大气变量物理分解原理及其在区域暴雨分析中的应用

观测的全球大气变量可以物理分解为4个部分:纬圈平均的对称气候、非对称气候、纬圈平均的瞬变对称扰动和非对称扰动。文章用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)ERA Interim全球再分析资料(0.75°×0.75°)介绍大气瞬变扰动量中的扰动风提取方法及其在区域暴雨分析中的应用。结果表明:用欧洲高分辨率再分析资料物理分解得到的扰动气流能够较好地反映暴雨的落区和风与雨之间的关系,如暴雨带位于低层大气扰动气流的辐合线上和稳定的暴雨带两侧扰动气流多呈对峙的辐合状态。     

北半球大气环流的纬向对称模态

运用自然正交分解方法（EOF）提取了北半球冬季热带外地区标准化纬向平均纬向风场的前两个模态。第1模态（方差贡献为34%）表现为中高纬带的西风（东风）异常和中纬带的东风（西风）异常,与之相联系的海平面气压场的异常表现为极区与中高纬度地区海平面气压场的反位相变化,即北极涛动（AO）;第2模态（方差贡献为21%）表现为中纬带的西风（东风）异常和中低纬带的东风（西风）异常,与之相联系的海平面气压场的异常表现为副极地地区与副热带地区海平面气压场的反位相变化,即副热带涛动STO（sub-tropical oscillation）。副热带涛动的水平结构表现出较强的纬向对称性,垂直方向上表现出相当正压性;与副热带涛动正位相相联系的纬向平均温度场表现为中高纬度地区负异常和副热带地区正异常,而且费雷尔环流加强南移。副热带涛动不仅在冬季有所表现,而且在整个冬半年（11月—翌年4月）都有所表现,但在夏半年则不存在。     

北半球500hPa高度场特征与厄尔尼诺、台风活动的若干关系

本文对各月500hPa高度场分南北两个纬带进行分解,求得主要的系数和谐波参数。分析结果表明,厄尔尼诺年和反厄尔尼诺年及台风活动多或少年在展开系数特征和振幅上有明显不同。这些结果对做台风长期预报是有益的。     

NWP 模式热量系统误差的动力诊断分析

文章证明了模式在预报时段的位温误差，是由于在模式大气和真实大气中，该时段内位温变化过程的不同而造成的。还证明了原始方程的无加速定理对各强迫因子的线性分解同样适用于研究NWP模式热量误差的成因。对国家气象中心T42L9模式1992年1月和7月预报结果的动力诊断表明，模式对纬向位温分布具有较好的预报能力，但在各纬带也存在明显的误差。通过无加速定理的分解分析，研究了这些误差的成因及改善模式的可能途径。     

ENSO事件期间热带印度洋和太平洋地区大尺度海气相互作用联系的研究

利用大气环流三维分解方法研究了1979—2008年ENSO事件期间热带印度洋和太平洋地区海气相互作用的机制。研究表明ENSO事件期间存在明显的三维"齿轮式"耦合特征;在ENSO事件盛期,与NCEP再分析资料的垂直运动相比,大气环流三维分解方法揭示的东印度洋-西太平洋地区的下沉运动更强,范围更宽。大气环流三维分解方法把垂直速度分解为纬向分量和经向分量两部分,纬向分量表现为很强的下沉运动,而经向分量表现为上升运动,垂直速度的纬向分量和经向分量相互抵消了一部分,综合的结果表现为很强的下沉运动。在热带地区,垂直速度ω*的纬向分量ωW要大于其经向分量ωH,ωW反映了ω*的主要特征;在分析垂直运动方面,与NCEP再分析资料中的垂直速度相比,大气环流三维分解方法具有一定的优点。     

初论西风带和热带辐合带环流系统的相互作用

探讨中高纬和低纬环流系统之间的相互作用,对指导天气预报实践和研究大气环流理论都具有重要的意义。本文是基于近几年来在低纬环流和我国北方盛夏暴雨方面一系列分析研究工作,对西风带和热带辐合带环流系统之间相互作用的一个初步总结。 首先,根据大范围环流分析和全球卫星云图,提出了一个连结中高纬西风带和热带辐合带的简要的总环流模型。其次,将西风带和热带辐合带环流系统之间相互作用的现象,列举出常见的有代表性的六个方面。最后强调指出,要想进一步解决中高纬地区夏季暴雨天气预报问题,应该特别重视低纬环流和天气过程的研究,同时,     

NWP模式中纬向平均环流系统误差的动力诊断

证明了模式在预报时段的纬向平均环流误差，是由于在预报时段内模式大气和真实大气中西风加速过程的不同造成的。又由于原始方程的无加速定理中各强迫因子具有良好的线性迭加性，因此能够清楚地将造成模式系统误差的动力因子分解开来。通过对Ｔ４２Ｌ９模式的分析，说明原始方程的无加速定理可以作为分析模式系统误差的良好手段。动力诊断分析结果表明，模式对纬向平均环流分布具有较好的预报能力，但在各缔带也存在明显的误差。通过无加速定理的分解分析，本文研究了这些误差的成因及改善模式的可能途径。     

副热带高压带的三维结构特征

先从纬向平均的角度出发,以地转平衡关系为基础,从纬向平均纬向风分布得到中、低纬度的位势高度场在赤道附近存在极小值,将其他纬度上位势高度相对于此的差(仿纬向偏差而称其为经向偏差)不但可以表示副热带高压带脊线位置与用纬向风零线的表示一致,还可以表示其范围及强度.结合纬向平均纬向风零线和经向偏差,对气候平均的副热带高压带以及其季节变化和年际变化等三维特征进行了分析.结果表明,对流层中,随高度升高,气候平均的副高带脊线向赤道靠拢,强度减弱,范围缩小.副高带脊线的季节变化和年际变化均很明显,并且表现出对流层整层的同时的变化特征.对流层中上层副高带的强度,夏半球强于冬半球,北半球的变化较南半球大.尤其在北半球夏季,副高带在对流层中、上层随高度升高而增大;其脊线的移动也表现出一定的跳跃性.这些结果表明对副热带高压带的研究,从整体上进行是必要的.     

500 hPa场的纬向平均地转风的经向廓线分布与稳定波型的联系

应用蒙特卡罗方法、奇异值分解（SVD）、自然正交分解（EOF）和回归分析等统计方法，探讨冬季北半球海平面气压场与 500 hPa高度场、500 hPa纬向平均场和纬偏场（Z5ua）中稳定波的联系。依据正交分解分析，海平面气压场的第一与第二特征向量权重之比远大于 500 hPa，其比值达2倍，而且它的第一特征场更具有纬向对称性。在应用蒙特卡罗方法讨论上述两场的第一与第二特征向量时间序列的差异时，海平面气压场第一特征向量是十分稳定的，不因随机抽样而改变，一再重复出现；因此认为海平面气压场的第一特征向量场比 500 hPa高度场具有更好的重复性和代表性。在比较海平面气压场第一特征向量时间序列（即北冰洋涛动指数）与 500 hPa场上 35°N－55°N纬向风差值（即 Ut指数）时，两者的相关达 0．85；在它们与 500hPa纬向平均风场的回归廓线图中。无论在振幅和极大极小值的位置上，都十分相似。在比较上述两指数与纬偏场（Z500）的回归场时，所有的正负大值中心，位置全部一一对应，中心值也相近，尤其在北大西洋和欧亚大陆。在 500 hPa纬向平均风场和纬偏场（Z500）的奇异值分解分析中，其结果正与上述两回归场相仿；应用正交分解分析Z500场，其第二特征向量场与上述的回归场也完全一致。因此认为这种覆盖整     

两种再分析资料平流层温度场的对比分析

在Lorenz环流分解基础上,比较了全球平流层低层ECMWF和NCEP/NCAR两种再分析资料月平均温度场的差异。结果表明：（1）纬向的平均温度无论DJF季度还是JJA季度100 hPa,30°S～30°N纬带都是冷中心;在该冷纬带ECMWF资料温度均值显著低于NCEP资料,ECWMF资料的年际方差显著小于NCEP资料。（2）30 hPa以上NCEP资料的定常波比较杂乱,在中纬大陆上出现与事实不符的高低中心,而ECMWF资料反映的气温定常波则比较合理。（3）ECMWF资料在100 hPa和10 hPa上气温异常未能充分地反映近50 a来3次强的火山喷发引起的平流层增温。     

北半球500 hPa高度场定常波不平稳性分析

提出并阐明Lorenz环流分解意义下的定常波不平稳性概念,它是月平均网上纬向波动分量气候变率与定常波强度相对大小的表征.根据Lorenz环流分解,定义全域(局域)定常波不平稳度Ius(I1us),分析了北半球500 hPa位势高度场定常波强度较大的30°-60°N纬带的定常波不平稳性,结果表明:(1)全城定常波不平稳带位置存在季节件北进、南退过程.平稳的定常波出现在冬季的35°-55°N的中纬度带和夏季的副热带地区(35°N以南),分别与冬季的东亚大槽、北美槽和较弱的欧洲槽,以及夏季的副热带高压等系统相联系.不平稳度的高值中心出现在春季的35°N和夏季的50°N,这与定常波强度季节变化和月平均图上槽脊位置、强度年际异常有关.(2)局域定常波不平稳度存在着明显的纬向不对称性.平稳带通常位于定常波的强槽强脊所控制的区域,而不平稳带通常位于定常波强度较弱的区域.副热带(35°N及以南)局域定常波不平稳度冬强于夏,中纬度(35°N及以北)则夏强于冬.夏季局域定常波不平稳度地理分布具有复杂的结构.但无论冬夏,北欧是定常波最不平稳的地区,北美大陆附近的定常波则相对平稳.(3)夏季,从华北经东北至北太平洋存在一个定常波不平稳度高值带,其高值中心位于中国黑龙江省东部(45°N,130°E),主要影响中国北方(东北、华北、西北),可能是该区夏季气候脆弱带的环流成因.     

全球大气垂直环流间的相关分析

利用三维分解方案对全球大气环流进行分解,得到全球大气垂直环流分量,计算各大气垂直环流活动中心之间以及赤道中太平洋大气垂直环流与全球大气垂直环流的相关系数,分析表明,全球大气垂直环流活动中心的季节变化具有明显的一致性,南半球热带垂直环流和亚洲季风环流关系密切;赤道中太平洋地区纬向垂直环流与热带大气经向垂直环流有较强的同步变化特征,与青藏高原上空大气纬向环流关系密切     

利用自然正交函数分解气象要素场遥相关结构的两种方案

本文利用自然正交函数提供了分解气象要素场遥相关结构的两种方案(斜交模态方案和正交模态方案)。对北半球(包括低纬区域)月平均气压场的遥相关结构的分解表明,斜交模态方案适用于自由大气高度场遥相关结构的分解,正交模态方案则适用于海平面气压场遥相关结构的分解。     

北半球一月和七月100百帕高度场遥相关结构的分析

利用文献[1][2]给出的分解气象要素场遥相关结构的斜交模态方案,分析了北半球一月和七月100百帕高度场的遥相关结构。结果发现,一月遥相关结构中存在明显的负遥相关联系,它们与阿拉斯加脊位置和强变的年际振荡有关;七月遥相关结构中不出现负遥相关联系,正遥相关联系与低纬高压带强度的年际同步振荡有关。     

夏季北半球环状模态及其周期分析

对NCEWNCAR再分析资料中的北半球夏季（6—8月）海平面气压（sea level pressure,SLP）场进行EOF分解,其主要模态之一为夏季北半球环状模态（Northern Hemisphere annularmode,NAM）,体现出大气的纬向对称结构,SLP异常场在北极和中高纬地区呈现反相变化分布。通过经验模态分解和希尔伯特变换可知,夏季的环状模态具有准2a和准6a的年际周期,同时还具有准11a和准21a的年代际周期,其年际周期信号占主要部分。     

热带OLR异常的遥相关结构及其季节变化

本文用单点相关研究了1月和7月热带OLR异常的遥相关结构及其季节变化。结果表明，热带纬带（15°N-15°S）遥相关型具有纬向偶极结构和准驻波性。1月遥相关具有热带波数2的结构，它反映了东非（赤道中太平洋）和南美（热带西太平洋）之间的非绝热加热异常存在翘翘板（Seesaw）关系；7月遥相关呈热带1波型，它同全球最强的行星尺度热源异常的东西振荡相联系。遥相关型对季节变化的敏感性主要表现为全球热带纬带几个热源（汇）区强度变化和纬向位移，以及东非的遥相关在6-9月符号变异，并由此引起遥相关型从冬到夏从波数2向波     

7月中低纬地区流场的模拟特征

利用ｐ－σ混合坐标系原始方程５层球带模式，对７月中低纬流进行数值模拟，重点分析近地面流场，经圈环流、纬向风随高度的变化及越赤道气流的模拟特征，结果表明，季风区和非季风区的经圈环流及纬向风的垂直分布，存在着明显的差异，并能清楚地看到海陆热力差异对大气环流的影响。     

夏季低纬地区散度风分量准40天振荡的观测研究

本文用ECMWF逐日资料分析了1982年夏季30°S—30°N纬带散度风分量Vx准40天振荡的空间分布和传播特点。结果表明:整个纬带振荡周期长度比较一致;高低层间反位相,辐散与辐合相反配置;强度分布有明显地域性,季风区最强,850和200hPa上振幅分别是1和2m/s左右,亦道附近110°W两侧(?)x有分别向东西两个方向传播的现象。     

中低纬太平洋夏季次表层海温异常年代际变化的时空特征比较

对1955—1998年的夏季次表层(0~400 m)海温进行了EOF分解,对比分析了中低纬太平洋夏季次表层海温的年代际变化特征。结果表明:中纬太平洋夏季次表层海温有2种年代际分布模态:0~160 m表现为PDO型,200~400 m表现为全区一致型;低纬太平洋夏季次表层海温有3种年代际分布模态:0~60 m和300~400 m为全区一致型,80~240 m为东西反向型。太平洋夏季次表层海温异常的年代际变化在中低纬都存在从上而下的时间滞后;而同一层中低纬太平洋夏季次表层海温年代际突变的时间也不一致。     

时-空二维波传播分解方法及其在季节内振荡分析中的应用

大气季节内振荡最显著的特征之一就是其复杂多变的传播特征。为了进一步分析大气季节内振荡的传播特征及其不同传播方向分量的不同作用,基于波的传播理论,对时-空谱分析进行了发展,提出了时-空二维波传播分解方法,并用理想函数验证了其正确性和可行性。结果表明:对任一时-空二维序列,采用此方法均可正确地分解得到空间上具有不同传播方向的3部分分量:前进波、后退波和驻波分量。之后,对向外长波辐射(OLR)、200和850hPa纬向风的东传、西传分量以及驻波分量分别进行联合经验正交函数(CEOF)分析。结果表明,在东传分量上,热带大气季节内振荡主要表现为纬向1波的向东传播,与对流层高、低层纬向风呈现反位相的斜压结构,和未分解的情况相比,前两个主要模态重要性的排序出现了颠倒,说明通过时-空二维波传播分解,避开了各分量之间的相互影响,进一步揭示了前两个模态的物理意义及其在季节内振荡中的重要性;在西传分量上,热带大气季节内振荡主要表现为纬向2—3波的向西传播;驻波分量主要表现出印度洋和太平洋的反位相结构。对热带地区大气季节内振荡的东、西分量的分析,深化了对热带大气季节内振荡东传、西传特征的了解,这对于热带大气季节内振荡更加准确预报及其...