热带大气垂直环流对海表温度异常的响应——一个初步的理论分析

本文提出了一个β平面定常的线性二维模式,并考虑了海面边界层和赤道侧向边界层,讨论了热带海表温度异常对大气所产生的垂直环流——经向环流和纬向环流。结果表明:热带大洋东部(例如太平洋)海表温度比平均状态暖而西部较冷时,其上空经向环流(Hadley环流)比平均状态强,而纬向环流(如在太平洋上,称Walker环流)弱。相反,当热带大洋西部暖而东部冷时,经向环流减弱,纬向环流加强。这些是与观测事实比较一致的。     

定常波和瞬变波在亚洲季风区大气水分循环中的作用

利用欧洲中心ＥＣＭＷＦ１０ａ逐日资料，对定常波和瞬变波在亚洲季风区大气水分循环中的作用进行了计算分析。结果表明，瞬变涡动总把水汽从高水汽含量区送到低水汽含量区，实现与平均环流相反的输送，维持了热带地区和中高纬地区水汽的平衡。夏季定常涡动输送的经向分量是将水汽从热带向副热带输送的主要机制，而瞬变涡动输送的经向分量则是把水汽从副热带输送到中高纬的主要机制。由于季风经圈环流的存在，使得亚洲季风区的热带地区为重要的水汽源区，而其副热带和中纬度地区是水汽汇区，这与同纬度其它地区相反。     

汉江流域暴雨的Eliassen-Palm通量特征及潜势预报

利用1980—2018年ERA-Interim全球再分析资料,对汉江上游汉中地区暴雨过程纬向风场及瞬变波活动Eliassen-Palm(下简称EP)通量特征进行诊断分析。结果表明:(1)尝试将瞬变波EP通量特征分析应用到汉江流域典型暴雨过程动力特征研究中,天气尺度瞬变波EP通量的辐散可以表征天气尺度扰动的强迫作用,根据热成风原理,角动量和热量的沉积耗散会进一步影响纬向环流的变化。大气中高层瞬变波活动特征可作为提前量反映汉江流域暴雨的发生。(2)暴雨发生前,30°N附近200 hPa有纬向风减速中心,对应200 hPa为EP通量辐散区,EP通量辐散区扩展加强有利于暴雨的发生,这种大气波动的垂直分布特征及其变化对暴雨发生有指示意义。     

太阳活动变化对东亚冬季气候的非对称影响及可能机制

基于1959～2013年的观测和再分析资料以及10.7 cm(2800 MHz)太阳射电通量资料, 本文分析了太阳活动变化与东亚冬季气候的相关关系, 分析结果表明:太阳活动变化与东亚冬季大气环流有较好的相关性, 且在太阳活动的强、弱时期该相关关系存在很大差异, 在强太阳活动时期太阳活动变化与东亚冬季气候的联系更为显著, 而在弱太阳活动时期二者之间的直接联系微弱, 这表明太阳活动变化对东亚冬季气候的影响具有非对称性特征。在太阳活动较强的时期, 随着太阳活动的增强, 东亚中高纬对流层中层的大气环流倾向纬向型, 东亚大槽减弱, 850 hPa出现异常偏南风, 地面上西伯利亚高压以及冬季风减弱, 东亚大部分地区气温显著偏高;而在太阳活动较弱的时期, 太阳活动的年际差异与东亚冬季大气环流之间几乎不存在显著联系。分析太阳活动较强和较弱时期纬向平均纬向风的差异发现, 其间平流层行星波活动、热带西北太平洋海表温度的差异可能是造成这种非对称影响的重要原因。在强太阳活动时期, 平流层行星波在太阳活动的异常增强年有异常的从极地向赤道的水平传播, 高纬地区E-P通量(Eliassen-Palm flux)异常辐散, 导致中高纬西风及北极涛动(AO)增强, 同时热带西北太平洋海温异常偏冷, 海陆热力差异缩小, 大气环流经向度减弱, 东亚冬季风偏弱。     

汉江流域盛夏暴雨与天气尺度瞬变波EP通量的可能联系

利用1980—2015年ERA-5全球再分析资料,对汉中地区典型暴雨发生前纬向风场变化及天气尺度瞬变波活动(Eliassen-Palm通量特征)进行分析。结果表明:瞬变波Eliassen-Palm(EP)通量特征分析为汉江流域暴雨潜势预报提供一个有利的参考指标;暴雨发生前,33°N附近200 h Pa有纬向风减速中心,对应200 hPa为EP通量辐散区,这种垂直分布模型是暴雨前期的有利形势,随着纬向风减速趋势加快,EP通量辐散区扩展并加强,有利于暴雨的发生;与8月相比,7月暴雨强度更强,暴雨范围更广,纬向风变化更明显,200 hPa的EP通量辐散更强。若简单地将盛夏暴雨整体进行研究,会影响对不同月份瞬变波活动及大气环流变化趋势的诊断,造成诊断偏差且难以准确反映瞬变波与暴雨的联系。因此在讨论盛夏季天气尺度瞬变波与对流层环流的相互作用时,应按月份讨论。     

热带和中高纬地区季节内振荡的特征及其动力学诊断

使用5年低阶全球谱模式资料,对中高纬大气和热带大气季节内振荡的动力学性质和传播特征进行了诊断研究。分析发现模式再现了大气中季节内振荡在热带和中高纬地区的传播特性以及它们之间的差异。热带大气30—60天振荡在速度势场上表现为纬向—波结构和行波特性,而在散度风场上反映了赤道西太平洋—印度洋东西向偶极子型的振荡。中高纬大气30—60天振荡表现为定常波位相和振幅的变化,即波包络的传播特征。它与中高纬地区遥相关型的转换有关,通过遥相关位相和振幅的变化,不仅完成了热带和中高纬地区之间以及热带不同区域之间的能量输送,而且通过这种能量输送过程把南、北半球中高纬地区季节内振荡联系起来。      

大气定常波传播的运动学特征的时空变化

利用时间平均全球大气环流资料,本文计算了纬向平均位涡的南北梯度的时空分布,以及波动水平传播的临界波数n_s,和垂直传播的临界波数K_c的时空分布。由此研究全球大气定常波传播的运动学特征及其年变化。     

乌鲁木齐暴雪天气的环流配置及中尺度系统特征*

利用1980-2018年ERA-5全球再分析资料，对汉江流域汉中地区典型暴雨发生前纬向风场变化及天气尺度瞬变波活动(Eliassen-Palm通量特征)进行分析。结果表明：瞬变波EP通量特征分析为汉江流域暴雨潜势预报提供一个有利的参考指标；暴雨发生前，33°N附近200hPa附近有纬向风减速中心，对应200hPa为EP通量辐散区，这种垂直分布模型是暴雨前期有利形势，随着纬向风减速趋势加强，EP通量辐散区扩展并加强，有利于暴雨的发生；7月较之8月，暴雨强度更强、暴雨范围更广、纬向风变化更明显、200hPa以上EP通量辐散更强。若简单地将盛夏暴雨整体进行研究，会影响对不同月份瞬变波活动及大气环流变化趋势的诊断，造成诊断偏差且难以准确反映瞬变波与暴雨的联系。因此在讨论盛夏季天气尺度瞬变波与对流层环流的相互作用时，应针对不同月份分开进行讨论。     

热带准两年振荡影响北半球冬季大气环流的诊断分析

利用NCEP/NCAR再分析资料,首先讨论了热带纬向风准两年振荡(QBO)的东、西风位相的划分标准.结果发现,赤道50 hPa的风与西风深厚度关系最密切,即赤道50 hPa的纬向平均风为西(东)风时往往代表平流层下层为一层深厚的西(东)风.在此基础上诊断分析了1958/1959～1997/1998年共40个冬季中热带纬向风QBO对北半球中高纬度地区纬向平均环流和准定常行星波传播的影响.诊断分析表明,热带QBO对北半球冬季大气环流的影响主要表现在平流层和对流层上层.热带QBO的东风位相年与西风位相年相比,中高纬地区的绕极西风环流明显减弱,中低纬地区则出现相反变化,从而在平流层的纬向平均环流分布上呈现偶极子形式.纬向平均流的这种年际变化可以很好地用中高纬度准定常行星波传播的异常加以解释,QBO的东风位相年和西风位相年相比,中高纬准定常行星波向极地的传播更强,从而在高纬度平流层产生异常的E-P通量辐合,波-流相互作用的结果使得西风减弱.但是热带纬向风QBO的影响在1958/1959～1997/1998年的前后20年有所差异.后20年相对于前20年而言,东西风位相的差异有所减小,Hol-ton-Tan振荡明显减弱;就行星波传播而言,东风位相年下,前20年行星波向上传播较弱,而后20年则以大约70°N为分界点,以南向上传播较强,以北向上传播较弱.这种差异可能跟中高纬度纬向西风的自身变化有关.     

热带大气10～20天振荡的大气环流模式数值模拟

利用大气环流模式对热带大气10～20天振荡进行了数值模拟研究，其结果同观测资料分析基本一致。模式资料的功率谱及动能的分析表明，10～20天振荡确实比30～60天振荡更突出地存在于热带大气中。同热带大气30～60天振荡的结构有些不同，对于在热带10～20天振荡，除纬向1波外，纬向2波也很明显；流动的斜压结构特征欠佳；系统以较快速度沿赤道西移。暖SST事件对热带大气10～20天振荡的影响也进行了模拟，对结果的比较分析表明，暖STT将使10～20天大气振荡减弱，使其结构更趋正压性。     

Atmospheric Response to Mesoscale Ocean Eddies over the South China Sea

The South China Sea(SCS) is an eddy-active area. Composite analyses based on 438 mesoscale ocean eddies during 2000–2012 revealed the status of the atmospheric boundary layer is influenced remarkably by such eddies. The results showed cold-core cyclonic(warm-core anticyclonic) eddies tend to cool(warm) the overlying atmosphere and cause surface winds to decelerate(accelerate). More than 5% of the total variance of turbulent heat fluxes, surface wind speed and evaporation rate are induced by mesoscale eddies. Furthermore, mesoscale eddies locally affect the columnar water vapor, cloud liquid water, and rain rate. Dynamical analyses indicated that both variations of atmospheric boundary layer stability and sea level pressure are responsible for atmospheric anomalies over mesoscale eddies. To reveal further details about the mechanisms of atmospheric responses to mesoscale eddies, atmospheric manifestations over a pair of cold and warm eddies in the southwestern SCS were simulated. Eddy-induced heat flux anomalies lead to changes in atmospheric stability. Thus, anomalous turbulence kinetic energy and friction velocity arise over the eddy dipole, which reduce(enhance) the vertical momentum transport over the cold(warm) eddy, resulting in the decrease(increase) of sea surface wind. Diagnoses of the model's momentum balance suggested that wind speed anomalies directly over the eddy dipole are dominated by vertical mixing terms within the atmospheric boundary layer, while wind anomalies on the edges of eddies are produced by atmospheric pressure gradient forces and atmospheric horizontal advection terms.     

大气对黑潮延伸区中尺度海洋涡旋的响应——冬季暖、冷涡个例分析

采用动态合成、带通滤波等方法,通过对冬季黑潮延伸区暖、冷两个中尺度海洋涡旋的分析,研究了大气对中尺度海洋涡旋的响应特征。结果表明,海表温度（SST）与近海面风速的正相关关系在涡旋的动态合成图上清晰可见,暖（冷）涡上空对应10 m风速的极大（小）值,即海洋对大气的强迫作用在日时间尺度上表现显著;SST高低值中心基本对应10 m风无辐散区,暖（冷）涡上空为异常正（负）涡度分布;暖（冷）涡上空潜热、感热通量增大（减小）,降低（增大）大气稳定度,从而加强（减弱）边界层垂直混合作用,使得海洋大气边界层增厚（变薄）。暖（冷）涡旋上空对应摩擦速度极大（小）值,反映了湍流粘性力在高（低）海温中心增大（减小）的特征,表明动量垂直混合机制在中小尺度海气相互作用中起着主要作用。中尺度海洋涡旋能够影响大气瞬变扰动,大气瞬变扰动强度在暖（冷）涡下游上空出现极大（小）值,该影响不仅表现在海洋大气边界层,在自由大气中低层也有较为清晰的反映。此外,从能量转换的角度入手,发现斜压能量转换在中尺度海洋涡旋影响大气瞬变扰动强度中贡献明显。     

北太平洋冬季海-气耦合的主模态及其与瞬变扰动异常的联系

利用45年的ECMWF再分析资料,使用SVD方法研究了冬季北太平洋地区表层海温(SST)异常与大气环流异常间的主要耦合模态,探讨了大尺度海-气耦合型与天气尺度瞬变扰动的相互关系。分析结果表明,中纬度北太平洋地区冬季存在两种主要的海-气耦合型,第1种耦合型反映了与ENSO紧密相关的中纬度北太平洋冬季海温异常分布型以及大气的PNA型,第2种耦合型SST异常集中在东亚沿海以及中纬度北太平洋海流区,相应的大气场则为暖(冷)SSTA上空东西向带状区域内位势高度偏高(低),明显独立于ENSO型。进一步的合成分析表明,在第1种耦合型SST正(负)异常年里,冬季阿留申低压主体位置偏西南(东北),从东北亚到北美西海岸的西北—东南向带状区域内是低层大气温度正(负)异常区和高层西风负(正)异常区,西风负(正)异常中心位于西风急流出口处的北太平洋中东部,而西风急流主体区的风速变化很小。在第2种耦合型东亚沿海至中纬度北太平洋海流区SST偏暖(冷)时,阿留申低压整体偏弱(强),SST暖(冷)异常上空的大气温度偏暖(冷),高层西风急流区西风偏弱(强)。两种耦合型均显示出在北太平洋中纬度地区大气和海洋的异常相关中心有很好的空间对应性。在两种耦合型下,中纬度北太平洋冬季的大气斜压性也发生截然不同的改变,引起中纬度天气尺度瞬变扰动活动异常。瞬变扰动异常的动力强迫作用对北太平洋西风异常的形成存在正反馈作用,而其热力作用则试图破坏与两种海-气耦合模态相关的大气温度异常型。     

Diagnostic Study of Global Energy Cycle of the GRAPES Global Model in the Mixed Space-Time Domain

Some important diagnostic characteristics for a model’s physical background are reflected in the model’s energy transport, conversion, and cycle. Diagnosing the atmospheric energy cycle is a suitable way towards understanding and improving numerical models. In this study, formulations of the “Mixed Space-Time Domain”energy cycle are calculated and the roles of stationary and transient waves within the atmospheric energy cycle of the Global-Regional Assimilation and Prediction System （GRAPES） model are diagnosed and compared with the NCEP analysis data for July 2011. Contributions of the zonal-mean components of the energy cycle are investigated to explain the performance of numerical models. The results show that the GRAPES model has the capability to reproduce the main features of the global energy cycle as compared with the NCEP analysis. Zonal available potential energy （AZ） is converted into stationary eddy available potential energy （ASE） and transient eddy available potential energy （ATE）, and ASE and ATE have similar values. The nonlinear conversion between the two eddy energy terms is directed from the stationary to the transient. AZ becomes larger with increased forecast lead time, reflecting an enhancement of the meridional temperature gradient, which strengthens the zonal baroclinic processes and makes the conversion from AZ to eddy potential energy larger, especially for CAT （conversion from AZ to ATE）. The zonal kinetic energy （KZ） has a similar value to the sum of the stationary and transient eddy kinetic energy. Barotropic conversions are directed from eddy to zonal kinetic energy. The zonal conversion from AZ to KZ in GRAPES is around 1.5 times larger than in the NCEP analysis. The contributions of zonal energy cycle components show that transient eddy kinetic energy （KTE） is associated with the Southern Hemisphere subtropical jet and the conversion from KZ to KTE reduces in the upper tropopause near 30？S. The nonlinear barotropic conversion between stationary     

与夏季北太平洋副热带中尺度海洋涡旋相联系的海气关系

采用高分辨率卫星和再分析资料,利用涡旋探测技术、滤波和合成分析等方法,对夏季北太平洋副热带地区中尺度海洋涡旋与大气的耦合关系进行了分析。结果表明:在日时间尺度上,海洋涡旋的海表温度（Sea SurfaceTemperature,简称SST）与海表风速之间不仅存在同位相的正相关关系,还存在反位相的负相关关系,即在涡旋这种中尺度上既存在海洋对大气的强迫,也存在大气对海洋的强迫。海表风速与SST同位相时,对暖（冷）涡来说,向上（下）的净热通量增强,云和降水增多（减少）;其海水温度异常和海流旋度较强,暖（冷）涡较为深厚,一定程度上表明了海洋对大气的强迫。海表风速与SST反位相时,对暖（冷）涡而言,当其处在正（负）位势高度异常、中低层相对湿度较小（大）、气温较高（低）的大气配置下,海表风速较小（大）;同时向下（上）净热通量增强,云和降水减少（增多）;涡旋海水温度异常和海流旋度较弱,这种暖（冷）涡较为浅薄;表明晴空（阴雨）条件下有利于暖（冷）涡的维持,一定程度上反映了大气对海洋的强迫作用。     

GOALS模式中大气能量循环的诊断分析与不同版本计算结果的比较研究

利用大气能量循环框图,对比分析中国科学院大气物理研究所大气科学与地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG/IAP)全球海-陆-气耦合系统模式(GOALS)两个版本(GOALS-2和GOALS-4),以及观测的全球平均大气能量循环的主要特征,并从能量循环贮蓄和转换项的纬向平均贡献去解释全球积分值改善和转坏的原因,以及诊断分析参数化方案变化后产生的影响.结果表明:模式的两个版本基本上能正确地模拟出全球能量循环的主要特征.旧版本GOALS-2能较好模拟全球积分值,常常是不同符号局地误差的相互抵消结果.新版本GOALS-4中某种局地过程的改善在一些情况下导致了全球积分值的转坏.引入辐射日变化参数化方案可能对能量循环各参数的局地贡献有着明显的影响.如纬向平均有效位能向瞬变涡动有效位能的斜压转换率、瞬变涡动有效位能向瞬变涡动动能的斜压转换率以及定常涡动动能的局地贡献有明显改善.南极地区不合实际的上升运动,是模拟的纬向平均有效位能与纬向平均动能之间的转换项全球积分值为负数的主要原因.     

The Diabatic Heating and the Generation of Available Potential Energy: Results from NCEP Reanalysis

In the existing studies on the atmospheric energy cycle, the attention to the generation of available potential energy (APE) is restricted to its global mean value. The geographical distributions of the generation of APE and its mechanism of formation are investigated by using the three-dimensional NCEP/NCAR diabatic heating reanalysis in this study. The results show that the contributions from sensible heating and net radiation to the generation of zonal and time-mean APE (Gz) are mainly located in high and middle latitudes with an opposite sign, while the latent heating shows a dominant effect on Gz mainly in the tropics and high latitudes where the contributions from the middle and upper tropospheres are also contrary to that from the low troposphere. In high latitudes, the Gz is much stronger for the Winter Hemisphere than for the Summer Hemisphere, and this is consistent with the asymmetrical feature shown by the reservoir- of zonal and time-mean APE in two hemispheres, which suggests that the generation of APE plays a fundamental role in maintaining the APE in the global atmospheric energy cycle. The same contributions to the generation of stationary eddy APE (GSE) from the different regions related to the maintenance of longitudinal temperature contrast are likely arisen by different physics. Specifically, the positive contributions to GSE from the latent heating in the western tropical Pacific and from the sensible heating over land are dominated by the heating at warm regions, whereas those from the latent heating in the eastern tropical Pacific and from the sensitive heating over the oceans are dominated by the cooling at cold regions. Thus, our findings provide an observational estimate of the generation of eddy APE to identify the regional contributions in the climate simulations because it might be correct for the wrong reasons in the general circulation model (GCM). The largest positive contributions to the generation of transient eddy APE (GTE) are found to be at middle latitudes in the middle and upper tropospheres, where reside the strong local contributions to the baroclinic conversion from transient eddy APE to transient eddy kinetic energy and the resulting transient eddy kinetic energy.     

中国北方冬季特冷月和特暖月的定常涡旋与瞬变涡旋的热量和角动量输送

定常涡旋与解变涡旋的热量和角动量输送对局地的大尺度运动的维持与变化起重要作用。Ho-lopainen对时间平均环流的涡度和涡度拟能的维持的诊断分析结果表明瞬变涡旋对时间平均气流的作用包括热量输送和角动量输送。对局地热量收支的贡献,定常涡旋的作用大于瞬变涡旋的作用。然而,Green对造成英国1976年夏季罕见干旱的500 hPa高压脊的形成做了分析,认为瞬变涡旋的动量输送是重要的。     

北太平洋风暴轴对黑潮延伸体系统变异的响应及其能量转换机制

西北太平洋纬向扰动海温经验正交函数（EOF）分解第一和第三模态、第二和第四模态分别代表同期黑潮延伸体和亲潮强弱的配置关系,将两者的典型位相合成,可以分别得到延伸体收缩和扩张状态时的典型模态海温,本文以此及气候态海温作为初始海温强迫场,利用CESM1.2.0模式,讨论了延伸体的系统变异对北太平洋风暴轴的影响及其在不同能量转换过程的主要影响机制,结果表明,延伸体收缩状态下,北太平洋风暴轴强度整体加强,而扩张模态下强度减弱。空间分布上,收缩模态下,风暴轴主要体现为经向方向的变化,中心及其以北强度加强,中心以南减弱;扩张状态下,则主要表现为纬向方向的差异,中心及以西强度减弱明显,中心以东有所增强。对能量转换的诊断分析表明,正压能量转换过程对涡动动能的变化贡献很小,且在风暴轴中心附近,其作用主要为消耗涡动动能,延伸体收缩状态下其消耗作用增强,而扩张状态下消耗作用减弱,这一差异主要是由于不同海温异常强迫下瞬变涡旋的形变不同造成;斜压有效位能释放比正压能量转换大一个量级以上,该过程几乎全部通过基流的经向温度梯度和经向涡动热量输送的相互作用完成,在这一过程中大气斜压性（经向温度梯度）起了关键性作用,大气斜压性异常、基流经向温度梯度异常、斜压有效位能释放异常与风暴轴异常的空间分布均具有较好的对应关系,该过程可能也是延伸体海温异常影响北太平洋风暴轴的主要物理过程;涡动有效位能需要进一步转换为涡动动能才能产生瞬变涡旋运动,涡动有效位能释放的量级与斜压有效位能的释放相当,但数值要小,这一过程通过冷暖空气的上升下沉运动完成,延伸体异常模态下,扰动垂直速度和扰动温度的负相关性的变化与涡动有效位能向涡动动能转换的变化也有较好的对应关系。     

The impact of doubled CO2 on the energetics and hydrologic processes of mid-latitude transient eddies

The Northern Hemisphere winter (DJF) stationary eddy response of a general circulation model (GCM) to a doubling of atmospheric CO₂ is simulated with a linear steady state model as a response to anomalies in diabatic heating (latent, sensible and radiative), mountain and transient eddy effects. For this analysis the doubled CO₂ experiment performed by Wilson and Mitchell (1987) is used. The linear simulations of the control and perturbation climate capture most of the important features of the GCMs stationary eddies. The simulation of the anomalous stationary eddy pattern in the Northern Hemisphere captures only some of the important features of the GCMs anomalies. The climate anomalies in the Southern Hemisphere are poorly simulated. In the Northern Hemisphere the climate anomalies are dominated by the effect of transient eddies and mountains. In low latitudes also the contribution of latent heating is important. The contributions of sensible and radiative heating are small.