北半球两大地形下游冬季环流的动力分析——Ⅰ.环流、遥相关和定常波的联系

位势场中槽脊的分布、遥相关型的形态和准定常波的传播路径是1月份500hPa月平均高度场的重要特征。通过资料分析和数值试验,本文证明此三者之间是彼此关联的整体,它们与青藏高原和落基山的强迫作用有关。东亚大槽和北美大槽的强度在中高纬度上存在显著的负相关。这种负相关和槽前急流强度的年际变化导致北美和东亚存在相似的相关型分布,准定常波在两大地形下游传播的不同则导致两区域相关波链形态的明显差异。     

长江中下游旱涝的环流型与赤道东太平洋海温遥相关波列特征

根据长江中下游地区夏季旱涝年前期冬、春季北太平洋海温分布特征进行分析研究 ,提出了影响区域性旱涝的海温“强信号”概念 ;探讨了北半球大气环流结构对赤道东太平洋海温异常响应问题 ,并研究了东太平洋海温与北半球夏、春季高度偏差场季尺度相关偏差场波列结构相关特征。研究结果表明 ,赤道东太平洋海温异常可能通过低纬walker环流引起赤道西太平洋区域性大气异常运动 ,从而产生遥响应环流型 ,形成类似PNA遥相关“大圆波列”。此类遥响应特征在西太平洋区域表现出与副热带高压、西风槽、阻塞高压等相关的系统的准定常经向波列。研究结果还表明此类经向波列结构描述了中高纬地区系统对低纬异常海温遥响应的动力学特征。应用 1997～ 1998年冬季实际海温资料 ,并在赤道中东太平洋地区引入实际海温异常的敏感性试验 ,较成功地模拟了 1998年夏季长江流域洪涝的降水分布特征。文中从统计、动力分析和数值模拟综合分析方法揭示出由前期东太平洋海温异常引起的大气环流变异 ,构成中国长江流域旱涝的物理图像及其动力学模型。     

季风梅雨带水汽输送与动力强迫源结构

对长江流域季风梅雨水汽输送特征、长江流域夏季旱涝过程与强信号强迫源(青藏高原与低纬海洋)遥相关动力结构以及季风梅雨过程水汽输送源汇结构等有关研究成果及观点进行综述，给出季风梅雨水汽输送流型与强迫源遥相关物理图像，即由青藏高原动力强迫效应形成的低纬海洋-高原-长江流域远距离水汽输送流型，以及海洋强信号区(南海、西太平洋暖池、赤道东太平洋等区域)热力异常构成长江流域梅雨期洪涝、暴雨等灾害性气候异常特征。研究结果揭示了长江流域洪涝及其暴雨形成过程二维Rossby波列或低频波传播能量的动力机制。     

大气中Rossby波波能、波作用量、位涡拟能守恒定理

一、引言七十年代以来,气象研究工作者为了弄清不同区域的环流和天气演变如何相联系以及这种联系以什么方式出现,对大气环流的遥相关,大气对外源的强迫响应和大气中的低频系统活动进行了广泛和深入的研究。研究结果表明:它们包含着一些共同的特征,在球面上都表现为类似的波列。Hoskins 的研究指出:波射线基本遵循大圆路经理论。人们用二维 Rossby波的能最频散来解释波列的传播。Young 和 Khines 研究了 Rossby 波传播过程中的波能,波作用量、位涡拟能的守恒。本文主要介绍这些守恒定理。从中可以了解关于 Rossby 波的这些守恒定理是如何产生的。二、Rossby 的基本理论P 坐标、定常、层结稳定下的准地转方     

大气对南极冰异常的遥响应及其季节内振荡

运用ＩＡＰＡＧＣＭ模式证实了大气对南极冰异常的强迫遥响应是激发产生全球大气季节内振荡的重要机制,进而着重考察了候平均偏差结果的时间序列,并且通过带通滤波处理,特别分析了响应场中３０～６０ｄ低频振荡的特征及其活动。通过分析发现：大气对南极冰减退的响应是一种具有３０～６０ｄ周期的低频遥响应,并呈现出清楚的二维Ｒｏｓｓｂｙ波列特征;强迫场中的３０～６０ｄ季节内振荡具有着同实际大气中的低频振荡相类似的垂直结构和传播特征。大气响应场中３０～６０ｄ振荡能量在垂直方向上随高度的增加而增加,在纬向上表现出明显的区域性特征,即季节内振荡的最大动能区（由于ＣＩＳＫ机制）分布在大洋内;ＥＵＰ,ＰＮＡ,ＡＳＡ和ＲＳＡ波列可能是全球大气低频扰动传播的主要路径,３０～６０ｄ低频扰动在波列路径上的传播具有很大的一致性和系统性,从而使中高纬和热带地区、以及南北半球的３０～６０ｄ大气振荡相互联系起来,而且可以认为,赤道中太平洋和赤道中大西洋地区是南北半球３０～６０ｄ低频振荡间相互作用和相互联系的重要通道。     

大气对热带热源低频响应的数值研究

本文设计—关于基本气流线性化的二层球面模式研究大气对不同类型赤道热源的低频响应,分析了全球大气40—50天低频振荡的结构和传播特点。结果表明:全球大气对热带热源响应特征是在热带地区表现为东西向非对称的热源东侧的Kelvin响应和西侧的Rossby响应,高低层反位相;在中高纬响应是具有低频振荡的二维Rossby波列,且具有相当正压结构。低频振荡的传播特征表明热带大气对移动性热源的响应更有利于振荡的向东传播,且该振荡可以沿波列路径向中高纬度传播,然后再折向低纬。二维Rossby波列是联系着热带和中高纬度地区低频振荡的基本动力学途径。该波列的形成取决于基本气流的分布,冬半球波列振幅较大。因此本文认为40—50天低频振荡是全球尺度的现象,它是一涉及到热带对流加热、赤道Kelvin波、亦道Rossby波、二维Rossby波列以及基本气流等动力学相互作用的过程。     

热带大气能量频散波射线的低频动力学特征

首先在非零频波条件下采用有、无辐散两类数学模型 ,讨论热带大气低频波传播动力特征 ,研究结果表明 ,非零频的波频率参数是热带大气低频振荡源能量频散波路径及其波振幅的关键影响因子 ,且热带地区低频振荡的经向传播与其伴随着的强对流云团有显著相关 ,并与热带低纬 β因子等相关。文中还进一步揭示了低纬大气低频振荡经向传播伴随的积云对流现象及向高中纬传播机理 ,描述了 WKB近似方法数学模型及其波射线方程解模态对大气低频动力特性及其水汽分布垂直结构、不稳定层结等因子的响应特征。     

地形对大气低频振荡影响的数值研究

使用五层全球谱模式研究地形对月、季尺度低频振荡的影响。该模式为三角形截断，截断波数为１０，并含有较为完善的物理过程参数化，对分别用有地形和无地形模式来模拟的低通滤波资料进行了分析和比较。结果表明，地形强迫产生的月、季尺度低频波列有明显的季节特征。北半球夏季由地形影响产生的热带热源是南北半球低频波列的源。模拟结果进一步指出北半球地形强迫产生的波列扰动可以引起赤道纬向流的异常，这种纬向流的瞬变强迫可以     

北半球冬季中高纬30～60天振荡动能源、汇的特征

利用ECMWF/WMO资料,计算了1985年11月～1986年3月的大气低频动能、低频动能通量散度,详细讨论其冬季平均的水平分布特征,并揭示大气低频动能源和汇的水平传播特征。结果表明:大气低频动能的大值中心正好对应于持续性异常的活动中心,且主要位于大气环流遥相关型PNA和EU波列路径附近,大气低频动能的强源(汇)主要位于西风急流的出口(入口)区;在中高纬地区,大气低频动能源和汇主要呈现向西的纬向传播特征和向北的经向传播特征。     

模式大气对于非绝热加热场的线性响应

本文利用一个包含了Newton冷却、Rayleigh摩擦以及▽~4型水平扩散等耗散作用的定常、斜压、线性初始方程三维谱模式,研究了热带和中纬度理想热源以及1979年1月北半球平均非绝热加热场对于冬季行星尺度的大气定常波的影响。数值试验结果表明,热力强迫作用的重要性可以与北半球大地形的动力强迫作用相比拟。利用1979年1月平均加热场作为强迫函数计算得到的强迫扰动,主要表现为纬向波数为2的行星波,并具有明显的斜压结构。热带地区纬向非均匀热源所激发的近似地沿大园路径传播的Rossby波列,对于热带区域与中、高纬大气之间的遥相关现象提供了一种可能的解释,同时,热带外区域的加热场对于整个半球范围内定常波的维持有着更显著的贡献。     

NUMERICAL STUDY OF OROGRAPHIC INFLUENCE ON LOW FREQUENCY OSCILLATION

Orographic effects on monthly-and seasonal-scale low frequency oscillation are investiged in terms of a five-level global spectral model with a triangle truncation at wavenumber 10 that contains relatively full physical parameterization, followed by analysis and comparison of the lowpass filtered data separately obtained from models with and without orography. Results show that remarkable seasonal characteristics are displayed in the orographic forcing-generated low frequency wavetrain on monthly and seasonal scales. It is found that the Northern Hemisphere summer orography-produced tropical heating acts as source of the low-frequency wavetrain for both hemispheres. Besides, the simulations indicate that the orographic wavetrain perturbation can give rise to the anomaly in the equatorial zonal flow, whose transient forcing will cause a new wavetrain in the Southern Hemisphere, thus completing the cross-equatorial propagation of the northern wave in interhemispheric action.     

地形对于气流运动影响的数值研究

建立了二维、非静力平衡的数值模式，研究地形对上游气流的阻挡以及大振幅背风波谷与下坡风的形成。结果表明：地形的阻挡效应受地形高度、大气层结及地形非对称性等因子的影响。数值试验与理论分析都证明地形越高、层结越稳定时阻挡作用越强；同样条件下，迎风坡坡度大的地形容易对气流形成阻挡。此外，分析了地形高度、大气层结、地形非对称性以及基本入流大小对背风波谷及下坡风强度影响的规律，并通过一次实际观测对数值模拟结果进行了检验。     

地形非均匀性对网格区地面长波辐射通量计算的影响

从理论和数值试验两个方面证明地形的非均匀性(如海拔高度)对网格区地面长波辐射通量的计算有重要影响,海拔高度场的区域平均值及其变差系数是影响网格区地面长波辐射通量的主要因素,仅仅用地表均匀假定下的区域平均参量(如平均海拔高度和平均温度)所计算的网格区地表有效辐射通量值与其真实值之间存在着一定的误差。由于地表有效辐射通量是海拔高度的非线性函数,在特定情况下,其影响相当大,可产生不容忽略的误差。相对而言,海拔高度自身非均匀性对误差的影响远大于地表温度非均匀性项及其混合扰动项所产生的误差。对于不同的地形平均高度,地形非均匀性影响的程度并不相同。平均高度较小时,非均匀性的影响几乎可以忽略,但随着地形平均高度的增加,地形非均匀性的影响程度呈非线性增长趋势。因而,在复杂地形区域,考虑次网格地形的热力作用非常必要。     

地形强迫对大气长波调整的可能影响

地形作为大气的外部强迫,其动力和热力作用对波动结构演变及极端天气出现都有不能忽视的作用。本文通过数值求解考虑地形强迫的β平面正压准地转位势涡度方程,探讨了地形强迫作用对大气长波调整的可能影响,结果表明:同非线性作用和纬向非均匀基流作用一样,无基流情形下具有纬向差异的地形分布影响了大气长波结构的演变,也能强迫出大气长波调整现象。大气长波调整依赖于地形的高度和地形分布,地形越高,长波越容易出现波数的调整;地形波数越大,即地形结构复杂,越不易出现波数变化。大气长波调整还与纬度有关,纬度越高,β越小,地形强迫作用越突出,长波调整容易出现;反之,低纬度以β效应为主的线性波动不易出现波数调整。大气长波调整对波动初始波动的振幅不敏感,但依赖于波动的初始结构。此外,有基流作用时,地形强迫还是诱发定常波的重要因素,且定常波流场结构依赖于地形高度分布,与波动初始结构无关。     

大气位势场对海表温度异常线性定常响应的数值试验

利用具有月、季长期天气过程数值天气预报能力的滤波距平模式(FAM)、运用谱方法研究了大气位势场对海表温度异常(SSTA)的线性定常响应,分析了SSTA强迫作用所产生的定常行星波波型、大气中遥相关型以及大气位势场响应对SSTA位置和基本气流的敏感性,得到一些有意义的结果。     

近共振地形强迫Rossby孤立波

利用扰动展开和时空伸长变换导得了包括地形强迫的非齐次ＫｄＶ方程，讨论了近共振地形强迫Ｒｏｓｓｂｙｙ孤立波的产生，及其与自由孤立波的相互作用，得到了一些有意义的结果，显示出地形对扰动具有明显的增幅作用，在某种程度上可以解释局地地形在阻塞高压形成中的作用。     

理想基流中大气波动多折射的数值试验

利用含非绝热加热的准地转正压涡度方程全球谱模式,采用４种热带海表温度异常作为热源和１６种理想基流,进行了理想基流中大气波动多折射的数值试验,积分时间为３０ｄ。得到：热源所激发的扰动通常能产生二支或三支波列,并由第一支波列分支出第二,三支波列,或第二支分支出第三支波列;对于有些基流,第一支波列维持两周或更长时间后消失,而留下其他波列;第二支波列往往最强,对于某些基流,两支流列有汇合聚集的趋势。     

Weakly nonlinear oscillatory flow over an isolated seamount

Abstract

Numerical models can show large errors in the modelling of flow around tall topography. We present a weakly nonlinear analytical solution of barotropic oscillatory flow over a tall axisymmetric seamount and compare the results to a numerical tidal model. The comparison is formulated for a flat topped seamount with parabolic sides and for a standing wave boundary condition in order to make the problem analytically tractable and to reduce it to a series of ordinary differential equations. The comparison shows reasonable agreement within the confines of the analytical formulation confirming that the numerical model can exploit tall topography. Comparisons to a Gaussian seamount and Kelvin wave forcing illustrate the generality of the results.

The analytical formulation produces an equation relating relative errors in the comparison to discontinuities in topographical slope; the numerical model should have smaller errors over smoother topography. Residual velocities are found to be proportional to the aspect ratio of the topography.     

球面定常行星波射线的变化与波列的分支

为了解释大气低频波列的结构特征,本文把慢变介质中波传播的理论应用于行星波。采用射线追踪方法,借助于几何直观,在波射线与纬线平行的纬度附近,讨论了波数k_s的分布对波射线变化与波列分支的作用。并讨论了沿波射线路径波幅的变化。提出,在波数k_s为极值的纬度附近,定常行星波列存在着明显的分支现象。在传播期间,波幅在分支纬度附近为极大值。这些结论与双测和模拟的结果是相当一致的。此外,本文还讨论了“大圆路径理论”的局限性。     

正压准地转模式中大地形作用下的低频波

利用包含大地形和常速纬向基本气流的正压准地转位涡度方程,研究了大地形对低频波激发的作用,结果表明,起作用的地形因子主要是地形的最大高度和地形坡度。地形最大高度的作用主要是使Rossby波趋向低频,而地形坡度的作用主要是对Rossby波的稳定性起决定作用,同时适当的地形坡度也可导致低频波的形成。而常速纬向基流在总体上的作用是使波动变得趋向低频,且西风基流更有利于低频（30～60天）波的形成。从纬向波数上看,纬向3波以上的波动更容易出现低频（30～60天）。