大气能量传播及不同纬度间大气相互作用的研究进展

早期的理论分析认为大气中临界纬度的存在使得热带-热带外的大气活动互不影响。然而,大量的观测事实表明中低纬度大气运动存在着明显的动力联系。为了帮助人们更好地理解大气中的遥相关现象,在大量文献的基础上,综述了几种波能量传播理论:(1) 大圆理论指出了罗斯贝波在球形大气中的传播特征;(2) 西风通道理论发现了中纬度瞬变扰动越赤道传播的“走廊”;(3) 能量堆积-波列发射理论揭示了热带扰动影响到更高纬度大气活动的可能过程;(4) 赤道波侧向膨胀理论则利用转折纬度的概念更进一步解释了这种中低纬度大气相互作用的物理机制;(5) 经向基本流理论则认为在一定的条件下定常波可以穿过热带东风带传播到另一半球。此外,文中还回顾了在波-流相互作用诊断方面的研究进展,尤其是关于罗斯贝波、惯性重力波和赤道开尔文波。大气能量的经向传播具有显著的年变化和年际变化,这与ENSO、西风急流、大洋中部槽等的变化密切相关。     

基本气流对热带波动传播影响的数值试验

本文研究了在各种定常基本状态下大气对位于热带及中纬度地区的定常强迫源的响应。进一步证实了东风基本气流将限制热带扰动向中高纬度的传播,从而也抑制了两半球的相互作用;西风基本气流则有利于热带波动向中纬度传播,有利于中纬度扰动通过热带向另一半球传播。赤道地区基本气流随经度的变化对罗斯贝波的传播也有重大影响,波动能量将在基本气流辐合的地区累积并向中纬度发射。因此赤道西风辐合最大的地区就是热带与中纬度相互作用以及两半球相互作用最明显的地区。应用实测风场作基本气流所进行的实验表明,冬季与夏季热带波动的传播特征,两半球相互作用的状况均有明显差异。     

夏季南海区域赤道西风与热带扰动的相互作用

本文分析了1973—1984年6—9月南海地区赤道西风与热带扰动的活动情况,结果表明,赤道西风对热带扰动的发生发展有一定的贡献,而热带扰动的发展又反过来使其南侧的赤道西风进一步增强,赤道西风的增强往往导致热带扰动移向的改变。这种相互作用过程,存在着能量的输送。本文参照水平运动方程和涡度方程,推导得赤道西风变化率方程,说明局地赤道西风变化主要取决于总能量和涡动的输送。分析还发现,赤道西风变化率与赤道西风值有超前相关关系,借此可估计赤道西风和热带扰动的演变趋势。      

热带准两年振荡影响北半球冬季大气环流的诊断分析

利用NCEP/NCAR再分析资料,首先讨论了热带纬向风准两年振荡(QBO)的东、西风位相的划分标准.结果发现,赤道50 hPa的风与西风深厚度关系最密切,即赤道50 hPa的纬向平均风为西(东)风时往往代表平流层下层为一层深厚的西(东)风.在此基础上诊断分析了1958/1959～1997/1998年共40个冬季中热带纬向风QBO对北半球中高纬度地区纬向平均环流和准定常行星波传播的影响.诊断分析表明,热带QBO对北半球冬季大气环流的影响主要表现在平流层和对流层上层.热带QBO的东风位相年与西风位相年相比,中高纬地区的绕极西风环流明显减弱,中低纬地区则出现相反变化,从而在平流层的纬向平均环流分布上呈现偶极子形式.纬向平均流的这种年际变化可以很好地用中高纬度准定常行星波传播的异常加以解释,QBO的东风位相年和西风位相年相比,中高纬准定常行星波向极地的传播更强,从而在高纬度平流层产生异常的E-P通量辐合,波-流相互作用的结果使得西风减弱.但是热带纬向风QBO的影响在1958/1959～1997/1998年的前后20年有所差异.后20年相对于前20年而言,东西风位相的差异有所减小,Hol-ton-Tan振荡明显减弱;就行星波传播而言,东风位相年下,前20年行星波向上传播较弱,而后20年则以大约70°N为分界点,以南向上传播较强,以北向上传播较弱.这种差异可能跟中高纬度纬向西风的自身变化有关.     

地球旋转向量水平分量对赤道β平面上波动的影响

文中利用合理的赤道 β平面近似方程组研究 β效应和地球旋转向量水平分量 (即Coriolis力分量 f*=2 Ω cosφ)共同作用下低纬度大气波动的特征。定性结果分析表明 ,若扰动与纬度有关 (混合 Rossby-重力波和 Rossby波 ) ,f*虽然不影响波动传播的频率特征 ,但修改其决定波动经向结构的振幅。如果扰动与纬度无关 (Kelvin波 ) ,则 f*的影响消失 ,这与 f*- f平面上波动的情况显然不同。     

正压大气球面行星波螺旋结构变化的机制

本文就正压大气球面行星波螺旋结构的发展变化机制进行探讨。当经向波数是时间t的缓变函数时,得到波的平方涡度,波能量和波振幅的三个不同增长条件。球面螺旋波只和具有较差转动的基本气流交换能量和平方涡度。分析表明,旋转大气的球面效应是十分重要的。β效应随纬度的变化,通过对波的传播发生影响,使波的结构发生变化,在北半球,它总是有助于中纬地区东北——西南向槽脊的形成;在南半球,则有助于中纬地区西北——东南向槽脊的形成;使波的角动量涡动输送指向两极;从而有助于低纬东风,中高纬西风的维持。实例计算表明,理论分析和实况较为一致。     

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。     

半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－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。     

热带海温异常影响夏季环流的机制研究

利用正压涡度方程模式对赤道东太平洋和赤道西太平洋暖池区海温异常影响夏季大气环流的机制进行了研究,结果表明:太平洋海温异常会对大气环流产生明显的影响,我国上空环流受其直接影响较小,大气对赤道东太平洋海温升高的响应比对西太平洋暖池海温降低响应明显.西太平洋暖池海温降低和赤道东太平洋海温升高都使极涡明显减弱,对中低纬度大气高度场的影响相反.赤道东太平洋海温升高,中低纬度地区槽脊活动表现不明显,而西太平洋暖池海温降低,会使大气高度场产生明显的槽脊扰动.西太平洋暖池海温降低和赤道东太平洋海温升高,会使涡度场、经向风形成沿驻波波列传播的扰动场.西太平洋暖池海温降低和赤道东太平洋海温升高同时发生时,经向风场使北半球所有的地方都产生了扰动(两条波列路径仍然清楚),沿纬圈和经向都呈有规律的正负相间的分布,扰动表现为驻波特征.     

谢义炳对大气环流系统研究的贡献

对谢义炳在大气环流系统方面所做出的科学贡献作了简要的全面回顾。其中包括:(1)北美切断低压的生命史;(2)东亚高空锋和急流的多层结构;(3)中国降水系统的结构和演变规律(包括梅雨锋、西南低涡等),热带和中纬度扰动相互作用在暴雨过程中的重要性;(4)西北太平洋的台风形成在ITCZ(赤道辐合带)/季风槽中;印度西南季风的低频变化;(5)降水系统的湿斜压动力学理论及其在天气预报中的应用;(6)大气环流的中期变化理论。谢义炳的这些贡献为我们更好地理解大气环流系统并改善了中国的暴雨预报。     

热带大气季节内振荡的传播及影响因子研究

通过观测资料的分析,对热带大气季节内振荡(ISO)的传播(移动)进行了深入系统的研究,揭示了热带大气ISO的纬向和经向移动的特征,以及热带大气低频动能的跨赤道传播特征.同时,通过对比分析还揭示了ENSO和热带对流加热场异常对热带大气ISO移动的影响.     

印度洋海温年际异常与热带夏季季节内振荡的关系及其数值模拟研究

利用观测分析资料和SINTEX-F海气耦合长时间(70年)数值模拟结果,分析了印度洋海温年际异常与热带夏季季节内振荡(BSISO)各种传播模态之间关系及其物理过程。结果表明,印度洋海温年际异常与热带BSISO关系密切,当印度洋为正(负)偶极子情况,中东印度洋北传BSISO减弱(加强);当印度洋为正(负)海盆异常(BWA)情况,印度洋西太平洋赤道地区(40°E -180°)东传BSISO加强(减弱)。印度洋海温年际变化通过大气环流背景场和BSISO结构影响热带BSISO不同传播模态强度的年际变化。在负(正)偶极子年夏季,由于对流层大气垂直东风切变加强(减弱),对流扰动北侧的正压涡度、边界层水汽辐合加强更明显(不明显),导致形成BSISO较强(弱)的经向不对称结构,因此北传BSISO偏强(减弱)。印度洋BWA模态通过影响赤道西风背景以及海气界面热力交换,导致赤道东传BSISO强度产生变化。在正BWA年夏季,赤道地区西风较明显,当季节内振荡叠加在这种西风背景下,扰动中心的东侧(西侧)风速减弱(加强)更明显,海面蒸发及蒸发潜热减弱(加强)更明显,导致扰动中心的东侧(西侧)海温升高(降低)幅度更大,从而使边界层产生辐合(辐散)更强、水汽更多(少),因此赤道东传BSISO偏强;而在负BWA年,赤道地区西风背景减弱,以上物理过程受削弱使赤道东传BSISO偏弱。     

从波浪到厄尔尼诺

绕极流海域存在全球最大的波浪输运量,遇陆地阻隔,在大洋东岸形成连接高纬度与低纬度之间涌浪的经向输运通道。本文分析了存在于南极绕极波(ACW)中的波浪信号以及来自绕极流海域涌浪的东向强化特征,并进一步从理论分析及定性计算的角度研究了波浪诱导的经向输运对东赤道太平洋海表面温度变化的影响,提出了波浪过程对厄尔尼诺影响的全新观点。未来工作中,我们将在海浪-海流-大气耦合模式中考虑波浪的大尺度效应,深入探究波浪在大气海洋动力过程中的重要作用。     

大气角动量季节内变化的纬度分布

大气角动量季节内变化的纬度分布田村一则后藤幸夫等Ｌｏｎｇｌｅｙ等（１９８１）指出：地球的自转速度存在着数十天的周期变化，由赤道地区的积云对流活动所激发，而且其能量向中纬度地区传播。这篇报告分析了１９８８—１９９０年的最新资料，总结了不同纬度带大气角动...     

地球大气纬向风系、副热带高压和太阳较差自转的形成机制

利用N S(Navier Stokes)方程和一个基本假设推导出星体大气平均纬向风和平均气压公式,根据公式讨论了地球大气纬向风系和平均气压以及副热带高压的成因并进行了数值模拟。结果发现,地球大气纬向风是大气微团密度与基准大气密度存在差异而形成的,大气微团的密度大于（小于）基准密度,则为西风（东风）;密度的差距越大,风速越强。在中高纬度地区大气微团吸收的太阳辐射少而向空间辐射多,导致其密度变大,因此在中高纬度盛行西风;而在低纬度地区,因为吸收的太阳辐射多使大气微团密度变小而盛行东风。夏季（冬季）太阳辐射增强（减弱）使得大气微团密度变小（增大）,进而导致中高纬度地区西风减弱（增强）和低纬度地区的东风加强（减弱）。风速的大小还与纬度的余弦成正比,这就使得最大西风带位于中纬度地区而不是大气微团密度最大的极地附近;也使得最大的东风不是发生在太阳直射点附近而是靠近赤道一侧。根据气压公式和大气密度的经向差异可以得出中高纬度区域气压随纬度的升高而减小的分布特征,而太阳辐射所造成低纬地区密度的减小是该区域气压大于中高纬度的主要原因;在赤道上纬度的正弦为零,使得气压在赤道上存在极小值,导致了赤道槽和副热带高压的形成,且太阳辐射越强、副热带高压越强。因为纬度正弦因子的存在,使得副高脊线总是位于太阳直射点的向极一侧。在假定太阳大气为理想气体的情况下,由N S方程推导出太阳大气自转角速度随纬度的变化公式,由此解释了太阳较差自转的成因在于低纬地区的大气微团密度大于高纬度,并且在赤道上大气微团的密度最大。该公式与观测得到的经验公式在略去高阶小项后一致。由此认为,太阳大气的运动在形成机制上与地球大气没有区别,不同的是在太阳表面没有象地球表面那样受太阳辐射的影响,N S方程是所有星体（包括恒星、行星）大气共同遵守的动力方程。     

北半球大气环流季节突变的诊断与模拟

本文根据扰动与纬向平均气流相互作用的EP理论,着重诊断了扰动在北半球大气环流季节突变中所起的作用,并使用一个二维数值模式分别计算了扰动、加热和耗散等因子对于环流变化的贡献。诊断分析表明,源于中纬度低层的斜压扰动能量向副热带对流层顶的输送与西风急流位置和强度的季节变化紧密相关。纬向气流对扰动的强迫作用的响应在“六月突变”中十分迅速显著,而在“十月突变”中不大明显。数值计算也表明,扰动强迫作用总是有利于在急流位置以北维持西风加速。数值计算还表明,无论是六月还是十月,加热场季节变化对于环流变化都十分重要,垂直湍流扩散对于十月环流变化的作用比较明显。     

Propagation and influence on tropical precipitation of intraseasonal variation over mid-latitude East Asia in boreal winter

本文研究冬季东亚中纬度地区9–29天季节内变化的传播特征和其对热带降水的影响。分析发现风场的季节内信号既可以向东传播,也可以向南传播。向东传播时,风场的季节内信号主要限于中纬度地区,表现为气旋和反气旋的向东移动。向南传播时,源于中纬度的经向风扰动可以深入到低纬度地区,甚至到达赤道附近。伴随的辐合辐散引起赤道附近地区降水异常,形成南海南部和中国东部-日本之间一个南北向偶极型降水异常。一个异常经向翻转环流在连接热带和中纬度季节内风场和降水变化中起着重要作用。     

热带大气季节内振荡研究述评

自1971年Madden和Julian首次发现热带大气的风场和气压场存在着向东传播的40—50天的准周期振荡现象以来,国内外对热带大气季节内振荡(有的提30—50,30—60天振荡)作了大量的观测和理论研究,yasunari研究发现印度季风区上空云量距平以40天左右的周期作经向传播,并指出这与Madden和Julian发现的40—50天振荡(有的称之为MJ波)是密切有关的。      

热带大气能量频散波射线的低频动力学特征

首先在非零频波条件下采用有、无辐散两类数学模型 ,讨论热带大气低频波传播动力特征 ,研究结果表明 ,非零频的波频率参数是热带大气低频振荡源能量频散波路径及其波振幅的关键影响因子 ,且热带地区低频振荡的经向传播与其伴随着的强对流云团有显著相关 ,并与热带低纬 β因子等相关。文中还进一步揭示了低纬大气低频振荡经向传播伴随的积云对流现象及向高中纬传播机理 ,描述了 WKB近似方法数学模型及其波射线方程解模态对大气低频动力特性及其水汽分布垂直结构、不稳定层结等因子的响应特征。     

南半球对流层大气对热带太平洋-印度洋海温异常综合模的响应及其机制解释

利用NOAA SST及NCEP/NCAR再分析资料, 研究了热带太平洋—印度洋海温异常综合模和南半球对流层大气之间的遥相关模态并对其进行了机制解释。首先通过相关和合成分析, 给出了遥相关的空间模态, 结果表明: 北半球秋、冬季, 在南半球对流层大气存在和热带太平洋—印度洋海温异常综合模密切联系的遥相关作用中心, 该中心的分布构成一列明显的从赤道中太平洋出发, 最终到达非洲中南部及赤道印度洋的Rossby波列, 将赤道太平洋、印度洋与南半球中高纬度大气连接起来, 起到了类似“大气桥” 的作用。而单纯IOD和单纯ENSO均难以在南半球对流层激发出遥相关波列, 进一步证实了两者共同作用的影响。其次, 利用行星波能量传播理论对两者之间的遥相关进行了机制分析, 发现纬向波数为1～3的大气行星波的能量传播是热带太平洋—印度洋海温异常综合模与南半球对流层大气之间遥相关的一种可能的联系方式。