中层大气重力波的一种激发机制及其数值模拟 I. 非地转不稳定和波结构

本文用FGGE资料分析了1979年2月—3月一次爆发性增温期间平流层环流的不稳定性，从而说明在平流层爆发性增温期间伴随产生大振幅重力波活动的原因。分析结果表明:在平流层爆发性增温期间，大气中存在着很强的并且是系统性的非地转运动，从而产生非地转不稳定。强烈的地转偏差的存在激发出大振幅重力波。我们还应用一个线性化扰动方程求得了非地转不稳定判据；并且用数值方法分析了这次爆发性增温期间基流的特征谱点和不稳定波结构。计算结果表明基流满足非地转不稳定条件，具有快波性质的波动出现了不稳定。     

平流层爆发性增温动力机制的初步研究

本文用一个β平面纬向通道非绝热准地转的三层模式,研究平流层爆发性增温的动力机制.根据平均场对扰动的影响、扰动对平均场的影响以及平流层和对流层相互作用的解析表达式,得出有利于爆发性增温有关的自由行波异常增幅的大气条件.主要包括对流层的强感热交换、强切变和平流层的小静力稳定度. 模式大气的纬向平均温度和纬向风场变化都只由扰动热输送引起.整个增温过程按其产生、发展和消失的不同机制可分成三个时期:增温前期、增温盛期和增温后期.这些机制可以大致说明一些爆发性增温期间平流层和对流层大气环流出现异常以及随后又恢复到正常     

低纬斜压两层模式大气半地转适应过程

利用斜压两层模式研究了赤道平面近似下的低纬热带大气适应过程。指出低纬斜压大气适应过程主要受重力惯性内波控制。通过重力惯性内波对初始非地转能量的频散,使纬向运动达到地转平衡,而经向维持非地转运动,正压模式下称为半地转平衡,斜压模式下称为半热成风平衡。通过对垂直运动方程的求解,可知,垂直运动只与重力惯性内波相联系,其产生与初始斜压位涡度无关,而只与初始时刻的垂直运动和垂直运动倾向有关,半地转适应使运动趋向水平运动。讨论了半热成风平衡的建立及其物理机制,指出由于重力惯性内波激发出垂直运动,与垂直运动相联系的水平辐合辐散调整流场和温度场之间的关系,使温压场最终达到半热成风平衡。通过对适应过程终态的分析,指出平均温度场和切变流场之间的适应方向决定于初始非半地转扰动的尺度与斜压Ｒｏｓｓｂｙ变形半径有关的特征尺度的比值,当比值大于１时,切变流场向平均温度场适应;当比值小于１时,平均温度场向切变流场适应     

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。     

热带大气和海洋的半地转适应和发展运动

半地转适应和半地转发展是热带大气和海洋运动的两种基本形态,它们在时间上是可分的,反映了不同的物理过程。当初始扰动作用于大气或海洋时,首先将激发出重力惯性波,当重力惯性波频散后,建立起半地转的平衡状态,此后运动进入到以Rossby波（长波或短波）、Kelvin波和混合波中的Rossby短波为主导的发展状态。文中研究的纬圈半地转适应和发展运动,是Gill长波近似模式的理论基础。同时研究了经圈半地转适应和发展运动,实际上这相当于短波近似模式,它可以应用到研究海洋经圈边界附近的一类问题。     

论热带纬圈半地转运动的建立

文中在赤道β平面上 ,在滤掉低频 Rossby波的情况下 ,研究了纬圈半地转运动的建立。指出 ,只有当运动的纬圈尺度很大时 ,非地转风分量才能随着重力惯性波的频散而消失 ,从而建立起纬圈半地转平衡。应用位势涡度不变式 ,给出了纬圈半地转适应后物理场的解。同时指出 ,Kelvin波 (对赤道对称情况 )和混合波的 Rossby波波段 (对赤道反对称情况 )将不参与适应运动 ,它们属于发展运动中的角色。     

热带地转适应运动的动力学基础

文中讨论了热带斜压大气地转适应过程中的若干动力学约束关系 ,在不考虑行星位势涡度梯度的前提下给出了三维重力惯性波的频散方程、位势涡度时间不变式。在这基础上指出由于 Taylor- Proudman定理成立 ,运动将趋于水平化。同时指出 ,在热带纬圈半地转平衡更易出现。地转适应后的运动 ,一般是水平无辐散的 ,虽然垂直运动趋于零 ,但物理场随高度仍然有变化 ,即是层结的。     

平流层爆发性增温期间行星波的活动

利用逐日的NCEP再分析资料分析了1978～2004年期间发生的18次强爆发性增温时平流层中下层行星波1波和2波的异常以及极涡崩溃的形式.分析表明, 爆发性增温前期1波都异常增幅, 波振幅达到峰值之后的一段时间内发生爆发性增温, 然而在增温过程中行星波2波的变化却有明显不同, 可分为三种情况: (1) 在增温前期, 行星波2波很弱; 在增温期间, 行星波2波异常发展, 伴随着极涡崩溃的形式是由偏心型向偶极型过渡. (2) 在增温前期, 行星波2波较强; 在增温期间, 行星波2波明显减弱, 极涡的变化形式是远离极地, 在极地外围活动, 但不发生分裂.(3) 在增温前期, 行星波2波不太强; 在增温期间, 行星波2波有所发展, 但始终强不过1波, 极涡的变化是先偏离极地, 然后发生不对称的变形.作者还计算和分析了EP通量及其散度, 利用波流相互作用理论对这三种行星波的异常变化及其与爆发性增温的关系进行解释.     

两次加拿大型增温的动力诊断分析

通过资料分析,挑选了1965年12月和1968年11月的两次强加拿大型增温作为研究对象来研究加拿大型增温过程中环流的变化及异常.两次加拿大型增温过程中平流层高层的增温不明显,只是在平流层中低层有较弱的增温过程,并且增温过程中所形成的纬向东风较弱,持续的时间较短.从距平场来看,两次加拿大型增温使得平流层极涡环流减弱,但加拿大型增温所造成的环流异常明显要比强爆发性增温所造成的异常强度弱.另外,两次加拿大增温过程中没有发现爆发性增温前的“预先”过程.一般而言,上传的行星波是冬季平流层环流扰动的重要影响因素,两次加拿大型增温过程中第0天前后都有行星波上传的增加,这与爆发性增温有明显的不同.北极涛动指数随时间和高度的变化显示由两次加拿大型增温所造成极涡异常能够形成北极涛动异常的下传,但两次加拿大型增温过程中的北极涛动异常都没有能够到达对流层低层.     

非地转强迫对Fitow(0114)暴雨的影响

利用非静力中尺度模式MM5对 0 114号台风Fitow从 2 0 0 1年 8月 31日 0 0时～ 9月 2日 0 0时 (UTC ,下同 )的降水过程进行了模拟研究。结果表明 ,MM5对Fitow登陆过程中暴雨落区和强度的模拟与实况比较一致。模拟结果较好地再现了暴雨的中尺度特征。正是维持少动的台风倒槽和嵌入其中的中小尺度系统相互作用造成了暴雨的发生、发展 ,而高、低空中尺度散度场的配置对暴雨有很好的指示意义。在华南台风暴雨区无论是高层还是低层 ,都存在很强的非地转作用 ,非地转涡度项对散度倾向项是重要的强迫因素 ;但非地转作用的实现与中高纬度地区有本质的区别 ,在低层非地转作用是由于强的位势场气旋涡度 (- 2  <0 )与弱的流场气旋涡度 (fζ >0 )不平衡产生的 ;而高层非地转作用是由于强的位势场反气旋涡度 (- 2  >0 )与弱的流场反气旋涡度 (fζ <0 )不平衡产生的。非地转作用是暴雨中尺度系统上升运动发展的触发机制。从动力学角度解释了用非地转 Q矢量散度场来判断暴雨落区要比用准地转 Q矢量散度场好的原因。     

2003～2004年冬季平流层爆发性增温动力诊断分析

利用逐日的欧洲中尺度天气预报中心(ECMWF)60层模式资料, 对2003年12月～2004年2月期间发生的一次非典型的爆发性增温中平流层结构的变化过程进行动力学诊断分析。充分利用资料层次高(最高层为0.1 hPa)和垂直分辨率高(垂直方向共60层)的优势, 通过对不同高度等熵面位涡分布的分析, 研究了极涡在平流层爆发性增温(SSW)发生前后的变化发展; 通过对EP通量及其散度的分析, 研究了SSW过程中行星波的变化特点; 通过对剩余环流的分析, 研究了在SSW过程中经圈环流的变化及其对动力过程的影响。得出: (1) 2003/2004年SSW增温过程持续时间长、强度大; (2) 增温最早发生在平流层上层并向下传播, 在10 hPa形成较强东风带后, 上层西风环流迅速恢复, 极涡再度形成, 下层则增温持续; (3) SSW前后行星波活动频繁, 有长时间多次的上传, 且以1波作用为主, 2波对其进行了补充; (4) 在SSW过程前后, 平流层中的剩余环流发生反转, 影响了平流层中、 高纬地区和低纬地区的物质交换以及上下层物质的重新分配。这一系列的工作为今后进一步研究平流层、 对流层交换, 发展完善气候模式打下基础。     

The Role of Stationary and Transient Planetary Waves in the Maintenance of Stratospheric Polar Vortex Regimes in Northern Hemisphere Winter

Using 1958-2002 NCEPNCAR reanalysis data, we investigate stationary and transient planetary wave propagation and its role in wave-mean flow interaction which influences the state of the polar vortex (PV) in the stratosphere in Northern Hemisphere (NH) winter. This is done by analyzing the Eliassen-Palm (E-P) flux and its divergence. We find that the stationary and transient waves propagate upward and equatorward in NH winter, with stronger upward propagation of stationary waves from the troposphere to the stratosphere, and stronger equatorward propagation of transient waves from mid-latitudes to the subtropics in the troposphere. Stationary waves exhibit more upward propagation in the polar stratosphere during the weak polar vortex regime (WVR) than during the strong polar vortex regime (SVR). On the other hand, transient waves have more upward propagation during SVR than during WVR in the subpolar stratosphere, with a domain of low frequency waves. With different paths of upward propagation, both stationary and transient waves contribute to the maintenance of the observed stratospheric PV regimes in NH winter.     

2019-2020冬季北半球超强极涡事件

2019-2020冬季北极平流层极涡异常并且持续的偏强,偏冷.利用NCEP再数据和OMI臭氧数据,本文分析了此次强极涡事件中平流层极涡的动力场演变及其对地面暖冬天气和臭氧低值的影响.此次强极涡的形成是由于上传行星波不活跃.持续的强极涡使得2020年春季的最后增温出现时间偏晚.平流层正NAM指数向下传播到地面,与地面AO指数和NAO指数相一致,欧亚大陆和北美地面气温均比气候态偏暖,在欧亚大陆的一些地区,2020年1月和2月的气温甚至偏高了 10K.2020年2月以来北极臭氧出现了2004年以来的最低值,2020年3-4月60°-90°N的平均臭氧柱总量比气候态偏低了 80DU.     

1979年2月平流层持续性暖平流与阻塞形势的相互联系

本文利用1979年2月的FGGE资料,诊断分析了北半球冬季平流层内持续性暖平流与对流层阻塞形势的相互联系。分析指出:北大西洋平流层持续性暖平流提供了对流层阻塞形势形成、维持的可能机制和引起对流层内持续的暖平流强度随高度减小的形势,通过斜压机制造成北大西洋阻塞高压在对流层内形成和维持。 垂直运动场的分析表明:平流层持续性暖平流作为一种强的引导,从对流层到平流层产生强烈上升运动,在对流层上层和平流层下层高压脊后产生强的辐散,反气旋性涡度使得下游高压脊发展。文中还指出:平流层内暖平流与对流层阻塞高压同时具有持续性、区域性及准静止性的特点。     

1980—2000年北极平流层冬季十年际变化形势的逐月演变

采用1980—2000年的ERA-Interim再分析资料,计算北半球冬季各月(12月、1月、2月)行星波的Eliassen-Palm(EP)通量及其散度,并按冬季不同月份分析平流层整层温度和纬向风场的十年际变化特征与行星波活动变化的关系。结果表明,温度的十年际变化在高纬度中下平流层12月呈明显增温趋势,1月转为较弱的冷却趋势,2月为明显的冷却趋势。纬向风在中高纬平流层12月呈明显的减速变化,1月减速区与加速区相间分布但强度均较弱,而2月为明显的加速趋势。12月行星波沿低纬度波导向热带对流层顶的传播减弱,沿极地波导向平流层整层的传播明显加强;1月沿两支波导的传播趋势未变但均较弱;而2月行星波沿低纬度波导的传播转为加强趋势,沿极地波导的传播转为减弱趋势。相应地,EP通量散度场的十年际变化形势沿两支波导在12月与2月相反,1月为过渡阶段。因此,北极平流层温度、纬向风、EP通量及其散度场的十年际变化在冬季内呈现一个从北半球环状模(Northern Hemisphere Annular Mode, NAM)的负极趋势向正极趋势逐月演变的过程。     

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。     

Decadal Variation of the Impact of La Niña on the Winter Arctic Stratosphere

The impact of La Ni?a on the winter Arctic stratosphere has thus far been an ambiguous topic of research. Contradictory results have been reported depending on the La Ni?a events considered. This study shows that this is mainly due to the decadal variation of La Ni?a's impact on the winter Arctic stratosphere since the late 1970 s. Specifically,during the period1951–78,the tropospheric La Ni?a teleconnection exhibits a typical negative Pacific–North America pattern,which strongly inhibits the propagation of the planetary waves from the extratropical troposphere to the stratosphere,and leads to a significantly strengthened stratospheric polar vortex. In contrast,during 1979–2015,the La Ni?a teleconnection shifts eastwards,with an anomalous high concentrated in the northeastern Pacific. The destructive interference of the La Ni?a teleconnection with climatological stationary waves seen in the earlier period reduces greatly,which prevents the drastic reduction of planetary wave activities in the extratropical stratosphere. Correspondingly,the stratospheric response shows a less disturbed stratospheric polar vortex in winter.     

Indo-Japanese Lidar Observations of the Tropical Middle Atmosphere During 1998 and 1999

A state-of-the art Rayleigh and Mie backscattering lidar was set up at Gadanki (13.5N, 79.2E) in the Tropics in India. Using this system, regular observations of upper tropospheric clouds, aerosols at stratospheric heights and atmospheric temperatures in the range from 30 to 80 km were made. In this paper, the data collected during the period of 1998–99 were selected for systematic investigation and presentation. The Mie scattering lidar system is capable of measuring the degree of depolarization in the laser backscattering. Several tropical cirrus cloud structures have been identified with low to moderate ice content. Occasionally, thin sub-visible cirrus clouds in the vicinity of the tropical tropopause have also been detected. The aerosol measurements in the upper troposphere and lower stratosphere show low aerosol content with a vertical distribution up to 35 km altitude. Rayleigh-scattering lidar observations reveal that at the tropical site, temperature inversion occurs at mesospheric heights. Atmospheric waves have induced perturbations in the temperatures for several times at the upper stratospheric heights. A significant warming in the lower mesosphere associated with a consistent cooling in the upper stratospheric heights is observed particularly in the winter season during the events of sudden stratospheric warming (SSW).