基于多套再分析数据的全球山脉力矩计算及比较分析

山脉力矩是地球与大气角动量交换的重要途径之一,为了深刻地理解全球的大气环流变化,比较了NCEP再分析数据、欧洲中心中尺度天气预报的ECMWF再分析数据和NASA的MERRA再分析数据计算的1979-2012年的全球山脉力矩的时、空分布及其年际变化。研究发现三套数据计算的山脉力矩空间分布基本一致,均显示北半球的青藏高原、落基山脉以及南半球的安第斯山脉是对全球山脉力矩贡献最大的三个区域。NCEP再分析数据计算的山脉力矩空间差异和多年变化标准差明显高于其他两套数据,其在纬向上的积分廓线与其他两套数据也差异较大,但是全球积分以后其平均值与标准差与其他两套数据基本一致,而且其在欧亚、南美和北美区域的积分与其他两套数据也没有明显差别,因此,NCEP再分析数据适用于大尺度的山脉力矩模拟。在研究空间尺度较小的山脉力矩变化时,建议优先考虑ECMWF和MERRA再分析数据。三套数据对北美地区山脉力矩计算的一致性较高,其次是欧亚地区,对南美区域山脉力矩计算的一致性则较差,表明北美地区气象数据质量要高于亚洲,南美洲气象数据质量较差。欧亚地球山脉力矩与大西洋-欧洲环流有很强的相关,北美山脉力矩与太平洋区极涡面积关系密切。      

1980-2010年冬季北极涛动季节内振荡的成因分析

采用NCEP/NCAR日平均再分析资料,对冬季热带外低频振荡(大气角动量收支及地形力矩)与AO(Arctic Oscillation)指数进行计算,通过功率谱和统计分析发现,它们都存在30~60 d的周期,大气角动量收支与山脉力矩的变化为正相关,且显著响应AO变化。通过动力学诊断分析初步认为,北半球两大地形的山脉力矩作用于纬向大气角动量,副热带纬向西风发生变化,改变南北西风偶极子结构,使得AO产生变化,而且在两大地形中以喜马拉雅山脉地形作用为主。通过对喜马拉雅山脉地区的动力学诊断发现,在高(低)AO指数阶段,喜马拉雅山脉地区激发准定常行星波并作用于副热带西风,导致副热带西风偏弱(偏强),高纬西风偏强(偏弱),因而AO偏强(偏弱),平流层极涡偏强(偏弱),极涡强(弱)中心偏向东北亚。     

全球山脉力矩时空变化及其与地球自转的关系

山脉力矩是大气轴向角动量变化的主要外部因子之一,是研究地球运动和大气相互作用的关键变量。利用NCEP/NCAR第一套再分析资料计算了1948—2011年的全球山脉力矩,定量分析了全球山脉力矩的时空变化趋势及其与地球自转速率(以日长表示)的关系。研究表明,近64年山脉力矩变化最为显著的地区集中在青藏高原和南美的安第斯山脉,青藏高原东西两侧的山脉力矩具有不同的变化趋势。滞后相关分析显示,全球山脉力矩与日长的相关系数在日长滞后5年时达到最大(滞后相关系数为-0.482),而南美安第斯山和青藏高原的山脉力矩则分别于日长滞后2年和9年时达到最大(滞后相关系数分别为-0.461和-0.689),因此山脉力矩的变化早于日长变化。从年代际变化看,全球积分的山脉力矩和南亚高压强度指数趋势上基本一致,可以作为表征天气、气候变化的一个强信号。     

大气角动量平衡的研究进展

重点分析了20世纪80年代以来国内外关于大气角动量平衡研究的一些代表性工作。总结了地气系统角动量交换、角动量输送及其与山脉和摩擦力矩异常、地转异常、ENSO等关系的研究结果。指出了一些应当深入研究的方向。     

季风低压角动量收支的研究

本文给出移动坐标系中角动量收支方程,并采用FGGE IIIb资料,对发生在印度地区1979年8月6—11日的季风低压作了角动量收支的诊断分析,得到:(i)在低压发展期间,角动量的时间变率为正;低压减弱期为负。(ii)水平侧边界角动量输送是系统角动量的主要来源,而高层东风和低层西风的增强、减弱,则是影响这种输送的重要因素。(iii)在气压场不对称的情况下,侧边界附近的气压力矩是另一个重要的角动量源。(iV)摩擦力矩是主要的角动量汇。据此,可以推论,对于印度季风扰动的发展、维持,水平侧边界输送和边界附近气压力矩的作用最为重要。     

台风角动量平衡的诊断分析

本文根据文献[6],应用FGGEb资料,计算了7908号台风四个同心区域的质量收支和绝对角动量收支,得到以下结果:台风的演变过程可以由其旋转轴确定的绝对角动量来表征。在台风发展最盛时,对流层中层角动量达到最大;台风绝对角动量主要来源于水平侧边界输送。对于侧边界角动量输送,计算结果表明:在台风形成以前,涡动方式(非对称气流)输送是主要的;在台风形成初期,平均和涡动两种方式的输送具有同等重要性;在台风发展强盛及其减弱期,以平均输送为主。比较各强迫函数的作用,凝结潜热释放则是影响角动量垂直输送的重要因子。根据角动量平衡,发现次网格尺度效应显著,说明系统内部角动量再分配机制,除了角动量向上输送以外,积云对流活动可能是另一重要的方式。      

大气角动量的研究进展

地球系统由固体地球、大气和海洋等流体层组成。在自转的地球上相对于地球表面运动的空气,因受到摩擦和山脉的作用,与转动地球之间产生转动力矩,即为大气角动量(Atmospheric angular momentum,AAM)。早期有关AAM的研究主要用于解释大气环流中信风和盛行西风得以维持的原因,而近些年来研究者更注重研究AAM的变化问题,包括山脉和摩擦力矩、角动量及其输送的季节、年际和年代际等多时间尺度的变化问题,并将其与日长(Long of day,LOD)变化、厄尔尼诺和南方涛动等地球、海洋和大气现象联系起来。作为一个描述大气环流的基本变量,AAM的平衡和异常反映了大气活动与固体地球、海洋在多时空尺度上的耦合过程。比如,大气的季节性质量重新分布(大气压)和运动(纬向风)的驱动(也就意味着AAM发生了变化)可导致LOD随之发生相应的季节性变化;从角动量守恒的角度来讲,当大气自西向东的角动量增加时,固体地球的角动量必然减小,地球自转速度减慢,LOD增大,反之亦然。因此,AAM的研究一直以来都受到气象学家、天文学家和地球科学家等的青睐。主要总结了20世纪80年代以来在地气系统角动量交换和平衡、AAM的变化及其与大气、海洋活动、地球自转的联系等方面的相关研究进展,并指出了当前研究中所存在的一些问题,为未来的科学研究提供参考。     

黄山地区短时强降雨的地形增幅机制

应用黄山地区191个地面自动观测站资料,统计分析了201 5年发生在黄山地区短时强降雨时空分布。统计发现:发生短时强降雨过程次数在午后及傍晚(14和18时)时段中明显增多;黄山山脉及其附近是短时强降雨多发生的中心地带,发生短时强降雨次数分布与山脉形态一致、和地形高度相关,短时强降雨与地形关系密切。分别利用三个典型个例分析了山脉地形动力阻拦和热力对短时强降雨的增幅作用,结果表明:(1)山脉地形迎风坡处因地形抬升速度与地面辐合线相配合降雨增强,水汽收支方法诊断计算降雨增量可达6成;(2)锋面过境山脉时垂直扰动增强水平位温梯度增大锋生,在背风坡处地面涡度、上升运动增强,导致降水增幅;(3)山脉西南区域因地面感热通量差异形成热低压,在该区域增暖增湿,大气不稳定增强,受冷平流影响形成强对流天气,导致山区降水增幅。     

登陆台风变性过程的诊断研究

本文对一个登陆台风(Freda)的衰减阶段和变性阶段进行了涡度及角动量收支的诊断分析,主要结果表明:相对涡度和相对角动量都是反映低压变化的重要指标。衰减阶段,次网格尺度效应及摩擦作用是台风衰减的主要因子,变性阶段,次网格尺度效应对于涡度和角动量在系统内部的重新分布起了重要作用;涡度的侧边界输送和散度制造对于整个过程都是重要的。台风低压是一个角动量汇区,系统角动量主要来源于侧边界平均输送,横向质量环流对于角动量过程起着关键性作用。     

比较法在“质点角动量及其守恒定律”教学中的应用

采用比较法,对非物理专业大学物理中“质点角动量及其守恒定律“章节从角动量概念、力矩概念、角动量定理和角动量守恒定律课程内容的引入以及复习两方面着手,重新编排了知识点引入的顺序,得到了不同于教材内容顺序的教学思路,得到大多数学生认可。据此认为,用比较法组织课程内容可以降低知识点的难度,加深对知识点的理解。     

兰州中低层风向与降水的关系

对兰州单站探空资料７００ｈＰａ和５００ｈＰａ风向进行统计分析表明，兰州７００ｈＰａ风向既受复杂地形影响，又受天气系统影响。７００ｈＰａ的东北风和东南风与降水有较好的相关关系。７００ｈＰａ、５００ｈＰａ风向有机组合，其降水相关概率提高到７１％—８２％。     

鹰潭市一次冻雨暴雪天气过程分析

利用常规气象资料、T213资料等,对鹰潭市2008年2月1-2日出现的冻雨、暴雪天气过程进行分析。结果表明,暴雪出现在500hPa槽前、700hPa急流轴与切变线之间、850hPa切变线附近和地面冷高压底部的区域。高空低槽东移,700hPa西南急流的南压,使得700hPa温度下降为-3．7℃,温度条件变化有利于产生降雪。中低层辐合、高层辐散及较强的上升运动,为强降雪提供较好的动力条件。850—700hPa的逆温层有利于冻雨、暴雪出现,当700hPa温度≥-1℃时,出现冻雨;当温度≤-3℃时,出现暴雪。对流层中层较好的水汽输送,是暴雪发生的重要原因之一。     

Intraseasonal variability of winter precipitation over central asia and the western tibetan plateau from 1979 to 2013 and its relationship with the North Atlantic Oscillation

Winter precipitation over Central Asia and the western Tibetan Plateau (CAWTP) is mainly a result of the interaction between the westerly circulation and the high mountains around the plateau. Empirical Orthogonal Functions (EOFs), Singular Value Decomposition (SVD), linear regression and composite analysis were used to analyze winter daily precipitation and other meteorological elements in this region from 1979 to 2013, in order to understand how interactions between the regional circulation and topography affect the intraseasonal variability in precipitation. The SVD analysis shows that the winter daily precipitation variability distribution is characterized by a dipole pattern with opposite signs over the northern Pamir Plateau and over the Karakoram Himalaya, similar to the second mode of EOF analysis. This dipole pattern of precipitation anomaly is associated with local anomalies in both the 700 hPa moisture transport and the 500 hPa geopotential height and is probably caused by oscillations in the regional and large-scale circulations, which can influence the westerly disturbance tracks and water vapor transport. The linear regression shows that the anomalous mid-tropospheric circulation over CAWTP corresponds to an anti-phase variation of the 500 hPa geopotential height anomalies over the southern and northern North Atlantic 10 days earlier (at 95% significance level), that bears a similarity to the North Atlantic Oscillation (NAO). The composite analysis reveals that the NAO impacts the downstream regions including CAWTP by controlling south-north two branches of the middle latitude westerly circulation around the Eurasian border. During the positive phases of the NAO, the northern branch of the westerly circulation goes around the northwest Tibetan Plateau, whereas the southern branch encounters the southwest Tibetan Plateau, which leads to reduced precipitation over the northern Pamir Plateau and increased precipitation over the Karakoram Himalaya, and vice versa.     

郑州市汛期FSFE02、FSFE03降水预报效果检验

利用2000－2001年6－9月份日本数值预报产品，郑州市降水实况资料及同期天气图，对日本数值预报产品在郑州市汛期天气预报中的应用效果进行了检验。结果表明；用FSFE02，FSFE03作郑州市24h汛期降水预报效果最好的是晴雨预报；各月预报能力有差异；空报率高于漏报率。在500hPa为偏南气流的条件下，该数值产品的预报效率较高；对于两层均为偏北气流及高层低槽中空西北气流的天气系统配置预报效率也较高；若中高层均为低槽，则预报效率最低。     

我国中部区域人工增雨天气系统分型及典型天气系统特点

利用常规气象观测资料、自动站观测资料和探空资料等,对所选取的2004—2013年共78例降水过程进行分析,将中部区域春秋季降水过程分为3个类型:低槽/切变线冷锋型、低涡(西南涡/西北涡)气旋型、低槽/切变线冷高压型。统计结果表明,中部区域春秋季降水出现概率最多的类型依次为切变线冷锋型、低槽冷锋型和西南涡类型,各天气类型的雨区移动方向均以自西向东为主,低层700 h Pa和850 h Pa多存在西南或偏南急流,水汽主要来自于孟加拉湾。分析中部区域3种主要降水类型特征及其增雨潜力区位置发现:1)低槽冷锋类型降水一般出现在500 h Pa和700 h Pa低槽前部、地面冷锋后部,多为连续性降水;其增雨潜力区主要位于500 h Pa低槽前部、700h Pa槽前和西南急流出口区的左侧,以及地面冷锋后部或锋线附近区域。2)切变线冷锋类型降水多出现在地面冷锋后部、低层切变线两侧附近;其增雨潜力区主要位于700 h Pa和850 h Pa两切变线之间且较靠近700 h Pa切变线一侧、急流出口左侧的带状区域。3)西南涡波动类型降水一般出现在低涡中心及700 h Pa暖式切变线两侧附近,降水持续时间较长;其增雨潜力区主要位于700 h Pa和850 h Pa低涡中心附近及暖式切变线北侧区域。     

新疆北部降水相态的识别判据研究

利用2005—2014年春秋两季月降水资料,统计分析了近10 a新疆北部4个站点的雨雪天气;利用同时期的高空资料,选取了500 hPa和850 hPa高度差(H_(500-850))、700 hPa和850 hPa高度差(H_(700-850))、850 h Pa和925 hPa高度差(H_(850-925))、700 hPa和925 hPa高度差(H_(700-925))、500 hPa温度(T500)、700 hPa温度(T700)、850 hPa温度(T850)、925 hPa温度(T925)共8个指标参与统计,得出4个站点的主要影响因子及降水相态判别指标;并利用判别指标对2015年3—4月、10—11月伊宁及乌鲁木齐站点出现的降水相态进行检验。研究表明:(1)伊宁T925、T850分别为2.5℃、-2.5℃时;塔城站点T925、T850分别为1.8℃、-1.5℃时可作为雨雪分界指标;伊宁、塔城两站T700对降水相态的指示意义不大;阿勒泰T850、T700、T500分别为-2℃、-8.5℃、-25.3℃时;乌鲁木齐T850、T700分别为-1.75℃、-9.3℃时,可作为雨雪分界,T500对乌鲁木齐降水相态的指示意义不大。(2)伊宁H_(700-925)、H_(850-925)分别为2220 m、680 m时;塔城H_(700-925)、H_(850-925)分别为2 207.5 m、675 m时;阿勒泰H_(700-850)、H_(500-850)分别为1522 m、4 052.5 m时;乌鲁木齐H_(700-850)、H_(500-850)分别为1520 m、4 067.5 m时,可作为雨雪的简单分界。(3)通过检验,总结出的雨雪判别指标可为新疆北部降水相态客观预报提供较好的参考。     

锋面北侧冷气团中连续降雹环境场特征及成因

对2009年2月24日—3月5日我国南方锋面北侧冷气团中连续冰雹天气过程的环流形势和环境场特征及形成机理进行分析。此次冰雹过程是发生在我国南方典型的连阴雨天气形势背景下,欧亚中高纬度地区为两槽一脊形势,副热带高压偏强、中南半岛为低槽区,青藏高原有5次短波槽东移,中层700 hPa暖湿气流势力强盛。中层强西南暖湿气流在强锋区 (冷垫) 上抬升,形成我国南方典型的高架雷暴。高架雷暴的发生与中低层强温度锋区、中层700 hPa不低于20 m·s-1的西南急流、强风垂直切变、对流层中层较大的温度直减率、较低的0℃层高度 (4 km以下) 有关。     

江西省冻雨垂直温度层结分析及预报

利用1960-2013年江西省89个气象观测站常规观测资料,采用统计分析和插值处理方法,对江西106次冻雨过程垂直温度层结进行分析,并建立冻雨预报思路。结果表明：江西省冻雨发生通常伴随1000-850 hPa剧烈降温和700 hPa增温,925-700 hPa存在明显逆温。融化层是冻雨发生的必要条件,87.7 %样本融化层位于700 hPa,9.4 %样本融化层位于850 hPa;一般以1000 hPa温度<1.0 ℃、925 hPa和850 hPa温度<-2.0 ℃和700 hPa温度≥0.0 ℃作为江西冻雨预报的温度阈值标准,同时也应注意融化层位于850 hPa的情况。地面气温越低,越有利于冻雨形成,冻雨发生时最低气温为0.0 ℃以下,平均气温为1.0 ℃以下。冷暖空气持续在27°-28 °N交汇,且鄱阳湖以南至抚河流域平均气温＜1.0 ℃和最低气温＜0.0 ℃出现比其他地区多,造成该区域冻雨发生频次比其他地区明显偏多。另外,通过大气逆温层结、地面气温与冻雨的对应关系,建立基于模式资料和常规观测资料的自动诊断方法。     

西南低涡Ekman层流场特征分析

本文利用大气边界模式，对1979年7月24－25日的一次西南低涡暴雨进行了Ekman层的流场分析。在理论计算的前提下，通过加入有限的实测风资料进行动力学调整，不仅在Ekman层中能较好地模拟出高层（850，700hPa）气旋环流特征，且发现西南低涡笔星边界层具有中尺度扰动的特征。在整个气旋环流中有局部的反气旋环流出现，这是850，700hPa 天气图上得不到的，且与边界层诊断分析相符合。     

西北区东部“1998年8月19~20日”暴雨诊断分析

１９９８年８月１９～２０日,在西太平洋副热带高压东退退北跳的背景下,受５００ｈＰａ青藏高原中尺度低涡和７００ｈＰａ东西向切变线影响,甘肃、平西两省南部出现区域性暴雨,物理量诊断分析结果表明,暴雨区７００～１００ｈＰａ是一致上升运动,最大中心在７００ｈＰａ,７００～３００ｈＰａ为正涡度,正Ｑ矢量涡度中心在５００ｈＰａ,Ｑ矢量散度自地面到２００ｈＰａ为副合上升区,中心在５００ｈＰａ,水汽通量散度的辐合区来自两个地方,主要部分位于青藏高原,其次是来自东侧８５０～７００ｈＰａ。