南海季风爆发与风向改变指数关系初探

通过定义一个风向改变指数,探讨了该指数与南海夏季风爆发之间的关系,得到以下主要结论:利用Yamamoto突变检验,定义了南海关键区,南海季风爆发时,850 hPa上的风场在该关键区确有突变发生;南海夏季风爆发时的风场突变是全球风场突变的一部分;分析了南海关键区上该指数的空间分布和时间演变,发现30～300 hPa平均于5月初风场开始反向,其早于低层风场反向约2周,这对预报南海季风爆发具有启示意义.     

西南地区主要水循环过程的数值模拟分析

利用NCAR的公用陆面模式CLM4.0(Community Land Model 4.0),以1961~2010年普林斯顿大学的大气驱动场资料作为大气强迫场,对西南地区陆面过程变化进行了非耦合模拟试验。分析结果表明:西南地区降水呈现明显的干湿季节特征,季风期降水量分布为东北—西南走向,以印度缅甸一带向东北方向递减;非季风期近似呈东西梯度,以两湖地区为中心向西递减。全年而言,西南地区约有16.7%的降水首先被冠层截留,到达地面后约有60.5%以渗透的形式进入土壤,另有约17.1%形成地表径流,还有少部分降水以直接蒸发的形式加湿低层大气。各水循环因子分布与降水分布密切相关,其中冠层截留、地表径流、冠层蒸发的季风期与非季风期特征差异不大,而地下排水和地表蒸发在非季风期均明显高于非季风期,渗透过程则相反。非季风期西南地区水循环的蒸发高、渗透小、地下排水量显著,这三个过程的共同作用,造成西南地区冬春季陆面水份显著流失,是引发西南春旱的可能原因之一。     

IAPⅢ模式中夏季风建立的流场能量强度指数分析

本文采用IAPⅢ模式输出的10模式年资料,计算了夏季风建立期间的流场能量强度指数(即变差度、相似度、场比幅、季风强度指数和突变度),主要结论有:利用相似度可客观确定模式中南海夏季风建立的预兆日期。在南海、南亚夏季风建立及江淮入梅前后,均出现全球变差度明显增大,此时大气环流的剧烈调整具有全球性。IAPⅢ模式中南海夏季风爆发要较实际偏晚10 d,强度也较实际弱。虽在模式中海表面温度取气候值,但南海夏季风建立的预兆日期仍各不相同,且季风强度指数有明显的呈两年周期的变化。模式中南海夏季风爆发在绝大多数年份仍属突变过程,这与实际情况大体相当。     

THE TRANSMISSION PATH OF THE 500 hPa TEMPERATURE RESPONSE TO THE SOUTH CHINA SEA SST MONTHLY ABNORMALITY IN WINTER

In view of the SSTA study mostly confined to summer, this work tries to take another look from the point of winter. Using a two-layer general circulation model (IAP-GCM Ⅱ)developed at the Institute of Atmospheric Physics of the Chinese Academy of Sciences, numerical experiments are conducted to study the transmission paths of the 500-hPa response field of temperature in association with monthly winter anomalies of SST for the South China Sea. The result shows that the response field splits into two branches in transmission when the anomaly is positive-one travels counterclockwise to the north arriving in the Qinghai-Xizang (Tibetan) Plateau via southeastern China after leaving the sea and the other goes southwards; the transmission becomes clockwise when anomaly turns negative so that it starts from the sea and passes the Bay of Thailand before, as in the case of positive anomaly, reaching the plateau. Our work has shown that the South China Sea SST is essential for the prediction of short-term climate in southeast China.     

大气高度场对春季印度洋海温一致型异常响应的数值模拟

用60 a Hadley气候中心的月平均海温资料,用EOF分析重构了4月份印度洋海温的一致变化型异常,并以此驱动IAP9层大气环流模式,分别研究了海温异常初期适应阶段、异常当月和气候平均夏季3种时间尺度下大气高度场响应的传播和分布特征.研究发现,初期适应阶段,高度场响应的垂直传播约需4d,且受控于整层无辐散约束;冷暖位相高度响应的水平传播路径差异较大,表现出明显的非对称性.海温异常当月,冷位相会激发出全球纬向Rossby波;而暖位相则激发出两半球洋面上2个大圆波列,且均有显著正压性.对气候平均夏季的北半球冷相位,高度响应表现为太平洋上空的3条异常纬带;对暖相位则表现为太平洋和大西洋上空的2个大圆波列.而南半球的高度场对冷位相响应主要表现为2波结构的绕极驻波,暖相位激发出环球的同心异常纬带.     

21层大气环流模式IAP AGCM-Ⅲ的设计及气候数值模拟Ⅰ.动力框架

设计了IAP(Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences) AGCM-III,对其动力框架作说明和检验,时间积分采用改进的非线性迭代法.用Rossby-Haurwitz 波对框架进行了波型检验、能量检验和波速检验.结果表明,非线性迭代3次的时间积分方案具有较好的稳定性,能够有效地抑制短波,同时对长波的歪曲较小,且时间积分步长可放得较大;该框架能够较长时间地保持Rossby-Haurwitz 4波波型,在积分过程中能够较高精度地保持总有效能量守恒;模式计算的Rossby-Haurwitz波速为每天西传15个经度,这与理伦值很接近.     

季风及季风与西风带相互关系的数值模拟研究

利用中国科学院大气物理研究所九层大气环流模式积分20年,分析其对季风的模拟能力并探寻季风与西风带的相互关系.模式计算得到的全球广义季风区的分布和大气质量的跨纬圈输送,与由实测资料算得的结果十分接近;行星热对流环流和地表特性差异对大气质量跨纬圈传输的功效比夏季约为1.8:1,冬季为2.2:2,此值也与实测十分接近;模拟结果还发现西风带和热带的降水性质有着本质差别,前者与风暴轴有关,为大尺度抬升凝结降水,后者受控于大气层结,为对流性降水;西风带和季风降水都受两半球副热带辐散源的驱动影响,冬季风加强北半球的西风带,进而加强西风带降水,夏季风则削弱北半球西风带和其降水;起自南半球的两支夏季风气流在印度洋和南亚一带同位相叠加,引发强大的亚-澳夏季风,并伴有最强的降水中心,而冬季风会在西太平洋暖池形成一对南北对称的辐合中心,并形成冬季最强的降水中心.     

黑潮延伸体区纬向扰动海温的结构特征及其对系统变异的指示作用分析

为准确描述黑潮延伸体的强度,突出其表面热量输送作用引起的海温调整,提出了纬向扰动海温的概念,基于对NOAA（National Oceanic and Atmospheric Administration）高分辨率海温资料和GODAS（Global Ocean Data Assimilation System）海洋再分析资料的分析表明,气候态的纬向扰动海温与洋流的表面热量输送分布高度一致;对纬向扰动海温年际演变的分析表明,相较于传统的海温异常,纬向扰动海温能够更好地体现出延伸体系统强度的年际振荡,标识出延伸体和亲潮的影响范围;对西北太平洋纬向扰动海温异常的经验模态分解结果的分析表明,前两模态主要反映不受亲潮交汇影响的延伸体收缩和扩张模态,而第三、四模态则反映北侧亲潮的强弱对延伸体扰动海温的影响。涡动动能作为标识延伸体区域的重要动力学指标,在延伸体系统的演变中,与纬向扰动海温通过海洋温度锋的强度和流轴的稳定性紧密联系:纬向扰动海温增大,表明洋流的热量输送作用增强,延伸体强度增强,海温梯度增大,此时海洋温度锋增强,流轴稳定,中尺度涡活动减弱,反之亦然。考虑到纬向扰动海温对延伸体表面热量输送作用具有较好的刻画能力,定义了延伸体热力指数T_p,对比分析表明该指数能较好地标识出延伸体的收缩和扩张状态,对延伸体的纬向伸展距离和流轴的南北振荡同样具有良好的指示作用。     

冬季黑潮延伸体海温异常结构及其与热带太平洋海温变化关系分析

基于NASA遥感系统提供的2003~2015年全球高分辨率海表温度资料,应用经验正交函数分析、时滞相关分析等方法,对北太平洋冬季黑潮延伸体区海温异常特征及其与热带海表温度的可能关系进行了初步分析。研究发现,冬季延伸体区的海温异常主要表现为两类结构特征,其一为上游区域发展型,包括海盆尺度一致性变化的季节模态和纬向反位相的收缩型结构;其二为纬向延展型,包括分叉东扩结构和通道东扩结构,且该两结构型在2010年前反位相,使得2006年前暖异常东扩路径基本控制在36°N以南,其后至2010年期间,暖异常东扩路径偏北,而2010年后结构型转为同位相,暖异常东扩路径偏北。分叉东扩结构表现为与热带海温变化紧密相关,进一步的时滞相关分析与合成分析表明,热带太平洋不同地区对中纬度海温分叉东扩的影响存在差异,Ni?o3区海温异常超前延伸体区分叉东扩模态约1~2个月,而Ni?o3.4区及Ni?o4区则与延伸体区海温分叉东扩保持前后各约3个月的宽谱同期负相关,或可表明El Ni?o的东部型和中部型对中纬度延伸体暖流分叉东扩存在超前和同期相关影响,且中部型影响更显著。     

大气环流的季节突变与季风的建立I·基本理论方法和气候场分析

将曾庆存等提出的大气环流的季节划分和计算季风的理论方法作了改进,使之更便于研究季风的建立过程。该理论方法将环流突变和季风建立时段,其“变差度”和与其前和其后场的“相似度”等由空间场的泛函随时间的变化(即数学名词上的“流”[flow])一起求出来。研究I先分析气候平均场,II分析各个别年份的情况及年际变化。研究I的结果表明:(1)该方法可以客观定量地定出“突变”时段的关键日期;与季风建立过程联系,即是季风建立的“预兆日期”,它比人们用天气-气候学方法(甚至用别的气象要素)定出的可以明显感觉到的或有明显实用价值的“季风来临日期”要早2至4天。(2)在北半球亚澳季风系统区域,夏季风的来临在许多关键地区伴有明显的环流突变,建立和推进都很快,但也有许多区域不表现为当地环流的突变,推进速度也慢。(3)北半球亚澳季风系统低空的热带季风分支,在6月中以前可明确区分为3个子系统,(a)西太平洋暖池和邻近低纬区域,4月中下旬建立;(b)热带东北印度洋(北界与孟加拉湾相邻,但不包括其在内)及索马里东边海洋,4月末至5月初建立;和(c)南海区域,5月上旬从南到5月下旬到北部。南海夏季风向北推进最快,于5月末候即可达北回归线附近,然后与暖池西北区域风场的突变一起,于6月中旬影响到东亚30°N区域;印度洋季风于6月初到达印度半岛东南端,然后逐渐推向印-巴次大陆。7月中以后,热带季风才连成一片,由非洲东岸直至长江下游和菲律宾附近。副热带季风分支于6月中旬可以感到其影响,于7、8月盛行于东亚和西太平洋区域,且结构和演变都比较复杂;6~7月间只表现为在(5~20°N,120~150°E)区域有强的环流突变(与副高增强并北移对应),7月中至8月底,则在上述区域和沿30°N的长江下游和日本以南的洋面上有3个强的环流突变中心(对应于副高又一次增强北移和西伸)。这里暂不讨论温寒带季风分支。(4)季风具有鲜明的三度空间斜压结构,尤其是在低空季风“爆发”之前,平流层早已有强的环流突变,季节调整完成,然后突变向下延伸(虽然强度大减),跟着就有当地的低空季风“爆发”(建立)。平流层和对流层环流的相互作用及其与季风建立的关系很值得进一步研究。