北半球冬季行星波的传播及其输运作用

利用变换欧拉平均方程讨论了行星波动力学。观测和模拟结果都表明,在北半球冬季准定常行星波的经向传播存在两支波导。一支为高纬度波导,另一支则为低纬度波导。这些结果与理论分析相当一致。通过对EP通量进一步的研究表明,平流层爆发性增温是沿高纬度波导传播的异常行星波与平均气流相互作用的结果。而热带风场的准两年周期振荡（QBO）是低纬度平流层下层大气纬向平均流的一个重要年际变化,它可以影响行星波沿低纬度波导的传播;此外,由一个行星波一平均流耦合模式模拟的结果表明,这个热带风场的变化还可以通过波流相互作用调制行星波沿高纬度波导的传播。 行星波对臭氧的输运作用在文中也进行了分析。行星波强迫出的剩余平均环流表明,耗散的行星波有强的输运作用;向北的涡动热量输送可以强迫出一个正的输运环流,其在低纬度上升并在高纬度下沉。同时研究还表明,热带风场的QBO对行星波传播的调制对输运环流也有重要影响,模式结果表明,在QBO的东风位相期间行星波引起的输运作用明显增强,其结果可用于解释平流层高纬度臭氧的年际变化。     

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。     

中层大气行星波在臭氧的季节和年际变化中输运作用的数值研究──Ⅰ．常定流的情况

本文构造了一个３４层球坐标原始方程波－流相互耦合谱模式，利用此模式从拉格朗日平均环流的观点研究了在常定流下行星波对臭氧的输运作用。研究结果表明，行星波对臭氧的输运有明显的季节变化，在北半球冬季，由于行星波上传到平流层而大大增强了中高纬地区向极地向下的Ｏ３输运；并且还表明，热带纬向风的ＱＢＯ不仅通过影响东、西风切变而引起热带Ｏ３分布的年际变化，而且通过影响行星波的传播引起了行星波对Ｏ３输运的年际变化，这表现为当热带纬向风处于东风位相时，中高纬地区行星波对Ｏ３的输运比西风位相时强。     

Interaction between Planetary-Scale Diffluent Flow and Synoptic-Scale Waves During the Life Cycle of Blocking

In this paper, a new transient forced quasi-resonant triad interaction theory in a beta channel is proposed to investigate the interaction between planetary-scale diffluent flow composed of zonal wavenumbers 1--3 and synoptic-scale waves produced continuously by a synoptic-scale vorticity source fixed upstream of an incipient blocking region during the life cycle of blocking. It is shown that the superposition of initial three Rossby waves for zonal wavenumbers 1 (monopole), 2 (dipole), and 3 (monopole), which permit triad quasi-resonance, can represent an incipient blocking event. The synoptic-scale eddies may act to amplify the incipient blocking and to excite a blocking circulation with a strong meander, whose flow pattern depends on the initial amplitudes of the planetary waves and both the intensity and location of preexisting synoptic-scale waves. The onset (decay) of the planetary-scale split-flow blocking is mainly represented by a strong increase (decrease) in the amplitude of the zonal wavenumber 2 component, having a dipole meridional structure related to the preexisting synoptic-scale eddies. The typical persistence time of the model blocking was of about 20 days, consistent with observations of blocking patterns. In our model, isolated asymmetric dipole blocking is formed by synoptic-scale waves. The instantaneous fields of total streamfunctions exhibit a remarkable resemblance to the synoptic maps observed during the life cycle of blocking. During the onset stage, the synoptic-scale waves are enhanced and split into two branches around the blocking region due to the feedback of the amplified blocking, in agreement with the observed changes of synoptic-scale waves in real blocking events. In addition, a diagnostic case study of blocking is presented to confirm the forced quasi-resonant triad interaction theory proposed here.     

THE ROLE OF THE MERIDIONAL CIRCULATION IN STATIONARY WAVE PROPAGATION

In a general baroclinic atmosphere,when the basic state includes meridional circulation,the sta-tionary waves might not only pass through the equatorial easterlies,but also strengthen significantly.The orographic forcing in the Northern Hemisphere mid-latitude might cause marked responses in thelow latitude atmosphere.This suggests that the meridional circulation plays an important role in theconnection of stationary responses in mid and low latitudes,and so does the heating forcing in theNorthern Hemisphere mid-latitude.Forced by the heating forcing in the Northern Hemisphere mid-latitude,the features similar to the Northern Hemisphere summer monsoon circulation can be ob-tained.It appears that the meridional circulation plays certain role in the formation of summer mon-soon circulation.The heating anomaly forcing located at the eastern equatorial Pacific makes the sta-tionary waves present PNA(Pacific-North America)pattern in the winter hemisphere,but it doesnot in the summer hemisphere.It suggests that the meridional circulation has a marked influence onthe route of stationary wave propagation both in the winter and summer hemispheres.     

1950年平均经圈环流与角动量的平衡

本文利用了Buch和Starr与White所计算的1950年各纬度上空的平均经向风速([V]),绘制了子午面上的平均环流(全年:图1,冬季:图2,夏季:图3),图中显示出三个环型(cell),低纬度和高纬度的两个正环型与中纬度的逆环型。 1950年平均西风急流的位置正好处于中纬度的逆环流之中。全年平均的赤道辐合线位于北纬5°左右。自夏至冬三个环型均向北移,冬季半球Hadley环型伸向夏季半球去。三个环型的强度都是冬季大。 对于1950年北半球10°—70°的角动量平衡也作了分析(图4),并绘制了这个空间中角动量输送流线图(图5),其中应该提出,就是通过东西风的界面流线是铅直的,也就是总的来说,在东风带里产生的角动量不是在水平方向上输送到西风带里去,而是在铅直方向上输送到低纬度的高空西风里去,再由那里在水平方向上送到中高纬度去。 最后对于平均纬圈环流的维持也作了讨论,结论是:在中高纬度大型扰动起着主导作用,在低纬度则平均经圈环流是重要的。     

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。     

一个海洋环流模式模拟的北印度洋经向环流及其热输送

对比两个同化资料GODAS（Global Ocean Data Assimilation System）和SODA（Simple Ocean Data Assimilation）,考察中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室发展的气候系统海洋模式LICOM（LASG/IAP Climate system Ocean Model）模拟的北印度洋经向环流及热输送的气候态。LICOM能抓住北印度洋大尺度环流的季节变化特征,模拟的年平均越赤道热输送为-0.24 PW （1 PW=1015W）,较之以往的数值模式结果更接近观测和同化资料。与同化资料的差异主要体现在季节变化强度,北半球夏季在赤道以南偏弱0.5 PW,这与模式夏季的纬向风应力偏弱,热输送中的大项Ekman热输送模拟偏弱,从而模拟的经圈翻转环流较浅有关。     

西风角动量输送的气候特征及其与急流关系研究

利用1958～1997年NCEP/NCAR一日四次的风场再分析资料,系统地分析了季节平均西风角动量（即u角动量）经向、垂直输送通量及其三个分量（平均经圈环流、定常波、瞬变涡输送通量）的气候特征,特别是讨论了12～2月、6～8月它们与东、西风带、副热带西风急流、极夜急流之间的联系。结果表明:（1）包含纬度因子的角动量通量与动量通量在高纬地区存在显著差别,高纬对流层上部的强动量输送中心在角动量通量中不明显。而u角动量强经向输送主要在中低纬对流层顶附近和冬半球高纬平流层顶附近,副热带西风急流和极夜西风急流均位于u角动量强向极输送中心及其高纬一侧的辐合区中。（2）发现三个输送分量对急流维持的作用随纬度、季节不同。北半球冬季（夏季）的副热带西风急流主要由平均经圈环流（强度相当的定常波和瞬变涡）强经向输送及辐合维持;南半球西风急流全年均由平均经圈环流和瞬变涡旋输送及辐合维持;冬半球中平流层极夜急流主要由定常波、瞬变涡旋输送及其辐合共同维持。（3）热带东风区是牵连角动量（即Ω角动量）的高值区,它主要由平均经圈环流向对流层上部输送;冬半球副热带及中纬西风区存在u角动量垂直输送的切变区,它主要由平均经圈环流和瞬变涡旋完成;热带对流层顶附近有u角动量的定常波弱向下输送。     

北半球定常波输送西风动量的气候态及其年变化

利用高分辨率的再分析资料ERA40，分析了纬向平均状态下北半球不同尺度的定常波对西风动量沿经向输送的气候态及其年变化。结果表明，对流层中定常波对西风动量输送最强的区域位于中纬度对流层的中上层，定常波在该区域长年向北输送纬向动量，且输送中心随季节有南北移动和强弱变化。此外，在高纬度地区的对流层中上层以及赤道对流层顶附近还有两个相对较弱的输送中心。前者对西风动量的输送长年向南，其垂直范围从对流层低层一直伸展到平流层下层，中心位置相对固定，强度有明显的季节变化。后者位置也相对固定，但输送方向随季节改变。平流层中定常波对西风动量的输送主要位于中高纬度的平流层中上层，定常波在该区域长年向北输送西风动量，中心位置非常稳定，而强度则随季节变化明显。行星尺度定常波的输送作用与总波动的输送作用非常一致，并在很大程度上决定了波动对动量输送强度的季节变化。天气尺度定常波和10波以上的短波的输送作用主要集中在中纬度对流层的中高层。前者与行星尺度定常波共同决定了该区域内的输送强度，并主导了输送中心的南北移动；后者的作用很小，除夏季外均可以忽略。作者给出的不同尺度定常波对西风动量输送的气候态分布不但可以作为日后研究其年际变化的基础，而且还可以为大气环流模式对大气环流模拟能力的评估提供重要的参考。     

从Rossby波能量频散理论到准定常行星波动力学研究的发展

本文是为纪念叶笃正院士诞辰百周年和他对大气动力学发展的重大贡献而撰写的.叶先生在20世纪40年代所提出的罗斯贝波能量频散理论不仅至今仍广泛应用于天气预报,而且开创了准定常行星波动力学的研究.在罗斯贝波频散理论的启迪和引领下,行星波动力学和大气环流异常遥相关的研究取得重要进展.特别是关于准定常行星波在二维和三维球面大气的传播特征以及北半球夏季大气环流异常的EAP(East Asia-Pacific)型和"丝绸之路(Silk Road)"型遥相关及其机理已做出系统的研究,本文简要地回顾这些研究.并且,本文还回顾了在叶先生所提出罗斯贝波能量频散理论的引领下,近年来我们关于东亚冬、夏季风和我国气候灾害的年际和年代际变化的内动力学机理研究所取得的进展.     

An assessment of the influence of land cover uncertainties on the simulation of global climate in the early Holocene

Six and 21 kyear BP represent the extreme states of climate since the last glacial maximum. The early Holocene, in contrast, was a time of transition, experiencing rapidly melting continental ice sheets, rising sea-level, and increasing summer insolation. Key features of the climate, illustrated by an NCAR CCM3 general circulation model experiment representing 11 kyr BP, include enhanced continentality and seasonality, and an enhanced northern monsoon. The principal circulation responses to the 11 kyr BP boundary conditions can be summarized as an intensification and northward shift of the mean meridional circulation and an intensification of the planetary wave structure of the Northern Hemisphere in northern summer, and a slight intensification of the mean meridional circulation coupled with a southward shift in the planetary wave structure in northern winter. These changes are manifest in the enhancement of the typical seasonal cycle of sea-level pressure in the Northern Hemisphere relative to that of the present day, and enhancement and equatorward shift of the Aleutian and Icelandic lows in northern winter. Over the period 15-8 kyr BP, within the current boreal forest zone, herbaceous tundra was replaced by shrub tundra, and subsequently by evergreen or deciduous forest, but there is uncertainty in the location, timing, and exact nature of these transitions. The specific location of the relatively small area of the Asian boreal forest-tundra transition can have an impact on regional climate, primarily in the net shortwave radiation component of the surface energy budget in spring, and in the cloudiness, net shortwave radiation, and turbulent heat fluxes in summer. These changes also have an impact on global climate. Our results suggest that the additional northern heating leads to a reduced equator-pole heat transport in the Northern Hemisphere which then influences heat and momentum transport in the Southern Hemisphere.     

热带海温异常影响夏季环流的机制研究

利用正压涡度方程模式对赤道东太平洋和赤道西太平洋暖池区海温异常影响夏季大气环流的机制进行了研究,结果表明:太平洋海温异常会对大气环流产生明显的影响,我国上空环流受其直接影响较小,大气对赤道东太平洋海温升高的响应比对西太平洋暖池海温降低响应明显.西太平洋暖池海温降低和赤道东太平洋海温升高都使极涡明显减弱,对中低纬度大气高度场的影响相反.赤道东太平洋海温升高,中低纬度地区槽脊活动表现不明显,而西太平洋暖池海温降低,会使大气高度场产生明显的槽脊扰动.西太平洋暖池海温降低和赤道东太平洋海温升高,会使涡度场、经向风形成沿驻波波列传播的扰动场.西太平洋暖池海温降低和赤道东太平洋海温升高同时发生时,经向风场使北半球所有的地方都产生了扰动(两条波列路径仍然清楚),沿纬圈和经向都呈有规律的正负相间的分布,扰动表现为驻波特征.     

SEASONAL TRANSITION OF EAST ASIAN SUBTROPICAL MONSOON AND ITS POSSIBLE MECHANISM

The NCEP/NCAR reanalysis datasets and Climate Prediction Center(CPC) Merged Analysis of Precipitation(CMAP) rain data are used to investigate the large scale seasonal transition of East Asian subtropical monsoon(EASM) and its possible mechanism.The key region of EASM is defined according to the seasonal transition feature of meridional wind.By combining the ’thermal wind’ formula and the ’thermal adaptation’ equation,a new ’thermal-wind-precipitation’ relation is deduced.The area mean wind directions and thermal advections in different seasons are analyzed and it is shown that in summer(winter) monsoon period,the averaged wind direction in the EASM region varies clockwise(anticlockwise) with altitude,and the EASM region is dominated by warm(cold) advection.The seasonal transition of the wind direction at different levels and the corresponding meridional circulation consistently indicates that the subtropical summer monsoon is established between the end of March and the beginning of April.Finally,a conceptual schematic explanation for the mechanism of seasonal transition of EASM is proposed.     

A NUMERICAL STUDY FOR THE EFFECT OF TROPICAL 40-50 DAY OSCILLATION ON ASIAN SUMMER MONSOON

By using a five-layer primitive equation model with P-sigma coordinates,the effect of convective heating source with the oscillation of a dipole pattern over the tropical Indian Ocean-Western Pacific on Asian summer monsoon is investigated.The results from simulations show that the oscillatary heating source may cause oscillations in east-west zonal circulation at the equator,in cross-equatorial flow,in meridional monsoon circulation and in the phase of high-low level circulation over Asia,with period same as that of the oscillating heat source.Furthermore,the influence mechanism of the tropical heating source associated with oscillations on Asian summer monsoon circulation is also studicd.It is clearly shown that the westward propagation of thermally-forced Rossy waves to the west of the oscillatary heating source and the northward propagation of disturbances can give rise to oscillations of the equatorial east-west zonal circulation and monsoonal meridional circulation.Finally,the oscillation of all the Asian summer monsoon circulation is formed.     

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。     

全球变暖减缓背景下欧亚秋冬温度变化特征和原因

采用气候序列变化趋势诊断和一元线性回归等分析法,研究和讨论了2000-2012年和1976-1999年两种年代际背景下全球陆地不同区域的年平均地表温度的变化特征。发现欧亚大陆中高纬度地区是对全球变暖减缓贡献最大的区域。且该地区在2000年以来秋季年代际增温,而冬季年代际降温。从同期大气环流的配置来看,在对流层低层,秋季西伯利亚高气压年代际减弱,而冬季西伯利亚高气压年代际增强。在对流层中高层,秋季从西欧至东北亚为"高-低-高"的高度场异常分布,纬向环流加强,经向环流减弱,而冬季极地与贝加尔湖地区的高度场呈偶极型分布,东亚大槽加深,经向环流加强。进一步研究发现,超前一个季节的喀拉海附近的海冰与欧亚中高纬度秋冬两季温度的年代际变率有着密切的联系。一方面,夏季(秋季)海冰减少影响秋季(冬季)中高纬度大气环流;另一方面,夏季(秋季)海冰减少,使得秋季(冬季)从北极至中高纬度大陆的对流层低层水汽含量增加(减少),大气逆辐射增强(减弱)导致秋季(冬季)增温(降温)。     

经圈环流对定常波传播的影响

在一般斜压大气中，基本气流中包含经圈环流时，定常波传播不仅能穿过东风带，而且明显增强。在基流含有经圈环流的情况下，北半球中纬度地形强迫可引起低纬大气的显著响应，这表明经圈环流在中低纬定常响应的相互联系中起着重要作用；北半球中纬度热力强迫可产生类似北半球夏季季风环流的波列分布，这说明经圈环流在夏季季风环流的形成中起着一定的作用；在赤道东太平洋加热强迫情况下，在冬半球可引起ＰＮＡ型的定常波传播波列，而在夏半球却没有明显的ＰＮＡ特征。这表明经圈环流对冬、夏半球的定常波传播路径有着显著的影响。     

准定常行星被对大气中臭氧输运的动力作用

本文从拉格朗日平均环流观点讨论了行星波对大气中Ｏ３。的输运作用。理论分析表明，当行星波是定常保守时，行星波对大气中Ｏ３没有输运作用；而非定常的行星被对大气中ｏ。有明显的输运作用，它可以强迫出一个正的输运环流、即从热带上升，而从高纬下沉的环流；此外，只有当耗散的行星波传播到平流层才会在平流层强迫出输运环流。为了说明行星波对大气中Ｏ３输运的动力作用，本文还利用一组３４层波－流相互耦合球坐标原始方程谱模式计算了地球大气中行星波对Ｏ３变化的作用，其计算的Ｏ３变化与实际观测到的Ｏ３分布变化很相似。     

夏季东亚副热带经圈环流特征及其对长江流域降水的影响

利用NCEP/NCAR 1979-2009年月平均风场资料,用质量流函数来定义东亚副热带的经圈环流指数,分析夏季(6-8月)东亚副热带经圈环流特征.结果表明,夏季东亚地区受反Hadlev环流影响,表现出与全球平均经圈环流不同的特征,用指数表征的东亚副热带经圈环流强度存在明显的年际和年代际变化.另外,利用相关性及水汽通量...