1981—1982年纬向非对称基本流正压不稳定对30—50天振荡作用的诊断分析

本文运用Hoskins和Simmons的波流相互作用原理,分析1981—1982年冬、夏季对流层高层200hPa上纬向非对称基本流(时间平均流)的正压不稳定和30—50天振荡的关系。指出西风急流的出口区是30—50天振荡动能和基本流以及低频振荡相互作用的最强的区域,且低频振荡从基本流的正压不稳定中获得能量,并在一周内得到充分的发展。 另外还表明,由于基本流的正压不稳定作用,使40°N的亚洲大陆和沿海及45°N的大西洋中部附近成为夏季30—50天振荡的主要能源区,使30°N的中太平洋和40°N的北美东部附近成为冬季30—50天振荡的主要能源区。      

10—20天准双周振荡的经向传播及地理特征

本文采用ECMWF 1983年7月1日至9月12日逐日200hPa纬向风场资料， 用复经验正交方法讨论了10—20天低频振荡的经向传播及地理特征。结果表明:(1) 10—20天振荡有三个显著区域:贝加尔湖附近地区；赤道90°E附近以及新加坡、马来西亚地区；80—100°E, 22-32°N之间。(2) 源于较高纬度地区的振荡与源于赤道附近地区的振荡在105°E，17—23#+[o]N附近同位相相遇，在90°E, 20°N附近反位相相叠加，振荡相互削弱，在25°N附近同位相相遇。(3) 从振荡位相来看，中南半岛东南部、马来西亚北部、菲律宾以西区域的振荡向北传播到中国东南沿海，向西传播到孟加拉湾印度半岛；20°N 以南低纬度地区的振荡很少能传播到8°E以东30°N附近地区；位于90—95°E, 25-27°N之间的振荡以及贝加尔湖附近地区的振荡可以向南北两个方向传播。     

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.     

ITCZ的季节内振荡及其与热带气旋发生阶段性的关系

利用中国气象局提供的热带气旋资料和NCEP/NCAR再分析等资料, 研究了热带辐合带(Intertropical Convergence Zone, 简称ITCZ)上对流强度的季节内振荡特征及其与热带气旋生成频数阶段性变化的关系, 并进一步研究了它与越赤道气流、 赤道西风和ITCZ北侧偏东风季节内振荡的关系。研究发现: (1) ITCZ对流强度的变化有明显的30～60 d振荡, 西太平洋 (5°N～20°N, 120°E～150°E) 范围内的热带气旋约有2/3发生在30～60 d振荡的活跃位相。(2) ITCZ季节内振荡在热带地区表现为向东传播的特征, 而在副热带地区 (25°N～35°N) 表现出清晰的西传特征。在ITCZ季节内振荡较强年, 振荡在由赤道传播至15°N左右时, 与北面向南传播的振荡在该纬度附近汇合, 对流强度增强, 使热带气旋在此期间频繁发生。而在弱年, 振荡由赤道一直向北传播至30°N附近, 15°N附近的ITCZ对流较弱, 热带气旋生成偏少。(3) 赤道西风、105°E～110°E越赤道气流和ITCZ北侧的偏东风气流本身也存在30～60 d振荡。这三支气流的30～60 d振荡与ITCZ的季节内强弱变化密切相关。然而, 相比之下偏东风气流的30～60 d振荡和ITCZ对流强弱的30～60 d振荡对应关系略差。     

亚洲赤道地区大气动能的纬向传播

基于 1980～ 1997年 85 0hPa逐日NCEP/NCAR再分析资料讨论了亚洲赤道地区 (0°～ 5°N)大气动能的纬向传播特征。结果表明 ,在亚洲季风区内 ,赤道地区大气动能 (K)的最强中心位于 75°～ 90°E ,次强中心在索马里急流区 (5 0°E附近 )。在 0°～ 5°N ,90°E以东 ,平均的大气动能扰动和赤道上经向风扰动主要起源于西太平洋 ,并向西经南海传播到孟加拉湾。而在孟加拉湾动能中心与索马里急流区之间 ,动能传播方向比较复杂。以上事实说明赤道地区东亚季风系统确实是存在的 ,与印度季风系统中扰动的传播方向不同 ,东亚季风系统中动能和经向风扰动在东西方向上主要受西太平洋的影响。在亚洲赤道季风区 ,这两个系统的交界处约在 95°～ 10 0°E附近 ,比过去界定的偏西 5～ 10个经度。     

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。     

北半球中纬地区平均纬向垂直环流的特征

Reginald.E.Newell等曾计算了冬夏两季5℃和5°N的沃克环流(Walker Cell),给出了赤道地区纬向气流的特征。Krishnamurti曾根据200mb位势流的计算结果,推论出北半球夏季0°-30°N和北半球冬季15°S—15°N的理想纬向垂直环流圈,给出了热带和副热带地区纬向垂直环流的特征。叶笃正等指出青藏高原地形及其夏季的热源作用,使其与西半球、南半球和中、东太平洋的天气系统产生遥相关,给出了青藏高原地区和遥     

1979年夏末欧亚上空的温度变化

在1979年夏末,15°N以北的欧亚地区温度分布发生了显著的变化。在300mb上,大约8月23日欧亚地区沿 20°—25°N平均的纬向平均温度急剧地减小。南亚(50°—100°E)夏季风的撤退是造成这种纬向平均温度减小的重要原因。300mb纬向平均温度的突然减小在8月18日也发生在中纬度大范围地区(40°—55°N),这比南亚夏季风的撤退约早5天左右。 在夏到秋的过渡时期,南北方向垂直环流的强度和位置在欧亚地区也经历了明显变化。在20—25°N,过渡时期(8月18—27日)纬向平均的上升气流明显减弱。减弱的综向平均加热率可能是造成这种减小的主要因子。在45°N,过渡期纬向平均的下沉气流和冷却(辐射)率显著增加有关。 在15°N附近,300mb近于以40天周期准周期地脉动。这种脉动似与40天过滤的绝热冷却(加热)和欧亚平均经圈环流有关的非绝热加热(冷却)之间小的不平衡有联系。     

热带和中高纬地区季节内振荡的特征及其动力学诊断

使用5年低阶全球谱模式资料,对中高纬大气和热带大气季节内振荡的动力学性质和传播特征进行了诊断研究。分析发现模式再现了大气中季节内振荡在热带和中高纬地区的传播特性以及它们之间的差异。热带大气30—60天振荡在速度势场上表现为纬向—波结构和行波特性,而在散度风场上反映了赤道西太平洋—印度洋东西向偶极子型的振荡。中高纬大气30—60天振荡表现为定常波位相和振幅的变化,即波包络的传播特征。它与中高纬地区遥相关型的转换有关,通过遥相关位相和振幅的变化,不仅完成了热带和中高纬地区之间以及热带不同区域之间的能量输送,而且通过这种能量输送过程把南、北半球中高纬地区季节内振荡联系起来。      

亚洲季风区纬圈剖面内准40天周期振荡的环流结构及其演变

本文利用1979年FGGE LevelⅢb资料研究了30°E—150°W范围内赤道和15°N纬带两个剖面内的准40天周期振荡的环流和温度场结构,讨论了它们的变化及其与亚洲地区季风活跃和中断的关系。发现有以下结果:(1)亚洲季风槽内的上升气流不仅构成了强大的经向季风环流圈,同时在其两侧也形成了东、西向(纬偏异常)环流圈,并受到准40天周期扰动的显著影响。季风槽两侧的热力学结构显著不同。(2)15°N纬带上60°E以西的北非和沙特阿拉伯上空的下沉(上升)区域向东扩展至南海—菲律宾地区导致其东面(西面)的高(低)层东(西)风动量下(上)传,使得季风中断(活跃),引起130°E以西地区低层西风和其东面太平洋上空的高层东风发生相互作用。向东传播的正(负)温度扰动与强的上升(下沉)运动相结合使得这一地区成为准40天周期振动的能量源地。(3)在赤道剖面上,扰动风场的位相向东向上传播,准40天周期的扰动动能向扰动位能转换,西风动量向下传播,其动力学特性与开尔文波有明显的不同。      

大气季节内振荡的活动与El Nino

用广东省４７个测站１９５４－１９９０年各月的平均气温、降水、日照时数的标准化资料分别作按时间点分解的主分量分析,取其前６个主分量作为各测站的气候特征量,用相关系数－重心法作聚类分析,作出各月、全年综合要素的气候分区。结果表明：（１）将广东各月分为有较显著差异的５个区,则冬半年（１０－翌年４月）各月的分区形式较类似且规律性明显,夏半年（５－９月）各月的分区逐月变化明显,且分区形式差别较大。（２）若用６个自然季节的平均气温、降水、日照时数标准化资料分别作主分量分析,各取前３个主分量作为全年气候分区的特征量,则广东全年的气候区可分为东南沿海、西南沿海、西北内陆３个区。     

1990年初夏西太平洋暖水池区海面热量收支特征分析

根据TOGA计划,1990年初夏,中美两国科学工作者对18°N—10°S、120—165°E的热带西太平洋海区进行了科学考察,本文用这次考察的资料(包括总辐射、净辐射、海温、气温、气压、湿度、露点、风、云和海浪),计算了睛天和阴雨天、两个剖面(165°E经向剖面和赤道纬向剖面)以及整个考察区域的(昼夜)净辐射强度、感热和潜热通量、净热量通量和动量通量的日平均和日总量,并对热带西太平洋西部和东部进行了比较,发现西部比东部获得更多的太阳辐射能,这是热带西太平洋暖水池形成的直接原因之一。      

“罗莎”台风波动特征与浙江远距离降水相互关系的初步研究

利用NCEP 1°×1°再分析格点资料和浙江省自动站降水资料,分析了2007年"罗莎"台风能量频散的波动特征与浙江省远距离台风降水之间的关系。结果表明:1)由于浙江省所处纬度相对较低,其远距离台风降水的形成过程与北方(西北和华北)典型的远距离台风暴雨存在本质区别,浙江省远距离台风降水主要是台风能量频散的波动效应所引起,而北方远距离台风暴雨的形成过程主要是西风槽和台风外围环流相互作用的结果。2)影响浙江省远距离降水的台风在整个台风环流登陆前有向降水区的能量频散过程,这种能量频散过程在对流层中低层波动特征不明显,因而能量频散的距离相对较小;在对流层中高层,台风能量频散表现出清楚的波动特征,能够影响到较远距离外的天气系统,从而引起局地降水的增加。3)台风能量频散的波动效应在远距离降水区的上空形成一个正涡量区,之后该正涡量区以波动的形式向下传播,导致降水区对流层中下层气旋性涡旋形成,造成局地降水或降水增加。     

Mean structure of the tropical tropopause and its variability over the Indian longitude sector

The mean spatiotemporal variations in tropopause parameters over the tropics (±35°, in latitude) in the Indian monsoon region are examined using the upper air data for an extended period obtained from radiosonde and Radio Occultation measurements. In general, the altitude of cold point tropopause (CPT) is a minimum near the equator and increases with latitude on either side. While CPT over the entire southern tropical latitudes and northern equatorial region is cooler (higher) during boreal winter and warmer (lower) during boreal summer, the annual pattern of CPT-temperature reverses in the northern hemispheric off-equatorial region. The temperature of lapse rate tropopause (LRT) is always negatively correlated with its altitude. While the annual variation of LRT-temperature in tropics is always positively correlated with CPT-temperature, the annual variation of LRT-altitude differs mainly in the off-equatorial regions. While the altitude of the convective tropopause is positively correlated with CPT-altitude over the latitude region 20°S–5°N, they are negatively correlated at the north of 10°N. In general, the tropical tropopause layer (TTL) is very thin (~3 km) near the equator and its thickness increases with latitude on either side of the equator to reach a peak value (of ~6 km) around ±30°. A pronounced decrease in TTL-thickness observed over the northern off-equatorial region during the ASM period can be attributed to the manifestation of very deep convection over the land near the Head Bay-of-Bengal region. The TTL-lapse-rate (γ_TTL) is large in the equatorial region and decreases with increase in latitude. While γ_TTL in the northern hemispheric off-equatorial region is low during winter, it increases and becomes comparable to that over equatorial region during the ASM period. The annual variations in CPT parameters as well as the TTL- thickness are significantly modulated by quasi-biennial oscillation and the El Niño Southern Oscillation.     

Maintenance and oscillation mechanisms of summer tropical upper-tropospheric easterlies

The mechanisms of the maintenance and oscillation of 1982 summer tropical 200-hPa mean easterly flow and extra-long waves are investigated in terms of the energy equations in wavenumber-frequency space. Calculation results show that the difference in heating between land and sea and the boundary effect serve as the main source of energy; frictional dissipation as the sink; the conversion of available potential energy into kinetic takes place dominantly in the waves of number 1–2 such transformation is accomplished in just a small amount in zonal mean flow and therefore can be ignored because of the value. In the interaction between wave and zonal mean flow, the latter loses its available potential and gains kinetic energy. The tropical easterly belt over 20°N-5°S is found barotropically stable and that over 10°-5°S, unstable. The waves of number 2 and 1 manifest themselves a primary source and sink of kinetic energy, respectively, in the interplay between waves and between zonal mean flow and wave. It is found that zonal mean flow and the waves of number 1-2 have a roughly 40-and 20-day oscillational period of kinetic energy, respectively, whose primary mechanism is the transfer of barotropic energy, the conversion of baroclinic energy, and the boundary effect.     

全球扰动的结构、演变及其球面Rossby波包表示

利用按谱函数展开的方法,计算和分析了正压球面Rossby波的连续谱和离散谱的波包结构、演变和传播特征,发现无论是结构、演变还是传播,连续谱波包和离散谱波包都很不相同.连续谱波包的传播速度不仅大小而且方向都随纬度变化;离散谱波包的传播速度只有大小随纬度变化,其方向在任何纬度上都是向西的.连续谱的波包和离散谱的波包在初始时刻虽然都表现为子午圈上不规则的波动,但随着时间的增加,二者的变化规律不同,连续谱的波包具有局部特征,主要表现在两个半球的中高纬地区,且随时间振幅迅速衰减;而离散谱的波包具有全球性质.将二者与整个扰动波包进行比较,发现:在中高纬度地区,连续谱波包的结构与扰动波包的结构相似,而在赤道地区,离散谱的波包与扰动波包相似.     

不同纬度天气尺度扰动影响2020年夏季梅汛期降水的数值模拟

利用观测资料和区域气候模式RegCM4.6,研究了高纬和低纬天气尺度扰动对2020年梅雨期降水的可能影响。观测分析表明:2020年6月、7月长江中下游降水在周期上表现为10 d以下的天气尺度扰动,在降水过程中存在多次中高纬度天气尺度扰动的南传与低纬扰动的北传。在此基础上,设计改变不同纬度天气尺度扰动(10 d)输入的侧边界敏感性试验。数值模拟结果表明:从平均环流来看,当中高纬西北侧边界的天气尺度扰动减弱时,大气平均环流动能向天气尺度扰动动能转换的位置发生北移,影响副高北侧纬向西风带北移,使得梅雨期降水中心从长江中下游地区北移到淮河流域;从时间演变来看,当去除中高纬西北侧边界的天气尺度扰动时,850 hPa上E矢量散度南传减弱,低纬纬向风异常能够向北传播。纬向风异常产生的涡度变化有利于副热带高压北抬,使得雨带可以较早北抬到34°N以北,标志江淮地区出梅。低纬南侧边界的天气尺度扰动减弱时,梅雨期降水略有增强,但对雨带的进退影响较小。因此,观测和数值模拟结果表明,2020年夏季梅雨期降水强度和雨带的维持主要与中高纬度天气尺度扰动异常密切相关,中国北部尤其中国西北部到巴尔喀什湖地区天气尺度扰动偏强且南传是此次梅雨强度偏强和雨带维持的重要原因。     

关于中纬或低纬扰动对低纬或中纬度流场的作用

用付里叶方法求解正压无辐散涡度方程,把初始扰动分别加在中纬或低纬,求得这些扰动在低纬或中纬度产生的作用。结果表明:这种作用都是不能忽视的,而且中纬扰动对低纬度流场产生的影响比相同的低纬扰动对中纬度的影响要大。     

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。