非绝热加热对赤道地区平均纬向环流的作用——非线性响应

本文设计了一个两层非线性原始方程模式,做低谱展开,求出非线性方程组的解;讨论了在外参数变化情况下解及其相应环流的演变;并与线性响应作了对比。此外,还讨论了定常解的稳定性。 主要结论是:(1)非绝热加热各分量在非线性响应中能强迫出更为接近实际的赤道地区平均纬圈环流圈。(2)在非线性响应中,潜热加热对纬圈环流的作用是最主要的。随着外参数——湿度的变化,解出现突变现象,其对应的赤道地区平均纬圈环流从一个定常态变到另一个定常态;其中对流潜热的作用最为明显,感热加热的作用是次要的。(3)在非线性响应和线性响应中,辐射加热对环流的作用不同;潜热加热对环流的作用相似,但在前者中它要强得多。      

非绝热加热对赤道地区平均纬向环流的作用—非线性响应

本文设计了一个两层非线性原始方程模式，做低谱展开，求出非线性方程组的解；讨论了在外参数变化情况下及其相应环流的演变；并与线性响应作了对比。此外，还讨论了定常解的稳定性。主要结论是：（1）非绝热加热各分量在非线性响应中能强迫出更为接近实际的赤道地区平均纬圈环流圈。（2）在非线性响应中，潜热加热对纬圈环流的作用是最主要的。随着外参数－湿度的变化，解出现突变现象，其对应的赤道地区平均纬圈环流从一个定常态变到另一个定常态；其中对流潜热的作用最为明显，感热加热的作用是次要的。（3）在非线性响应和线性响应中，辐射加热对环流的作用不同；潜热加热对环流的作用相似，但在前者中它要强得多。     

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。      

海气耦合非线性振荡与大气环流年变

本文利用作者建立的一个海气耦合的非线性动力系统,分别用定性和数值方法,分析定常强迫的自治系统和有周期性强迫的非自治系统中极限环解的性质,以此说明海气耦合振荡及大气环流年变的某些特征。     

东亚夏季大气环流和气候对冬季海温异常的邻响应和遥响应

本文通过ＩＡＰ－ＧＣＭ的数值模拟,研究了全球大气环流对黑潮海域和赤道东太平洋冬季ＳＳＴ异常的响应,并着重比较东亚大气环流和气候对黑潮区ＳＳＴＡ的响应（邻响应）和对赤道东太平洋ＳＳＴＡ的响应（遥响应）。首先,无论是黑潮区ＳＳＴＡ引起的邻响应还是赤道东太平洋ＳＳＴＡ所引起的遥响应对东亚大气环流和气候变化的影响都是明显而重要的。由于在大气中低频振荡被激发出来,其响应将持续较长时间。进一步分析表明,东亚大气环流对黑潮区或赤道东太平洋冬季正ＳＳＴＡ的响应都将造成华北地区夏季的多雨,其数值模拟结果与观测相一致。另外,赤道西太平洋地区大气的异常（尤其是对流活动）对于东亚地区大气环流和气候变化有重要作用     

海温作用与低频振荡

提出一个求定常方程平衡数值解的方法,并利用这个方法求得了雷州半岛海风环流的稳定数值解,在一定下边界强迫下得到了和观侧相一致的环流状态,进而讨论了大气参数对海风环流的影响,试验表明,所提出的求解方法是有效的.     

冬、夏平流层定常环流的数值模拟

本文应用一个包括Rayleigh摩擦、Newton冷却及水平涡旋热量扩散准地转34层球坐标模式来模拟北半球冬、夏两季平流层大气环流。利用Lindzen和Kuo所提出的方法来解这样一种复什二阶偏微分方程。 计算结果表明:由模式计算所得到的冬、夏两季北半球实际地形与实际热源强迫所产生的定常行星波振幅与位相的垂直分布及在平流层定常扰动系统的分布均与实际观测得到的分布相一致,这说明平流层的定常扰动分布主要还是由于对流层内地形与热源强迫所产生的定常扰动往平流层传播的结果。     

大气位势场对海表温度异常线性定常响应的数值试验

利用具有月、季长期天气过程数值天气预报能力的滤波距平模式(FAM)、运用谱方法研究了大气位势场对海表温度异常(SSTA)的线性定常响应,分析了SSTA强迫作用所产生的定常行星波波型、大气中遥相关型以及大气位势场响应对SSTA位置和基本气流的敏感性,得到一些有意义的结果。     

大气环流的年代际变化 II.GCM数值模拟研究

类似大气环流模式比较计划（AMIP）的数值模拟,将实际观测的海表水温（SST）资料引入模式进行40多年的数值积分,得到长时间的大气环流模拟结果。分析数值模拟结果发现,无论是大气中的主要涛动和遥相关型,还是重要大气环流系统都极为清楚地存在着年代际变化特征,包括10～20年准周期振荡和可能的30年以上的准周期振荡;而且上述主要环流系统的形势及其年代际变化大都与实际观测资料所给出的结果相一致。顺便分析中国东部气候的模拟结果,年代际变化特征（包括60年代的气候突变）也很清楚,并同大气环流变化配合十分合理。结果也表明,同研究季节和年际变化一样,大气环流模式（AGCM）数值模拟也是研究大气环流和气候年代际变化的有效方法。     

春季Hadley环流与长江流域夏季降水关系的数值模拟

观测分析表明,春季Hadley环流异常可以导致东亚大气环流异常变化进而影响长江流域夏季降水的发生.利用中国科学院大气物理研究所9层大气环流模式(IAP9L-AGCM),对春季Hadley环流异常偏强情形下东亚夏季大气环流和长江流域夏季降水的响应进行了数值模拟.模拟结果表明当春季Hadley环流异常偏强时,东亚夏季风减弱,夏季西太平洋副热带高压和南亚高压加强,菲律宾以东洋面对流减弱,长江流域降水增多.初步的数值模拟结果与已有的诊断结果相吻合.     

NUMERICAL STUDY OF TROPICS-EXTRATROPICS INTERACTION

A nonlinear steady-state baroclinic primitive-equation numerical model of atmospheric forced stationarywaves is used to investigate the tropics-extratropics interactions.Newtonian cooling,Rayleigh friction andbiharmonic horizontal diffusion are included in the model.The Eliassen-Palm (EP) cross-section and three-dimensional wave activity flux,which was derived by Plumb (1985) for linear quasi-geostrophic stationarywaves on a zonal flow,are used as diagnostics for the vertical and horizontal propagation of the waves.Results of the numerical experiments and diagnostics analyses suggest that the extratropical influenceon the tropical large-scale motion is important.The mid-latitude orographic forcing,especially of the Qing-hai-Xizang Plateau,and the extratropical thermal forcing make substantial contribution to the main-tenance of the cyclonic circulation over the eastern tropical and subtropical Pacific as well as the inversecirculation over the western Pacific in the upper troposphere.In addition,the longitudinal variation ofdiabatic heating in tropics has a significant influence on the wintertime stationary waves at higher latitudes.     

Plumb三维波作用通量和EP剖面图——对定常波模式输出结果的诊断分析

本文利用Plumb(1985年)所导出的线性、准地转定常波的三维波作用通量和Eliassen-Palm(EP)剖面图,对于一个线性和一个非线性的关于大气定常波的斜压初始方程三维谱模式的若干输出结果进行了诊断分析。分析结果表明,Plumb通量和EP剖面图,不仅可以用来诊断波作用在三维空间的传播、波动与纬向平均气流之间的相互作用,而且也可以用来诊断非线性作用的显著性,在利用它们对于观测资料进行诊断分析时,应当充分注意到非线性作用的影响。     

平流层大气对对流层大尺度热力强迫的线性、定常响应

本文采用一个关于大气定常波的16层线性化原始方程三维谱模式,研究了冬季平流层大气对于对流层各种定常大尺度热力强迫的响应。研究结果表明,对流层中的热力强迫作用对于冬季平流层中垂直向上传播的行星定常波的维持有显著的贡献,平流层中强迫扰动的水平结构及其与对流层中扰动的差异与加热场的垂直结构有密切的关系。相对于强度和空间结构相同的强迫源而言,中纬强迫对于平流层的作用比低纬强迫更为显著。     

线性准地转模型中副热带感热加热强迫的定常波

通过求取定常线性准地转位涡模式的解析解,研究了感热加热强迫所激发的副热带定常波的结构特征,讨论了基本流、牛顿冷却及地面摩擦等对定常波振幅和位相的影响。结果表明,东风时定常波在垂直方向上表现为上、下层反位相的第一斜压结构,且地面系统远强于中高层;西风时定常波呈现出向上的传播特征,在高层,随着风速增大振幅随高度的升高有增大趋势。在近地层,东风时气旋（反气旋）主体位于加热西（东）侧;西风时气旋（反气旋）主体位于加热东（西）侧,近地层以上相反。此外,发现东、西风基本流的作用具有对称特征,这与潜热加热显著不同。研究结果还表明,牛顿冷却对定常波有重要影响,基本流越弱影响越显著。在静止大气中,感热加热强迫下无斯韦尔德鲁普（Sverdrup）解,考虑牛顿冷却时,感热强迫在热源范围内的近地层和中高层分别激发出气旋式和反气旋式环流,气旋中心位于加热中心略偏西的位置。在非静止大气中,牛顿冷却项使地面系统中心向上风方向移动,东风时向东移。牛顿冷却对高、低层系统均有削弱作用。地面摩擦则明显不同,它总会使低层系统减弱,高层系统增强。     

全球定常波对大尺度地形的线性响应

本文应用一个定常态线性原始方程三维谱模式模拟出全球200 hPa定常波的结构特征。同时还考察了模式大气对大尺度地形的线性响应。     

COMPARISON OF LINEAR AND NONLINEAR WAVES ASSOCIATED WITH STEADY-STATE FORCING SOURCES

Low-frequency phenomena in the atmosphere are intimately related to stationary waves and, in a sense, the former may even be viewed as the time-varying part of the quasi-stationary waves themselves, Much attention has been focused on nonlinear interactions in the conceptual study on stationary waves. Linear and nonlinear primitive-equation baroclinic spectral models are adopted to investigate the response of stationary waves to largescale mechanical forcing and steady-state thermal forcing, both idealized and realistic, followed by calculations of the EP fluxes and three-dimensional wave activity fluxes(Plumb, 1985) for both the linear and nonlinear solutions. Results show that when the forcing source grows intense enough to be comparable to the real one, non-linear interaction becomes very important, especially for the maintenance of tropical and polar stationary waves. Care should be taken, however, in using the EP flux and Plumb's 3-D flux for diagnostic analysis of observational data as they are highly sensitive to nonlinear interaction.     

The characteristics of the forced stationary planetary wave propagations in summer Northern Hemisphere

The three-dimensional propagations of the forced stationary planetary waves in a realistic summer current, in which the vertical and horizontal wind shears are included, are discussed by using the refractive index squared of waves in a spherical coordinate system.The results show that there is no polar wave guide in stationary planetary wave propagations in summer. Thus, stationary planetary waves cannot propagate into the stratosphere. However, there are a wave guide pointing from the subtropics toward middle and high latitudes in the troposphere and another wave guide pointing from the lower troposphere at middle latitudes toward the upper troposphere near 30°oN in the forced stationary planetary wave propagations.A linearized, steady-state, quasi-geostrophic 34-level spherical coordinate model with Rayleigh friction and Newtonian cooling, horizontal kinematic thermal diffusivity is used to simulate the wave guides of three-dimensional propagations of stationary planetary waves in summer.     

大气横波型扰动连续谱的结构

采用数值方法计算了当基本气流有垂直线性切变、 层结参数为常值时横波型扰动的谱点和谱函数, 并将数值计算的结果与理论分析作了对照和讨论。当三支波动连续谱区相互不重叠时该计算结果与理论分析完全一致, 但当发生连续谱区重叠时则须采用谱函数重组的方法来得到连续谱的结构。重组的基本原则是在波谱重叠区对计算得到的谱函数作预处理后, 再对频率相邻的谱点和谱函数进行滑动平均, 并将该滑动平均后的结果作为重组后的谱点和谱函数。分析该重组后的谱函数可知, 此时扰动结构呈现涡旋－重力惯性混合波的形式, 出现了新波型。在连续谱三波重叠区域, 该混合波的谱函数在对流层中层有涡旋波的临界层并体现了涡旋波的性质, 在对流层的上、 下层则分别有顺、 逆传重力惯性波的临界层并体现了重力惯性波的性质。     

双三次数值模式与理想Lamb波、龙卷扰动对比模拟分析

通过"双三次曲面拟合—时间步长积分—双三次曲面拟合……",实现成为一种双三次曲面拟合新算法数值模式。它对模式大气作非线性(空间二阶可导)描述,是用数值分析(三次样条/双三次曲面)与计算方法近似求解大气运动非线性偏微分方程组。用Z坐标系高分辨率双三次数值模式,采用原始大气运动方程组和采用欧拉时间积分方案,设置理想扰动,对大气声波Lamb波做数值模拟;采用大气不可压假定,除去声波,对大气重力波龙卷扰动做数值模拟。对比模拟发现:理想Lamb波以声速在水平方向传播,扰动能量频散快,仅能在原地持续数秒钟;理想龙卷扰动则在原地可持续约1 min,且波动内圈(外圈)自下至上始终处于风场辐合(辐散)状态,具冷心结构和气压驻波特征,可因水汽进入扰动与借助凝结潜热释放而得到发展。