2008年1月中国南方低温雨雪冰冻天气的大尺度能量输送

利用NCEP-DOE再分析数据分析了2008年1月26～28日中国南方罕见的低温雨雪冰冻天气的扰动能量的生成以及各种能量之间的转换。在急流中平均动能（Km）先转换成相互作用动能（Ki）然后再转化成扰动动能（Ke）。相互作用动能流是顺急流方向的。位势高度平流和有效位能与扰动动能的转化生成的扰动动能比平均动能转化的要小一个量级。中国中南部扰动有效位能（Ae）的产生主要由平均有效位能（Am）间接提供,其中相互作用有效位能（Ai）流起到了关键作用。生成的扰动有效位能在26日12：00（协调世界时）主要来源于两个地区：一个位于青藏高原,另一个位于中国东北部。随着两个主要源地的向东移动,转化也向东移动。相互作用有效位能流的方向同时存在逆急流方向和顺急流方向。     

东北低压爆发性发展过程的诊断分析

本文对一次东北低压的快速强烈发展过程做了扰动动能、扰动有效位能及涡度收支平衡分析。结果表明:1.气旋爆发性发展前后,扰动动能的产生项变化剧烈,是主要的扰动动能源。气旋爆发性发展前期,以斜压过程为主,而在爆发期,由正压过程制造的扰动动能也有大量增加,同样是不可忽视的,且这时扰动动能通过系统边界与外界的交换很小。2.扰动有效位能在气旋强烈发展前有大幅度增长,由潜热释放造成的扰动有效位能的产生数值很小,平均有效位能向扰动有效位能的转换是扰动有效位能的主要来源。3.在气旋的爆发期,对流层中层及上层的涡度变化最为显著,涡度平衡中,散度项对对流层中下层正涡度的增长贡献最大,而网格尺度及次网格尺度的垂直输送项和涡度平流项对中上层正涡度的迅速增加有着重要意义。     

一次东北冷涡发展过程中的能量学研究

对一次典型的东北冷涡过程做了能量学分析。结果表明,东北冷涡活动具有鲜明的阶段性能量学特征。东北冷涡发展之前,各种能量之间的转换很小,边界通量也处于正负相间的振荡状态。早期发展阶段,扰动动能边界通量作用是至关重要的。随着非绝热加热制造扰动有效位能和扰动有效位能向扰动动能转换的大幅度增长,以及外界扰动动能的大量输送和纬向平均动能向扰动动能转换的明显加强,导致了东北冷涡的强烈发展,即这一时期区域内部的能量过程也同样十分重要。东北冷涡的减弱是从有大量扰动动能转换成纬向平均动能开始的,随后加上扰动有效位能向扰动动能转换以及边界通量作用的减弱,使得冷涡逐渐衰亡。     

南海夏季风建立前后的大气能量收支

本文用总动能、总有效位能、扰动动能和扰动有效位能四个收支方程计算了1980年4-6月南海南部(0-15°N,100-120°E)夏季风建立前(4月1日-5月9日)和夏季风建立后(5月18日-6月25日)各时段的大气能量收支,并对其结果进行了分析讨论,发现:(1)总动能主要是在制造项G(K)(汇)与耗散项D(K)(源)间达到平衡,夏季风建立后源汇强度值都增大了40%左右。(2)非绝热加热所直接制造的有效位能并不重要,高层总有效位能的水平通量辐合、中低层与总动能间的转换和由于参考气压的变化而引起总有效位能的增减对于总有效位能的收支作用较大,其作用在夏季风建立前后也明显不同。(3)扰动动能同总动能一样主要在制造项G(K)(汇)与耗散项D(K)(源)间平衡。夏季风建立后源汇强度增强。(4)扰动有效位能主要由非绝热加热制造,夏季风建立后制造量增大了16倍多。夏季风建立前,扰动有效位能主要因参考气压的改变而减少;夏季风建立后,扰动有效位能主要被转换为扰动动能和平均有效位能。      

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。     

青藏高原东部暴雨的中尺度有效位能收支分析

针对2018年7月10-11日青藏高原东部一次暴雨过程,利用模式模拟资料分析了有效位能分布特征,成因及其对降水发展演变的影响.结果表明,有效位能主要分布在对流层低层4km以下和高层8-14km,高层有效位能和降水有更好的对应性西北冷平流和降水粒子下落的蒸发作用是低层有效位能高值中心的主要成因,而降水过程释放潜热带来的热力扰动叠加高原大地形造成的位温扰动是导致高层有效位能高值的主要原因.有效位能收支分析表明,有效位能的通量输送项以及与动能间的转换项是主要源汇项.低层有效位能的经向通量输送和动能向有效位能的转化补给了有效位能的耗散;高层有效位能向垂直动能转化增强垂直运动是促进降水发展演变的主要因素.高层有效位能与垂直运动之间的正反馈过程使得两者相关性较强;低层较长时间内均存在垂直动能向有效位能的转化,削弱了垂直运动,而西北冷平流使得低层有效位能有增强的趋势,因此二者相关性较弱.     

青藏高原东部暴雨的中尺度有效位能收支分析（英文）

针对2018年7月10-11日青藏高原东部一次暴雨过程,利用模式模拟资料分析了有效位能分布特征,成因及其对降水发展演变的影响.结果表明,有效位能主要分布在对流层低层4km以下和高层8-14km,高层有效位能和降水有更好的对应性西北冷平流和降水粒子下落的蒸发作用是低层有效位能高值中心的主要成因,而降水过程释放潜热带来的热力扰动叠加高原大地形造成的位温扰动是导致高层有效位能高值的主要原因.有效位能收支分析表明,有效位能的通量输送项以及与动能间的转换项是主要源汇项.低层有效位能的经向通量输送和动能向有效位能的转化补给了有效位能的耗散;高层有效位能向垂直动能转化增强垂直运动是促进降水发展演变的主要因素.高层有效位能与垂直运动之间的正反馈过程使得两者相关性较强;低层较长时间内均存在垂直动能向有效位能的转化,削弱了垂直运动,而西北冷平流使得低层有效位能有增强的趋势,因此二者相关性较弱.     

一次中亚低涡中期过程的能量学特征

中亚低涡是中期时间尺度（4天以上）的对流层深厚切断低压系统,也是造成新疆暴雨（雪）、持续低温天气的重要影响系统之一,对其形成、维持和减弱的能量特征还不十分清楚。利用美国国家环境预报中心/国家大气研究中心（NCEP/NCAR）2.5°×2.5°逐日再分析资料和有限区域能量循环方程,对1996年7月10—20日造成新疆区域两次暴雨过程的中亚低涡系统进行分析,以揭示低涡持续活动11天的能量循环和转换特征。分析结果表明,中亚低涡活动具有明显的阶段性能量学特征。这次低涡发展和减弱过程处于斜压不稳定状态,扰动动能来源于扰动位能的转换和区域开放边界扰动动能的输入,且两者作用相当,它们使得低涡快速发展,同时区域内部非绝热加热制造的一部分扰动有效位能向外输出,在减弱期扰动有效位能向外输出大于扰动位能的转换和区域开放边界扰动动能的输入,因此低涡逐渐减弱。低涡成熟期处于正压不稳定状态,系统内部的能量转换很小,扰动动能来自于外界扰动位能输入,支出项为向开放边界的扰动动能输出。低涡过程各个时期纬向平均动能向扰动动能的转换都很小,即正压不稳定造成的能量转换较弱。低涡活动过程中,在对流层中、高层扰动动能很强,表明中亚低涡是主要在对流层中、高层活动的天气尺度系统,低涡内部的能量转换及其与外界的能量输送主要发生在中、高层,扰动位能和扰动动能的变化很好地反映低涡的强度变化和发展阶段,且能量的垂直输送对低涡系统的发展也有一定促进作用。     

一次梅雨锋暴雨过程中多尺度能量相互作用的研究II.实际应用

本文利用中国自动站与CMORPH（Climate Prediction Center Morphing technique for the production of global precipitation estimates）融合的逐时降水量0.1°网格数据集资料挑选出一次典型的梅雨锋暴雨个例,运用WRF中小尺度模式进行模拟,对模拟得到的高分辨率结果进行Barnes滤波,最后将滤波结果代入动能和位能方程中,目的是定量地分析各个尺度能量的变化以及它们之间的相互作用对暴雨强度的影响。研究发现:模式模拟的降水过程和强度与实况较为吻合,推导的能量方程适用于这次暴雨过程。三种尺度能量之间的相互作用包含了各种跨尺度能量的相互作用。在整个暴雨过程中,跨尺度之间的斜压能量转换包括位能向动能的能量转换和动能向位能的能量转换。同尺度之间的斜压能量转换总是单向的,且量值较大,动能的强度主要靠位能向动能的能量转换来维持。斜压能量转换的多少影响着暴雨的强弱。大尺度斜压能量转换在中高层比较强,中尺度斜压能量转换在低层较强,尤以β中小尺度系统变化最为显著,β中小尺度系统扰动是影响暴雨强度的关键系统。风切变的大小影响各尺度动能之间的能量转换。温度或位温梯度的大小影响各尺度位能之间的能量转换。位能与动能之间的能量转换主要与各尺度垂直速度和温度的垂直分布有关,暖空气上升冷空气下沉是各个尺度位能向动能转换的主要过程。     

一次中尺度对流低涡增强阶段的能量诊断分析

本文基于CFSR每日4个时次、水平分辨率为0.5°×0.5°全球预报场资料,美国NCEP中心每日4个时次、水平分辨率为1°×1°FNL全球再分析格点资料,以及华中地区国家基准站逐小时的加密降水资料,围绕2015年6月1日华中地区的一次中尺度对流低涡(mesoscale convective vortex,MCV)天气过程,通过WRF模拟和能量诊断的方法,重点研究了低涡增强期内的能量分布特征及其对低涡发展的影响机制。研究结果表明:此次MCV初生于湖北中部地区,低涡生成后向湖北东北部大别山地区移动且不断发展加强,MCV增强阶段的降水带分布由早期的三中心分布(分别位于宜昌、荆州、随州)演变为后期的纬向型雨带分布。降水产生的凝结潜热释放、对流有效位能的增强、低层暖湿气流的输送以及中层干冷空气的侵入等有利的环境场条件对低涡的增强起到了重要的推动作用。低涡的增强对能量演变有重要影响,具体表现为一方面MCV外围辐合气流随低涡发展而增强,引起对流层低层扰动动能的增加,另一方面MCV外围降水产生的凝结潜热,导致对流层中层扰动有效位能的增加,之后通过垂直气流作用使扰动有效位能向上输送,从而使对流层高层的扰动有效位能增加。另外,此次MCV增强阶段的能量制造项依次为:扰动有效位能向扰动动能的转换,不同高度层的基本气流黏性力作用效果,纬向平均有效位能向扰动有效位能的转换,以及来自系统外部扰动动能的输入。其中,扰动有效位能向扰动动能转换是对MCV发展增强的直接贡献项,对其空间分布特征进一步分析可知,在对流层低层和顶层,扰动有效位能向扰动动能转换,使辐合辐散气流增强;而在对流层中高层,扰动动能向扰动有效位能转换,为低涡发展成熟后的继续维持储备了必要的能量。     

冷暖事件对大气能量循环和纬向平均环流影响的模拟研究

利用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新发展的GOALS 5全球海 陆 气耦合模式研究了暖事件 (ElNi no)和冷事件 (LaNina)对大气能量循环和纬向平均环流的影响 ,并用观测资料进行了对比分析。结果表明 :对于纬向平均资料来说 ,冷、暖事件在热带和副热带地区的大气环流相关量的反相变化特征非常清晰 ,中高纬度地区并不明显。此外 ,还发现 ,暖事件时定常涡动的经向热通量的变化是北半球对流层热带外地区温度异常的主要原因 ,而瞬变波的影响则起抵消作用。冷事件时定常波和瞬变波相互抵消的局地特征也依然存在 ,但瞬变波的影响有所增强。     

Contrasting the tropical responses to zonally asymmetric extratropical and tropical thermal forcing

The mechanism is investigated by which extratropical thermal forcing with a finite zonal extent produces global impact. The goal is to understand the near-global response to a weakened Atlantic meridional overturning circulation suggested by paleoclimate data and modeling studies. An atmospheric model coupled to an aquaplanet slab mixed layer ocean, in which the unperturbed climate is zonally symmetric, is perturbed by prescribing cooling of the mixed layer in the Northern Hemisphere and heating of equal magnitude in the Southern Hemisphere, over some finite range of longitudes. In the case of heating/cooling confined to the extratropics, the zonally asymmetric forcing is homogenized by midlatitude westerlies and extratropical eddies before passing on to the tropics, inducing a zonally symmetric tropical response. In addition, the zonal mean responses vary little as the zonal extent of the forced region is changed, holding the zonal mean heating fixed, implying little impact of stationary eddies on the zonal mean. In contrast, when the heating/cooling is confined to the tropics, the zonally asymmetric forcing produces a highly localized response with slight westward extension, due to advection by mean easterly trade winds. Regardless of the forcing location, neither the spatial structure nor the zonal mean responses are strongly affected by wind–evaporation–sea surface temperature feedback.     

地球斜压大气纬圈平均运动特征的振动(二)——各向异性准涡旋运动

本文是文[3]的一个续篇,以简单的水平动能各向异性假定替换文[3]中的各向同性假定。结果是纬圈平均运动特征随纬度的分布由勒尚德多项式改为车贝雪夫多项式。在较一般的水平动能各向异性分布情况下,葛根保尔多项式代替了车贝雪夫多项式。其随时间的变化仍是谐波振动。其他结论与文[3]基本相同。 这反映线性理论在大气宏观中期过程的研究工作中,还有较大的潜力可供开发。 本文为以实际资料检验准涡旋运动观点作了准备。     

Changes in the normal mode energetics of the general atmospheric circulation in a warmer climate

Changes in the normal mode energetics of the general atmospheric circulation are assessed for the northern winter season (DJF) in a warmer climate, using the outputs of four climate models from the Coupled Model Intercomparison Project, Phase 3. The energetics changes are characterized by significant increases in both the zonal mean and eddy components for the barotropic and the deeper baroclinic modes, whereas for the shallower baroclinic modes both the zonal mean and eddy components decrease. Significant increases are predominant in the large-scale eddies, both barotropic and baroclinic, while the opposite is found in eddies of smaller scales. While the generation rate of zonal mean available potential energy has globally increased in the barotropic component, leading to an overall strengthening in the barotropic energetics terms, it has decreased in the baroclinic component, leading to a general weakening in the baroclinic energetics counterpart. These global changes, which indicate a strengthening of the energetics in the upper troposphere and lower stratosphere (UTLS), sustained by enhanced baroclinic eddies of large horizontal scales, and a weakening below, mostly driven by weaker baroclinic eddies of intermediate to small scales, appear together with an increased transfer rate of kinetic energy from the eddies to the zonal mean flow and a significant increase in the barotropic zonal mean kinetic energy. The conversion rates between available potential energy and kinetic energy, C, were further decomposed into the contributions by the rotational (Rossby) and divergent (gravity) components of the circulation field. The eddy component of C is due to the conversion of potential energy of the rotational adjusted mass field into kinetic energy by the work realized in the eddy divergent motion. The zonal mean component of C is accomplished by two terms which nearly cancel each other out. One is related to the Hadley cell and involves the divergent component of both wind and geopotential, while the other is associated to the Ferrel cell and incorporates the divergent wind with the rotationally adjusted mass field. Global magnitude increases were found in the zonal mean components of these two terms for the warmer climate, which could be the result of a strengthening and/or widening of both meridional cells. On the other hand, the results suggest a strengthening of these conversion rates in the UTLS and a weakening below, that is consistent with the rising of the tropopause in response to global warming.     

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。      

Validation of parametrisations for the meridional energy and moisture transport used in simple climate models

Parametrisations of meridional energy and moisture transport used in zonally averaged climate models are validated using reanalysis data and results from a doubling CO₂-experiment from a general circulation model. Global meridional fluxes of moisture and sensible heat are calculated by integrating surface and top-of-the-atmosphere vertical fluxes from one pole to the other. The parametrisations include an eddy-diffusion term, representing down-gradient transport of specific humidity and temperature due to the transient atmospheric eddies at mid- and high latitudes, and simple representations of the mean meridional circulation. Qualitative and quantitative agreement between the increased hydrological cycle in the 2×CO₂-run from the GCM and the parametrisation is found. The performance for the sensible heat flux shows larger differences to the GCM results, particularly at low latitudes. Seasonal variations of the moisture and sensible heat transport are well captured by parametrisations including the influence of the mean meridional circulation. Interannual variability cannot be simulated. An examination of the parametrisations on different spatial scales suggests that they should not be used for small scales. Furthermore, two closures for the zonal distribution of precipitation were examined. They are used in zonally averaged atmosphere models coupled to an ocean model with different ocean basins at one latitudinal belt. An assessment of both the reanalysis data and the GCM results shows that both closures exhibit very similar behaviour and are valid in the long-term mean and seasonal cycle. Interannual variability is not captured well. They become invalid for spatial scales smaller than 10^∘. Received: 30 November 1998 / Accepted: 4 July 1999     

Parameterization of meridional energy flux in a one-dimensional climate model

Summary The zonally averaged meridional energy transport is parameterized in terms of the zonally averaged temperature gradient and its radiative equilibrium value. Two climate regimes are identified: radiative equilibrium and isothermal climates. The transport and temperature gradient are intermediate between corresponding quantities of these two climates. The parameterization assumes a linear increase of transport as temperature gradient departs from its radiative equilibrium value. The parameterization is formulated using a one-dimensional climate model. Ice-albedo feedback provides the mechanism for climate changes. The parameterization works well for climates associated with seasonal changes.

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Parameterisierung des meridionalen Energiestromes in einem eindimensionalen Klimamodell

Zusammenfassung Der zonal gemittelte, meridionale Energietransport wird in Abhängigkeit vom zonal gemittelten Temperaturgradienten und seinem Strahlungsgleichgewicht parameterisiert. Zwei Klimaregime können identifiziert werden: Strahlungsgleichgewicht und isothermes Klima. Der Transport und der Temperaturgradient befinden sich zwischen den korrespondierenden Werten dieser zwei Klimate. Die Parameterisierung nimmt eine lineare Zunahme des Transportes mit der Abweichung des Temperaturgradienten vom seinem Strahlungsgleichgewichtswert an. Die Parameterisierung wird unter Verwendung eines eindimensionalen Klimamodelles formuliert. Die Eis-Albedo-Rückkopplung liefert den Mechanismus für Klimadnderungen. Die Parameterisierung funktioniert gut fur Klimate, welche jahreszeitliche Anderungen beinhalten.

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With 4 Figures     

纬向平均的风向改变指数与季节转换

通过定义一个能客观定量描述大气环流四维时空变化的风向改变指数WI,用以研究大气环流的时空演变规律和季节转换。在对纬向平均的WI做了经验正交函数(EOF)分析后,得到了其前四个模态。第一模态揭示的是全年平均的WI空间分布的基态。第二模态反映的是WI场的偏差中呈现准调和变化的部分,热带、副热带、温寒带季风区在该模态中均有明显体现。第三模态反映的是WI场的偏差中呈现非调和变化的部分,该部分揭示了因南北半球海陆分布的差异和因大气、海洋流体的非线性效应,其所造成的从春到秋与从秋到春的季节变化的不对称性以及平流层的二月突变现象。第四模态反映的是全球各层盛行风反向区域从春到夏的北进和从夏到秋南撤的现象。     

FORMATION MECHANISM AND PROPAGATION CHARACTERISTICS OF THE EQUATORIAL THERMALLY-FORCED SHORT-TERM CLIMATIC OSCILLATION DURING THE NORTHERN SUMMER

In this study, in order to investigate the global climatic oscillations forced by sea surface temperature (SST) anomalies over equatorial central-eastern Pacific, two numerical schemes with different SST distri-butions (normal and anomalous cases) are tested by using a nine-layer global spectral model. Experiment results show that (i) in northern summer, a wave train that is similar to the teleconnection pattern suggested by Nitta (1987) and Huang (1987) in the Northern Hemisphere and another one in the Southern Hemisphere are reproduced; (ii) simulated results suggest that the response of atmosphere in middle-high latitudes of both hemispheres to an anomalous heating source is more sensitive in tropical western Pacific than in equatorial central-eastern Pacific; and (iii) in northern summer, the formation of low-frequency oscillations on monthly (seasonal) time scale results from energy dispersion as well as interactions between eddies and zonal flow; and between eddies.     

瞬时经圈环流与西风带环流变化的关系

用一九七六年冬半年八个个例,对纬圈平均非热成风,瞬时经圈环流和西风带环流变化的关系进行了个例分析和统计分析。指出。当纬圈平均非热成风产生率为较大的负值时,出现逆瞬时经圈环流,并有利于长波的阻尼和纬向环流的维持或加强;反之,当为正值时,出现正瞬时经圈环流,并有利于长波的发展和纬向环流的减弱或崩溃。对于上述关系,本文还从物理上进行了初步的讨论。