热带对流层大气低频振荡机制的初步研究

本文从赤道β平面近似下的线性化扰动方程组出发,基于第二类条件不稳定(CISK)理论,研究了热带对流层大气准40天低频振荡的动力机制。研究发现,当对流层中、上层存在较大的对流凝结加热时可激发出纬向波数为1、周期为40天左右的不稳定Kelvin波,它以每天8到11个经度的相速缓慢向东移动。由此指出,观测到的热带对流层大气30—50天的低频振荡可能正是这种由对流凝结加热所驱动的缓慢东移的Kelvin波的具体表现。这可对热带对流层大气30—50天低频振荡现象的动力机制给以初步的物理解释。      

平流层环状模的分类特征及其与对流层的关系

采用NCEP/NCAR逐日再分析资料,通过对北半球环状模指数的分析,将平流层异常分为两类:S型和D型,研究了两类平流层异常过程的差异及其与对流层的关系.结果表明,两种类型的异常特征在平流层类似,而主要的差别发生在对流层.在S型平流层异常期间,平流层纬向风异常有随时间向下传播的趋势,对流层表现为与平流层一致连续的纬向风异常;位势高度和温度距平场的分布中,最显著的特征是对流层与平流层呈相当正压结构,极区和中纬度异常表现为反位相的振荡,呈现典型的北极涛动特征.在D型平流层异常期间,平流层纬向风异常随时间向下传播的趋势不存在,另外平流层纬向风异常仅局限在平流层范围内,对流层表现为与平流层相反的纬向风异常;位势高度和温度距平场的分布中,平流层中低层与高层呈现反位相的距平分布,在对流层中低层,温度和位势高度的距平场呈现无规则的分布.     

热带对流层低频振荡过程的能量学初步分析

本文利用线性化的能量方程和交叉谱方法分别研究了准两周振荡和准40天振荡的能量来源及其转换过程。发现:在热带对流层中,对于低频振荡过程来说,来自中高纬度的侧向强迫作用和水汽凝结的加热作用是非常重要的,为扰动的产生和维持提供了重要能源。而正、斜压不稳定作用对扰动发展的作用是极小的。并且指出,在东亚热带对流层上部,准两周振荡通过与平均气流的相互作用为基本气流提供许多能量,对于维持这里的高空东风急流有重要作用。准40天振荡向平流层输送能量,对平流层平均环流的演变可能有重要贡献。      

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     

对流层大气环流的甚低频振荡

对１９５１—１９９２共４２ａ５００ｈＰａ北半球高度场的月平均资料进行了纬圈谐波分析，计算了３５°Ｎ与５５°Ｎ超长波振幅及位相，以及３５—５５°Ｎ北半球月平均纬向风距平百分比。对超长波振幅及纬向风距平百分比做了小波转换。结果表明，对流层大气环流变化中存在３种准周期性的甚低频振荡：１．年代际的振荡；２．准２ａ周期振荡（ＱＢＯ）；３．半年韵律。同时发现对流层ＱＢＯ和平流层赤道纬向风ＱＢＯ之间可能没有联系。     

赤道平流层QBO与我国7月雨型的关联

根据1953～1991年赤道平流层纬向风资料分析,得出我国东部地区7月份主要雨带位置与赤道平流层30～50 hPa平均纬向风准两年振荡（以下简称赤道平流层QBO）有较好的关联。在西风位相条件下,我国7月主要雨带位置较偏北;在东风位相条件下,我国7月主要雨带位置易偏南。它们之间的关系主要是通过对对流层环流的影响相联系的。利用赤道平流层纬向风的变化规律并结合冬季北太平洋对流层环流特征,对我国7月主要雨带类型的预报,有一定实用意义。     

赤道低平流层纬向风垂直切变与对流层环流及东亚季风的关系

在以赤道低平流层纬向风垂直切变为依据划分平流层QBO位相的基础上,讨论了赤道低平流层纬向风QBO与对流层环流及东亚季风的关系.结果表明强冬季风和弱夏季风对应着赤道低平流层纬向风的东风切变位相,强夏季风和弱冬季风对应着赤道低平流层西风切变位相,赤道低平流层纬向风QBO对对流层环流有一定影响,冬春季节平流层与对流层的相互作用比夏秋季节明显.     

冬季北半球平流层季节内振荡与对流层季节内振荡的关系

通过平流层大气ISO与对流层大气ISO的比较分析,发现在中高纬地区平流层大气ISO与对流层大气ISO有着许多相同点.北半球冬半年平流层大气环流主要低频模态也可认为是北极涛动(AO),其空间分布的主要特征为; 高纬度地区与中低纬度地区为反位相变化,北极地区附近具有最大的变化值; 其季节内振荡的正位相对应于AO增强,负位相对应于AO减弱.北半球冬半年平流层100 hPa 和70 hPa 位势高度场的低频遥相关分析表明,北极地区(概指北纬60°N以北)和北半球其他大部分地区呈负相关,北极涛动扮演了非常重要的角色.同时,北半球冬半年平流层的主要低频波列是从欧亚大陆中部到西北太平洋,并且由纬向型低频波列(欧亚大陆-西伯利亚-太平洋)和经向型低频波列(欧亚大陆-北极-太平洋)共同构成.平流层30 hPa 和对流层500 hPa 上经过带通滤波(15～90 d)位势高度场的EOF第一主分量的形势有十分类似的特征,它们对应的时间系数序列有显著的延迟相关关系.因此可以认为,北半球平流层大气ISO的变化要先于对流层大气,在滞后35 d 左右其相关系数达到最大.大气环流模式(SAMIL)的数值模拟试验结果也表明,平流层的低频扰动可以在14 d 之后便在对流层500 hPa上激发出低频响应,其谱峰在30 d 左右.这进一步表明,通过大气季节内振荡,平流层的异常可以影响到对流层.     

深厚和浅薄球面大气中的斜压行星波

本文在包括对流层—平流层—中间层(0—80公里)的半球及全球大气模式中,求解特征值及特征函数问题,得到夏季及冬季纬向平均基流中发展型行星波及天气尺度波的增长率、相速度及空间结构。结果指出,在冬季环流中存在三种不同结构及相速的发展型波动:1.行星尺度的准稳定Green波(波数1—2),其振幅在平流层中上部达到极大;2.深厚而准稳定的Char-ney波(波数3—4),其振幅在对流层中达到极大;3.天气尺度的移动性Charney波,这是一些波数5—9的对流层波动。在夏季环流中存在两种发展型波动:中间层内自东向西移动的波动1—4及对流层中自西向东移的天气尺度波动。这些发展型波动的结构、移速及出现层次与实际大气中的瞬变波有相当好的对应,由此推论,深厚球面大气基本流的动力不稳定可能是激发这些波动的重要机制。此外,深厚模型与浅薄模型的对比分析指出,以行星波为对象的数值模式必须包括对流层和平流层,简单的对流层模式会严重歪曲行星波的结构与移速。     

1979年夏季40—50天周期振荡的空间结构及其位相传播

本文根据FGGE Level Ⅲb资料详细分析了1979年夏季大范围内(30°S—30°N,30°E—150°W)40—50天周期振荡的空间分布及其传播特点。结果证实了早先关于“这些低频振荡主要表现为纬向风振荡”的究研结果,且它们向东向北传播。而季风区域850毫巴经向风的振荡周期却小于10天,这或许反映了这一地区季风扰动的活跃。在赤道,40—50天周期的纬向风的扰动系统地向东(600公里/天)和向上(0.7公里/天)传播。纬向风、位势高度和大尺度的“视热源”场之间的位相关系表明这些扰动确实不象大气中的开尔文波。与赤道地区不同,沿着15°N的纬向风的位相虽然也向东传播但不很系统。在这一纬度,纬向风的振荡在季风地区是低层显著,而西太平洋地区是在高层显著。这两个系统的相互作用导致西风或东风在阿拉伯海地区向下传播。西风(东凤)向下的位相对应着南亚和东南亚地区季风活跃(中断)的开始。     

北半球平流层低层大气季节内振荡特征

利用奇异谱分析方法（SSA）分析了1975年1月1日至12月31日北半球30hPa高度场变化特征，结果发现:平流层低层大气除了年变化及季节变化趋势外，还存在明显的季节内振荡，最显著的周期为20～60天；在持续性异常多发地区，30hPa高度场变化中20～40天周期振荡占优势，而在其它一些地区则盛行40～60天周期振荡；对流层持续性异常主要同对流层高度场的20～40天振荡有关，并可能通过这种周期振荡同平流层低层相同周期的振荡的相互作用影响平流层低层大气季节内变化。     

热带东风急流的气候学和中期振荡

本文用13年夏半年(5—10月)月平均风场和两年逐日风场资料研究了200hPa南亚热带东风急流的气候学特征和中期振荡过程。研究表明,南亚夏季热带东风急流显著的非季节性变动和年际差异与低纬对流层高层大尺度环流变化和南亚夏季风活动密切相关,相对于多年平均而言,存在5类异常的东风急流。 各种分析表明,热带东风带存在三种主要的中期振荡。准50天周期振荡与夏季南亚对流层上部大尺度散度场的变化相关联,表现为十分显著的向南的位相传播。准50天和25天振荡均存在显著的年际变化。准50天周期振荡系统性不强的年份,准25天周期振荡是低纬行星波的主要振荡,在东风急流区除表现为系统性向西传播外也表现为向南的位相传播。准双周振荡在东风带一般向西传播。      

Quasi-biennial oscillation signal detected in the stratospheric zonal wind at 55–65°N

北极极涡是一个存在于极区对流层中上层和平流层的大尺度气旋性环流系统,是极区大气运动的主要特征。赤道平流层风场的准两年振荡,可以对行星波的传播进行调制,从而对北极极涡的强度产生影响。为了定量描述,赤道平流层风场的准两年振荡对北极极涡的影响,我们对表征北极极涡强度的55–65°N纬度带平流层纬向风进行了分析,提取出了北极极涡中的准两年振荡信号,并发现了该信号的纬向不均一性,120–180°E为高值区,25–45°E为低值区。     

赤道低平流层纬向风垂直切变与对流层环流及东亚季风的关系

在以赤道低平流层纬向风垂直切变为依据划分平流层QBO位相的基础上，讨论了赤道低平流层纬向风QBO与对流层环流及东亚季风的关系。结果表明：强冬季风和弱夏季风对应着赤道低平流层纬向风的东风切变位相，强夏季风和弱冬季风对应着赤道低平流层西风切变位相，赤道低平流层纬向风QBO对对流层环流有一定影响，冬春季节平流层与对流层的相互作用比夏秋季节明显。     

夏季北半球中高纬低频振荡诊断分析

自从1971年Madden、Juliar等发现热带太平洋地区的纬向风有40～50天周期性振荡现象，并证明这种纬向风的40—50天准周期振荡在全球热带地区都存在以后，对这种周期振荡的研究一直得到广大气象学家的重视。比如，K．M．Lau等以及Murakami等利用卫星得到的射出长波辐射资料(OLR)进一步研究了热带大气30—60天振荡的传播特性；     

北半球平流层各高度场谐波分析的若干基本事实

本文用谐波分析方法,对北半球30,50和100hPa等压面上各纬圈各月的1—3波振幅作了计算。分析表明,无论是30,50或100hPa,也无论是1,2或3波,从分纬圈看,其振幅都从低纬到高纬增大,并以50—70°N振幅为最大。从分月看,冬季月份的振幅都是5—10倍地大于夏季月份。无论从分月或分纬圈看,波1加波2的振幅占波1—4总和的主要成份,尤其是波1。夏季不仅对流层100hPa在30—40°N出现最大值带,而且50和30hPa的1波和50hPa的2波,也出现次大值带,这使人联想到青藏高压夏季在平流层内的影响。分析表明,如果我们用平流层各波振幅的减增来表征由冬到夏或相反的转变,那么前者的转变在3到4月,后者一般在8到9月,这样平流层的季变比对流层季变要早一个月以上。     

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.     

夏季热带对流层上层超长波的振荡机制

本文应用波数—频率空间的动能方程,采用ECMWF/WMO资料,讨论了1983年6月11日至8月13日64天热带对流层上层200百帕东风带纬向平均气流以及各种尺度波动动能的振荡机制。动能20天左右的周期振荡特别明显,纬向平均气流、2—7波动能都具有20天周期的振荡。1波动能似乎存在40天左右的周期振荡.另外,1波、4波及7波动能的准一周振荡也很显著。纬向平均气流动能20天左右的振荡主要是由于平均气流与波动相互作用的强弱变化引起的。波动动能的振荡原因是多方面的,有效位能的转换、侧边界的气压做功以及波动间的非线性作用都很重要。波动动能的高、低频振荡之间存在明显制约关系。在低频振荡出现峰值时,高频振荡的振幅最大;在低频振荡出现低值时,高频振荡的振幅最小。     

1981—1982年纬向非对称基本流正压不稳定对30—50天振荡作用的诊断分析

本文运用Hoskins和Simmons的波流相互作用原理,分析1981—1982年冬、夏季对流层高层200hPa上纬向非对称基本流(时间平均流)的正压不稳定和30—50天振荡的关系。指出西风急流的出口区是30—50天振荡动能和基本流以及低频振荡相互作用的最强的区域,且低频振荡从基本流的正压不稳定中获得能量,并在一周内得到充分的发展。 另外还表明,由于基本流的正压不稳定作用,使40°N的亚洲大陆和沿海及45°N的大西洋中部附近成为夏季30—50天振荡的主要能源区,使30°N的中太平洋和40°N的北美东部附近成为冬季30—50天振荡的主要能源区。      

北半球两大地形下游冬季环流的动力分析——Ⅱ.行星波的垂直传播

线性、定常、多层半球谱模式模拟结果表明,在东亚纬向气流下,青藏高原能在平流层激发出强大的1波扰动,脊槽分别位于太平洋和大西洋上空。在北美纬向气流下,落基山在平流层激发的1波很弱。观测资料计算指出,对流层行星1波很难通过北美对流层顶上传,但却能自由穿过东亚高纬度地区的对流层顶向平流层传播。北美地形所激发的波动在上传过程中均折向低纬传播。青藏高原所激发的行星1波和2波在上传过程中有分支:折向低纬的一支主要局限在对流层中;折向高纬的一支进入平流层。模拟和分析证明,这些差异是北半球两大地形不同的动力作用的结果。