球面斜压大气中上传行星波与纬向平均气流的相互作用

本文指出在球面斜压大气中的行星尺度扰动与纬向平均气流相互作用中必须考虑非地转风分量对位涡度南北方向输送的作用,从而证明了球面大气中行星尺度运动的波作用守恒,并求得球面大气中的行星尺度扰动与纬向平均气流相互作用的欧拉平均运动方程组。 本义利用1979年2月的实际天气观测资料分析了北半球一次对流层阻塞形势建立与平流层爆发性增温过程的行星波与纬向平均气流的相互作用。从分析结果可以看到:由于行星波向上传播,使得在高纬度对流层中、上层出现行星波的波作用通量(也称E-P通量)辐合,使得西风气流减速,因而在高纬度对流层中、上层形成阻塞形势。并且,随着行星波的继续向上传播,使得平流层下、中层的基本气流相继减速并出现东风,因而在平流层下、中层出现爆发性增温。然而,由于高纬度对流层低层出现东风,行星波不能往上传播,在上层波的E-P通量矢量变成辐散,气流由东风又变成西风。     

不同纬度天气尺度扰动影响2020年夏季梅汛期降水的数值模拟

利用观测资料和区域气候模式RegCM4.6,研究了高纬和低纬天气尺度扰动对2020年梅雨期降水的可能影响。观测分析表明:2020年6月、7月长江中下游降水在周期上表现为10 d以下的天气尺度扰动,在降水过程中存在多次中高纬度天气尺度扰动的南传与低纬扰动的北传。在此基础上,设计改变不同纬度天气尺度扰动(10 d)输入的侧边界敏感性试验。数值模拟结果表明:从平均环流来看,当中高纬西北侧边界的天气尺度扰动减弱时,大气平均环流动能向天气尺度扰动动能转换的位置发生北移,影响副高北侧纬向西风带北移,使得梅雨期降水中心从长江中下游地区北移到淮河流域;从时间演变来看,当去除中高纬西北侧边界的天气尺度扰动时,850 hPa上E矢量散度南传减弱,低纬纬向风异常能够向北传播。纬向风异常产生的涡度变化有利于副热带高压北抬,使得雨带可以较早北抬到34°N以北,标志江淮地区出梅。低纬南侧边界的天气尺度扰动减弱时,梅雨期降水略有增强,但对雨带的进退影响较小。因此,观测和数值模拟结果表明,2020年夏季梅雨期降水强度和雨带的维持主要与中高纬度天气尺度扰动异常密切相关,中国北部尤其中国西北部到巴尔喀什湖地区天气尺度扰动偏强且南传是此次梅雨强度偏强和雨带维持的重要原因。     

旋转大气中有限振幅扰动波包与基本气流的非线性共振相互作用

本文应用多重尺度法研究了在旋转球面上正压大气中有限振幅扰动波包与纬向基本气流的非线性共振相互作用。首先,导出了同时包含色散效应和耗散效应的三波共振非线性耦合方程。然后,在零耗散极限和无规相位近似下,求得了不同模态波包的非线性共振耦合方程。并着重讨论了有限振幅扰动波包与纬向基本气流之间的能量输运过程。结果表明,在旋转球面上正压大气中的有限振幅扰动波包通过非线性共振相互作用能够激发出纬向基本气流,而且其能量最终都要输运给纬向基本气流,直至大气运动成为完全的带状环流为止。从而阐明了非线性共振相互作用是大气旋转适应过程的重要物理机制。     

热带大气运动的长波和超长波(二)

本文对热带湿大气运动的长波、纬向超长波(纬向扰动尺度L_1～10~4公里,经向扰动尺度L_2～10~6公里)和经向超长波(L_1～10~3公里,L_2～10~4公里)进行了尺度分析,得到了适合这些运动的近似方程。对于纬向超长波,与干大气一样为正压无辐散运动;但对于长波和经向超长波,它们的运动特征与干大气有着巨大的差别,在这类运动中,位势部分、辐散辐合和垂直气流相当重要,而且重力内波波速大大变慢,因而可以认定混合的Rossby-重力波是热带长波和经向超长波的一个重要特性。我们所得的结果与Charney对干大气的分析不一致,也与Murakami对湿大气的分析不一致。从而证实了谢义炳教授最近提出的空气温度对大气运动有重要影响的观点。同时,在假定基本气流U=0的情况下,对线性化扰动方程进行了频率分析,证实了上述尺度分析的结果是正确的。     

模式大气对于大尺度地形动力强迫作用的非线性响应

本文与文献[1]相对应,利用一个非线性初始方程谱模式,研究了中、高纬度理想化的大尺度地形以及北半球实际地形的动力强迫作用对于冬季行星尺度的大气定常波的影响。计算结果证实,根据线性模式的数值试验结果所做的定性分析在非线性情形下仍然是成立的,同时,非线性扰动流场也与线性流场有明显的差异,在纬向平场基本气流相对较弱的地区或垂直层次上差异尤为显著。数值试验表明,北半球实际地形强迫的大尺度扰动,在对流层低层以及对流层上部的中、高纬均主要表现出纬向波数为2的行星波,但是在对流层上部的低纬地区3波分量比较明显。中、高纬的大地形动力强迫作用,对于低纬太平洋高空的反气旋和气旋环流的形成有重要的贡献。      

中高纬度大气低频模态研究进展

大气低频模态是导致中高纬地区季节及气候变化的主要因素,加强低频模态动力机制的认识对于提高短期气候预测水平具有十分重要的科研意义和应用价值。由于中高纬大气低频环流本身的复杂性,关于其动力机制的研究仍然是大气动力学中重点难点问题。本文简单回顾了激发维持低频模态的前两种机制,即:外源强迫、气流的纬向非均匀性对大气低频模态的影响。从观测事实和模式结果出发,着重介绍了瞬变波与基本气流相互作用激发维持低频模态的第三种机制,且详细阐述了线性假设条件下,瞬变波与基本气流相互作用的动力机制。本文最后针对瞬变波与基本气流相互作用研究中一些尚未解决的问题进行了讨论。     

远东秋季平流层环流和冬季阻塞高压出现的关系

一、引言查尼等人(1961年)从理论上证明了这一点:虽然在一年中的大部分时间内,由于受对流层之上的东风气流或强的西风纬向气流阻挡,大量行星波的能量很少从对流层输送到高层大气,但在春季或秋季的一段短时间内,当高层风变得相当弱时,有很大一部分能量可以输送上去。因此,通过注意秋季平流层环流,可能找出行星尺度扰动活动的前兆,来预报冬季     

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。     

“六月突变”中的波纬相互作用

本文应用EP理论及其诊断方法对1982年初夏北半球大气环流季节性突变过程中扰动和纬向气流相互作用的动力机制进行了分析和讨论,指出副热带急流的北跳与中纬度扰动能量向副热带对流层顶的增强输送紧密相关,而这种输送的方向是受纬向气流结构制约着的;但在此期间,纬向气流变化对扰动输送的响应十分迅速显著,就环流的突变性来讲,扰动的强迫作用是关键的。     

中期天气变化和中期预报

1引言从宏观上讲，全球大气运动是不可分割的统一整体运动。大气内部在各个纬带、各种尺度、各种频率的运动形式之间相互依存、相互制约、相互影响，按照大气动力学能量串级理论和能量频散原理，大尺度运动系统既可向小尺度系统转移能量，也可从小尺度系统获得能量。这样，各种尺度运动系统就会通过非线性相互作用引起大气环流形势的持续异常或急剧变化。天气、气候变化的直接原因是大气环流的变化或异常。从预报的角度讲，不同时效的预报要侧重考察相应长度的天气过程和长于预报时效的大型环流系统。天气尺度系统是短期预报的主要对象。而…     

北太平洋冬季西部发展型天气尺度涡旋对平均流的影响

在中纬度北太平洋大气强斜压区,存在频繁的天气尺度涡旋活动,通过水分、动量和能量输送维持大气环流。为了进一步研究天气尺度涡旋发生发展与大尺度环流之间的联系,利用1981—2013年再分析资料,筛选出西部发展型天气尺度涡旋114个偏强日和87个偏弱日,给出了西部发展型天气尺度涡旋异常导致的动力和热力强迫的变化,同时从能量转换的角度分析了西部发展型天气尺度涡旋与平均流之间的相互作用,并探讨了其与西太平洋遥相关型的关系。结果表明:西部发展型天气尺度涡旋通过动力强迫和热力强迫影响平均流,其中动力强迫主要造成北太平洋中纬度上空的西风气流加速并向北移动;热力强迫的作用则是减弱中纬度大气斜压性。同时,强西部发展型天气尺度涡旋有利于西北太平洋上空对流层低层斜压有效位能向扰动动能的转化增大和扰动动能向平均流的转化增大,有利于中纬度地区对流层高层平均流向扰动动能的转化增大。此外,西部发展型天气尺度涡旋通过与平均流的作用,对维持西太平洋遥相关型的负位相有一定影响。     

大气水汽的输送和收支及其对副热带干旱的影响

本文利用1979年9月至1984年8月欧洲中期天气预报中心(ECMWF)每日四次的十三层分析资料,研究不同尺度的大气运动对水汽输送和收支的贡献。指出Hadley环流对水汽从副热带向赤道输送和从冬半球向夏半球的输送中起着决定性作用。热带行星波则把水汽从热带输向副热带。在中高纬的水汽向极输送中,天气尺度的波动比行星尺度的波动更重要。在南半球,天气尺度的波动支配着水汽的输送过程。分析和数值试验表明,副热带干旱受到nadley环流和热带行星波异常的强烈影响。     

大气动力学的一些问题

大气动力学的基本问题,也是自然流体力学中的一些基本问题.大气运动是极其多种多样的.在时、空尺度上以及在形态和性质上都有很大差别.大体上说可以分为全球规模的和行星尺度的运动——即所谓大气环流、大尺度天气系统、涡旋、波动、对流以及边界层湍流.我们这里只讲关于前三者的一些问题. 一、大气环流和大尺度运动的动力学 1.在引力和旋转力场中流体运动的一般特点简言之,大气运动是由地球吸收太阳辐射能所推动的.然而它又是在地球重力场和旋转力场作用之下.     

北半球环状模波流相互作用动力学研究进展

总结了国内外学者对于北半球环状模（NAM：Northern Hemisphere Annular Mode）及其活动中心形成原因的研究成果。主要从NAM的天气、气候影响,波流相互作用原理对NAM形成的解释,NAM在北太平洋、北大西洋和北极3个区域活动中心的天气尺度波和行星尺度波活动等方面论述。NAM在对流层的变化与天气尺度波有关,北太平洋和北大西洋两个活动中心是天气尺度波活跃的区域,其峰值区表现为风暴轴,其中北大西洋天气尺度波破碎过程会使得NAM指数急剧变化。NAM在平流层的变化和准定常行星波关系密切,冬季准定常行星波会上传并与高纬平流层纬向流发生相互作用,从而引起北极极涡发生改变。准定常行星波将NAM 3个活动中心有机联系起来：对流层准定常行星波的纬向传播会影响北太平洋风暴轴的位置,而风暴轴的变化会影响下游北大西洋波破碎过程,同时准定常行星波的上传可以影响极涡活动。     

平流层臭氧纬向分布季节变化和行星波的关系

通过分析1992—2001年的HALOE卫星资料,给出了各纬度带平流层的臭氧混合比的纬向分布结构,并分析了其季节变化的特征,同时,利用NCEP/NCAR再分析资料,分析了平流层行星波的结构及其与臭氧纬向分布的关系。结果表明:平流层臭氧混合比的纬向分布季节差异较大,在两半球的夏季平流层臭氧混合比的纬向分布较均匀,其它季节在中高纬的臭氧混合比高值区有一些扰动,并且随着纬度的增大其扰动加强,其中冬季它的扰动最强,这些都与平流层的行星波有相同的特点。对这两种资料进行波谱分析发现,在冬半球臭氧混合比在中高纬的纬向扰动有明显的1波信号,并且与位势高度的1波扰动有相同的位相,因此认为臭氧纬向扰动主要是由行星波引起的,并且在中高纬主要是1波的影响;而低纬地区由于不满足行星波上传的条件,所以臭氧纬向分布不受行星波的影响。分析行星波扰动对臭氧的输送作用也表明,行星波的扰动确实引起臭氧在经向上的输送,从而造成臭氧纬向分布的不对称,并且由于基本气流的输送作用,使得臭氧纬向扰动与行星波造成的原始扰动有一个位相差。     

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。     

涡旋粘性对于夏季副热带准定常行星尺度环流的影响

本文从理论上分析了涡旋粘性对于夏季副热带准定常行星波分布的影响,指出夏季副热带地区由于纬向气流很弱,涡旋粘性对于准定常行星尺度运动起着重要作用。 本文还利用一个线性34层准地转球坐标模式计算了不同涡旋热力扩散系数下地形与热源强迫所产生准定常行星波的差别及准定常扰动环流系统的差别,计算结果说明了涡旋粘性系数对于副热带准定常行星尺度环流的强度有很大影响。     

极涡研究综述

中高纬度大气环流盛行的是迭加着各种波动的纬向环极气流,环极涡旋的中心游动在极地及其附近地区,这种近乎半球范围的环极气流是大气行星环流的一个重要的活动中心,它的位置、强度和范围以及形态的不同,影响着整个半球甚至全球的大气环流及天气变化,因此国内外一些气象学者对于极     

论Rossby波在东、西风带中传播与频散Ⅰ——谐波扰动Rosshy波和指数扰动Rosshy波

传统Bossby波最初求解于局地直角坐标系(Cartesian coordinate)准地转、准水平无辐散正压大气运动微扰方程,在所谓"卢平面"近似下,归于求解一个关于经向风扰动的二阶常微分方程,它存在可在卢-平面经向-纬向传播的简谐波解,其物理机制是,扰动气流在科氏参数随纬度变化(所谓"β效应")作用下的绝对涡度守恒。本文先讨论传统Rossby波二阶常微分方程"经向谐波扰动-纬向简谐波"(谐波扰动Bossby波)通解,指出传统Rossby波只被描述为谐波扰动Bossby波,即在扰动区内形成谐波扰动可在扰动区外作经向-纬向简谐波的连续传播;又讨论数学上存在的"经向指数扰动-纬向简谐波"(指数扰动Bossby波)另一通解,并且分析与比较两个通解的纬向波速与群速诊断方程。认为,谐波扰动和指数扰动"传播"与"频散"可以在相邻边界上保持为分段"零阶"连续且为有界。从而Bossby波定义为:大气运动受到连续或分段"零阶"连续谐波扰动和(或)指数扰动和(或)其它函数扰动、在β效应与绝对涡度守恒作用下、可以在全球(东、西风带)传播与频散的波动,作"纬向简谐波"传播是Bossby波的唯一识别特征。最后,作为对传统Rossby波的补充,单纯用指数扰动Rossby波波速和群速方程,对西风带中的长-中-短波槽脊传播、阻塞高压建立与后退、大槽建立与寒潮,以及气候上的遥响应,做出新的解释,更对东风带中的东风波(倒槽)与台风传播、副热带高压西进与东退,做出传统Bossby波尚不能解释的初步解释。     

平流层爆发性增温动力机制的初步研究

本文用一个β平面纬向通道非绝热准地转的三层模式,研究平流层爆发性增温的动力机制.根据平均场对扰动的影响、扰动对平均场的影响以及平流层和对流层相互作用的解析表达式,得出有利于爆发性增温有关的自由行波异常增幅的大气条件.主要包括对流层的强感热交换、强切变和平流层的小静力稳定度. 模式大气的纬向平均温度和纬向风场变化都只由扰动热输送引起.整个增温过程按其产生、发展和消失的不同机制可分成三个时期:增温前期、增温盛期和增温后期.这些机制可以大致说明一些爆发性增温期间平流层和对流层大气环流出现异常以及随后又恢复到正常