平流层与中间层大气动力学的研究

平流层与中间层位于对流层顶之上到80公里左右的高度,它占据着大气总量的20%左右。它的变化直接影响着对流层大气的运动,因此,要搞清楚对流层的气候形成及中、长期天气过程的物理机制,就必须研究平流层与中间层大气环流及其形成的物理机制。 由于平流层含有臭氧,它吸收着太阳辐射中的紫外线,形成了以平流层顶为中心的高温层;并且,平流层及中层大气与对流层大气不同,它没有水蒸汽的凝结,不与海洋及地表     

中层大气重力波的研究

中层大气(Middle Atmosphere)是近十多年来被广泛使用的一个新名词,它是指从对流层顶的10——16km到湍流层顶约100km之间的大气层,即中层大气由平流层、中间层加上热成层下部的一小部分组成。黄荣辉对中层大气的一般动力学、行星波动力学和赤道平流层波动及其与基本气流相互作用的近期研究作了评述。本文侧重综述中层大气内的重力波及其与基本气流的相互作用。     

冬季平流层大气环流平均槽脊的形成

本文利用一个π坐标的3层模式描写对流层和平流层的大气运动。由线性化方程的解,讨论了大尺度地形和加热分布的控制作用和定常扰动。 结果得到:(1)地形和对流层热源的超长波扰动,可以传播到平流层中,扰动振幅向上增强,地形波的位相近于垂直,而热源波的位相随高度向西倾斜。(2)地形和热源对平流层平均槽脊的形成都是重要的。但对流层和平流层大气的热源、热汇对30mb阿留申高压的形成起了主要作用。(3)平流层扰动的强大振幅主要是由于平流层大气密度很小所造成的。     

平流层和中层大气研究的进展

平流层和中层大气研究是20世纪70年代以来持续得到大气科学界和日地物理界共同关注的研究前沿.中国科学界在文化大革命结束后立即抓住这一前沿作为发展重点之一.20多年来,中国科学院大气物理研究所等单位较为系统地开展了这一方向的研究,并在一些方面进行了前沿性的工作.作者着重介绍以下几方面的进展:(1)平流层和中层大气探测设施与探测方法;(2)大气臭氧、平流层气溶胶的监测与分析;(3)行星波在中层大气环流与大气臭氧分布中的作用;(4)重力波在中层大气的传播特征与作用;(5)平流层-对流层交换的动力物理与化学问题.     

球面斜压大气中上传行星波与纬向平均气流的相互作用

本文指出在球面斜压大气中的行星尺度扰动与纬向平均气流相互作用中必须考虑非地转风分量对位涡度南北方向输送的作用,从而证明了球面大气中行星尺度运动的波作用守恒,并求得球面大气中的行星尺度扰动与纬向平均气流相互作用的欧拉平均运动方程组。 本义利用1979年2月的实际天气观测资料分析了北半球一次对流层阻塞形势建立与平流层爆发性增温过程的行星波与纬向平均气流的相互作用。从分析结果可以看到:由于行星波向上传播,使得在高纬度对流层中、上层出现行星波的波作用通量(也称E-P通量)辐合,使得西风气流减速,因而在高纬度对流层中、上层形成阻塞形势。并且,随着行星波的继续向上传播,使得平流层下、中层的基本气流相继减速并出现东风,因而在平流层下、中层出现爆发性增温。然而,由于高纬度对流层低层出现东风,行星波不能往上传播,在上层波的E-P通量矢量变成辐散,气流由东风又变成西风。     

北半球准定常行星波气候平均态的资料分析和数值模拟

利用NCEP/NCAR再分析资料和大气环流模式(CCSR/NIES AGCM Ver 5.6),对北半球准定常行星波的气候平均态分布进行分析和模拟.再分析资料分析的结果表明:北半球冬季,准定常行星波沿两支波导向上传播,其中一支在对流层上层转向中低纬度传播,另外一支折向高纬度,通过极地波导上传到平流层.其中,1波和2波可以上传到平流层,因而其振幅分布除在中低纬的对流层上层出现一个次大值外,在高纬度平流层中上层会出现一个最大值,3波则主要限制在对流层,其振幅分布除在副热带对流层上层出现一个次大值外,最大值出现在中纬度对流层上层.北半球夏季,整个平流层为东风环流,极地波导不存在,行星波不能上传到平流层,在对流层活动也较弱,1波、2波、3波的传播情况大致相似,表现为在对流层上层由中纬度向赤道地区的传播.相应的振幅分布是,对1波和2波而言,最大值出现在中低纬对流层顶附近,同时在中高纬对流层上层出现一个次大值,而3波的振幅分布正好相反,最大值出现在中高纬对流层上层,次大值则在中低纬对流层顶附近.利用大气环流模式进行的数值模拟表明,模式可以比较好地模拟冬夏季准定常行星波的传播路径,但模拟的北半球冬季沿极地波导向平流层的传播明显偏弱,其结果是对1波、2波而言,高纬度平流层中上层的振幅最大值明显小于再分析资料的数值.文中还讨论了数值模拟与资料分析中行星波的差异可能对大气环流模拟的影响.     

大地形和热源的动力控制与超长波活动关系的初步研究

考虑静力稳定度在垂直方向上的不均匀性,给出一个简单的讨论对流层中层、平流层下层运动的一参数模式。在线性化下研究了大地形和热源对超长波活动的控制作用: (1)地形和热源可使超长波在固定的地理区域摆动和加深,说明一些大槽和阻塞高压易于在一定的地区维持。 (2)超长波振幅变化存在10—30天的周期,长短决定于大气运动的尺度、结构和地球自转。 (3)在一定的大气参数保持不变的情况下,扰动在极长时间中建立了定常状态。计算表明,在对流层中层所观测到的平均槽脊正是地形和热源所造成的定常超长波系。     

北半球两大地形下游冬季环流的动力分析——Ⅱ.行星波的垂直传播

线性、定常、多层半球谱模式模拟结果表明,在东亚纬向气流下,青藏高原能在平流层激发出强大的1波扰动,脊槽分别位于太平洋和大西洋上空。在北美纬向气流下,落基山在平流层激发的1波很弱。观测资料计算指出,对流层行星1波很难通过北美对流层顶上传,但却能自由穿过东亚高纬度地区的对流层顶向平流层传播。北美地形所激发的波动在上传过程中均折向低纬传播。青藏高原所激发的行星1波和2波在上传过程中有分支:折向低纬的一支主要局限在对流层中;折向高纬的一支进入平流层。模拟和分析证明,这些差异是北半球两大地形不同的动力作用的结果。     

春季青藏高原西北侧一次平流层臭氧向对流层传输的模拟研究

利用NCEP/NCAR FNL客观分析资料和欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的Interim再分析资料以及臭氧监测仪(OMI)的臭氧廓线资料,结合区域大气化学模式WRF-Chem对中国春季一次高空冷槽过境引起的对流层顶折卷过程(2012年3月19—21日)进行了分析,并从平流、湍流混合、对流输送等几个方面诊断分析了平流层臭氧向对流层的传输特征和细节。结果表明,发生于青藏高原西北侧的对流层顶折卷事件,其所在位置处于热带对流层顶向中纬度对流层顶的过渡区,由于陡峭的对流层顶南北梯度,在该区域发生的平流层-对流层物质交换(STE)比对流层顶东西方向折卷引起的物质交换要强烈和持久,跨越等熵面的物质交换和湍流混合对平流层-对流层物质交换有很大的贡献。大地形对平流层-对流层物质交换过程有显著的影响,且具有明显的日变化特征。早晚时段,大地形导致的爬坡上升气流显著,抑制了平流层空气与对流层空气的混合交换。午后,大地形热力作用增强,受背风坡局地环流的影响,靠近山顶处湍流混合作用对上对流层臭氧浓度升高的贡献显著增强,且地形越高,这种效应越显著。地形的湍流混合作用在2.5 km高度以上凸显,此高度之上地形平均高度每升高100 m,湍流混合的贡献增加约1%。     

平流层－对流层相互作用的多尺度过程特征及其与天气气候关系—研究进展

在过去5年中,在国家自然科学基金委员会和中国科学院的项目支持下,针对以大气上下层相互作用中的多时空尺度过程特征及其与天气气候的关系为主要关注内容,开展了几个方面的研究。本文介绍其中的一些主要进展与结果,包括:(1)平流层臭氧的探测与分析研究;(2)平流层－对流层质量交换(STME)与对流层顶特征研究;(3)中层大气多尺度波动特征研究;(4)大气辐射传输和中层大气卫星临边遥感新方法研究。     

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。     

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。     

平流层大气动力学及其与对流层大气相互作用的研究:进展与问题

本文综述了近年来关于平流层大气动力学及其与对流层大气相互作用动力过程的研究进展,特别是回顾了近年来关于平流层大气环流和行星波动力学、热带平流层大气波动及其与基本气流相互作用、平流层大气环流变异对对流层环流和气候变异的影响及其动力过程、平流层大气数值模拟以及在全球变暖背景下平流层大气的长期演变趋势预估等的研究进展。最近的研究揭示了大气准定常行星波传播波导的振荡现象、重力波在热带平流层准两年振荡和全球物质输送中的作用、平流层长期的变冷趋势变化、平流层在对流层天气和气候变化中的作用等现象,表明了平流层大气动力学研究的重要性。平流层大气动力学的深入研究,以及对数值模式中平流层模拟性能的提高,最终都会推动整个大气科学和气候变化研究的进一步发展。     

利用HALOE资料分析中层大气中水汽和甲烷的分布特征

利用1991年12月至2004年5月的HALOE资料，分析了中层大气中微量气体水汽和甲烷的垂直和水平分布特征。垂直分布特征是:水汽混合比在对流层顶和平流层底达到极小值（此极小值区被称为湿层顶），平流层里水汽混合比随高度增加，在平流层上层和中间层低层混合比出现明显的扰动，在中间层顶再次达到极小值，向上混合比又随高度增加。甲烷混合比从100 hPa附近向上混合比一直减少。经向分布特征主要表现为:平流层中下层水汽混合比低值区在热带地区上拱，水汽混合比自低纬向高纬递增；而该气层甲烷混合比则是高值区在热带地区上拱，甲烷混合比自低纬向高纬递减。在低平流层副热带20°S～30°S（20°N～30°N）附近二者混合比水平梯度相对偏大。平流层中上层二者等值线在北半球夏季变成双峰形势，北半球冬季仍是单峰形势。中间层二者都主要表现为冬、夏季分布形势相反。在北半球夏季30°N，平流层中下层水汽和甲烷混合比纬向梯度很小，对流层上层以及中间层二者混合比纬向梯度明显。     

用线性化全球原始方程谱模式研究地形强迫行星波垂直传播特征

本文用线性化全球原始方程谱模式来研究地形强迫行星波的垂直传播过程及演变特征.模式的积分结果表明:行星波的能量沿两支波导进行传播,在波从对流层向平流层传播中,极地波导起着主要作用.由于重力波破碎的阻尼作用,地形强迫的行星波无论它的波作用量或振幅都呈现振荡状态.     

基于秒级探空资料分析四川重力波统计特征

利用2014年6月-2017年9月的秒级探空资料,选取四川地区5个代表性站点研究重力波在对流层（2~10 km）和平流层（18~25 km）的时空特征。选取结果表明:重力波能量在四川地区各个高度均存在明显的季节变化,冬季强,夏季弱;在对流层由于地形影响,川西和川北高原地区的能量小于其他地区。垂直波长没有明显的时空变化,在对流层和平流层分别集中分布于1.5~3 km和1.5~3.5 km;水平波长则差别较大,分别分布于0~300 km和100~700 km,平均值分别为100 km和350 km。重力波固有频率在对流层有较大的区域差异,表现为在四川西北部的高原地区固有频率平均值为3f（f为地转参数）,其他地区则仅为2.4f;平流层则没有明显的差异存在,均约为2f。四川地区重力波的垂直传播方向特征基本相同,在对流层约有50%的波动向上传播,平流层则有90%以上的波动向上传播。水平传播则存在明显的不确定性,特别是对流层;平流层水平传播方向存在明显的季节变化,表现为夏季重力波多向偏东方向传播,而其他季节则向偏西方向传播。     

平流层与中间层动力气象学

此书是美国气象学会气象丛书第十五卷,华盛顿大学大气科学系教授J·R·霍尔顿(Holton)著,1975年8月波土顿出版。内容有探测基础、动力模式的发展、平流层和中间层的斜压不稳定、受迫波动和波—带流动的相互作用以及平流层与中间层大气环流数值模式的建立。     

冬季北半球平流层季节内振荡与对流层季节内振荡的关系

通过平流层大气ISO与对流层大气ISO的比较分析,发现在中高纬地区平流层大气ISO与对流层大气ISO有着许多相同点.北半球冬半年平流层大气环流主要低频模态也可认为是北极涛动(AO),其空间分布的主要特征为; 高纬度地区与中低纬度地区为反位相变化,北极地区附近具有最大的变化值; 其季节内振荡的正位相对应于AO增强,负位相对应于AO减弱.北半球冬半年平流层100 hPa 和70 hPa 位势高度场的低频遥相关分析表明,北极地区(概指北纬60°N以北)和北半球其他大部分地区呈负相关,北极涛动扮演了非常重要的角色.同时,北半球冬半年平流层的主要低频波列是从欧亚大陆中部到西北太平洋,并且由纬向型低频波列(欧亚大陆-西伯利亚-太平洋)和经向型低频波列(欧亚大陆-北极-太平洋)共同构成.平流层30 hPa 和对流层500 hPa 上经过带通滤波(15～90 d)位势高度场的EOF第一主分量的形势有十分类似的特征,它们对应的时间系数序列有显著的延迟相关关系.因此可以认为,北半球平流层大气ISO的变化要先于对流层大气,在滞后35 d 左右其相关系数达到最大.大气环流模式(SAMIL)的数值模拟试验结果也表明,平流层的低频扰动可以在14 d 之后便在对流层500 hPa上激发出低频响应,其谱峰在30 d 左右.这进一步表明,通过大气季节内振荡,平流层的异常可以影响到对流层.     

臭氧变化的气候效应——一个回顾

一、引言臭氧-气候问题在近五年内已经引起学者们的广泛注意,其主要原因是人们揭示了这样的可能性:人类活动可以明显地改变现有的大气臭氧浓度。而且,如Ramanathan所总结的,一些研究已经指出:太阳活动可以引起中层大气(即25公里以上的气层)中的臭氧浓度发生较大变化。本文将讨论由于臭氧浓度的波动和变化所能造成对对流层-平流层气候的可能影响。对流层臭氧的变化可以直接通过改变原来的对流层辐射增温率而影响气候,另一方面,平流层中的臭氧变化通过平流层和对流层之间的辐射与动力耦合机制,影响对流层的气候。首先,我们定性阐述这些相关机制的特征;然后,给出臭氧含量变化的各种类型,最后,归纳出考虑了臭氧含量变化之气候效应的模式。     

热带平流层与对流层之间相互作用的研究进展

以热带平流层和对流层大气中的准两年振荡和ENSO现象,以及热带平流层和对流层交换（STE）过程为主轴,介绍了热带平流层和对流层大气相互作用方面的一些研究进展。众多的研究结果表明,平流层准两年振荡（QBO）和对流层准两年振荡（TBO）存在潜在联系,但二者之间相互作用的物理机制还不是很清晰。QBO对平流层大气中化学成分的空间分布具有显著的影响,但其中的化学-辐射-动力反馈作用目前还未得到充分的研究。以往的研究提供了ENSO影响热带平流层大气令人信服的证据,但影响的程度和范围还未形成一个共识,其中一个原因是平流层内的ENSO信号受到火山喷发和太阳活动的干扰。一些研究指出ENSO事件通过改变行星波的强度和传播对极地平流层大气产生影响,而平流层过程也会对ENSO的发生、发展和演变产生影响,但其可靠性需要进一步的确证。目前,一个较一致的结论是全球变暖会导致热带上涌增强,STE加快。然而,影响热带STE的大气过程较多,特别是季风系统和热带深对流系统对STE的贡献还需要深入的分析研究。