有界赤道大洋波包解及其年际年代际变率

Linearized shallow water perturbation equations with approximation in an equatorial β plane are used to obtain the analytical solution of wave packet anomalies in the upper bounded equatorial ocean. The main results are as follows. The wave packet is a superposition of eastward travelling Kelvin waves and westward travelling Rossby waves with the slowest speed, and satisfies the boundary conditions of eastern and western coasts, respectively.The decay coefficient of this solution to the north and south sides of the equator is inversely proportional only to the phase velocity of Kelvin waves in the upper water. The oscillation frequency of the wave packet, which is also the natural frequency of the ocean, is proportional to its mode number and the phase velocity of Kelvin waves and is inversely proportional to the length of the equatorial ocean in the east-west direction. The flow anomalies of the wave packet of Mode 1 most of the time appear as zonal flows with the same direction. They reach the maximum at the center of the equatorial ocean and decay rapidly away from the equator, manifested as equatorially trapped waves. The flow anomalies of the wave packet of Mode 2 appear as the zonal flows with the same direction most of the time in half of the ocean, and are always 0 at the center of the entire ocean which indicates stagnation, while decaying away from the equator with the same speed as that of Mode 1. The spatial structure and oscillation period of the wave packet solution of Mode 1 and Mode 2 are consistent with the changing periods of the surface spatial field and time coefficient of the first and second modes of complex empirical orthogonal function(EOF)analysis of flow anomalies in the actual equatorial ocean. This indicates that the solution does exist in the real ocean, and that El Ni?o-Southern Oscillation(ENSO) and Indian Ocean dipole(IOD) are both related to Mode 2.After considering the Indonesian throughflow, we can obtain the length of bounded equatorial ocean by taking the sum of that of the tropical Indian Ocean and the tropical Pacific Ocean, thus this wave packet can also explain the decadal variability(about 20 a) of the equatorial Pacific and Indian Oceans.     

EOF分析用于β中尺度暴雨系统的探索

本文将2008年上海“8.25”暴雨过程的WRF中尺度数值模式模拟结果作为实况资料集,应用EOF（Empirical Orthogonal Function）方法对该资料集进行诊断,以探讨将该方法应用于暴雨β中尺度系统的可行性。主要结论有:当数值模式输出足够稠密、精细的样本,能够较好反映实况时,利用EOF方法对天气尺度和α、β中尺度系统的天气过程进行诊断是可行的。对本文的暴雨过程,EOF分解位势偏差场的前三个模态分别反映了α中尺度中端、低端和β中尺度天气系统的演变特征,分别对应于波长和振荡频率不同的驻波波列。其可分别称之为暴雨背景模态、暴雨系统模态和暴雨雨团模态。各波列物理性质不同,分别属于准地转的Rossby波、准平衡的涡旋波和非平衡的重力惯性波。天气系统EOF分解的物理本质为:可将一个变形和移动的天气系统分解为若干个具有不同物理性质且时空尺度不同相互独立的模态（驻波波列）。这有助于明确和深化对天气系统的认识。EOF分解能够进行天气系统的尺度分离,且分离后得到的各种尺度的天气系统是独立和有特定物理意义的,这更体现了该尺度分离方法的优点。本文中当EOF分解后各波列（模态）在某地时空指数发生三波锁相,且该地的位势表现为低空为负、高空为正,同时低层位势急剧降低时,则有可能在此处发生暴雨。     

背景流中海洋内波垂向结构的计算和分析

利用了无摩擦、不可压情况下的旋转流体线性方程组,基于数值计算的方法,对背景流中海洋内波各个模态垂向结构进行了分析。结果表明:在无背景流时,海洋内波的垂向结构为简谐波;模态越高,其在垂直方向结构就越复杂,这时其模态属海洋内波的离散谱。在有垂直切变的背景流时,因受背景流的调制,其波形发生变化;此时海洋内波的前几个模态仍与简谐波类似,属海洋内波的离散谱,而此后的模态垂向结构不再光滑连续,出现了间断(奇性),该间断处即为临界层,该具有间断的模态属海洋内波的连续谱,而其积分则为海洋内波波包。正海洋内波在海洋中非常常见,是发生在密度稳定层化海水中的一种波动,其最大振幅出现在海洋内部,是重要的海洋中尺度现象。海洋内波的存在,使得海水运动以及水文要素的分布与变化更加复杂。由于内波发生机制的复杂性以及时空特征的随机性,内波成为海洋学研究中的难点。鉴于海洋内波在海洋学和军事上的意义,目前已经成为研究的活跃领域。对海洋内波垂向结构的研究不但有重要的理论意义,而且有广     

赤道东太平洋海温异常期间印度洋偶极子对东亚季风区影响的数值模拟

利用中科院大气所的IAP AGCM-Ⅱ大气环流模式，模拟了在存在和没有赤道东太平洋海温异常影响下，印度洋偶极子对东亚季风区天气气候的影响。结果表明：后者东亚地区西南季风的爆发偏晚，南海夏季风增强，此时我国大陆降水偏多；而前者西南季风的爆发将更偏晚，南海夏季风减弱，此时华北降水偏少；赤道东太平洋海温异常和印度洋偶极子有协同作用。     

三维三层背风波的理论和数值研究

建立了一个三维三层背风波的理论模型，求出当Scorer参数满足中间层大，上、下两层小的情况下，三维三层背风波的理论波长和扰动分布。利用该理论模型对一个实际的背风波个例进行了计算，得到的理论波长与实际波长十分接近。理论结果还表明波动的最大扰动振幅在中层附近。利用ARPS（The Advanced Regional Prediction System） 模式对此个例模拟的结果表明，模拟得到的波长、锲角及波动位相的分布都与理论模型的结果较为一致。     

1月份两类ENSO的海气环流模态分析

本文对1950～2001年1月份的大气风场和大洋流场做了联合复EOF（Empirical Orthogonal Function）分解,用以探讨1月份两类ENSO（El Ni?o-Southern Oscillation）的海气环流及耦合情况,所得结果主要有:该分解第1、2模态空间场分别相应于东部型、中部型ENSO,前者在赤道太平洋东部和中部都有海温动力异常,并以东部异常最强,后者仅在中部存在此异常,两模态的时间系数都与ENSO有很好相关,为此第1、2模态可分别称为东部型、中部型ENSO的风场流场（异常）模态。东部型ENSO模态具有3～6年的年际变化和13～14年的年代际变化,中部型则有明显的7年年际变化和12、17年的年代际变化,两者中约13年的周期与冬季北太平洋NPGO（North Pacific Gyre Oscillation）的周期相同。东、中部型El Ni?o期间,沃克环流上升支分别从印尼东移至赤道西、中太平洋,并有所减弱;南、北支哈得莱环流则分别位于日界线以东及该线附近,且均有所加强,从而使南、北太平洋副热带高压偏强;而在5°S的南美沿岸则分别有垂直运动上升和下沉异常。在海气耦合上,两类ENSO模态在赤道中太平洋均存在西风异常与海洋赤道Kelvin波和Rossby波的波包解耦合,而海温动力异常对大气的影响则都起到负反馈作用,从而有利于ENSO的维持和稳定。     

湿层结参数非常数时雨团模型中的位势不稳定

建立了圆柱坐标下湿层结参数在垂直方向不为常数时的非轴对称雨团数学模型,着重讨论了其中的位势不稳定问题。抽象出了暴雨发生前期、盛期和发生后的三种典型湿层结参数的垂直分布。得到了此时位势不稳定的判据,分别给出了不稳定扰动增长率与稳定扰动振荡圆频率的上、下界。并在该参数取分2段常数的情况下,进行了解析求解。得到以下结论:该模型雨团在水平方向可有螺旋结构,这与用雷达资料得到的实际情况一致。在暴雨发生前期,有位势不稳定发生;且螺旋臂条数越多,雨团半径越小,不稳定增长率的上界越大。在暴雨盛期,整层为弱位势稳定层结,无位势不稳定发生;扰动螺旋臂条数越少,半径越大,其振荡圆频率下界越大。在暴雨结束后,整层为强位势稳定层结,也无位势不稳定发生;扰动螺旋臂条数越多,半径越小,其振荡圆频率的上界越大。在该参数取为2段常数情况下,且下层与上层其分别为负、正值时,有位势不稳定发生,且雨团的螺旋臂越多、半径越小及不稳定层次越厚,其增长率越大。该不稳定雨团的垂直结构在下层大体为半个正弦波,波长随不稳定层次的增厚而增大;在上层则为指数分布,且随高度增加迅速趋于0。     

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。     

垂直切变基流中的非平衡不稳定

采用计算横波型扰动波谱和谱函数的方法,研究了当基本气流具有垂直线性切变、层结参数为常值时横波型扰动的不稳定,给出了不稳定扰动的结构,讨论了不稳定的性质。发现：对于三支波动连续谱区互不重叠的天气尺度情况,若此时出现不稳定扰动,其性质属于纯涡旋波的准地转不稳定,与Eady模态类似,是Rossby波的斜压不稳定;在中 尺度中高端,其不稳定性质仍是纯涡旋波的不稳定,即准平衡的斜压不稳定;在中 尺度低端则出现了第一类混合波的非平衡不稳定,包括涡旋-逆传重力惯性混合波的不稳定和涡旋-顺传重力惯性混合波的不稳定,前者低层体现了涡旋波的特点,高层体现了重力惯性波的特点,后者反之;在中 尺度波段,若存在不稳定则均为非平衡的涡旋-重力惯性混合波不稳定,其包括第一类和第二类混合波的不稳定,后者低层体现重力惯性波的特点,中层体现涡旋波的特点,高层则又体现了重力惯性波的特点。     

大气横波型扰动连续谱的结构

采用数值方法计算了当基本气流有垂直线性切变、 层结参数为常值时横波型扰动的谱点和谱函数, 并将数值计算的结果与理论分析作了对照和讨论。当三支波动连续谱区相互不重叠时该计算结果与理论分析完全一致, 但当发生连续谱区重叠时则须采用谱函数重组的方法来得到连续谱的结构。重组的基本原则是在波谱重叠区对计算得到的谱函数作预处理后, 再对频率相邻的谱点和谱函数进行滑动平均, 并将该滑动平均后的结果作为重组后的谱点和谱函数。分析该重组后的谱函数可知, 此时扰动结构呈现涡旋－重力惯性混合波的形式, 出现了新波型。在连续谱三波重叠区域, 该混合波的谱函数在对流层中层有涡旋波的临界层并体现了涡旋波的性质, 在对流层的上、 下层则分别有顺、 逆传重力惯性波的临界层并体现了重力惯性波的性质。