北半球大气环流能量循环的气候特征

利用1958—2011年NCEP/NCAR逐日再分析资料,根据Lorenz能量循环理论框架,分析了北半球大气能量循环的年变化特征,在此基础上给出了更具普适性的多年平均的大气能量循环框图.结果表明:北半球大气能量循环的年变化特征十分明显.大气能量及能量转换率均表现为冬季高、夏季低、春秋季过渡的演变特征;纬向平均有效位能、纬向平均动能和涡动动能中有少许能量在冬季时由南半球向北半球进行越赤道输送,夏季时则由北半球向南半球输送,而涡动有效位能的输送方向则与此相反;纬向平均有效位能的制造在秋季最大,涡动有效位能的制造在夏季最大;动能的耗散冬季最强,夏季最弱.就年平均而言,相较于能量转化过程,能量越赤道交换过程非常微弱.在经向上,纬向平均有效位能主要分布于高纬地区,纬向平均动能主要分布于中低纬地区,而涡动能量主要贮存在中纬和高纬地区;此外,能量转化过程一般在中纬度地区较活跃.     

亚洲冬季大气动能的时空演变特征及其与中国冬季降水和温度的关系

利用1968～2008年NCEP/NCAR再分析资料、中国测站的降水量和温度资料,分析亚洲冬季大气动能的时空演变特征,探讨与其对应的大气环流异常特征以及大气动能的变异与我国降水量和温度异常的联系。结果表明:亚洲冬季大气动能的主要变异中心在东亚西风急流区,该地区的冬季大气动能存在明显的年际和年代际变化。冬季,我国中东部至日本以东到西北太平洋上空大气动能的减弱(增强)与对流层中高层东亚西风急流的减弱(增强)密切相关,并可导致我国东部大部分地区降水量的偏多(偏少)和我国东北地区温度的偏高(偏低)。青藏高原西南侧大气动能的增强(减弱)则与该地区对流层中高层南亚西风急流的增强(减弱)有关联,并导致冬季我国东南地区降水量的偏多(偏少)和我国广西、贵州和四川一带温度的偏低(偏高)。在冬季,亚洲大气动能的变化可能主要通过影响亚洲西风急流的变化来造成我国冬季气候的变异。     

30—50 天振荡动能特性及其与平均气流正压不稳定能的转换

该文利用冬季500 hPa的欧洲中心（ECMWF）网格点逐日资料，分析了30—50天振荡的E矢量分布、动能特性及平均气流的正压不稳定能转换特征，从而得到:30—50天振荡的能量传播与西风急流的位置有密切的关系，在西风大风速区作纬向能量传播，在小风速区作指向赤道的经向传播；在急流的出口区有较强的正压能转换，低频振荡从基本流中获得能量，使这里的低频动能最大，并表现出较强的正压特性，与低纬度的斜压特性形成鲜明对照。     

扰动位能理论及其应用——扰动位能的概念、表达及其时空结构

针对局地环流能量转换问题,该工作系列讨论扰动位能理论及其应用.此文是第一篇,提出了扰动位能的新概念,将其分解为大气扰动位能(简称扰动位能)和表面扰动位能两个部分,给出了扰动位能各阶矩项的数学表达形式,结合资料指出二阶以上的扰动位能高阶矩项相对于其一阶矩项和二阶矩项来说是小量,可忽略,并指出扰动位能二阶矩项的全球平均恰好等于传统的有效位能,但两者在物理意义上明显不同.结合NCEP/NCAR再分析资料,研究了扰动位能的时空结构以及与大气动能之间的联系.扰动位能一阶矩项在热带地区为正、高纬度地区为负; 二阶矩项在热带和高纬度地区出现极大值,在副热带及中纬度地区出现极小值,即在南北方向上呈现三峰二谷的特征; 在局地上,由于一阶矩项在数值上较二阶矩项绝对占优,因此,扰动位能的分布与其一阶矩项的情形相似.在垂直方向上,扰动位能主要集中在对流层下层,其数值随高度的增加而迅速减少,在50 hPa以上均可以忽略不计.扰动位能有明显的季节变化,其在高纬度地区在冬半球比夏半球大很多; 南、北半球平均的扰动位能一阶矩项季节变化的幅度约是相应二阶矩项的二十倍.随着季节变化扰动位能定常波的槽脊在北半球有显著的东西方向移动,而在南半球则只表现为振幅上的增减.分析表明,从区域或局地尺度上大气动能的季节变化与扰动位能一阶矩项的关系密切,二者呈显著反向变化关系,而与二阶矩项的关系不确定; 但在全球或半球尺度上,大气动能与扰动位能二阶矩项的比率随季节基本保持不变,约是20%.此外,对大气总动能时空结构的分析也得到了与前人不同的新结果.关于利用此文提出的概念和理论对局地环流能量收支的分析、表面扰动位能的作用以及它们在大气环流变化研究中的应用,将在以后的文章中给出.     

夏季沿西亚急流Rossby波活动异常的波源和能量传播及转换特征

用1958-2003年NCEP/NCAR再分析资料,利用涡度源方程、Eliassen-Palm通量(EP通量)和非绝热效应的波能方程,分析了夏季沿西亚急流Rossby波活动(WAJRA)异常的波源、能量传播和转换特征,从大气动力学内部机制上进一步认识WAJRA异常的成因,提高对中高纬大气环流异常机理的理解.研究表明,对流层高层位于地中海和北大西洋-斯堪的纳维亚半岛的负涡度源区和EP通量强辐散区为夏季WAJRA异常的波源区.当波源区位置和强度出现异常时,波源所激发东传的Rossby波活动也出现异常,从而导致WAJRA强弱变化.WAJRA强(弱)年冰岛-斯堪的那维亚半岛(斯堪的那维亚半岛以东)EP通量强辐散区激发Rossby波并沿2条路径向东传播,一支向东传播在乌拉尔山附近转向东南并在里海、咸海-新疆上空进入亚洲副热带西风急流传播增强(减弱),另一支直接向东南方向传播在地中海东部-黑海附近进入亚洲西风急流增强(减弱),此外,地中海上空EP通量辐散也增强(减弱),它们共同作用使得WAJRA增强(减弱).沿西亚地区副热带西风急流(简称西亚急流,指亚洲副热带西风急流的15°-60°E部分)非绝热加热产生扰动有效位能远大于基本气流动能向扰动动能的转换和基本气流有效位能向扰动有效位能的转换.西亚急流Rossby波活动强年(弱年)伊朗高原及其北侧的西亚地区非绝热加热产生的有效位能增强(减弱)显著,是WAJRA增强(减弱)的能量源.     

1710号台风"海棠"登陆后漳州市远距离暴雨的能量特征

从能量角度分析台风和暴雨区显热能、潜热能和动能的时空分布特征,定量讨论台风强度长时间维持和暴雨区远距离降水突然增幅过程中能量加强的成因以及动能的补充途径。结果表明:(1)台风中心和暴雨区上空潜热能比显热能小一个量级,但潜热能平流明显大于显热能平流,潜热能对台风中心和暴雨区总能量增量的贡献大于显热能。(2)台风远距离暴雨发生时,暴雨区低层是一个深厚的潜热能大值区,凝结潜热释放有利于暴雨发生,低层是显热能和气温低值区,冷区的存在增加了暴雨区上空斜压不稳定,对暴雨具有增幅作用。(3)区域外能量的补充是"海棠"登陆后强度长时间维持的主要原因,西南风急流是显热能和潜热能补充台风的主要途径,潜热能增量远大于显热能增量。(4)"海棠"登陆后强度长时间维持导致西南急流加强,暴雨区低层显热能平流和潜热能平流也得到加强。暴雨区西边界纬向动能平流的加强、中高层动能的下传和斜压不稳定能量的转化使低层动能得到加强。低层动能加强、能量的积累和冷区的建立为台风远距离暴雨的发生提供能量、动力条件和不稳定条件。(5)台风远距离暴雨的发生具有前兆性,暴雨区低层出现正能量平流时间提前强降水发生时间约12 h。     

北半球冬季中高纬30～60天振荡动能源,汇的特征

利用ＥＣＭＷＦ／ＷＭＯ资料，计算了１９８５年１１月－１９８６年３月的大气低频动能、低频动能通量散度，详细讨论其冬季平均的水平分布特征，并揭示大气低频动能源和汇的水平传播特征。结果表明：大气低频动能的大值中心正好对应于持续性异常的活动中心，且主要位于大气环流遥相关型ＰＮＡ和ＥＵ波列路径附近，大气低频动的强源（汇）主要位于西风急流的出口（入口）区；在中高纬地区，大气低频动能源和汇主要呈现向西的纬向传播     

海陆纬向非均匀热力结构与跨赤道气流和温带西风急流分布的关系

用数值模拟方法,研究海陆热力结构季节变化对经圈环流、南北半球西风轴以及急流中心的影响。数值试验得到如下结果:(1)海陆纬向非均匀加热结构不仅有利于跨赤道气流的加强,而且形成跨赤道气流高、低层反向特征;(2)海陆纬向非均匀结构使模拟到的北半球西风急流更接近实况。说明南北半球海陆热力强迫不仅是全球跨赤道气流通道形成的重要原因,而且影响北半球西风急流的强度和分布。      

春季欧亚大陆积雪主模态及其与北大西洋海温的关系

本文利用日本第二次全球大气再分析项目（JRA-55）提供的逐日积雪深度数据、欧洲中期天气预报中心（ECMWF）提供的全球再分析数据及Hadley海温数据分析了春季欧亚大陆积雪异常模态及其与北大西洋海温的遥相关关系,并通过模式模拟分析验证。结果表明:春季欧亚大陆雪深前两种模态差异显著,分别表现为东、西区域同向变化及反向变化两种非对称形态。其中,同期北大西洋“三极子型”海温模态与“马鞍型”海温模态分别与雪深第一、第二模态具有显著相关关系,这两种海温模态下对应的北半球中高纬波动作用通量分别呈丝绸之路（SRP）型和欧亚波列（EU）型两种传播特征,对中高纬西风气流的位置、强度产生了不同影响,进而对欧亚雪深分布产生遥相关作用。通过局地多尺度能量涡度分析法（Localized Multiscale Energy and Vorticity Analysis,简称MSE-VA）表明,北大西洋源区有自下向上的动能传输,另外,西风急流出口的平均动能转化增加,使得高层动能累积并向外辐散,从而对下游产生遥相关作用。通过CAM5.1模式模拟研究了北大西洋“三极子型”和“马鞍型”两种海温模态下的波作用通量传播特征,结果较好地验证了来自北大西洋的波动作用通量传播呈“SRP”型和“EU”型两种特征,对应的降雪分布表明两种模态下气候场要素的变化与对应雪深模态的分布特征一致。     

北半球冬季中高纬30～60天振荡动能源、汇的特征

利用ECMWF/WMO资料,计算了1985年11月～1986年3月的大气低频动能、低频动能通量散度,详细讨论其冬季平均的水平分布特征,并揭示大气低频动能源和汇的水平传播特征。结果表明:大气低频动能的大值中心正好对应于持续性异常的活动中心,且主要位于大气环流遥相关型PNA和EU波列路径附近,大气低频动能的强源(汇)主要位于西风急流的出口(入口)区;在中高纬地区,大气低频动能源和汇主要呈现向西的纬向传播特征和向北的经向传播特征。     

南半球环流与西太平洋副热带高压和台风群中期活动的关系

通过对南北半球环流6年资料的分析,发现在北半球夏季5～8月,南半球中纬西风指数、低纬西风指数、赤道气压指标与北半球西太平洋副热带高压和台风群的中期活动均有较好的关系。在台风群活跃的年份,台风群生成阶段前后,环流变化由南半球中纬先开始,随后南半球低纬和赤道地区环流也出现变化,赤道气压指标到达低值,此后,北半球西太平洋副热带高压的特征产生一系列的变化,上述南北半球环流系统变化的传播过程为准二周周期。     

南半球对流层中部大气环流的若干特点

分析了南半球对流层５００ｈＰａ平均地转西风随纬度的分布特点,平均地转西风季节变化特点,计算分析了南半球位势高度对纬向平均的偏差,分析了超长波的分布特征。以上结果均与北半球同期计算结果作了对比比较,指出了南北半球大气环流的异同点。     

北半球东半部对流层夏季平均环流形成物理机制的流体模拟实验

在旋转流体盘中做物理实验 ,模拟研究北半球东半部对流层夏季平均大气环流的形成物理机制。用镍铬电阻丝通电加热实验盘底作为热源 ,用冷水循环的铜管对实验盘底制冷作为冷源。将热源及冷源分布在绘有北半球极赤射面投影地图的底面上。人工地制造出中高纬西风带及越赤道气流模型。用流体物理模拟实验方法研究北半球东半部对流层夏季平均大气环流物理机制。逐个地试验了海陆温差、青藏高原地形及其高空热源、中高纬西风带 ,及来自南半球的越赤道气流的作用     

30—60天大气振荡的全球特征

利用ECMWF格点资料,分析研究了大气季节内(30—60天)振荡的全球特征。30—60天振荡动能的分布表明高纬度地区要比赤道地区大得多。说明那里有较突出的30—60天振荡。中高纬度地区的30—60天振荡与热带有明显不同,垂直结构为正压模态,以纬向2—4波为主,多为向酉传播。30—60天振荡存在明显的低频遥相关,北半球主要为欧亚—太平洋(EAP)型和PNA型,南半球主要有澳洲—南非(ASA)型和环南美(RSA)型,并且在全球范围构成南北半球相互衔接的低频波列,即EAP-ASA波列和PNA-RSA波列。南北半球30—60天大气振荡有明显的相互影响,本文研究了南北半球30—60天振荡相互影响的3种主要过程。     

Mean annual poleward energy transports by the oceans in the southern hemisphere

A survey is made of the published estimates of the components of the poleward flux of energy by the atmosphere in the Southern Hemisphere in order to determine the total atmospheric transport. Together with recent measurements by satellite of the Earth's radiation budget this allows a new estimate of the required poleward energy transport by the oceans in the Southern Hemisphere for mean annual conditions. Results show that the ocean and atmosphere each contribute similar amounts for 0–30°S and that the ocean probably also transports about one third of the total at 60°S. The latter is in contrast to similar latitudes in the Northern Hemisphere where the ocean transport is negligible, but consistent with the different distribution of land and sea in the two hemispheres.     

The impact of doubled CO2 on the energetics and hydrologic processes of mid-latitude transient eddies

The Northern Hemisphere winter (DJF) stationary eddy response of a general circulation model (GCM) to a doubling of atmospheric CO₂ is simulated with a linear steady state model as a response to anomalies in diabatic heating (latent, sensible and radiative), mountain and transient eddy effects. For this analysis the doubled CO₂ experiment performed by Wilson and Mitchell (1987) is used. The linear simulations of the control and perturbation climate capture most of the important features of the GCMs stationary eddies. The simulation of the anomalous stationary eddy pattern in the Northern Hemisphere captures only some of the important features of the GCMs anomalies. The climate anomalies in the Southern Hemisphere are poorly simulated. In the Northern Hemisphere the climate anomalies are dominated by the effect of transient eddies and mountains. In low latitudes also the contribution of latent heating is important. The contributions of sensible and radiative heating are small.     

近十五年全球臭氧变化

利用卫星观测臭氧总含量ＴＯＭＳ（第７版）资料,在剔除季节变化后对全球６０°Ｓ－６０°Ｎ范围首先进行了沿纬度分布的线性趋势和周期分析。结果表明：自本世纪７０年代末,各纬带上的臭氧总量都呈下降趋势,强度随纬度升高而加剧,并发现总体上北半球臭氧的下降趋势较南半球更加明显;同时证实了准两年振荡是臭氧变化中除年周期外最显著的周期。并对臭氧变化中的准两年振荡作了遥相关分析;发现准两年振荡在强度和位相上基本呈纬向分布并主要表现出赤道对称的特征。１３５～１７０°Ｅ地区臭氧总量变化所表现出的不同于其它地区的原因可能是这一地区常年频繁出现的对流活动;而臭氧总量下降趋势表现出的北半球同纬度地区均大于南半球的南北半球差异可能是由两半球人类活动的差异引起     

平流层火山气溶胶时空传播规律及其气候效应

根据平流层火山气溶胶传播规律研究,该文构建了反映火山喷发强度、平流层火山气溶胶相对浓度、火山气溶胶扩散速率和反映火山爆发地理位置并且按e指数规律衰减的火山活动指数(VEI)时空分布函数,进一步建立了北半球中高纬度、南北半球低纬度和南半球中高纬度3个1945-2008年逐月火山活动指数时间序列。根据3个逐月火山活动指数时间序列分别分析了北半球中高纬度、南北半球低纬度和南半球中高纬度火山活动对于相应纬度带地面气温的影响。研究表明:无论南北半球还是热带,火山活动强时地面气温下降,火山活动弱时地面气温上升,并且地面气温对于火山活动的响应明显滞后。     

Dust Storms in North China in 2002： A Case Study of the Low Frequency Oscillation

The low frequency oscillation in both hemispheres and its possible role in the dust weather storm events over North China in 2002 are analyzed as a case study. Results show that the Aleutian Low is linked with the Circumpolar Vortex in the Southern Hemisphere on a 30-60-day oscillation, with a weak Circumpolar Vortex tending to deepen the Aleutian Low which may be helpful for the generation of dust storm events. The possible mechanism behind this is the inter-hemispheric interaction of the mean meridional circulation, with the major variability over East Asia. The zonal mean westerly wind at high latitudes of the Southern Hemisphere in the upper level troposphere may lead that of the Northern Hemisphere, which then impacts the local circulation in the Northern Hemisphere. Thus, the low frequency oscillation teleconnection is one possible linkage in the coupling between the Southern Hemisphere circulation and dust events over North China. However, the interannual variation of the low frequency oscillation is unclear.     

ON WESTERLY WIND BURSTS IN EQUATORIAL WESTERN PACIFIC BEFORE AND DURING THE ONSET AND INITIAL DEVELOPMENT PHASES OF ENSO*

By means of NCEP/NCAR reanalysis dataset,the origins of westerly wind anomalies at low level over equatorial western Pacific Ocean before and during the onset and initial development phase of ENSO are explored.Evidences show that westerly anomalies in the equatorial western Pacific(140-180°E) are characterized by two remarkable enhancements in the spring and summer of the year when El Nine emerges.The enhancements are not only.to some extem.due to the eastward propagation of low-level westerlies in equatorial Indian Ocean.but also predominantly resulting from Ihe intense convergence of the meridional wind from both hemispheres.The latitudinal convergence leads to the local intensification of zonal pressure gradient so as to cause the reinforcement and bursts of westerly wind over warm pool.Besides,by virtue of the effect of earth rotation,the northeasterlies(southeasterlies) from the Northern(Southern) Hemisphere turn into northwesterlies(southwesterlies) progressively in the near-equatorial zone.which directly strengthens the westerly velocity.Comparing the contributions of the meridional wind from both hemispheres to westerly wind bursts,is seems that southeasterlies from the Southern Hemisphere are much stronger and more stable than northwesterlies of Northern Hemisphere.It is evident that the southeasterlies to the east of Australia originate from the southern mid-and high latitudes and are in close association with the Southern Oscillation.