北半球准定常行星波气候平均态的资料分析和数值模拟

利用NCEP/NCAR再分析资料和大气环流模式(CCSR/NIES AGCM Ver 5.6),对北半球准定常行星波的气候平均态分布进行分析和模拟.再分析资料分析的结果表明:北半球冬季,准定常行星波沿两支波导向上传播,其中一支在对流层上层转向中低纬度传播,另外一支折向高纬度,通过极地波导上传到平流层.其中,1波和2波可以上传到平流层,因而其振幅分布除在中低纬的对流层上层出现一个次大值外,在高纬度平流层中上层会出现一个最大值,3波则主要限制在对流层,其振幅分布除在副热带对流层上层出现一个次大值外,最大值出现在中纬度对流层上层.北半球夏季,整个平流层为东风环流,极地波导不存在,行星波不能上传到平流层,在对流层活动也较弱,1波、2波、3波的传播情况大致相似,表现为在对流层上层由中纬度向赤道地区的传播.相应的振幅分布是,对1波和2波而言,最大值出现在中低纬对流层顶附近,同时在中高纬对流层上层出现一个次大值,而3波的振幅分布正好相反,最大值出现在中高纬对流层上层,次大值则在中低纬对流层顶附近.利用大气环流模式进行的数值模拟表明,模式可以比较好地模拟冬夏季准定常行星波的传播路径,但模拟的北半球冬季沿极地波导向平流层的传播明显偏弱,其结果是对1波、2波而言,高纬度平流层中上层的振幅最大值明显小于再分析资料的数值.文中还讨论了数值模拟与资料分析中行星波的差异可能对大气环流模拟的影响.     

平流层大气动力学及其与对流层大气相互作用的研究:进展与问题

本文综述了近年来关于平流层大气动力学及其与对流层大气相互作用动力过程的研究进展,特别是回顾了近年来关于平流层大气环流和行星波动力学、热带平流层大气波动及其与基本气流相互作用、平流层大气环流变异对对流层环流和气候变异的影响及其动力过程、平流层大气数值模拟以及在全球变暖背景下平流层大气的长期演变趋势预估等的研究进展。最近的研究揭示了大气准定常行星波传播波导的振荡现象、重力波在热带平流层准两年振荡和全球物质输送中的作用、平流层长期的变冷趋势变化、平流层在对流层天气和气候变化中的作用等现象,表明了平流层大气动力学研究的重要性。平流层大气动力学的深入研究,以及对数值模式中平流层模拟性能的提高,最终都会推动整个大气科学和气候变化研究的进一步发展。     

热带基本气流对冬季北半球中高纬度准定常行星波的影响

本文利用一个包括Rayleigh摩擦、Newton冷却及水平涡旋热力扩散的准地转34层球坐标模式来研究冬季北半球地形与热源强迫所产生的准定常行星波与热带基本气流的关系。 计算结果表明,冬季热带平流层基本气流是西风时,其北半球中高纬度平流层波数2准定常行星波的振幅偏大;而当冬季热带平流层基本气流是东风时,其北半球中高纬度平流层波数2准定常行星波的振幅偏小,这与实际结果比较一致。 计算结果还表明冬季热带对流层基本气流对中高纬度准定常波的影响要比平流层基本气流的影响大。     

关于中层大气动力学的研究进展

中层大气(Middle Atmosphere)是近十多年来广泛使用的一个新名词。它是指从对流层顶到湍流层顶约100km之间的大气层。它由平流层、中间层(Mesosphere)与热层下层所组成,占据着大气总量约20％左右。中层大气与对流层大气不同,它没有水蒸汽的凝结,不与海洋及地表直接进行交换,不直接受到地形的作用,因此,就会产生中层大气固有的大气环流。但是,由于中层大气位于对流层之上,这样在对流层产生的波动有些会传播到中间层,如在对流层由于大尺度地形和海陆纬向分布的不均匀性所产生的行星波可以传播到平流层与中间层;并且,由于波在传播中,它的能量密度是守恒的,     

北半球定常波输送西风动量的气候态及其年变化

利用高分辨率的再分析资料ERA40，分析了纬向平均状态下北半球不同尺度的定常波对西风动量沿经向输送的气候态及其年变化。结果表明，对流层中定常波对西风动量输送最强的区域位于中纬度对流层的中上层，定常波在该区域长年向北输送纬向动量，且输送中心随季节有南北移动和强弱变化。此外，在高纬度地区的对流层中上层以及赤道对流层顶附近还有两个相对较弱的输送中心。前者对西风动量的输送长年向南，其垂直范围从对流层低层一直伸展到平流层下层，中心位置相对固定，强度有明显的季节变化。后者位置也相对固定，但输送方向随季节改变。平流层中定常波对西风动量的输送主要位于中高纬度的平流层中上层，定常波在该区域长年向北输送西风动量，中心位置非常稳定，而强度则随季节变化明显。行星尺度定常波的输送作用与总波动的输送作用非常一致，并在很大程度上决定了波动对动量输送强度的季节变化。天气尺度定常波和10波以上的短波的输送作用主要集中在中纬度对流层的中高层。前者与行星尺度定常波共同决定了该区域内的输送强度，并主导了输送中心的南北移动；后者的作用很小，除夏季外均可以忽略。作者给出的不同尺度定常波对西风动量输送的气候态分布不但可以作为日后研究其年际变化的基础，而且还可以为大气环流模式对大气环流模拟能力的评估提供重要的参考。     

冬季低纬度热源异常在北半球对流层大气环流异常中的作用

本文首先从理论上讨论了北半球冬季低纬度强迫源与中纬度强迫源强迫所产生的准定常行星波在实际基本气流中传播路径及其振幅分布的差异,指出冬季低纬度热源异常将对北半球中、高纬度对流层大气环流的异常起很大影响,而中纬度热源异常将对平流层环流异常起很大作用。 本文应用一个包括Rayleigh摩擦、Newton冷却及水平涡旋热力扩散准地转34层球坐标模式分别计算了冬季低纬度热源异常与中纬度热源异常所造成北半球扰动系统的异常情况,计算结果表明了冬季低纬度热源异常将对中、高纬度对流层大气环流异常起很大作用,热带太平洋上空热源异常将产生PNA型环流异常。     

平流层与中间层动力气象学

此书是美国气象学会气象丛书第十五卷,华盛顿大学大气科学系教授J·R·霍尔顿(Holton)著,1975年8月波土顿出版。内容有探测基础、动力模式的发展、平流层和中间层的斜压不稳定、受迫波动和波—带流动的相互作用以及平流层与中间层大气环流数值模式的建立。     

不同尺度波动的非线性相互作用和大气的指数循环过程

本文用两层准地转截谱模式,考虑基本气流、超长波和长波之间的非线性相互作用,得出了大气环流指数循环这种准周期振荡过程,其周期为8—15天.数值计算表明:非线性相互作用可以产生大气行星波螺旋状槽线倾斜的谐振、不同尺度波动的振幅谐振以及大型环流波数变化的准周期振荡.     

2020/2021年冬季大范围低温寒潮过程中一种典型的平流层—对流层耦合演变模态

平流层爆发性增温（SSW）超前于对流层环流异常,是延长冬季寒潮低温预报时效的重要途径之一。然而强SSW事件前后地面温度响应的区域和时间存在不确定性,其中涉及的平流层—对流层耦合过程和机理也不十分清楚。本文采用1979～2021年ERA5再分析数据集,研究了2020/2021年冬季“偏心型”强SSW事件前后中高纬度地区地面温度异常的演变特征,并分析了其与等熵大气经向质量环流平流层—对流层分支的耦合演变模态的动力联系。结果表明,伴随此次强SSW事件,亚洲和北美中纬度地区的寒潮低温事件分别在绕极西风反转为东风之前和再次恢复为西风之后发生。SSW前后大气经向质量环流的平流层向极地暖支与对流层高层向极暖支、低层向赤道冷支之间呈现出三个阶段的耦合演变模态: 同位相“加强—加强”、反位相“加强—减弱”以及反位相“减弱—加强”。加强的质量环流对流层向赤道冷支是SSW前后寒潮低温事件的主要原因,而加强的向极地平流层暖支是SSW发生及其伴随的北极涛动负位相持续加强的主要原因。大气经向质量环流不同的垂直耦合模态取决于行星波槽脊在对流层顶和对流层中低层两个关键等熵面上的西倾角异常。西倾角异常表征大气波动的斜压性,主要通过影响关键等熵面以上向极地的净质量输送和其下向赤道的净质量输送进行调控。尤其在SSW发生后的极涡恢复期,对流层顶处异常偏弱的斜压性会加强对流层向极地暖支,进而加强向赤道冷支,有利于寒潮低温的发生。本次SSW事件前后大气经向质量环流三支的耦合演变模态,与历年平流层北半球环状模（NAM）负事件中极区平流层温度异常信号下传滞后的平流层—对流层耦合演变类型相一致,其在波动尺度方面也存在共同特征,即SSW事件或NAM负事件前期对流层一波加强且上传,后期对流层二波加强但较难上传。     

夏季西藏高原与落基山脉对北半球定常行星波形成的动力作用

本文应用一个包括Rayleigh摩擦、Newton冷却与水平涡旋热力扩散准地转34层球坐标模式来研究夏季西藏高原与落基山脉地形强迫对于夏季北半球定常行星波形成的作用. 计算结果表明:夏季北半球地形强迫所产生的定常行星波的振幅与位相分布与冬季的分布是很不一样的,夏季地形强迫所产生的定常行星波主要集中在亚热带的对流层,并且可以发现纬向波数k=1与k=2的振幅在高纬度存在着第二峰值.计算结果还表明了夏季西藏高原与落基山对于夏季定常行星波的形成起了重要作用.     

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。     

对流凝结加热和垂直风切变对行星波垂直传播的影响

本文从理论上分析研究了对流凝结加热和垂直风切变对大气行星波垂直传播的影响。结果表明,对流凝结加热有抑制行星波垂直传播的作用;基本气流的西风(正)垂直切变对行星波的垂直传播有利,而东风(负)切变却对行星波的垂直传播有阻碍作用。 进-步分析还发现,垂直风切变对行星波垂直传播的影响以在中高纬度地区更为显著;对流凝结加热对行星波垂直传播的影响在热带地区更值得重视。并且,垂直风切变和对流凝结加热的影响可能是使得大气中板地波导更显著的重要原因之一。      

北半球冬季平流层强、弱极涡事件演变过程的对比分析

利用1958～2017年逐日的NCEP/NCAR再分析资料对北半球冬季平流层强、弱极涡事件的演变过程进行了对比分析,同时比较了有平流层爆发性增温（SSW）和无SSW发生的两类弱极涡事件的环流演变和动力学特征。结果表明,强极涡的形成存在着缓慢发展和快速增强的过程,而弱极涡事件的建立非常迅速;和强极涡事件相比,弱极涡事件的峰值强度更强,异常中心的位置更高。此外,强、弱极涡事件的产生与波流相互作用的正反馈过程密切相关。对于强极涡事件,发展阶段的太平洋—北美（PNA）型异常削弱了行星波一波;当平流层西风达到一定强度,上传的行星波受到强烈抑制,使得极涡迅速增强达到峰值。而对于弱极涡事件,发展阶段一波型的异常增强了行星波上传,通过对纬向流的拖曳作用使得平流层很快处于弱西风状态,更多行星波进入平流层导致极涡急剧减弱甚至崩溃。针对有、无SSW发生的两类弱极涡事件的对比分析表明,有SSW发生的弱极涡事件发展阶段,平流层出现强的向上的一波Eliassen-Palm（EP）通量异常,通过正反馈过程使得一波和二波上传同时增强而导致极涡崩溃;无SSW发生的弱极涡事件发展阶段,平流层缺乏向上的一波通量,二波活动起到重要作用,其总的行星波上传远弱于有SSW发生的弱极涡事件。对于无SSW发生的弱极涡事件,其发展和成熟阶段对流层上部出现类似欧亚（EU）型的高度异常,伴随着强的向极的EP通量异常,导致对流层有极强的负北极涛动（AO）型异常。而有SSW发生的弱极涡事件发展阶段对流层上部主要表现为北太平洋上空来自低纬的波列异常,其后期的对流层效应更加滞后也不连续,对流层AO异常的强度明显弱于无SSW发生的弱极涡事件。     

北半球冬季准定常行星波的三维传播及其年际变化

作者回顾了应用叶笃正先生所创立的Rossby波频散理论,来研究准定常行星波在三维大气的能量频散以及在北半球冬季三维大气中的传播规律,并应用NCEP/NCAR再分析资料和由大气环流数值模拟所得的模式资料的40年风场、温度场资料计算了冬季北半球准定常行星波的E-P通量.计算结果表明了北半球冬季准定常行星波在三维大气传播具有沿两支波导的传播特征,这与从理论分析所得的结果相吻合.作者还分析了冬季准定常行星波的E-P通量分布的年际变化,分析结果表明了准定常行星波在北半球冬季三维大气中传播的这两支波导有明显的年际振荡;并且,从冬季准定常行星波的E-P通量辐散辐合的年际变化与北极涛动的年际变化相比较,发现准定常行星波两支波导的年际振荡直接影响着北极涛动(AO),因而说明了准定常行星波活动的年际变化可以影响对流层的气候变化.     

Effect of basic state on seasonal variation of convectively coupled Rossby wave

Convectively coupled equatorial Rossby (ER) waves display maximum varability over the northern hemisphere during boreal summer and over the southern hemisphere during boreal winter. It suggests that the seasonal variation of ER waves is significantly affected by the annual cycle of basic state. However, which specific environmental factor plays a determining role remains obscure. This study investigates the background influence on the seasonal variation of ER wave by employing an intermediate anomaly atmospheric model. By prescribing boreal summer/winter seasonal mean state as the model’s basic state, the authors found that the model is able to simulate the trapping of the ER wave purtrubation over the northern/southern hemisphere as in observation. Further sensitivity experiments suggest that the moisture distribution plays a major role in modulating the ER wave structure while the mosoonal flows play a minor role.     

青藏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Rossby波的经向传播，夏季高原大尺度热力作用不利于波动的经向传播。非绝热Rossby波的频率方程说明冬季高原的热力作用是中纬季节内振荡的重要激发机制。同时，在背景西风气流为纯斜压条件下，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热力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。     

Midlatitude Mesosphere/Lower Thermosphere Region Winds and Their Connection with European and Asian Tropospheric Parameters

Summary Investigation of long-term measurements of winter mesosphere/lower thermosphere (MLT) region zonal winds has shown a connection of northern hemisphere tropospheric parameters and MLT conditions. These are on one hand due to a connection of the stratospheric polar vortex and the North Atlantic Oscillation (NAO) and on the other hand forced by a coupling of the troposphere/lower stratosphere and the MLT region through planetary wave propagation and wave-mean flow interaction. The connection between European and Asian winter climatological parameters and the NAO leads to the fact, that the signal of Eurasian winter conditions can be found in the interannual variability of MLT winds. Some of these winter tropospheric parameters influence the strength of the Indian monsoon in the following summer, and this leads to a correlation between winter MLT winds and summer Indian rainfall, so that the midlatitude MLT winter dynamics can be used as a precursory signal of the strength of the Indian monsoon. Received July 21, 1998 Revised November 1, 1999     

INFLUENCE OF THE BASIC FLOW IN THE TROPICS ON THE STATIONARY PLANETARY WAVES AT MIDDLE AND HIGH LATITUDES DURING THE NORTHERN HEMISPHERE WINTER

The relationship between the quasi-stationary planetary waves forced by topography and heat sourceduring the Northern Hemisphere winter is investigated by means of a quasi-geostrophic,34-level,sphericalcoordinate model with the Rayleigh friction,the Newtonian cooling and the horizontal eddy thermal diffu-sion.The calculated results show that when the basic flow is the westerly in the tropical stratosphere,theamplitude of quasi-stationary planetary wave for zonal wavenumber 2 at middle and high latitudes is largerduring the Northern Hemispheric winter;while when the basic flow is the easterly,it is smaller.This is inagreement with the observed results.The calculated results also show that influence of the basic flow in the tropical troposphere on the quasi-stationary planetary waves is larger than that of the basic flow in the tropical stratosphere on the quasi-stationary planetary waves.     

不同季节实际气流上斜压波的发展和锋生过程

利用三维半地转模式讨论了春夏秋冬四季基本气流上非线性斜压扰动的发展过程和锋面形成过程。计算结果表明，在四季基本气流上，斜压扰动的发展能产生冷暖锋，扰动的发展以冬季为最强，春季次之，秋季和夏季最弱，相应地，形成的锋也以冬季最强，春季次之，秋夏季最弱，与实际观测比较一致。