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。     

江淮流域夏季旱涝与不同时间尺度大气扰动的关系

从不同时间尺度大气环流异常角度研究了江淮流域的汛期多雨和少雨情况,结果表明准定常行星波的异常对江淮流域旱涝有较为明显的影响;大气低频系统（准双周和季节内振荡）也有相当重要的作用,且以对流层高层（200 hPa）的准双周振荡和对流层低层（850 hPa）的季节内振荡的影响更为清楚;天气尺度扰动对汛期降水量异常的影响相对较小。低层准定常西南气流的强度与位置对旱涝的影响很大,若准定常西南气流强且偏向大陆,易造成江淮流域偏涝;若准定常西南气流弱或偏向大陆以东的洋面上,则江淮流域易旱。     

东半球跨赤道气流季节变化及其在EL NINO年的异常

利用1979年1月到1987年12月美国国家气象中心六个层次的月平均风场资料,分析了东半球跨赤道气流的季节变化及其年际异常。得到冬、夏跨赤道气流的输送集中在对流层下部,冬季向南,夏季向北;春、秋跨赤道气流的输送集中在对流层上部,春季向北,秋季向南。低层跨赤道气流位置稳定,南北风方向转换时间为3月和11月;高层跨赤道气流位置变化较大,南北风转换时间为6月和1月。在El Nino年,跨赤道气流出现明显的异常,但表现形式不尽相同。ElNino年,夏季下层跨赤道气流稳定建立的时间比正常年推迟2—3候,且季内变化大,稳定维持时间短。     

2003年陕西秋季连阴雨降水特点及环流条件分析

文章分析了陕西省2003年秋季连阴雨降水的特征和形成秋季连阴雨天气的天气学、热力学特点。结果表明:2003年陕西秋季连阴雨降水的主要特征是降水的落区和时间相对集中, 降水强度大, 日数多且持续时间长, 是1954年以来陕西又一次极端连阴雨事件。在大气环流由夏季型向冬季型转变过程中, 对流层高层西风急流南压至40°N时, 青藏高原东北侧包括陕西在内的西北地区东部, 位于急流南侧的高空辐散区, 该地区对流层低层却保持着高温高湿的热力特征, 对流上升运动活跃, 形成了低层辐合高层辐散的垂直环流机制, 这时对流层中部500 hPa欧亚环流形势相对稳定, 乌拉尔山的长波脊和中亚低槽维持, 偏强、偏北、偏西的副热带高压外围偏南气流为该区域输送了大量的水汽, 从而形成了陕西及西北地区东部持续的连阴雨天气; 当西风带中纬度新疆高压脊建立, 副热带高压东移南退时, 陕西及西北地区东部的连阴雨天气结束。     

2009年秋至2010年春我国西南地区严重干旱的成因分析

我国西南地区从2009年秋季到2010年春季发生了严重干旱,这次干旱无论持续时间和发生区域或降水减少程度都是近50年来所罕见的,因而本文利用ERA-40再分析资料和海温资料从热带西太平洋和热带印度洋热力异常对热带西太平洋和南亚上空大气环流的影响来分析了这次西南地区干旱发生的成因。分析结果表明:从2009年秋到2010年春季,热带西太平洋和热带印度洋处于升温状态,它使得热带西太平洋上空产生反气旋异常环流,造成了西南气流异常在我国东南沿海加强,而华南和华中地区上空处于低槽控制,因而在高原东部为槽后西北气流和下沉气流所控制,造成了从孟加拉湾来的水汽很难到达云贵高原,从而引起了此区域降水长期偏少。并且,分析结果还表明了中高纬度地区的环流异常对此次严重干旱也有重要影响。由于从2009年冬季到2010年春季中高纬度准定常行星波传播的极地波导偏强,而低纬波导偏弱,这导致波的E-P通量在60°N附近对流层和平流层为辐合,而在35°N附近对流层中、上层为辐散,从而引起纬向平均西风在60°N附近对流层和平流层减弱,而在35°N附近对流层中、上层加强,造成了北极涛动(AO)为很大的负值。由于AO为负值,东亚冬季冷空气活动强且路径偏东,使得到达西南地区冷空气偏弱,从而引起西南地区持续性严重干旱的发生。     

河南特强暴雨β中尺度流场发展机理的数值模拟研究

采用宇如聪等研制开发的η坐标有限区域中尺度暴雨数值预报模式AREM,对2004年7月16—17日发生在河南的一次特大暴雨过程进行了数值模拟。模拟结果表明:凝结潜热促使对流层中层大气在β中尺度水平范围的气柱内得到加热,中高层大气的等压面抬高并形成β中尺度高压,中低层大气的等压面降低并形成β中尺度低压,上下层的共同作用促进了垂直运动的迅速发展。当上升运动强烈发展时,在其四周有明显的补偿下沉气流出现:在强上升运动南侧,对流层高层辐散气流向南回流导致对流层高层出现中尺度垂直环流圈,它的下沉支融入上升运动区南侧的补偿下沉气流中,并将高空的水平动量带到对流层低层形成一支新的β中尺度急流;在强上升运动北侧,对流层低层发展出了一支中尺度垂直环流圈,其下沉支向南的辐散气流与低层西南暖湿气流汇合,形成β中尺度辐合线,加强了暴雨区上空低层的辐合;在强上升运动东侧,对流层低层也有一支中尺度垂直环流发展,其下沉支中向西的辐散气流使该区域原来较为一致的西南气流出现向东的偏转,从而在西南气流中形成气旋性弯曲,更进一步加强了β中尺度辐合线上的辐合。对流层低层非地转涡度的强烈发展是β中尺度气旋形成的重要原因。最后给出了强暴雨β中尺度流场发展机理的三维空间示意图。     

汉江流域一次致洪暴雨过程的诊断分析

应用常规气象观测资料和 NCEP 格点资料,对 2005 年出现在汉江上游和渭河流域秋季连阴雨中一次致洪暴雨过程进行诊断分析,结果表明这次过程的主要影响系统是西风槽、低涡切变和副高.水汽条件中,700 hPa 水汽通量大值中心和其散度的辐合中心与暴雨落 区基本重叠,强降水出现在高层峰值与低层谷值之间的时段内,说明比湿高层峰值和低层谷值的出现对暴雨的开始和结束有重要的预报意义.θse 分析表明致洪暴雨出现在 550 hPa 以下能量锋区中,与陕西秋季暴雨一般出现在低层稳定层结中有一定区别.强降水时段内,高层辐散、中低层强辐合,使垂直上升运动发展强烈至对流层顶,这是本次致洪暴雨动力场结构的主要特征.     

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.     

一次自上向下发展的高原涡的多尺度动力学分析

高原涡作为经常给我国带来暴雨等灾害的天气系统,其形成一般认为是通过感热和潜热自下而上激发的,然而,2013年5月下旬发生的一次引发其下游灾害性强降水的高原涡却是由对流层高层天气尺度低涡诱发的。为此,基于新发展的多尺度子空间变换和多尺度能量涡度方法以及ERA5再分析资料对其动力学过程进行了详尽的探讨,先将原始场重构到三个尺度子空间,即背景环流尺度子空间、天气尺度子空间和高频尺度子空间,重构场上首次显示此次过程生成于青藏高原西北侧,其成因为对流层高层基本气流尺度向天气尺度的跨尺度动能正则传输,即正压失稳,并且表现为从高层向下。在发展阶段,其能量最终来源为基本气流向天气尺度的有效位能传输和非绝热加热,然而这些过程只发生于涡旋低层的西侧。进一步分析发现,天气尺度内存在一个能量再分配“路径”:首先,低层西侧获得的有效位能转换为动能,西侧垂直的气压梯度力做功将低层获得动能向高层分配;在高层,水平的气压梯度力做功进而将西侧获得的动能向东侧分配;东侧垂直的气压梯度力做功再将动能向低层分配;至此,低层西侧获得的能量被分配到整个涡旋空间中,使得涡旋能够均匀发展。     

关于西北太平洋季风槽年际和年代际变异及其对热带气旋生成影响和机理的研究

总结和综述近年来中国科学院大气物理研究所季风系统研究中心,关于西北太平洋季风槽的年际和年代际变异及其对热带气旋和台风(TCs)生成的影响和机理的气候学研究进展,并综述一些有关的国内外研究。给出了夏、秋季西北太平洋季风槽的气候特征以及利于TCs生成的四类季风槽环流型,表明了西北太平洋季风槽强度和位置有明显的年际和年代际变异。特别是揭示了西北太平洋季风槽的年际和年代际变异不仅通过影响西北太平洋上空对流层低层气流的涡度和对流层高层的散度、对流层中、下层的水汽以及对流层上下层风场的垂直切变等利于TCs生成的大尺度环境因子的分布而影响TCs的生成,而且通过对热带对流耦合波动的转化和提供扰动能量而对TCs生成起着重要的动力作用。还指出今后有关西北太平洋季风槽和TCs活动一些亟需进一步研究的气候学问题。     

高层冷涡的不同结构对台风运动的影响

通过对不同水平和垂直结构的高层冷涡在台风移动中的作用的对比试验，发现高层冷涡的水平和垂直结构变化会影响台风的运动。对总涡度倾向分布和强度的比较分析，发现正压过程主导台风运动的方向，而斜压过程在某些情况下对台风移速有很大影响。通过各动力项对总涡度倾向贡献的讨论，发现涡度平流对总涡度倾向正中心的贡献主要来自引导气流对非对称涡度场的平流。散度场贡献主要来自行星涡度和非对称散度相关场。最后还得到预报性的结论:台风朝对流层上层的辐合中心或对流层中下层辐散中心方向移动。     

沙尘暴过程中沙尘对流层-平流层输送的数值模拟初步分析

在初步明确东亚沙尘气溶胶对流层-平流层输送监测事实的基础上,利用观测资料、NCEP再分析资料以及基于中尺度天气模式MM5的数值模拟方法,对一次蒙古气旋沙尘暴过程中沙尘对流层-平流层输送问题进行了初步分析.结果表明:斜压不稳定是本次蒙古气旋发展的主要强迫要素,伴随气旋发展成熟,高空切断低涡的形成引导高空急流下落并诱发对流层顶折叠和高空位涡下传.对流层顶折叠区呈漏斗状,底部达500 hPa左右.高空急流产生近似垂直的下落,并在高空切断低涡的南侧和东侧达到最强.在对流层顶折叠区周边的300-500 hPa,上升气流与低涡区偏西、偏南、偏东气流叠加,或水平横穿折叠的对流层顶,或斜升并准垂直地穿过下落的对流层顶到达平流层,且随时间的推移,空气质点能够进一步抵达平流层中部(100 hPa).轨迹分析表明,沙尘天气区对流层低层的空气质点在气旋涡旋上升气流的驱动下呈气旋式盘旋上升,并在对流层高层形成分支,一支穿过对流层顶到达平流层,并在平流层向下游进行反气旋式螺旋运动,另一支则留在对流层高层并向下游进行准水平的气旋式螺旋运动.在高空位涡下传过程中,主要产生平流层到对流层的净输送;高空位涡停止下传之后则出现对流层到平流层的净输送,且强度随时间呈指数型增长.这一特征有利于形成更强的沙尘对流层平流层输送.     

1974年12月2日华北大雪的初步分析

本文讨论1974年12月2日一次寒潮过程华北锢囚锋大雪的例子。应用样条(Seline)函数插值法进行了10层等θ_e面及等熵面分析。对该系统对流层锋区三度空间气流结构的分析发现,锢囚锋上空气流主要有低、中、高三层:低层和高层为斜爬升气流,中间一层为倾斜度很大的、冷的偏东北风急流。还发现在锢囚点上空,有冷空气从对流层中高层沿等θ_e面漏斗状“洞穴”作下沉运动。这种复杂的气流结构与锢囚锋在华北的发展与维持及大雪的中尺度分布等有密切联系。     

热带加热异常影响冬季平流层极涡强度的数值模拟

本文利用大气环流模式SAMIL/LASG,通过选择两种对流参数化方案,研究了热带加热异常对热带外平流层模拟的影响。结果表明,因不同对流参数化方案引起的热带对流加热状况的差异,可显著影响模式对北半球冬季平流层极涡强度的模拟偏差。与采用Manabe对流参数化方案相比,采用Tiedtke参数化方案可以显著改善对平流层极涡强度的模拟,使平流层极涡“过强”及极区“过冷”的模拟偏差得到明显改善。研究其中的影响过程发现,由于Manabe方案最大凝结潜热加热高度过低,在对流层中低层;而Tiedtke方案的最大凝结潜热加热位置在对流层中上层,因而Tiedtke(Manabe)方案时热带大气温度在对流层中上层较为偏暖(偏冷),在平流层低层较为偏冷(偏暖)。自秋季开始,与热带对流层高层温度的暖偏差相联系,热带外对流层高层以及热带平流层低层出现伴随的温度冷偏差;与之对应,平流层中纬度从秋季开始也出现持续的温度暖偏差。另外,随着秋冬季节平流层行星波活动的出现,Tiedtke方案时热带外地区行星波1波的强度也明显强于Manabe方案,使得秋冬季节涡动引起的向极热通量在Tiedtke方案时明显偏强,从而造成了冬季平流层极区温度偏暖、极涡强度偏弱。     

环境流场对台风发生发展的影响

本文用简单的数学模式、基于CISK理论,从动力学角度分别讨论了在对流层低层气旋性切变基本气流作用下以及对流层上层切变基本气流作用下,台风低压增长率的改变。结果表明,对流层低层的气旋性切变基本气流可以使增长率明显增大,这从动力学角度解释了赤道西风或西南季风的加强以及适中强度的冷空气影响有利于台风生成和发展的天气事实。对流层上层反气旋性切变基本气流有利于台风发展,而对流层上层气旋性切变基本气流使台风削弱。但对流层上层环境流场的影响相对比较微弱。     

一次黄沙输送过程的数值模拟研究

运用MM4中尺度动力学模式结合沙尘气溶胶传输模式,模拟分析了1992年4月10日发生的一次沙尘暴天气及沙尘气溶胶（黄沙）输送过程。得出蒙古气旋冷锋后的大风是沙尘扬起的主要动力,地形抬升、白天混合层内的湍流扩散和锋区强烈的上升气流将沙尘输送到高层。沙尘气溶胶的水平输送主要通过对流层下层和上层两层向下游输送。低层沙尘随冷锋一起向下游输送,移速较慢;高层沙尘主要通过西风气流迅速输送到下游区域。     

夏季长江中下游地区降水持续性年(代)际变异及其与环流和Rossby波活动的联系

旱涝异常不仅与降水的频次和强度有关,在多种时间尺度上,其与降水的持续性亦存在较好的对应关系。基于1979～2013年6～7月中国东部249站点逐日降水资料及ERA-interim逐月再分析资料,研究了长江中下游地区近35年降水持续性的长期变化及其相联系的大尺度环流型和Rossby波能量频散特征。结果表明:近35年长江中下游地区降水时段平均持续时间变短而无雨时段变长,体现出了降水持续性的减弱趋势。进一步研究发现,该趋势变化与长江中下游地区在1980和1990年代持续性降水事件偏多,而在2000年以后偏少的年代际变化有关。在年代际和年际尺度上,与长江中下游地区降水持续特征变异相联系的异常环流型在我国东南部及南海地区分布较为类似,而在偏高纬度和偏低纬度地区存在较大差异。相似之处在于:在两个时间尺度上,在对流层中高层均存在显著的反气旋性环流控制我国东南部地区,而在中低层均存在由海洋向长江中下游地区的气流辐合,并在高层由长江中下游地区向海洋辐合。不同之处是:年代际尺度上,自对流层低层到高层在乌拉尔山以东及蒙古地区分别存在反气旋性环流和气旋性环流,且赤道印度洋地区的对流层中低层存在显著的气旋性环流;而在年际尺度上,由低层到高层位于贝加尔湖东、西侧均为反气旋性环流异常,但海洋性大陆的东北部,低层出现向长江中下游地区辐合的气流的源,高层则为由长江中下游地区向低纬度地区辐合的气流的汇。Rossby波扰动能量频散特征在年代际和年际尺度上亦呈现出明显的差异。年代际尺度上,中纬度地区自大西洋至蒙古地区存在一个正—负—正—负的Rossby波列,波能东传,对长江中下游地区产生影响,而在中低层,自低纬地区向长江中下游地区的波能传播相对较弱;在年际尺度上,影响长江中下游地区降水的Rossby波活动的局地性特征更为明显。在低层,波扰能量经由南海向长江中下游地区传播更明显,而在对流层高层源于贝加尔湖西侧的波扰能量传播相对较强。这些结果有助于深刻认识长江中下游地区降水的异常持续及与之相联系的洪涝灾害的形成机理。     

诊断大气环流变化的E-P通量

1.引言在六十年代以前,在大气环流的诊断研究中,特别是在扰动与基本气流相互作用中都是应用动量通量及热量通量。在六十年代初,著名气象学家 Ch-arney 提出用波的折射指数来描述行星波在垂直切变基本气流的传播。与此同时,Eliassen 和Palm 也提出一个与动量通量及热量通量相关联的能量通量矢量来表征行星波在切变基本气流的传播。在七十年代,许多研究定常行星波的学者都用Eliassen 和 Palm 原来所定义的能量通量矢量来表征波的垂直及侧向传播。例如,Matsuno,Kasa-hara 等,Hayashi 和 Golder 都是应用能量通量矢量来表征定常行星波的传播。然而,当波在具有切变的基本气流中传播,波的能量是不守恒的。Anderew 和 McIntyre 从位涡     

秦岭地区秋季降水的气候特征分析

利用1961-2005年观测资料和NCEP/NCAR再分析资料, 对秦岭邻近地区秋季(9-10月) 降水的气候特征及其与大气环流关系进行分析,结果表明:秦岭地区秋季降水具有明显年代际变化特征, 1960s后期、1970s和1980s初秋季多雨,而1950s和1960s初前期、1980s中后期和1990s秋少雨, 2000年以后秋季降水略有增多.秦岭地区秋季雨涝年环流特征是高原北侧高空西风急流偏强,乌拉尔山长波脊稳定,西大平洋副热带高压位置偏西,强度偏强,对流层低层东南风气流和西南风气流为秦岭地区输送了大量水汽;而少雨干旱年则高空高原北侧西风急流偏弱,秦岭地区受青藏高压控制或西北气流控制,与东亚冬季风相联系的偏北气流阻断了偏南气流的水汽输送.     

青藏高原东北侧一次突发性大暴雨环境场综合分析

利用常规天气图、卫星云图、物理量场、地面能量比和湿位涡对2004年6月29日下午发生在西安市的一次突发性大暴雨的环境场进行了综合分析,结果表明:东西两路冷空气的活动,使近地面能量在关中形成积聚,地面图上东路冷空气活动形成的能量比低值舌触发了突发性暴雨的产生。暴雨发生前青藏高原东侧对流层低层存在的弱西南气流使暴雨区形成高能和位势不稳定,12 h内边界层东南气流和南风气流的同时快速发展为突发性暴雨提供了充沛的水汽。300 hPa西南高空急流和850 hPa以下边界层南风气流、东南气流的耦合,以及和阶梯槽后西北气流的耦合产生的双次级环流为大暴雨提供了持续强劲的上升运动。湿正压场上,对流层低层中β尺度强对流不稳定核心区的生成,湿正压场和湿斜压场的耦合、配合sθep随高度的变化、暴雨区对流层低层形成有利于中尺度气旋快速且显著发展的条件,也是突发性暴雨在短时间内获得强上升运动的一个重要原因;突发性暴雨在卫星云图上表现为西风带中低层云系和副热带云系相互作用,在交汇点附近快速生成中β尺度强对流云团。