Governing Equations of Atmospheric Layer Perturbation Potential Energy and Its Applications-Energy Budget of the South China Sea Summer Monsoon Activity

针对局地环流能量转换问题,本文推导了分层扰动位能一阶矩(LPPE1)和动能(KE)的控制方程,分析了方程中各能量项的空间分布和季节变化特征,并以南海夏季风为例,诊断了夏季风活动各相位的能量收支特征.结果表明,850 hPa高度上在赤道辐合带、大部分季风区、风暴轴地区是LPPE1的源区,副热带的大洋东部和高纬度地区是LPPE1的汇区,强源、汇的中心与LPPE1的纬向偏差场的脊、槽分布对应较好.LPPE1向KE的转化项(CK)取决于垂直速度和大气稳定度,是连接KE和LPPE1的纽带,在暖(冷)空气上升(下沉)时,转化项为正,LPPE1向KE转化能量,反之KE转化为LPPE1.在850 hPa高度上CK的分布特征是在赤道辐合带以及大部分季风区有大值分布,北半球风暴轴和南半球西风带有连续分布的正值区.将这应用到南海夏季风活动的能量收支,在南海夏季风恢复相位,CK增大,在南海夏季风活跃相位,CK达到最大,且为边界输入能量的2～3倍,CK是南海夏季风恢复、活跃的最重要因素.探讨了南海夏季风活跃的条件,当LPPE1等于南海季风区的夏季气候平均值时,上升速度大于临界速度的情形,有利于南海夏季风由中断相位向活跃相位的转变.     

扰动位能理论及其应用——扰动位能的概念、表达及其时空结构

针对局地环流能量转换问题,该工作系列讨论扰动位能理论及其应用.此文是第一篇,提出了扰动位能的新概念,将其分解为大气扰动位能(简称扰动位能)和表面扰动位能两个部分,给出了扰动位能各阶矩项的数学表达形式,结合资料指出二阶以上的扰动位能高阶矩项相对于其一阶矩项和二阶矩项来说是小量,可忽略,并指出扰动位能二阶矩项的全球平均恰好等于传统的有效位能,但两者在物理意义上明显不同.结合NCEP/NCAR再分析资料,研究了扰动位能的时空结构以及与大气动能之间的联系.扰动位能一阶矩项在热带地区为正、高纬度地区为负; 二阶矩项在热带和高纬度地区出现极大值,在副热带及中纬度地区出现极小值,即在南北方向上呈现三峰二谷的特征; 在局地上,由于一阶矩项在数值上较二阶矩项绝对占优,因此,扰动位能的分布与其一阶矩项的情形相似.在垂直方向上,扰动位能主要集中在对流层下层,其数值随高度的增加而迅速减少,在50 hPa以上均可以忽略不计.扰动位能有明显的季节变化,其在高纬度地区在冬半球比夏半球大很多; 南、北半球平均的扰动位能一阶矩项季节变化的幅度约是相应二阶矩项的二十倍.随着季节变化扰动位能定常波的槽脊在北半球有显著的东西方向移动,而在南半球则只表现为振幅上的增减.分析表明,从区域或局地尺度上大气动能的季节变化与扰动位能一阶矩项的关系密切,二者呈显著反向变化关系,而与二阶矩项的关系不确定; 但在全球或半球尺度上,大气动能与扰动位能二阶矩项的比率随季节基本保持不变,约是20%.此外,对大气总动能时空结构的分析也得到了与前人不同的新结果.关于利用此文提出的概念和理论对局地环流能量收支的分析、表面扰动位能的作用以及它们在大气环流变化研究中的应用,将在以后的文章中给出.     

南海夏季风活动指标的定义及应用

为了分析南海夏季风活动不同阶段的大气环流特征,引入南海区域(105~120°E,5~20°N)平均高(200 hPa)低(850 hPa)层风场和向外长波辐射(OLR)作为南海夏季风指数。分析结果表明这些指数的组合可以较好地反映南海夏季风季节内以下时间尺度的活动情况。当南海地区低层平均为西南风、高层为东北风且OLR异常(OLRa)小于零时,南海夏季风处于活跃期,此时副高远离南海,南海区域对流强盛,有明显的季风槽;当南海地区低层为西南风,高层为东北风,但是OLRa大于零时,南海夏季风处于不活跃阶段,此时副高远离南海,虽然南海地区对流不活跃,但是季风环流依然存在且向北扩展,使得华南-江南对流活跃;当南海地区风场为其他情况时,此时不论对流强弱,南海夏季风处于中断期,南海或者受副高控制,或者受热带气旋影响,季风环流在南海地区中断。利用定义的南海夏季风活动指标对2011年和2012年南海夏季风活动进行分析,结果指出这两年南海夏季风活跃期较长,季节内对流北传事件一般发生在南海夏季风活跃期或活跃期向非活跃期的转换期,而中断期即使有强对流发生,也不会向北传播。分析了这两年中断和不活跃情况下的大气环流分布,进一步验证了定义的南海夏季风活动指标的实用性。     

局地大气能量有效性中的表面扰动位能特征

在局地扰动位能理论工作基础上,进一步研究了与实际地形有关的表面扰动位能部分,理论推导了数学表达式,表明地形和表面热状况是其决定因素。利用再分析资料考察了其气候学和气候变率特征。研究表明,表面扰动位能具有独特的热动力学意义,它的量值与地球表面高大地形密切联系,而其季节变动特点则与表面热状况的季节变化息息相关。高纬度极地地形区域为明显的全年基本不变的负扰动位能分布区,低纬度热带区域则呈现季节变动非常小的正扰动位能分布。表面扰动位能的季节变动和年际变率的极值区都位于北半球中纬度的高大地形区域,夏季达到正的极大值,而冬季则转变成负值区。这一特征在青藏高原区最为典型,其表面扰动位能在时域和频域上均表现出明显的年代际特征,年际变率以2—4a周期为主。     

南海夏季风活动及其影响

资料分析及其同南亚（印度）夏季风的比较,指出建立的突发性和经向分量的重要性是南海夏季风活动的两个最基本特征。根据南海夏季风经向分量与纬向分量同样重要的特征,并考虑南海地区大气环流的基本形势,提出了用对流层高低层散度差构成季风指数,它可以更好地描写南海夏季风的活动。资料分析和大气环流模式（GCM）数值模拟试验都清楚地表明南海夏季风年际异常对大气环流和气候有极为重要的影响,不仅影响东亚地区,而且通过东亚-太平洋-美洲（PJ或称EPA）波列影响美国的天气气候变化。     

东南亚夏季风中断、过渡与活跃期的区域能量学研究

对两次季风演变过程的能量学研究表明，季风演变具有鲜明的阶段性能量学特征。中断期，积云加热小，两个转换函数值很小；过渡期，积云加热增强明显，两个转换函数值迅速加大，边界输送作用也明显朝有利方向变化，同时，纬向平均气流变为向季风供应扰动动能；活跃期，大尺度加热变得重要，积云加热维持，两个转换函数也保持大的正值。分析表明，印度季风东传对东南亚季风活跃的触发作用是重要的，但季风活跃的维持则主要依靠区域内部能量学过程。     

南海地区大气30～60天低频振荡及其对南海夏季风的可能影响

本文利用1979～2008 年美国国家环境预报中心(NCEP)和美国国家大气研究中心(NCAR)第二套再分析资料、美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的向外长波辐射(OLR)资料及1979～2007年全球降水资料(CMAP), 分析了南海地区热带大气的低频振荡及其对南海夏季风的可能影响。结果表明, 夏半年南海地区存在显著的30～60天的周期振荡。当30～60天低频振荡处于活跃位相时, 南海及其周围地区的低层大气为低频西南风, 南海和菲律宾北部为低频气旋流场且为正的位涡度, 对应着增强的南海夏季风槽和南海夏季风; 当 30～60天低频振荡处于不活跃位相时, 情形正好相反。进一步的研究揭示出, 夏半年30～60天低频振荡变化的空间型与夏半年平均场的年际变化的空间分布非常相似, 并且南海及其附近地区的 30～60天低频振荡活动的年际变化对夏半年平均场的年际变化有显著的贡献。强、弱南海夏季风年30～60天低频振荡活动的比较也说明, 强的南海夏季风年30～60天低频振荡活跃状态发生的概率大于不活跃状态发生的概率, 而弱的南海夏季风年则是不活跃状态发生的概率大于活跃状态发生的概率。因此, 南海地区30～60天低频振荡对南海夏季风很可能有重要影响, 当30～60天低频振荡的活跃状态处于主导时, 南海夏季风往往会偏强; 反之, 如果不活跃状态处于主导时, 南海夏季风往往会偏弱。     

南海夏季风变化及其与全球大气和海温的关系

本文分析了1948～2006年南海夏季风的年际变化, 讨论了南海夏季风与全球气象要素场如环流、相对湿度、海表温度 (SST) 等的关系。结果表明: 南海夏季风与全球各物理量之间有较好的大范围统计相关。选出了10个强南海夏季风年, 8个弱南海夏季风年, 利用合成分析研究了季风强、 弱年的环流和SST特征及其差异, 结果表明南海夏季风强弱年各特征量之间存在显著差异。尤其表现在SST上, 强弱季风年不仅在夏季东印度洋－西太平洋区域有明显差异, 并且前期春季此区域的SST与南海夏季风有持续的显著负相关, 可以作为南海夏季风强度变化的一个预报因子。     

南海夏季风爆发前后扰动演变及其数值研究

以球面正压涡度方程为数学模型,建立了线性和非线性的数值积分模式,通过在模式中设置不同的基本流场和初始扰动场,研究基流和初始场对扰动发展的作用,揭示在球面正压大气中扰动发展的动力学机制。数值试验结果表明:在线性模式中,扰动的移动和发展与基流的分布有着很密切的关系,基流影响着扰动纬向传播的速度和方向; 在非线性模式中,当基流稳定时,扰动的移动以及传播与线性模式的结果相同,但与线性情况的最大区别在于,此时扰动能量的增长存在上限。同时发现,扰动的发展既依赖于基本气流的分布,也依赖初始扰动的结构;南海夏季风爆发前后的基本流场是正压不稳定的,且这种不稳定在季风爆发时达到最强,这可以成为季风爆发的动力学解释。     

1998年青藏高原东部及其邻近地区大气热源与南海夏季风的关系

利用 1998年 5 8月南海季风试验期间的站点观测资料及NCEP再分析资料 ,计算了大气热源和水汽汇 ,并分析了南海季风爆发前后季风区对流层温度演变及其热力机制。结果表明 :南海夏季风的爆发与季风区对流层中高层南北温度梯度的逆转密切相关。南北温度梯度最先在孟加拉湾以东季风区发生逆转 ,半个月后在印度半岛及其以西地区逆转。季风爆发前中南半岛北部对流层中高层的迅速增温是由感热和潜热共同造成的 ,而华南及南海北部地区的增温则是由暖平流所致。 5、6月高原东部对流层中高层由非绝热加热造成的显著增温对东亚夏季风的北进和维持是非常重要的。 5、6月高原地区热源以感热为主 ;7、8月感热和潜热共同起作用     

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.     

南海地区定常行星波特征及其与南海夏季风的关系

利用美国NCAR/NCEP的1951—2001年全球大气日平均再分析资料,对南海区域的高低层大气长波的变化特征及其与南海夏季风爆发时间的关系进行分析。结果表明,（1） 纬向1～3波合成风场基本反映原始纬向风场的变化,南海地区处于东西风带的南北过渡区。（2） 对流层高低层（200 hPa和850 hPa）纬向1波在南海区域累加值（S1）正负转换时间与南海夏季风建立日期较吻合。高层S1由正值稳定变为负值（西风转为东风）的时间比南海夏季风爆发提前1～2候,低层S1由负值稳定转为正值（东风转为西风）的时间则几乎与南海夏季风爆发时间同期。（3） 以低层纬向1波（S1）值随时间的变化为主要指标,定义了一个南海夏季风爆发指数,该指数对南海夏季风的建立具有较好的反映能力。      

1998年南海夏季风的爆发与大气季节内振荡的活动

利用NCEP再分析及TBB资料,系统地研究了1998年南海夏季风爆发与大气季节内振荡活动的关系,结果表明,1998年南海夏季风爆发与南海及其临近地区30～60天低频振荡的发展有着极为密切的关系。南海及临近地区30～60天低频纬向风及低频动能的时间-经（纬）度剖面明显地反映出该地区的大气季节内振荡的加强是由于其临近地区（菲律宾以东）30～60天低频气旋发展及其向西扩展的结果,与孟加拉湾地区低频气旋的活动关系不大;同时,我们也看到了夏季风爆发前后南海地区为850hPa低频动能的大值区,而200hPa上为一弱区,反映了1998年南海夏季风爆发期间该地区大气季节内振荡有上弱下强的垂直分布特征。进一步分析表明,南海及其临近地区大气季节内振荡的活动主要为局地振荡型,夏季风爆发后才有明显的向北传播,成为南海夏季风爆发影响东亚大气环流和天气的重要途径之一。另外,1980和1986年南海地区30～60天低频动能的发展特征与1998年的类似,说明了南海及其临近地区大气季节内振荡的局地振荡特征并不是1998年所特有的,它对南海夏季风爆发有普遍的重要作用。     

2011年南海夏季风爆发过程及其与长江中下游梅雨的联系

采用NCEP/NCAR再分析资料、FY2E-TBB及台站降水资料,对2011年南海夏季风爆发前后的环流特征进行分析。结果表明:2011年强对流活动由孟加拉湾扩展到南海地区,同时伴随着南亚高压移至中南半岛北部,西太平洋副热带高压向东撤出南海地区,南海夏季风于5月第4候(第28候)爆发;季风爆发后,印度-孟加拉湾季风槽形成,南海地区低空开始盛行西南气流,并伴有对流降水的发展和温、湿等要素的突变。随着季风活动的推进,我国雨带北抬,长江中下游一带进入梅雨期,出现降水大值区。通过分析发现长江中下游梅雨与南海夏季风均受副热带高压影响,且两者的强度为显著的负相关关系,梅雨开始时间与南海夏季风爆发时间呈显著的正相关关系。2011年南海夏季风偏弱,爆发时间偏早,长江中下游梅雨强度偏强,入梅时间异常偏早。     

季风指数及其年际变化Ⅱ.南海夏季风分量动能强度指数及其年际变化

计算了各年南海夏季风建立前后流场的场相似度、场比幅、季风分量动能强度指数和突变度.指出按变差度最大或相似度绝对值最小及其变化最陡以及比幅最小,可客观定量地定出季风来临的预兆日期,在大多年份该日期比用天气气候学方法得到的季风来临(爆发)日期要早些,且两者有较好正相关.绝大多数年份季风建立时有环流突变发生,但也有少数年份呈调和变化或二次突变.季风分量动能强度指数能够反映各年南海夏季风建立后的强度.最后分析指出,南海850hPa夏季风的前兆日期,突变度和强度指数都有明显的年际和年代际变化.     

季风指数及其年际变化II·南海夏季风分量动能强度指数及其年际变化

计算了各年南海夏季风建立前后流场的场相似度、场比幅、季风分量动能强度指数和突变度。指出按变差度最大或相似度绝对值最小及其变化最陡以及比幅最小,可客观定量地定出季风来临的预兆日期,在大多年份该日期比用天气气候学方法得到的季风来临(爆发)日期要早些,且两者有较好正相关。绝大多数年份季风建立时有环流突变发生,但也有少数年份呈调和变化或二次突变。季风分量动能强度指数能够反映各年南海夏季风建立后的强度。最后分析指出,南海850 hPa夏季风的前兆日期,突变度和强度指数都有明显的年际和年代际变化。     

南海和南亚大气季节内振荡月异常对夏季风活动及中国东部夏季降水的影响

利用ECMWF逐日再分析资料(1961—2000年),中国气象局国家气候中心提供的1961—2000年中国160个站降水资料,探讨了夏季逐月南海和南亚ISO的强弱对南海和南亚夏季风及中国东部降水的影响。研究表明,夏季各月南海和南亚ISO异常对夏季风活动及中国东部降水的影响存在显著的差异,有分月进行讨论的必要。夏季各个月南海大气ISO的异常对南海和南亚夏季风活动的影响在6、7月有些相似,都表现为ISO强(弱)与南海地区和南亚地区气旋性(反气旋性)环流相对应,而8月截然相反,ISO强(弱)与仍南海地区气旋性(反气旋性)环流对应,而南亚地区表现为反气旋性(气旋性)环流。南亚大气ISO异常对夏季风活动的影响与南海地区有较大差异,6月和8月南亚大气ISO强(弱)与南亚地区气旋性(反气旋性)环流对应,而7月ISO的强(弱)对应于南亚地区反气旋性(气旋性)环流。6月南亚大气ISO强(弱)对应于南海地区气旋性(反气旋性)环流,而7、8月无论是南亚大气ISO强年还是弱年,南海地区都表现为反气旋性异常环流。从降水来看,夏季6、7月南海大气ISO偏强(弱)年,长江以南大部分为正(负)距平而江淮流域降水基本上为负(正)距平。而8月南海大气ISO强弱年,长江以南与江淮流域这种反相的降水特征并不明显。7月南亚大气ISO强(弱)年,长江以南降水大部分为负(正)距平而江淮流域为正(负)距平,而6月和8月南亚大气ISO的强弱对中国东部降水的影响并不如7月表现明显。     

南海大气季节内振荡特征及其与ENSO循环的关系

采用1979—2009年NCEP/NCAR再分析资料、NOAA向外长波辐射(outgoing long-wave radiation,简称OLR)及扩展重建海表面温度资料,对南海大气季节内振荡(Intra-seasonal Oscillation,简称ISO)特征及其与ENSO循环的关系进行了诊断分析。结果表明:1)南海大气ISO的30~60 d周期在5—10月均显著。一般年南海大气ISO的对流传播在纬向上存在东传和西传,在经向上具有南北半球季节性摆动的特征。以低频动能表征的南海大气ISO强度年代际变化特征明显,近31 a来趋势增强,年变化呈单峰结构,峰值在7—8月。2)南海大气ISO的对流与ENSO循环显著相关,其强度在El Nio(La Nia)年减弱(增强)。与一般年对比,南海大气ISO对流在El Nio和La Nia年均表现为西传减弱、北传显著。北传特征表现为强对流活跃带于春季(4—5月)北跳至北半球(在La Nia年最北可至35°N),但在北半球的传播方向与一般年相比存在显著差异。3)南海大气ISO强度与ENSO循环关系密切,在El Nio(La Nia)年减弱(增强),两者表现为约半年(6~8个月)的滞后相关。Nio3区海表面温度异常序列与南海大气ISO强度的相关在中西太平洋地区和El Nio成熟前的春、秋季最显著,同时相关中心伴随低频动能高值区东移。     

夏季亚澳季风区两支越赤道气流年(代)际变化及其与夏季风活动的联系

利用NCEP/NCAR再分析资料,分析了夏季索马里急流和105°E越赤道气流变化的异同及它们与亚洲夏季风的关系.结果表明:两者强度的年际变化、年代际变化、突变时间及周期都明显不同;两者的年际变化在某些年代显示出很强的负相关关系;索马里急流与亚洲夏季风的南亚夏季风、东亚副热带夏季风和南海夏季风有很好的相关关系,而105°E越赤道气流仅与南海夏季风关系密切;两支越赤道气流对亚洲夏季风系统各成员的影响存在明显差异.