风应力的旋转和辐散分量在ENSO循环中作用的数值试验研究

将 1 960～ 1 991年的月平均 FSU风应力资料分解为旋转部分和辐散辐合部分 ,分别用以强迫模式海洋。所用的模式为一个 2层热带太平洋区域海洋模式。结果表明 ,就季节变化而言 ,不论是用旋转分量还是散合分量强迫海洋 ,都不能产生合理的冷舌 ,哪怕将旋转或散合分量放大一倍或缩小二分之一 ,也不能使冷舌的强度和分布得到合理的改善。若采用气候平均的含有季节变化的风应力 (未对旋转和辐散分量进行分离 ) ,则可产生与实际相符的海表温度分布。在此基础上 ,分别叠加旋转和辐散分量的年际异常部分 ,通过对海洋的强迫 ,可产生海表温度异常。在年际异常旋转分量的强迫下 ,可产生较强的 SSTA振荡且具有明显的 ENSO周期 ;而在辐散辐合年际异常风应力的强迫下 ,则产生较弱的 SSTA,且振荡频率较高 ,ENSO周期不很明显。这些结果说明 ,风应力的涡旋和辐散辐合分量在海温季节变化和年际变化的形成中具有不同的作用 ,即合理的冷舌分布需要风应力旋转分量和散合分量同时作用于海洋方可产生 ,而仅有异常风应力的旋转强迫就可产生合理的 EL Nino/ La Nina现象。同时 ,风应力的辐散辐合分量在海洋平均状态的形成过程中是重要的 ,但在 EN-SO过程中就对海洋的作用而言则不如旋转分量重要。     

风应力的旋转和辐散分量有ENSO循环中作用的数值试验研究

将1960－1991年的月平均FSU风应力资料分解为旋转部分和辐散辐合部分,分别用以强迫模式海洋,所用的模式为一个2层热带太平洋区域海洋模式。结果表明,就季节变化而言,不论是用志分量还是散合分量强迫海洋,都不能产生合理的冷舌,哪怕将旋转或散合分量放大一倍或缩小二分之一,也不能使冷舌的强度和分布得到合理的改善,若采用气候平均的含有季节变化的风应力（未对旋转和辐射分量进行分离）,则可产一与帝际相符的海表温度分布。在此基础上,分别叠加旋转和辐散分量的年际异常部分,通过海洋的强迫,可产生海表温度异常。在年限异常旋转分际异常风应力的强迫下,则产生较弱的SSTA,且振荡频率较高,ENSO周期不很明显。这些结果说明,风应力的涡旋和辐散辐合分量在海温季节变化和年际变化的形成海洋方可产生,而仅有异常风应力的旋转强迫就可产生合理的FL Nino/La Nina现象,同时,风应力的辐散辐合分量在海洋平均状态的形成过程中是重要的,但在EN－SO过程中就对海洋的作用而言则不如旋转分量重要。     

有限区域旋转风与辐散风分解方案的选择

介绍一种具有“收敛”特性的有限区域旋转风与辐散风分解方案，并与目前常用后一些差分方案进行了比较，实际个例的计算和对比表明，该方案不仅考虑了区域内部强迫函数的作用，而且在迭代过程中加入边值的影响，因此具有极好的重建风场的能力，分解后的旋转风和辐散风在有关的诊断分析中使结果更为合理。     

2006年超强台风“桑美”强度突变的动能特征分析

应用NCEP/NCAR再分析资料,对2006年超强台风“桑美”（Saomai）强度突变过程的动能特征进行分析,结果表明：“桑美”突然增强时刻其低层总动能和旋转风动能突然增加,辐散风动能也有所增加,总动能的增加主要是由旋转风动能增加所引起的;其高层总动能和旋转风动能突然减小,而辐散风动能突然增加,高层动能下传是导致“桑美”突然增强的重要原因;“桑美”突然增强时刻高层辐散风动能向旋转风动能的转换达到最大,低层辐散风与旋转风相互作用动能项达到最大;“桑美”突然减弱时刻的高低层能量变化趋势与突然增强时刻相反,并存在着低层动能的上传;“桑美”强度突变时对总动能（K）、旋转风动能（KR）、辐散风动能（KD）变化的响应时间为6～18 h。     

有限区域流函数和速度势的计算及其在台风中应用

在Endlich提出求解旋转风和辐散风基础上,本文给出了直接利用风场迭代计算流函数和速度势的方法,该方法不但能求解流函数和速度势,还可将原始风场直接分解为旋转风和辐散风。此方法在有限区域中,能大大降低边界条件对计算结果的影响,不仅能计算准确的涡度和散度,还能很好的重建原始风场。采用此方法,对"0808"号台风"凤凰"进行了诊断分析,得到了台风不同时期的流函数和速度势、旋转风和辐散风。结果发现在台风的不同时期,流函数与高度场相似,可用其低值中心来分析台风移动路径和强度的变化,速度势存在高值区,其中心与高度场低值中心不吻合;旋转风的涡旋中心也可用来反映台风中心,台风南侧辐散风较大,故可用来反映南方水汽供应对台风发展、成熟、衰退的影响。     

两种风场分解方法计算动能收支对比研究

使用两种风场分解方法，计算旋转风和辐散风动能收支方程各项时空平均值，结果表明两者差异不大，具有一定程度的可比性。     

梅雨前后亚洲季风区平均散度风环流和水汽输送的研究

分析了１９８３年江淮流域梅雨期及其前后亚洲季风区平均散度风环流和垂直积分水汽输送的辐散分量。在入梅前强水汽辐合中心位于华南，出梅后则位于印度季风区，梅雨期这两地区都存在着强水汽辐合中心，并且强水汽辐合区和中国东部雨带的位置变化及热源分布有着密切关系。同时指出，江谁流域梅雨与大尺度辐散环流的变化、热源的配置及水汽辐合的位置有着较好的对应关系。     

辐散风作用下低频Rossby波的能量传播

文中研究了热力强迫所激发的辐散风对低频Rossby波能量传播的影响 ,推导出辐散风作用下的Rossby波的频散关系和群速度表达式。理论分析表明 :如果扰动流函数与速度势的位相差α∈ (0 ,π) ,那么辐散风将减小Ross by波的圆频率 ,增大群速度的纬向分量 ,加速Rossby波在纬向方向上的传播 ;辐散风对经向群速度的影响是比较复杂的。波射线的分析表明 ,在纬向基本气流为常数的情况下 ,辐散风作用下的低频Rossby波从初始位置到反射纬度的传播路径表现为一段光滑的大弧 ;对于周期为 30d、纬向波数k =3,4的Rossby波 ,当辐散风减弱时 ,波能量经向传播距离和纬向传播距离都增大。对于k =3的Rossby波 ,当辐散风减弱时 ,Rossby波的经向传播范围增大 ,但振幅强度减小。     

GRAPES_3Dvar中雷达径向风同化改进观测算子的应用

在GRAPES_3Dvar系统中添加雷达径向风预处理模块以及雷达径向风同化模块(包含传统观测算子与改进算子)。对GRAPES_3Dvar系统中雷达同化算子进行正确性检验后,利用该系统对2014年6月6日03时(UTC)北京南郊多普勒雷达径向风资料进行同化试验,分析不同观测算子对于初始场以及降水模拟的影响。研究结果表明,同化雷达径向风资料加强了对流系统低层中小尺度辐合辐散信息,同时综合分析风场的径向分量与切向分量,改进算子对于初始场的调整效果优于传统观测算子。对比分析累计降水模拟,采用改进算子的结果在能够准确模拟出降水雨带的位置和量级的同时极大程度地抑制了虚假降水的范围,降水评分也较好地验证了改进观测算子的优越性。     

无旋转风分量在台风"桑美"急剧增强和急剧减弱过程中的分析和应用

利用日本气象厅区域谱模式(RSM)的20 km分辨率再分析资料,对2006年第8号台风"桑美"在近海急剧增强和登陆后急剧减弱时的高低层辐散、辐合特征进行了对比分析.结果表明,利用调和-余弦计算方法得到的无旋转风分量较散度场能更明显地反映台风"桑美"在近海急剧增强和登陆后急剧减弱时的风场变化特征.在台风急剧增强过程中,台...     

TOGA-COARE强化期(IOP)西太平洋热带海域的热通量特征

选取夏季月 份南海局地性扰动发展与不发展的个例各一个,利用动能收支方程分别考察了辐散风和旋转风的动能制造和输送对扰动发生发展的贡献,并计算了辐散风旋转风之间的动能转换。     

北上台风暴雨过程涡散场的能量收支和转换特征

利用辐散风和旋转风的动能收支方程,对北方一次北上台风倒槽暴雨过程暴雨区内的涡散场能量收支和转换进行了计算.结果表明:暴雨区内动能的增加是暴雨增幅的一个主要原因.暴雨发展时,就旋转风动能(K_R)而言,旋转风动能通量(HFR)辐合是主要能源,而旋转风的动能产生项(GR)是主要能汇;就辐散风动能(K_D)而言,辐散风的动能产生项(GD)是主要能源,辐散风动能通量(HFD)辐散是主要能汇;总动能水平通量(HF)提供的辐合主要表现于对流层中、低层,这就使得低层辐合加强,上升运动加强,有利于暴雨的增幅.在暴雨过程中次网格尺度效应由能源转变为能汇,在暴雨发展之时能汇减小;能量的转换项C(K_D,K_R)总为正值,在转换项中,地转效应项的贡献很大.说明暴雨过程能量均由K_D向K_R转换,也就是说有效位能经K_D向K_R转换,充分说明了在整个暴雨过程中,尽管辐散风动能变化(∂K_D/∂t)很小,但是它在其中充当“桥梁”作用,C(K_D,K_R)在暴雨发展时达到最大,此时能量转换最为旺盛;对流层低层辐散风动能向旋转风动能的转换是暴雨产生和发展的重要条件.此次暴雨过程,在暴雨区内表现为斜压不稳定和正压稳定共存的特征,其发展过程是系统斜压不稳定增长,正压稳定性减弱的过程,暴雨增幅的另一个重要原因就是暴雨区内低层斜压的发展.     

高分辨率GRAPES-GFS的动能谱及其转折特征分析

大量观测数据的计算表明,在对流层高层和平流层低层,大气动能谱在大尺度的斜率近似为k^-3,到中尺度转换为近似k^-5/3,动能谱的斜率及其转折特征可作为大气运动的基本规律检验数值模式。利用这一特征对GRAPES-GFS全球中期数值预报模式产品进行了检验评估。采用0.25°分辨率GRAPES-GFS模式2013年5月的预报场,分析了模式动能谱的垂直分布及动能谱的辐散分量和旋转分量。结果表明:在对流层高层和平流层低层(225—10 hPa),模式的动能谱曲线能较好地再现大气动能谱从大尺度过渡到中尺度的斜率转折特征,特别是在100 hPa附近动能谱的转折特征比较明显,但是动能谱斜率的绝对值较通常的观测结果(k^-3和k^-5/3)偏大;在大尺度范围,旋转分量在总动能谱中占优,随着波数的增大(尺度的减小)辐散分量逐渐与旋转分量相当甚至超过旋转分量。基于条件极值的思想提出一种计算转折点(拐点)的新方法,该方法能够较准确地计算出动能谱曲线拐点的位置,而且拐点位置随高度的变化与辐散和旋转分量谱交点位置随高度的变化一致。此外,还计算了辐散分量谱的斜率,发现其在中尺度范围内非常接近k^-5/3, 验证了其对总动能谱转折过程中的关键作用。综上,GRAPES-GFS模式能够准确地再现大气动能谱由大尺度到中尺度的斜率转折特征;与旋转分量相比,模式对动能谱辐散分量的描述更为准确,而且模式对旋转分量的较大误差导致了总动能谱的斜率绝对值偏大。     

气溶胶影响亚洲夏季风机理的数值研究

利用NCEP/NCAR （National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research）2001-2010年再分析资料,检验了全球气候系统模式CESM中大气模块CAM （Community Atmosphere Model）对亚洲夏季风和大气热源的模拟能力。结果显示,模式可以再现亚洲夏季风和大气热源的主要特征。通过敏感试验探讨人为气溶胶影响亚洲夏季风的机理,分析、讨论了气溶胶引起的非均匀加热的变化对辐散风和无辐散风强度的影响,在机理上解释了亚洲夏季风减弱的原因。结果表明,人为气溶胶浓度的升高使东亚夏季风强度在中国东南地区、中南半岛北部和印度半岛北部减弱。而中国东南部季风的减弱促使中国内陆降水减少,沿海降水增多。进一步分析人为气溶胶浓度升高的作用发现,其改变了大气热源的分布,造成阿拉伯海、孟加拉湾和中国南海大气热源增强,中国东部地区和中南半岛大气热源减弱,其中气溶胶通过影响凝结潜热来改变大气热源,主要是对对流过程的影响。此外,大气热源分布的变化改变了季风区的热力结构,使中国东南地区、中南半岛北部的加热减弱,从而减少了全位能的产生,使得全位能向辐散风的转换减小,辐散风减弱;同时,中国东南部、中南半岛北部季风由于辐散风向无辐散风转换的减弱,无辐散风减弱,最终导致了夏季风强度的减弱。而且,人为气溶胶对亚洲夏季风的影响主要通过大气热力和动力过程的响应产生作用。     

梅雨锋次天气尺度涡旋旋转风和辐散风动能收支

本文选取１９９１年７月５日２０：００－６日２０：００梅雨锋上移动性次天气尺度涡旋引起的长江中下游特大暴雨为实例。采用准拉格朗日球坐标系的旋转风和辐散风动能方程，计算得到次天气尺度涡旋发展和成熟两个阶段对流层各层旋转风动能和辐散风动能的收支特征为：在对流层高层（１００－４００ｈＰａ）两个阶段的旋转风动能源汇相同，辐散风动能源汇有异，即水平动能通量项和“摩擦”项符号相反；在中层（４００－７００ｈＰａ）     

热带地区的客观分析

本文对热带地区的客观分析所遇到的几个特殊问题,例如观测资料不足,初估场的系统误差、风与气压场的平衡与风的辐散分量的分析、水汽与下垫面状态分析等进行了讨论。同时探讨了解决这些问题的可能途径。      

华南春季强对流天气过程的动能收支 (二)辐散风和旋转风动能的收支和转换

在第(一)部分的基础上,进一步讨论辐散风动能和旋转风动能的收支以及这两种动能之间的转换过程。结果表明,尽管辐散风动能在总动能中所占比重很小,但它的变化与强对流天气过程的发生发展有着更为密切的关系。计算结果表明,在辐散风动能与旋转风动能的转换函数{K_D,K_R)中,B项(代表垂直运动与旋转风动能的垂直变化的耦合)是最大的转换项;在强对流区,反映涡管伸缩机制的A项也是一个很重要的转换项。就区域时间平均而言,有旋转风动能向辐散风动能(K_R→K_D)转换。      

两种风场分解方法计算动能收支对比研究

使用两种风场分解方法，计算了旋转风和辐散风功能收支方程各项时空平均值，结果表明两者差异不大，具有一定程度的可比性。     

台风区和外围暴雨区的旋转风,散度风动能收支

用完全的散度风（ＶＤ）和旋转风（ＶＲ）动能收支方程对８１１６台风和８４０７台风以及８１１６台风与其外围暴雨区的关系作了讨论，结果表明：台风区的有效位能通过散度风动能（ＫＤ）转换为旋转风动能（ＫＲ），台风向区域外部输出功能，在暴雨区上空通过涡度，散度场相互作用的转换机制由ＫＲ向ＫＤ转换，散度风加大触发对流发展产生暴雨，这可能是台风与其外围暴雨联系的一种能量过程。     

次天气尺度系统中的非地转运动和广义平衡模式

研究了宏观准静力的次天气尺度系统中非地转运动的机理。较以往更具体地揭露了在全运动的时间尺度远大于惯性重力波的前提下，各类强迫因子与非地转运动的旋转分量及辐散分量的关系。并证明上述“慢变化”前提在各种常见情况甚至包括几类熟见的强系统情况下都能满足。除了众所周知，强的准二维系统可允许传统形式的Ｒｏｓｓｂｙ数Ｒ０≡Ｕｆ０Ｌ≈○（１）以外，这里还证明水平尺度小但铅直方向深厚，并包容着强对流云群团的系统恰恰能容忍特别强的非绝热而保持慢变化。相应地，其中辐散运动可以只比旋转运动小“半个量级”。突破了迄今各类过滤模式对辐散运动的过严限制。在能满足慢演变的条件下，非地转高频波振幅总可被自然、及时地控制在可忽略的水平上，这表明慢演变与准平衡的一致性。按照严谨的尺度分析，在上述讨论的过程中顺势导出一个“广义平衡模式”。方程中含有强迫场的一阶时间导数项。虽然容许强非绝热和放宽对辐散风的限制，却能以最大限度（这个限度是固有的）的精确性描述滤除高频波的慢演变。这个模式必须屏弃“主导气流”与“次级气流”的区分，包含了一个辐散风倾向的诊断方程。此模式可能特别有助于加深夏季副热带潮湿地区次天气尺度强降水系统的机理诊断