和地转变速摩擦力矩形成了固体地球-海洋-大气系统中各个方面出现的非周期行为和非同步振荡;实际出现的ENSO循环是固海气相互作用反映在太平洋洋盆上的一种现象.     

冬季大尺度环流对黑潮延伸体不同尺度海温异常的年代际响应特征及可能机制

大气环流对热带外海洋存在的不同尺度海温异常的响应研究一直是海气相互作用的热点问题,特别是广泛活跃的中小尺度海温异常对大气的影响.本文使用区域气候模式RegCM4.6,设计了三组不同初值的集合试验,研究了冬季北太平洋地区大尺度环流对黑潮延伸体(KE,Kuroshio Extension)附近不同尺度海温异常的响应特征,并...     

边界层参数化方案及海气耦合对WRF模拟东亚夏季风的影响

区域气候模式的边界层参数化方案很大程度上影响着陆地-海洋-大气间水汽、动量及热量的交换,该方案的不确定性会给模式结果带来明显误差.本文基于WRF区域气候模式中四种常用的边界层参数化方案(YSU,ACM2,BouLac和MYJ)分别对东亚夏季风进行模拟研究,分析了不同的边界层方案对东亚夏季风环流及降水模拟的影响.结果表明,局地湍流动能方案BouLac和MYJ对东亚夏季风的模拟结果相对于非局地闭合方案YSU和ACM2更接近于观测,前者能更好的模拟出中国东部中低空西南风气流和西太平洋副热带高压.对于东亚夏季风降水,无论是空间分布还是季节内演变,BouLac和MYJ方案都要明显优于YSU和ACM2.此外,通过对比YSU和BouLac两种方案的模拟结果,发现边界层方案对东亚夏季风的模拟在海洋区域的影响更为显著.造成不同方案模拟差异的主要原因是非局地方案YSU和ACM2的边界层垂直混合偏强,使得海表向上输送的潜热通量明显偏强,对流更活跃,导致降水偏多以及相应季风环流的异常偏差.进一步研究指出缺少海气反馈过程使得WRF模式由边界层方案引起的模拟误差在海洋区域更为突出,引入海气耦合可以减小海表热通量误差并明显改善东亚夏季风的模拟结果.     

FOAM海气耦合模式中印度洋海温年际变化在厄尔尼诺不同发展阶段的影响

热带印度洋与热带太平洋是全球海气耦合最活跃的区域之一,两者的海温场中均存在着显著的年际变化模态,而且这两个洋盆间的海温异常模态间是相互联系的.本文采用一个复杂的全球海气耦合模式,模拟了两组分别包含和不包含热带印度洋海温年际变化对热带大气强迫的耦合试验,对比研究印度洋海温年际变化在厄尔尼诺事件演变中的贡献.结果表明,热带印度洋海温年际变化的存在使得厄尔尼诺事件的成熟期强度增加,且在厄尔尼诺的发展年秋季出现明显的快速增长.但在厄尔尼诺衰亡年,热带印度洋海温年际变化却使得热带太平洋暖海温减弱甚至转变为冷海温,使得厄尔尼诺事件的演变周期减短.具体来讲,发生于厄尔尼诺发展年的印度洋偶极子正异常事件能够在热带印度洋东部到热带西太平洋之间强迫出一支异常的下沉气流及异常Walker环流,加强原有的西太平洋低层西风异常,通过海洋平流及波动调整过程增强厄尔尼诺期间太平洋的暖海温异常;而在厄尔尼诺衰亡年出现的印度洋全洋盆增暖则在南亚季风爆发的背景下,在印度大陆上空产生一支明显的异常上升气流,激发西太平洋东传的Kelvin波及低层大气的东风异常,削弱了热带太平洋洋面的西风异常,促使厄尔尼诺从暖位相向冷位相转化,并使得西北太平洋出现反气旋式大气环流和降水的减少.因此,印度洋海温偶极子模态主要影响厄尔尼诺事件的发展阶段,而印度洋海温洋盆一致变化模态显著影响厄尔尼诺事件的衰亡阶段,两者均可通过改变大气环流而遥强迫太平洋海域.     

区域海气耦合模式研究进展

本文扼要回顾了海气耦合模式的发展历程,然后介绍了国内外区域海气耦合模式的研究现状与最新进展,并对发展区域海气耦合模式所涉及的一些核心技术和科学问题进行论述,其中包括耦合技术、侧边界处理、海气与海浪(海冰)的耦合和资料同化等问题.另外,文中还讨论了区域海气耦合模式在数值模拟和动力降尺度中的应用.文章最后指出当前区域海气耦合模式发展中有待解决的一些问题,并就未来的发展方向提出了几点建议和想法.     

南半球平流层极涡崩溃早晚年环流异常特征

极涡崩溃是平流层大气环流一个重要的变化过程,本文利用31年的再分析资料研究了南半球平流层极涡崩溃早晚年的异常特征.研究结果表明,南半球平流层极涡崩溃偏早年极涡崩溃前后平流层环流场异常表现为整层一致的变化,即都为正温度异常、正位势高度异常和负纬向风异常;而南半球平流层极涡崩溃偏晚年极涡崩溃前后平流层环流场异常的整层一致性的变化不典型,而在符号上与极涡崩溃偏早年的异常相反.与北半球平流层极涡崩溃前后环流异常相反明显不同,南半球平流层极涡崩溃偏早或偏晚年在极涡崩溃前后的环流异常保持相同的性质.进一步分析表明行星波活动在南极极涡的崩溃过程中起到了重要作用,极涡崩溃早年上传行星波比极涡崩溃晚年强,并且持续时间长.通过波流相互作用,行星波的异常使得极涡崩溃早年和晚年10月的平流层高纬地区分别为位势高度正异常和负异常,环流异常持续保持可能最终影响了南半球平流层极涡的崩溃时间.分析显示南半球极涡崩溃偏晚与La Niña事件之间可能存在一定的联系,但在极涡崩溃偏早年与赤道太平洋海表温度异常(SSTA)并无明显关系.     

热带太平洋外海气耦合作用对东亚夏季风年代际变化的可能影响

利用1950—2000年逐月观测的热带太平洋海表温度分别驱动NCAR CCM3全球大气环流模式以及该模式耦合SOM(Slab Ocean Model)混合层海洋模式进行长时间积分试验,将两组试验结果相减来研究热带太平洋外海气耦合作用对20世纪70年代中后期东亚夏季风年代际变化的可能影响.模拟结果表明:热带太平洋外的海气耦合作用使得孟加拉湾、南海附近存在反气旋环流异常,导致我国东部存在偏南风异常,从而引起东亚夏季风年代际增强.其中热带印度洋的年代际增暖对东亚夏季风年代际增强有一定影响.     

1998年夏季全球大气环流异常的预测研究

应用日本东京大学气候系统研究中心(CCSR)发展起来的一个全球大气环流谱模式(T42L200版本),对l998年夏季气候异常和大气环流的预测问题进行了研究,定量地检查了该模式对夏季降水和大气环流异常的预测准确度.说明该模式对1998年的预测水平是比较高的;并证实大气环流在春季的初始异常对北半球夏季大气环流和降水异常起了很重要的作用,而对南半球的作用则小得多.就中国长江流域1998年的降水异常而言,初始环流的作用约占50%.     

夏季亚洲大地形双加热及近对流层顶位涡强迫的激发(Ⅰ):青藏高原主体加热

基于数值模拟研究了夏季青藏高原高于2km的主体上的表面感热加热和潜热加热的特征及其相互作用,比较了这种双加热对局地垂直运动及季风经圈环流的影响.从理论和数值模拟证明了双加热通过影响对流层上层的温度场和流场结构,在近对流层顶处激发出绝对涡度最小值和异常位涡强迫源,进而增强亚洲季风经向环流并在西风带中产生罗斯贝波波列、影响北半球环流的机理.     

厄尔尼诺对东亚大气环流和中国降水年际变异的影响:西北太平洋异常反气旋的作用

就有关厄尔尼诺通过西北太平洋异常反气旋影响东亚大气环流和中国降水年际变异的研究进展作了系统回顾,说明了与厄尔尼诺相关联的西北太平洋异常反气旋的形成机理以及对东亚大气环流和中国降水影响的物理过程.厄尔尼诺盛期时,热带西太平洋对流异常减弱造成的冷却异常,激发出大气Rossby波响应,导致了西北太平洋异常反气旋的产生.而热带西太平洋对流异常冷却的持续、西北太平洋局地海气相互作用以及热带印度洋和大西洋海温异常的持续等多种因子,导致了西北太平洋异常反气旋从厄尔尼诺盛期时的冬季持续到次年夏季.西北太平洋异常反气旋不仅对中国降水产生同期影响,也对厄尔尼诺次年夏季的中国降水产生滞后影响,导致中国南方降水异常偏多.本文也指出东亚大气环流和中国降水在拉尼娜冬半年不存在与厄尔尼诺相反的显著异常,说明了厄尔尼诺和拉尼娜对冬半年东亚大气环流和中国降水具有不对称影响.文中还讨论了厄尔尼诺的多样性及其影响、影响西北太平洋异常反气旋持续性的各因子与中国夏季降水异常的联系,并提出了一些需要进一步研究的问题.     

一个改进的诊断层积云方案及其对大气环流模式性能的改进

在气候模式中,传统的层积云参数化方案(简称LTS方案)高估了自由大气湿绝热过程所引起的垂直温度梯度的作用.在Wood和Bretherton提出的"估算逆温"(EIS)基础上,本文基于卫星资料构建了一个改良的诊断层积云方案,旨在改进当前广为使用的LTS方案.通过将EIS层积云方案引入大气环流模式GAMIL2.0中,并与传统方案进行对比试验发现,EIS层积云方案能有效地改善GAMIL2.0对东亚-西北太平洋季风区乃至全球云-辐射气候特征的模拟能力,一定程度地纠正了模式原来存在的中高纬度净(短波)云辐射强迫模拟偏弱的现象,而该偏差在当前许多模式中普遍存在.此改进与EIS层积云方案合理处理自由大气的温度层结有关.EIS层积云方案亦显著改进了GAMIL2.0对东亚-西北太平洋季风区云辐射年际变率的模拟能力.加入EIS层积云方案后,模式较好地模拟出了ENSO年冬春季东亚边缘海域的净云辐射正异常、海表入射短波正异常和层云量负异常.究其原因是EIS层积云方案比传统方案对海表温度异常的扰动更敏感.海表温度异常通过EIS层积云方案在对流层低层强迫出更强的云量距平,并通过改变加热率和垂直速度影响整个对流层,最终改进模式对云辐射强迫和地表入射短波通量年际变率的模拟.EIS层积云方案还增强了模式对El Ni?o年冬春季节西北太平洋异常反气旋以及东亚降水异常的模拟效果.     

扰动位能与大气环流异常的耦合关系及机理研究

本文在前期局地扰动位能理论工作基础上,进一步着眼于扰动位能与大气环流异常的关系和机理问题,采用奇异值分解(SVD)方法分析了扰动位能与高、中、低层大气动能的耦合相关模态以及年际变率情况,同时考察它与作为大气质量分布的海平面气压之间的相关关系,并从物理上初步探讨了扰动位能与大气动能以及质量的相关机理问题.结果表明,扰动位能自身变率的第一模态同时也是与大气环流异常场耦合变化的主要模态,与之相对应的大气动能和质量场的主模态也是其自身变率的支配模态,说明它们之间存在相互制约的物理机制.而且,热带外地区大气环流主模态特征的形成,与扰动位能兼具全球尺度纬向对称结构和局地尺度纬向非对称性密不可分.另外,冬季南北半球环状模指数与扰动位能的前两阶矩存在非常好的相关关系,而在夏季这种关系明显削弱,仅存在于南半球.     

涡旋自组织的两类可能机制

在准地转模式的框架内实施四组数值试验, 研究涡旋自组织的问题, 初步提出了涡旋自组织的两类可能机制. 中尺度地形的引进可以使分离的涡合并为一个较大尺度的涡旋; 中γ 涡与中β 涡相互作用的引进, 可以使分离的涡自组织形成一个类似于台风环流的涡旋.     

FGOALS－g快速耦合模式模拟的北太平洋年代际变率

本文分析了由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（LASG/IAP）最新发展的FGOALS_－g快速耦合模式300 a积分模拟结果,通过与多种观测资料的对比分析,讨论了北太平洋年代际变率的时空结构、主要年代际模态的演变特征以及与ENSO的联系等研究内容. 结果表明：该模式能成功模拟出北太平洋年代际变率的主要空间分布特征;模拟的年代际模态具有多时间尺度性,其中最显著的是周期约为10～20 a左右的准20年振荡模态,该模态上层海洋热容量异常的演变过程主要表现为大致沿副热带海洋涡旋做海盆尺度顺时针旋转的特征,相应的大气异常不仅与阿留申低压的变异有关,而且与太平洋-北美PNA）遥相关型以及上游的欧亚大气环流异常有密切关系;模拟的北太平洋年代际变率对年际ENSO循环的发生频率和强度有明显的调制作用. 但模拟的KOE区和阿拉斯加湾SST异常振幅比观测偏强,这与模式海冰偏多、高纬度SST偏冷的误差有关.     

时变行星际太阳风模拟及其结果评估

背景太阳风对于地球附近的空间环境有着重要的影响,三维磁流体力学太阳风模型是背景太阳风研究和预报的重要工具.通过太阳光球磁场数据驱动的边界条件,我们发展了一个时变的行星际三维磁流体力学太阳风模型.使用这个模型,我们模拟了2008年全年的行星际背景太阳风,分析了该年太阳风结构全球特征的演化和行星际局地观测与日冕结构间的联系.实现了一套太阳风连续参数和特征结构模拟质量的定量评估方法.对2008年模拟结果的评估表明,模型较好地重现了背景太阳风的大尺度特征.模拟与观测速度间的相关性系数达到了0.6以上,行星际磁场强度与观测吻合得较好,捕获了全部的行星际磁场极性反转和82.76%的流相互作用区,行星际磁场极性反转的误报率仅为6.67%,流相互作用区的误报率仅为11.11%,两种结构的到达时间误差在1天左右.同时,通过综合分析评估结果,我们明确了高速流结构、内边界磁场分布等模型在进一步改进中需要重点注意的问题.     

厄尔尼诺/南方涛动与赤道远西太平洋准两年周期振荡之间相互作用的概念模式

建立了一个反映厄尔尼诺/南方涛动(ENSO)与热带远西太平洋准两年振荡(QBOWP)相互作用最基本物理过程的新概念模式. 在此概念模式中, QBOWP对ENSO的影响通过两种途径: (1) 沿赤道太平洋海洋Kelvin波和 (2) 大气的Walker环流; 而ENSO对QBOWP的影响则可通过大气的Walker环流异常来实现. 对该模式结果的分析诊断表明: 在ENSO与QBOWP相互作用过程中, 大气桥(Walker环流)的作用比海洋桥(沿赤道太平洋的Kelvin波)更重要; 通过QBOWP与ENSO的相互作用, 一个3~5年周期的ENSO振荡可以变为准两年振荡, 而赤道远西太平洋年际变化的主要周期也会变长; 热带太平洋大气-海洋耦合系统的多时间尺度的年际变化可以通过ENSO与QBOWP的相互作用来实现.     

夏季东北亚阻塞高压年际变化的一个物理机制

根据实际观测资料反演获得描述大气环流演变的空间谱函数后，从改进的高截断谱模式途径出发研究了夏季东北亚阻塞高压年际变化的物理机制.结果表明，前期外部热源强迫的空间分布大致为El Nio型分布时，外部热力强迫导致大气环流演变中波波相互作用主要表现为纬向2波的相互作用；波流相互作用主要表现为经向2波和3波与反映基本流中的经向1波的相互作用.这样使得500 hPa高度场上东北亚地区为一相对正异常区，为夏季东北亚阻塞的频繁发生提供了有利的大气环流背景.而前期外部热源强迫大致为La Nia型分布时，外部热力强迫则导致大气环流演变中波波相互作用主要表现为纬向1波的相互作用；波流相互作用主要表现为经向2波和4波与反映基本流中的经向2波的相互作用.从而使得500 hPa高度场上帆北亚地区出现相对负异常，抑制了夏季东北亚阻塞的发生.     

黑潮流域内在的平均流-低频变率-中尺度涡之间的非线性相互作用

利用一套新的泛函工具——多尺度子空间变换(MWT),以及基于MWT的局地多尺度能量分析和正则传输理论,文章将黑潮流域重构于平均流、年际低频变化和中尺度涡三个尺度子空间,并从气候态角度分析了这三者之间的能量传输和转换.结果表明台湾以东黑潮存在显著的逆尺度能量级串,平均流从年际尺度和涡旋尺度汲取动能,来自年际尺度的正向能量级串是这个区域涡旋发展和维持的一个内在的局地因素.东海黑潮海域不同尺度之间的能量传输主要表现为平均流和涡旋之间的相互作用,其中南段发生正压和斜压失稳,北段则表现为正压稳定和斜压失稳.日本南部是整个黑潮流域多尺度相互作用最为强烈的区域,该海区的黑潮不仅发生很强的正压、斜压失稳,将能量从平均流输送给涡旋,来自年际尺度的正向能量级串也是该海域涡旋能量的重要来源.同时我们发现该海域年际变化的能量主要来自平均流的正压不稳定,而非来自高频涡旋的逆尺度反馈.     

风应力桥梁作用下热带太平洋和热带大西洋相互作用的数值试验

利用中等复杂程度热带大气和海洋模式研究了热带太平洋和大西洋SST通过风应力桥梁的相互作用.利用1958～1998年NCEP分析的海表面温度场（SST）强迫大气模式得到的表面风应力与NCEP分析的同期热通量共同驱动海洋模式，作为控制试验；和控制试验平行，但强迫大气模式的SST在某一海盆取为多年气候平均值的试验作为敏感性试验；比较控制试验与敏感性试验模拟，则可反映风应力桥梁作用下热带某海盆SST异常对其他海盆的影响.结果表明，热带某一海盆SST暖（冷）异常总是引起局地海盆表面西部西（东）风异常和东部东（西）风异常；热带太平洋SST暖（冷）异常导致的该海盆东部表面东（西）风异常可以扩展到热带大西洋，从而导致热带大西洋SST冷（暖）异常；热带大西洋SST暖（冷）异常导致的该海盆西部表面西（东）风异常可以扩展到热带太平洋，从而导致热带太平洋SST暖（冷）异常.     

热带印度洋Dipole事件的两种模态

研究了印度洋Dipole事件期间热带太平洋．印度洋海洋次表层海温异常和海面风应力异常分布主要型,揭示了Dipole事件的两种模态,探讨了其形成机制,得到如下结果：（1）印度洋Dipole事件在热带印度洋次表层海温异常表现为“〈”型的东西向偶极子分布,“〈”以东的热带东印度洋为沿赤道呈舌状西伸的显著海温异常中心,“〈”以西的热带中西印度洋为反号的、以赤道为准对称的南强北弱显著海温异常中心．（2）印度洋Dipole事件由两种模态构成,二者具相同空间分布但具不同的时间变率,它们是两个独立的大尺度海气相互作用的结果．Dipole事件第一模态源于热带太平洋一印度洋尺度海气相互作用,它与ENSO事件共存．Dipole事件第二模态起因于热带印度洋尺度海气相互作用,它与Mascarene高压位置和强度变化紧密联系．当二者位相一致时,产生强Dipole事件,二者位相相反时,Dipole事件很弱或消失,一者较强时,Dipole事件一般也较强．（3）印度洋Dipole事件是热带印度洋海面异常风应力强迫的结果,海面异常风应力作用下产生的垂直输送导致海水堆积和涌升是造成次表层海温异常的主要动力过程．当赤道印度洋为异常东风时,热带东印度洋冷海水上升,热带西印度洋暖海水堆积,热带印度洋温跃层东浅西深;由于Coriolis力的作用,赤道海域离赤道流造成冷海水上升,赤道印度洋温跃层变浅;赤道两侧热带印度洋异常反气旋环流及旋度场,造成该异常旋度中心区域暖海水堆积,赤道外热带印度洋温跃层加深．三者共同作用产生正位相Dipole事件．热带印度洋为异常西风时,动力过程相反,产生负位相Dipole事件．