Governing Equations of Atmospheric Layer Perturbation Potential Energy and Its Applications-Energy Budget of the South China Sea Summer Monsoon Activity

针对局地环流能量转换问题,本文推导了分层扰动位能一阶矩(LPPE1)和动能(KE)的控制方程,分析了方程中各能量项的空间分布和季节变化特征,并以南海夏季风为例,诊断了夏季风活动各相位的能量收支特征.结果表明,850 hPa高度上在赤道辐合带、大部分季风区、风暴轴地区是LPPE1的源区,副热带的大洋东部和高纬度地区是LPPE1的汇区,强源、汇的中心与LPPE1的纬向偏差场的脊、槽分布对应较好.LPPE1向KE的转化项(CK)取决于垂直速度和大气稳定度,是连接KE和LPPE1的纽带,在暖(冷)空气上升(下沉)时,转化项为正,LPPE1向KE转化能量,反之KE转化为LPPE1.在850 hPa高度上CK的分布特征是在赤道辐合带以及大部分季风区有大值分布,北半球风暴轴和南半球西风带有连续分布的正值区.将这应用到南海夏季风活动的能量收支,在南海夏季风恢复相位,CK增大,在南海夏季风活跃相位,CK达到最大,且为边界输入能量的2～3倍,CK是南海夏季风恢复、活跃的最重要因素.探讨了南海夏季风活跃的条件,当LPPE1等于南海季风区的夏季气候平均值时,上升速度大于临界速度的情形,有利于南海夏季风由中断相位向活跃相位的转变.     

亚澳季风区水汽收支时空分布特征

用1980～1989年NCEP/NCAR再分析资料计算了亚澳季风区视水汽汇并分析了其水汽收支时空分布特征。结果表明,该研究范围水汽收支的典型空间分布型为南北型,即南半球澳大利亚季风区与北半球亚洲季风区相反的分布形势,而且这种分布形势有明显的季节变化。冬季北半球亚洲季风区为水汽源,110～135 E之间大陆桥附近、80 E附近及40～50 E之间的三支越赤道水汽输送通道将北半球水汽输送到南半球澳大利亚季风区及南印度洋,成为水汽汇,夏季南半球澳大利亚季风区和南印度洋为水汽源,上述三支越赤道水汽输送通道实现与夏季反向的水汽输送,将水汽由南半球输送到北半球亚洲季风区,此时亚洲季风区为水汽汇。春季和秋季赤道辐合带为主要的水汽汇,亚澳季风区无明显越赤道水汽输送。     

南海夏季风季节内振荡的年际变化研究

利用NCEP/NCAR风场、 垂直速度再分析资料和NOAA的逐日向外长波辐射 (简称OLR) 资料, 运用Butterworth带通滤波方法, 对南海夏季风季节内振荡 (简称ISO) 的特征和年际变化情况进行了初步研究。气候平均状况下ISO在亚洲季风区存在5个活动中心, 其中包括南海南部地区 (5°N～15°N, 110°E～120°E)。气候平均状况下南海ISO在5～9月有三次比较明显的活跃过程。以850 hPa风在西南方向上的投影 (Vsw) 经30～60天带通滤波后的绝对值在南海区域的夏季平均定义了当年南海夏季风ISO活动指数, 以此确定了南海夏季风ISO活跃年和不活跃年, 并由此提取了两者在逐日序列和水平分布场特征上的差异。通过对南海夏季风ISO活跃年与不活跃年ISO信号差别的研究发现: 在南海夏季风ISO活动较活跃年份的一个完整周期的8个位相合成中, 低频对流中心从热带印度洋西部东传到达南海后, 受Walker环流和西太平洋副热带高压底层东风气流阻挡等其它动力和热力因素的影响转向东北传。春季南海地区较强的Walker环流和对流活动有可能作为南海夏季风ISO活跃的前期信号。     

南海夏季风爆发与大气对流低频振荡的年际变化

根据1980～1991年云顶黑体温度（TBB）相位和强度的变化确定了南海夏季风爆发的时间,分析研究了夏季风爆发期间TBB场和850hPa风场的变化过程及其与海温的关系。结果表明:南海夏季风爆发平均时间是5月第4候,它爆发的时间和强度有显著的年际变化,并与大气的低频振荡及前期海洋的热力状况有密切关系。南海夏季风爆发早年（4月第6候）,副热带高压较弱,撤离南海较快,从赤道东印度洋到赤道西太平洋,大气对流活动较强,夏季风爆发南海早于孟加拉湾,季风爆发时90～100°E区域过赤道气流显著加强。夏季风爆发晚年（6月第1候）情况相反。南海夏季风爆发早晚与大气30～60天振荡到达南海的位相有关,前冬和早春南海海温的高低和4月中旬至5月中南半岛强对流区的出现时间,是南海夏季风爆发年际变化的前期征兆。根据前冬南海海温预测1998年南海夏季风爆发的时间和强度与实际相符。     

南海夏季风维持期的气候特征Ⅰ——40年平均

使用NCEP的1958～1997年逐日格点气象资料,对我国南海地区(105～120°E,5～20°N)夏季风维持期40年平均的气候特征进行了分析,分析时间尺度是候.南海夏季风维持期由活跃期和非活跃期组成.我们将南海上空850hPa连续有40%以上面积盛行暖湿的西南风的候定义为南海夏季风的活跃期,不足40%则定义为非活跃期.这里所指的暖湿西南风是θse必须大于335K,西南风的风速必须大于2m/s.就40年平均而言,南海夏季风维持时间大约为23候约4个月,每年南海夏季风活跃期约出现4.3次,每次的平均维持时间约为3.9候,非活跃期约出现3.3次,每次的平均维持时间约为2.4候,活跃期每年的总长度约为17候,非活跃期约为8候.无论是南海夏季风活跃期还是非活跃期,南海上空850hPa都为一个低槽辐合区,200hPa为高压辐散区,也就是说与活跃期相比非活跃期主要气候特征表现为季风的减弱,在环流的偏差场上(活跃期减非活跃期)在南海上空850hPa上为西风,200hPa上为东风.活跃期无论在850hPa或在200hPa上都比非活跃期要暖一些,与此相应,非活跃期的季风降水要比活跃期的小得多,对流活动也大大减弱.南海夏季风和夏季风降水都有明显的30～60天的低频振荡,在多数情况下夏季风和夏季风降水的低频振荡的位相比较一致.     

1998年南海、孟加拉湾夏季风期间动能收支特征

该文采用1998年加密观测资料经同化处理后得到的客观分析格点资料, 对南海地区和孟加拉湾地区的动能收支进行了诊断分析和对比, 得出: B区夏季风爆发, 其850 hPa区域平均总动能表现为爆发性增长, C区则表现为一个逐步增长的过程.越赤道气流通过南边界的动能输送对B区夏季风建立贡献很大, 西边界动能输入对C区夏季风建立也起了十分显著的作用.季风盛行期, B区夏季风动能的发展维持主要是动能水平通量散度的贡献, 其中西边界动能的流入贡献最大, 孟加拉湾夏季风的变化主要为印度季风影响所致; C区夏季风动能主要是依靠其区域内动能制造来维持.对于850 hPa层, B区主要通过斜压过程制造动能, 正压过程破坏更多的动能, C区主要是正压过程制造动能.两区对流层高层都为动能主要流出区, 而对流层低层, B区为动能流入区, C区为动能流出区.     

南海夏季风期间水汽输送的气候特征

通过分析NCEP/NCAR 1973～1998年(共26年)4～8月的再分析比湿场和风场资料,研究了南海夏季风期间的水汽输送特征.夏季,东亚上空水汽水平输送特征在各月有很大差异,这是夏季风环流系统演变的结果.孟加拉湾南部地区是中国长江中下游和南海地区重要的水汽源地,来自上游孟加拉湾南部地区的水汽输送对南海季风的爆发具有重要意义.经向水汽输送主要有利于20～30°N之间华南地区的水汽辐合.从总的收支看,南海地区是一个水汽汇区.南海季风爆发早晚年的水汽输送通道存在明显差别.在爆发偏早年,从赤道印度洋到南海地区的输送通道建立早且维持时间长,4～5月南海易成为水汽辐合区;在偏晚年,南海地区水汽则是辐散的,不利于形成季风性降水.南海季风爆发早晚年与长江中下游旱涝年的水汽输送有一定联系.     

南海夏季风爆发迟早与赤道纬向风关系的诊断研究

利用ECMWF和NCEP(1958～1999年)的再分析资料，研究南海夏季风与前期气象要素的关系，结果表明:南海夏季风建立日期与当年2月份赤道印度洋地区的纬向风存在高层(200～100 hPa)为正、低层(1000～700 hPa)为负的显著相关分布，类似于偶极子的分布特征；而在赤道中太平洋地区(160°E～160°W)则存在高层为负、低层为正的另一个显著相关“偶极子”。分析这种相关特征的持续性，发现上述形势从2月份到5月份一直存在，且赤道印度洋地区高低层相反的相关分布从3月份开始逐渐东移，到5月份维持在印度洋东部至南海一带。从5月份的相关系数分布图可发现，南海地区低层为负相关，高层为正相关，说明低层西风异常、高层东风异常的赤道纬向风分布有利于南海夏季风早爆发。针对南海夏季风建立日期与赤道地区(10°S～10°N平均)纬向风的“偶极子”型相关分布特征，定义了一个用于诊断南海夏季风爆发迟早的前期因子。该因子与大部分学者定义的南海夏季风建立日期存在着显著的相关，说明该因子对南海夏季风爆发迟早有一定的反映能力和预测作用。根据Gill(1980年)理论分析发现，上述2月份赤道地区纬向风异常是同期赤道印度洋-大陆桥地区异常强对流活动造成热带赤道大气环流显著异常变化的结果。     

南海夏季风活动指标的定义及应用

为了分析南海夏季风活动不同阶段的大气环流特征,引入南海区域(105~120°E,5~20°N)平均高(200 hPa)低(850 hPa)层风场和向外长波辐射(OLR)作为南海夏季风指数。分析结果表明这些指数的组合可以较好地反映南海夏季风季节内以下时间尺度的活动情况。当南海地区低层平均为西南风、高层为东北风且OLR异常(OLRa)小于零时,南海夏季风处于活跃期,此时副高远离南海,南海区域对流强盛,有明显的季风槽;当南海地区低层为西南风,高层为东北风,但是OLRa大于零时,南海夏季风处于不活跃阶段,此时副高远离南海,虽然南海地区对流不活跃,但是季风环流依然存在且向北扩展,使得华南-江南对流活跃;当南海地区风场为其他情况时,此时不论对流强弱,南海夏季风处于中断期,南海或者受副高控制,或者受热带气旋影响,季风环流在南海地区中断。利用定义的南海夏季风活动指标对2011年和2012年南海夏季风活动进行分析,结果指出这两年南海夏季风活跃期较长,季节内对流北传事件一般发生在南海夏季风活跃期或活跃期向非活跃期的转换期,而中断期即使有强对流发生,也不会向北传播。分析了这两年中断和不活跃情况下的大气环流分布,进一步验证了定义的南海夏季风活动指标的实用性。     

气候变暖背景下南海夏季风建立和结束日期及与其强度的关系

利用1948—2012年NCEP/NCAR再分析全球格点日平均资料,将南海区域(110～120 °E,10～20 °N) 850 hPa 候平均纬向风稳定地由东(西)风转为西(东)风,且同一层上稳定地有θse≥335 K(θse<335 K)确定为南海夏季风建立(结束)日期,得到近65 a南海夏季风建立、结束、持续日期序列。赤道印度洋地区的顺时针旋转的涡旋与越赤道气流及副高对南海夏季风的爆发起着决定性作用。南海夏季风建立日期与其强度的关系密切,夏季风建立越晚(早)其强度越强(弱),纬向风在对流层高层先(后)发生突变。气候变暖对南海夏季风的建立和结束日期及强度的影响是显著的,气候变暖后南海夏季风建立早(晚)年明显偏多(少),强度明显偏弱。      

西南低压倒槽引发吉林省南部大暴雪天气分析

利用实时观测资料、NCEP 1°×1°间隔6h的再分析资料,对2020年2月15—16日吉林省南部大暴雪过程进行初步研究,结果表明:高空偏西急流、500hPa脊区稳定维持、850hPa暖区和暖湿切变区配合地面西南低压倒槽头部,以及西太平洋高压稳定维持的有效配置,是此次大暴雪发生和维持的主要原因;降雪发生前低空明显增暖,在降雪过程中,850hPa假相当位温高能舌顶一直位于朝鲜半岛北部,能量锋区位于吉林省南部,能量峰值一直保持在20℃,是强降雪维持的主要原因;300hPa辐散、850hPa辐合、850hPa东北—西南向风切变、西南风与偏南风的辐合,以及地形的强迫抬升,有利于低空水汽辐合抬升;西南气流将中国南方水汽持续不断向吉林省南部输送,是大暴雪发生和维持的重要保障.     

南海夏季风爆发的EOF分析

本文利用1983～1992年的NCEP资料．对南海夏季风爆发做经验正交函数分解，分析了主要模态的时空变换特征。结果表明：太阳辐射北移，是南海夏季风爆发的最重要的因素。南海夏季风爆发前后，在典型季风区850hPa上东西风有一次重大调整。南半球中高纬西风带槽脊振幅的增强和北半球副热带系统经向环流的加大是南海夏季风爆发的重要原因。西太平洋副高的迅速减弱东撤，导致南海夏季风的爆发。     

西太平洋热带涡旋与2001年南海夏季风的爆发

利用NCEP/NCAR再分析格点资料普查1950—2004年南海夏季风爆发前后850 hPa的天气形势图,发现大多数年份,在南海夏季风建立的前5天,菲律宾以南海域（0～10 ?N,125～140 ?E）常伴有一次西太平洋热带涡旋的活动过程。选取南海夏季风爆发偏早的2001年进行个例分析,结果表明随着西太平洋热带涡旋的发展和移动,南海地区的正涡度不断增加,使得西太平洋副热带高压减弱东退,南海夏季风爆发。对涡旋区和南海地区的涡度、热源、水汽汇等进行区域平均,发现南海地区正涡度的增大,热源、水汽汇的加强很大程度上是由于西太平洋热带涡旋作用所致,西太平洋热带涡旋的作用可能是2001年南海夏季风爆发的重要因子之一。     

夏季索马里越赤道气流垂直结构特征及其与南亚夏季风的关系

采用1950-2009年NCEP/NCAR月平均再分析风场资料,对夏季低空索马里越赤道气流的垂直结构及其与南亚夏季风的关系进行研究.结果表明:夏季索马里越赤道气流在垂直方向上从低层至高层先增强,在925 hPa高度上达到最大值后逐渐减弱.某些年份索马里越赤道气流核心可向上延伸至850 hPa高度,而某些年份则维持在925 hPa高度上.索马里越赤道气流垂直结构不同时,其对应的南亚夏季风也有所不同,这种差异主要体现在对流层低层风场的变化,以及南亚夏季风的强弱差异方面.总体来说,索马里急流核心高度延伸至850 hPa时,对应的南亚夏季风偏强;急流核心高度维持在925 hPa时,南亚夏季风偏弱.     

南海地区定常行星波特征及其与南海夏季风的关系

利用美国NCAR/NCEP的1951—2001年全球大气日平均再分析资料,对南海区域的高低层大气长波的变化特征及其与南海夏季风爆发时间的关系进行分析。结果表明,（1） 纬向1～3波合成风场基本反映原始纬向风场的变化,南海地区处于东西风带的南北过渡区。（2） 对流层高低层（200 hPa和850 hPa）纬向1波在南海区域累加值（S1）正负转换时间与南海夏季风建立日期较吻合。高层S1由正值稳定变为负值（西风转为东风）的时间比南海夏季风爆发提前1～2候,低层S1由负值稳定转为正值（东风转为西风）的时间则几乎与南海夏季风爆发时间同期。（3） 以低层纬向1波（S1）值随时间的变化为主要指标,定义了一个南海夏季风爆发指数,该指数对南海夏季风的建立具有较好的反映能力。      

南海夏季风爆发前后华南地区大气结构和能量收支的变化

本文计算、分析了1981年南海夏季风爆发前后华南地区平均的大气动力学和热力学结构,水汽和能量收支情况。分析表明,在季风爆发前后这些物理量场,特别是垂直运动场,都经历了一次明显的变化。南海夏季风的建立,是以副热带高压从南海东撒,越赤道气流北进为特征。它与以"爆发性涡旋"为开始,降水与西南气流同时开始的印度夏季风有所不同。另外,南海夏季风建立过程,主要变化发生在中、上层大气之中。这说明夏季风的建立,主要是大气环流季节性调整的结果,海陆差异需要有合适的大气环流配合才能产生明显的季风。对大气能量收支的分析表明,夏季风爆发前,华南地区主要是动能向总位能转换。所产生的总位能部分辐散到边界之外,部分消耗在对流层上层非绝热冷却过程之中,因而在对流层下部总位能才有稍明显的增长。夏季风爆发后,整个能量循环几乎相反。总位能大量转换为动能,以维持南海夏季风的增长。而整层大气中的非绝热加热以及总位能的辐合又补充了大气中总位能的损耗。潜热释放是夏季风爆发后大气的主要非绝热加热过程,它是南海夏季风维持,发展的主要能源。      

1998年南海夏季风建立前后的突变特征及爆发过程

利用南海季风试验所得到的最新资料分析了１９９８年南海夏季风建立前后的突变特征及其爆发过程,初步认定１９９８年亚洲夏季风最早（５月２３日）在南海地区建立,它是亚洲冬季风形势向夏季风形势转换的最早体现。副高从南海地区连续东撤是南海地区夏季风建立的直接过程,它的撤出有利于不稳定能量的释放,形成南海夏季风的爆发性。提出赤道印度洋地区的西风和降水向中南半岛地区扩展、华南静止锋活跃南压,这种形式的中低纬相互作     

多要素表征的东亚季风区准双周振荡特征

为评估不同要素对东亚季风区准双周振荡的表征能力,对大气向外长波辐射（OLR）、500 hPa位势涡度、850 hPa相对涡度、850 hPa风场和750 hPa比湿等要素的准双周振荡特征进行对比,发现各要素均能很好反映东亚季风区明显的准双周振荡时空特征。OLR及500 hPa位势涡度、850 hPa相对涡度、850 hPa纬向风表征的准双周振荡呈明显的西北向传播特征,500 hPa位势涡度、850 hPa相对涡度、850 hPa纬向风北传更强,北传速度更快。850 hPa经向风的准双周振荡呈明显西移特征,北传弱,北传速度最慢。而750 hPa比湿准双周振荡呈东南向传播。不同要素准双周振荡的强度略有差异,其中750 hPa比湿与其他要素的差异大。总体而言,750 hPa比湿不能较好地表现出东亚季风区准双周振荡活动特征,而其余要素能很好地表征东亚季风区大气准双周振荡,其中500 hPa位势涡度和850 hPa相对涡度准双周振荡特征一致性高。     

南海夏季风持续异常的特征及其对全球环流的影响Ⅱ.数值试验

利用T42L9全球大气环流谱模式进行数值试验,以揭示南海夏季风强度异常的特征及其影响.控制试验结果表明,该模式不仅能够很好地模拟出气候平均的西风带槽脊和高低空气流分布以及它们的季节性变化,而且对于与亚洲季风有关的各个主要系统,如南亚高压、副高进退及越赤道气流等都有较强的模拟能力.在亚洲季风区及热带太平洋这一大范围区域的大气内部热源异常强迫下,模式显示出了南海夏季风持续异常的特征、北半球热带外环流的响应以及亚洲季风区降水异常分布.南海夏季风长时间强度异常所引起的大气内部热源异常,一方面通过三维垂直环流的异常联结着南海夏季风对北半球热带内外环流的影响,另一方面它又通过持续异常期的波列传播,即能量的传播,不仅影响我国长江流域降水,还会逐渐影响到北半球中高纬环流结构.这样西风带环流形势将会发生相应的变化和调整,南海夏季风持续异常影响到了北半球大气环流和天气气候的变化.     

夏季西北太平洋和南中国海台风生成与前期冬春主要环境条件的关系

利用NCEP/NCAR月平均再分析资料、OLR资料和中国气象局编辑的<台风年鉴>及<热带气旋年鉴>资料,对西北太平洋和南中国海夏季中心附近的平均风力达8级(17 m/s)或以上的热带气旋(含热带风暴、强热带风暴和台风,以下统称台风)牛成频数与气候背景的关系进行了研究分析.对台风牛成多寡的气候背景差异和特征进行比较表明,前期冬春季海温和赤道辆合带的异常与夏季台风生成有密切的关系.前期冬春季在类似于La Nina型海温距平分布背景下,从冬至夏在赤道中太平洋160°E附近的ITCZ有一个向西北方向加强北抬的过程,太平洋ITCZ的活动偏北偏强,赤道太平洋有异常活跃的ITCZ向西太平洋台风主要源地推进,有利于后期夏季台风的生成;相反,前期冬春季在类似于E1 Nino型海温距平分布背景下,赤道西太平洋ITCZ偏弱偏南,不利于后期夏季的台风生成.在夏季多台风年,前期冬季西太平洋暖海温异常为后期台风的发展提供了重要的有利背景,在暖海温的持续作用下,对流层的风场辐合异常增强,增加了暖海温区的水汽供应.到了前期春季,热带辐合带的扰动扮演了更为重要的角色.随着赤道辐合带的北移,附加的异常辐合位于暖海温区时,会激发出低空大尺度水汽辐合与自由大气中潜热释放之间的正反馈,有利于后期台风的生成.当前期冬季至春季西北太平洋海温持续异常偏冷时,对流层的风场为辐散异常,减少了冷海温区的水汽供应,导致赤道辐合带不活跃,缺乏必要扰动,夏季台风生成偏少.