冬季北极增暖与中纬度环流和极寒天气之间的联系:经向位涡梯度的关键作用

冬季中纬度欧亚大陆在20世纪90年代后表现出明显的变冷趋势,这与近几十年的北极增暖和北极海冰快速融化同时发生,因此许多学者将中纬度极寒天气增多归结为北极增暖和北极海冰减少的影响,但也有些学者认为这两者之间没有关系.因此,中纬度极寒天气事件和北极增暖之间的关系仍是国际大气科学界未解决的难题.事实上,中纬度极寒天气的产生主要与阻塞的维持、位置和移动密切相关.文章通过回顾前人的研究指出,基于阻塞非线性多尺度相互作用(NMI)模型所提出的位涡经向梯度(PVy)可能是解决中纬度极寒天气和北极变化之间最关键的因子.根据NMI模型可以发现, PVy的大小主要反映阻塞的频散性和非线性强弱.研究表明,北极增暖通常会使得PVy减小,而当PVy较小时,阻塞系统有弱频散性和强非线性,因此阻塞能够长时间维持,从而导致欧亚大陆有强的极寒事件发生;但当PVy较大时,即使有北极增暖,阻塞也不容易维持,在这种情况下北极增暖或海冰融化对中纬度极寒事件的影响是弱的.因此,从PVy的大小去看中纬度极寒天气和北极增暖之间的联系也许将是未来该领域的一个主要研究方向.     

北半球夏季中高纬度大气阻塞对北极海冰变化的影响

利用NCEP/NCAR再分析逐日500 h Pa高度场资料,对北半球夏季中高纬度大气阻塞特征进行统计分析,发现大气阻塞活动频率高的地区主要集中在白令海峡区域、鄂霍次克海区域、欧亚大陆区域及格陵兰区域。而通过NSIDC提供的卫星观测资料发现近30年夏季海冰容易减少的区域正好对应阻塞活动北部的高纬度地区。分别通过对以上4个区域有阻塞发生相对没有阻塞发生时的500 h Pa位势高度场、地面温度场、850 h Pa经向瞬变热通量输送和平流输送等异常变化场进行对比分析,结果发现夏季中高纬度阻塞频率的增加对海冰的减少有显著影响,主要体现在阻塞的发生发展可通过增加高纬度地面温度、对极地的热量输送和暖平流输送来加快海冰的融化。这种阻塞引起的热力作用在鄂霍次克海和欧亚大陆区域效果更为显著。     

亚洲季风区气候对北大西洋年代际振荡冷暖位相的对称和非对称响应

利用NCEP大气环流模式,模拟了亚洲季风区气候对北大西洋正、负海温异常的响应。研究表明:亚洲季风区气候对北大西洋年代际振荡(AMO)的影响存在线性和非线性响应;AMO的暖位相造成欧亚大陆增温以及印度地区北暖南冷的偶极子型分布,主要是线性因素的作用;夏季、秋季印度半岛降雨增多,是线性因素和非线性因素共同作用的结果,且非线性因素带给印度半岛的降水多集中在西部。     

北大西洋涛动的纬向位置与大西洋-欧洲阻塞活动的关系以及对欧洲天气的可能影响

近几十年来,北大西洋涛动（NAO）出现了明显的年代际东移现象。而近十几年欧洲地区出现了频繁灾害性天气,它是否与NAO东移现象有关不清楚。本文拟通过NAO逐日指数挑选出1950～2011年冬季的所有in—situ（原地）NAO事件,并将其划分为偏东型（ENAO）和偏西型（WNAO）,然后研究了两种类型的NAO事件与大西洋-欧洲阻塞事件的关系以及它们对欧洲大陆气温和降水的影响。结果发现：当NAO是负（正）位相时,大西洋-欧洲阻塞呈西北·东南（西南-东北）分布,而且当NAO为负位相时,阻塞有两个活动中心：格陵兰阻塞和欧洲大陆阻塞。当NAO负位相事件偏东（西）时,阻塞趋于在欧洲大陆（格陵兰）产生。当NAO正位相事件偏东（西）时,阻塞趋于在南欧的下（上）游地区产生。同时发现偏东型的负位相（ENAO^-）会引起欧洲大陆大幅度的降温,并且范围和强度都要比偏西型负位相（WNAO^-）影响的要大,特别是它对中欧、东欧及南欧的降温影响更显著。而偏东型正位相（ENAO^＋）和偏西型正位相（WNAO^＋）会引起欧洲大陆升温,但偏东型正位相（ENAO^＋）引起的升温幅度较大且范围更偏东部和南部。此外还发现NAO^＋事件对应的欧洲地区降水正距平呈现出单支分布,并且ENAO^＋对应的降水更偏欧洲北部。而NAO^-事件期间降水则呈南北双支结构分布,但由于ENAO^-事件引起的大幅降温,使得欧洲南部特别是地中海地区容易发生极端降雪天气。最后,本文还讨论了偏东型和偏西型NAO事件产生的可能的物理机制。     

北大西洋涛动位相转换的数值研究

借助一个非线性准地转正压模型,模拟了基本西风气流的强弱、不同空间分布的天气尺度扰动涡对北大西洋涛动(NAO)位相转换的作用,以及大尺度双波地形对其的影响.通过一系列的对比试验发现,适当弱的基本西风气流有利于下游系统西退使NAO由正(负)位相转换为负(正)位相;振幅强、活动范围大的天气尺度扰动波是NAO由负位相转换为正位...     

地形作用下有限振幅Rossby波的稳定性分析

本文用微分方程定性理论方法分析了地形对有限振幅Rossby波的稳定性影响。结果表明:地形北坡有利于波动出现不稳定,南坡使波动稳定;西坡使导式波动不稳定但使曳式波动稳定,东坡使导式波动稳定但使曳式波动不稳定。     

静力平衡近似下大气中非线性对称运动的稳定性、分岔和突变

本文在考虑基本气流具有非线性切变情况下,导出了对称运动所满足的非线性常微分方程,并用非线性系统的稳定、分岔、突变理论,严格地讨论了非线性对称运动的稳定性、分岔和突变问题,获得了一个推广的对称不稳定判据,找到了突变产生的条件。     

变分原理和非线性Lyapunov稳定性判据

本文通过构造斜压大气运动的原始方程模式和两层模式的Hamilton守恒量及积分不变的Casimir泛函,并使用变分法,得到了斜压大气运动的非线性Lyapunov稳定性判据,这个判据是Arnold-Blumen-Zeng判据的推广。     

非线性Lyapunov稳定性及Stern''''s Modons的稳定性判据

本文在构造正压大气运动的浅水波模式的Hamilton守恒量和积分不变的Casimir泛函的基础上,建立了一个积分不变的Lyapunov函数,通过使用变分法,找出了正压旋转流体运动的非线性Lyapunov稳定性判据,并进一步讨论了Stern's Modons的稳定性。     

非线性Rossby波所满足的三阶Zakharov方程与低频振荡

本文在基本气流具有水平切变的情况下,利用摄动法导出了非线性Rossby波所满足的三阶Zakharov方程,然后,考虑了基流具有弱切变的情况,通过使用三阶Zakharov方程研究了Rossby波列的第一类不稳定性问题。结果表明:通过非线性作用,大气中的Rossby波列可产生调制不稳定。同时,本文对这种不稳定的区域,增长率和周期进行了详细的计算,并讨论了波振幅、波数、纬度和基流切变对它们的影响,指出Rossby波列的调制不稳定可以激发30～60天的低频振荡。