热力适应、过流、频散和副高Ⅱ．水平非均匀加热与能量频散

利用位涡方程和热力适应原理，讨论了因非绝热加热的空间不均匀性导致的大气动力特征的变化，进一步阐明了副热带地区的深对流凝结潜热加热的垂直非均匀性使副热带高压中低空出现在低源区以东，在高空出现在热源区以西。在此基础上，深入研究了水平非均匀加热对大气环流的影响。结果表明加热区以北，虽然非绝热加热消失，但存在加热的水平梯度在西风环流的背景下在高低层造成深厚的负涡度强迫。因而高层热源北部边界附近的西风向南偏转进入加热区，造成加热区北部边界及其以北发生次级辐散；低层热源区的南风发生反气旋偏转，汇入加热区外的西风气流中，造成低层加热区北部边界及其以北发生次级辐合。结果该区域产生了垂直上升运动及负的涡度强迫源，对应着异常强烈的反气旋环流。该负涡强度迫源还通过能量散射，在西风带中以Rossby波的形式向中高纬传播，影响中高纬地区的异常环流型。     

热力适应、过流、频散和副高 I.热力适应和过流

利用位涡性质,讨论了因非绝热加热导致的大气动力特征的变化,阐明了大气动力过程向外加热强迫适应的原理。证明在热力适应过程中,沿着加热区的侧边界斜压位涡为负,且大于正压位涡,那里的大气出现对称不稳定。在加热区的上空尽管非绝热加热为零,仍然存在上升、辐散、反气旋环流及冷中心,证明这是由于“过流”引起的。通过总位涡的收支分析证明,由于边界层的摩擦作用,加热区上空多余的负位涡向外排放而成为大气中负涡度的源地。     

两类厄尔尼诺事件期间热带大气GILL响应分析

分析了1979—2018年两类厄尔尼诺事件期间月平均热带太平洋海面温度(sea surface temperature, SST)异常、对流降水异常、大气环流异常等特征,发现东部型、中部型厄尔尼诺期间海洋及大气加热场并不是赤道对称,赤道以南热源强度大于赤道以北。大气对热源的响应表现在:1)低层在大气热源西侧出现南、北半球热带相对应的气旋环流异常,但是赤道以南气旋的涡度大于赤道以北,且两类厄尔尼诺事件期间涡度中心的位置不同;到高层赤道中东太平洋呈现赤道对称的反气旋环流控制。2)低层热源的西侧出现西风异常,东侧为东风异常,西风异常的强度与范围明显大于东风异常,且东部型西风异常的强度大于中部型;而到高层,纬向风的风向和低层正好相反。3)低层东部型、中部型厄尔尼诺上升运动异常分别位于赤道中东太平洋和赤道中太平洋,下沉运动出现在热源东西两侧及赤道两侧5°N以北、5°S以南的热带地区;东部型到中层上升运动异常强度达到最大,而中部型到高层上升运动异常强度达到最大。4)低层东部型、中部型厄尔尼诺期间位势高度在中东太平洋为负异常,西太平洋为正异常;到高层,整个赤道中东太平洋地区均为位势高度正异常,并且在赤道两侧分别出现位势高度正异常中心,与反气旋环流涡度中心及下沉运动异常中心相对应。5)除西风异常范围大于东风异常,其他特征与赤道非对称热源GILL响应的理论计算模态基本一致。     

线性准地转模型中副热带环流对潜热加热的定常响应I.基本性质及特征分析

利用线性理论模型进行解析和模拟是大气科学的重要基础研究方法之一, 其简单明了, 解释了如Rossby波形成等重要的环流现象。近年, 有研究 (Chen et al., 2001) 运用定常线性准地转模型研究副热带高压的形成, 在相似加热强迫下, 其结果与理论研究和GCM的研究不同。本文运用该模型系统研究了由季风降水产生的潜热加热所激发的副热带定常波的结构特征, 以理解其结果与GCM不一致的原因。研究表明基本流对热强迫的定常波的结构有重要的影响: (1) 当基本流为东风或为零时, 定常波在垂直方向上表现为第一斜压结构, 波动振幅随东风的增大而减小; (2) 当基本流为西风时, 呈现向上的传播特征, 振幅随高度的升高而增大。而且存在一个临界风速Uc(约3 m/s), 此时, 波动振幅最强; 基本流的平流作用具有非对称性, 西风时平流作用远远强于东风。由此揭示了该线性模型解的本质: 加热在热源区所激发的经向地转涡度输送必须能够平衡加热的位涡制造和纬向位涡平流; 基本流的经向和垂直方向的变化使得气旋和反气旋中心偏向热源中心北侧, 并进一步发现当基本流为夏季亚洲季风区纬向平均的纬向风场时, 线性模型的解中位于中低层的反气旋中心显著抬升, 而不出现在地面上, 与完整的大气环流模式的结果接近。说明即使在线性模式中, 洋面副高的形成也不能完全用季风潜热加热来解释; 另外, 静力稳定度对热强迫的副热带环流的影响也很重要, 使热源的强迫作用放大。     

青藏高原抬升加热气候效应研究的新进展

对近4年来关于青藏高原加热影响气候的研究进行回顾.首先介绍利用位涡方程和热力适应理论,揭示;夏季高原上空低层气旋式及高层反气旋式环流结构稳定维持的动力学机理.结果表明高原加热作用造成的低层正涡源是低层气旋式环流得以稳定维持的重要原因.而边界层摩擦产生的负位涡是平衡正位涡的主要因素.高原加热还在高原上空形成负位涡,它影响着盛夏的大气环流,是青藏高原上空强大而稳定的反气旋环流得以维持的重要因素.在春夏过渡季节青藏高原非绝热加热对大气环流季节变化以及亚洲季风爆发的影响力方面,进一步确认了感热加热在过渡季节早期(5月中旬以前)环:流演变中的重要作用.青藏高原非绝热加热的时间演变引起了海陆热力差异对比的变化,使副热带高压带首先在孟加拉湾东部断裂,亚洲季风因而在孟加拉湾爆发.结果还表明,用纬向风垂直差异的时空分布能更准确地表示季节变化的区域差异.在青藏高原非绝热加热与北半球环流系统年际变化的联系方面,发现夏季青藏高原的加热强(弱)的年份,高原感热加热气泵(SHAP)高(低)效工作,使高原加热对周边地区低层暖湿空气的抽吸效应和对高层大气向周边地区的排放作用加强(减弱),高原及邻近地区的上升运动,下层辐合和上层辐散均增强(减弱),从而影响着高原和周边地区的环流以及亚洲季风区大尺度环流系统.而且高原的加热强迫还能够激发产生一支沿亚欧大陆东部海岸向东北方向传播的Rossby波列,其频散效应可影响到更远的东太平洋以至北美地区的大气环流.研究还表明,盛夏的南亚高压存在"青藏高压型"和"伊朗高压型"的双模态,它们与高原加热状态有关,且显著地与亚洲季风区的气候分布密切联系.     

暴雨过程对副热带高压变动的影响

给出了长江中下游暴雨期间经圈环流观测事实, 指出在考虑垂直运动日变化之后, 可清晰地看到暴雨次级环流下沉支的存在。全型涡度方程对暴雨个例的计算发现, 非绝热加热中心西侧高空激发出负涡度, 东侧为正涡度;在低层则刚好相反。副高和南亚高压均会沿局地涡度变化的负中心方向移动。     

亚——非季风区非绝热加热与夏季环流关系的诊断研究

基于热力适应理论,本文利用 ＮＣＥＰ／ ＮＣＡＲ再分析资料对撒哈拉沙漠、青藏高原和孟加拉湾地区的非绝热加热与夏季环流进行了诊断研究。在非洲撒哈拉沙漠地区,以感热输送为主的加热仅局限于近地面层,边界层以上的大气则以辐射冷却占优势。因而除了边界层内存在着浅薄的正涡度和微弱的上升运动以外,整个对流层几乎都维持负涡度并盛行下沉运动。对于青藏高原地区,强大的表面感热通量引起的垂直扩散是近地面大气加热的主要分量,与大尺度上升运动相关的凝结潜热对低层大气的加热也有一定的贡献。长波辐射造成的对流层中、上层大气的冷却则主要由深对流潜热释放来补偿。夏季高原地区总非绝热加热是正值,且最大加热率出现在边界层内。低空大气辐合产生正涡度,而中、高层大气辐散伴有较强的负涡度。因而高原盛行上升运动,最大上升运动位于近地面层。夏季孟加拉湾地区的深对流凝结潜热释放远大于长波辐的冷却作用,因而整个对流层几乎都保持较强的非绝热加热。４００ｈＰａ层附近的最大加热率引起３００－４００ｈＰａ最强的上升运动。对流层上层是负涡度区,而中、低层为正涡度区。结果还表明,垂直和水平辐散环流与大气的热源和热汇区密切相联：在高层,辐散气流从热源区流向热汇区;在低层则相     

西太平洋副高位置变动与大气热源的关系

采用NCEP／NCAR再分析逐日资料和SCSMEX等资料，根据全型垂直涡度倾向方程，研究了1998年6月西太平洋副高位置变动与大气热源的关系。结果表明，副热带地区的非绝热加热对副高位置变化有很重要的作用。与气候平均状况相比，1998年6月副高北侧的非绝热加热垂直变化较常年偏强，而南侧较常年偏弱。这种异常的非均匀加热状况导致我国华南、江南、长江中下游地区呈现异常气旋性涡度制造，而中南半岛大部和南海地区为异常反气旋性涡度制造，使得1998年6月副高位置异常偏南。     

赤道反气旋的合成结构和涡度收支

本文通过普查1979—1983年7—9月在10°S—15°N、90°E—140°E范围内的赤道反气旋活动情况,从中选出15个强度和范围较接近的赤道反气旋进行综合分析,得到它们的平均三维结构特征。结果表明,赤道反气旋是一个暖性的中低层系统。反气旋环流与涡度、散度及垂直运动有较好的配合。在赤道反气旋的低层,环流中心为负涡度区和辐散区,并与下沉运动区相对应,四周为正涡度和辐合区,以及上升运动区。高层正好相反。加热场与垂直运动场有较好的对应关系,中心区是干绝热下沉增温区。对涡度收支的计算表明,中低层有负涡度积累,上层有正涡度积累,局地涡度变化主要决定于散度项、平流项和垂直输送项。      

新疆北部持续性暴雪过程成因分析

利用1964-2010年新疆天山及其以北地区(新疆北部)45个气象观测站逐日降水资料和NCEP/NCAR逐日2.5°×2.5°经纬网格客观分析资料,提出了新疆北部持续性暴雪过程客观定义,根据定义1964 2010年共出现36次持续性暴雪过程,按暴雪落区可分为四类暴雪型:北疆型25次、北疆西部北部型9次、北疆沿天山型1次、北疆西部型1次。重点分析了北疆型和北疆西部北部型暴雪过程的大尺度环流背景、关键环流系统配置和水汽输送异常特征。结果表明:(1)北疆型暴雪环流分为经向I型、II型和纬向型,经向I型又可分为极涡偶极与中高纬3波配置型和极涡偶极与中高纬2波配置型;经向II型可分为极涡偶极型与中高纬2波配置和极涡单极型与中高纬2波配置;纬向型则表现为高纬极锋锋区波动和中低纬副热带锋区波动汇合于新疆地区引发暴雪。(2)北疆西部北部型暴雪环流分经向型和纬向型,经向型有极涡偶极与中高纬3波配置、极涡单极与中高纬3波配置,纬向型环流表现为乌拉尔山槽和里咸海槽汇合于新疆地区引发暴雪;(3)上述环流型新疆上空均存在300 hPa极锋急流、500 hPa强西风锋区和700 hPa低空西风急流配置,暴雪区处于极锋急流入口右侧辐散区和低空急流出口右侧辐合区的高低空配置。(4)造成新疆持续性暴雪的水汽源地有高纬北大西洋、巴伦支海,中纬地中海、里咸海,低纬红海,环流配置不同水汽输送路径有所差异,但主要以中低纬水汽输送为主。     

The intraseasonal oscillations of precipitation and circulations from January to March in 2010 in East Asia

The rainfall from January to March in 2010 in East Asia is positive anomaly and the temporal evolution characteristics present the cycle of 20–40 days. In the present paper, the low-frequency circulations and its formation mechanism are analyzed. The results show that during the peak rainfall phase, the upstream of the rainfall regions is controlled by low-frequency cyclone, and the downstream is controlled by low-frequency anticyclone in the middle and low troposphere. In the upper troposphere, the westerly jet presents the oscillation characteristics between the north and the south. Both the integrated (from the surface to 100 hPa) diabatic heating and the horizontal vorticity advection contribute to the vertical velocity. In addition, the vorticity vertical advection has effects on the vertical speed, which is a self-feedback process. The latent heating in the precipitation has influences on the westerly jet in the upper troposphere. The interactions between the precipitation and the westerly jet are mainly manifested as the intraseasonal oscillations.     

A Study on a Heavy Rainfall Event Triggered by an Inverted Typhoon Trough in Shandong Province

A heavy rainfall event that occurred in Shandong Province in 26 28 August 2004 was caused mainly by Typhoon Acre and cold air activities related to a westerly trough. The event was triggered by an inverted typhoon trough, which was closely associated with the intensification of the low-level southeasterly flow and the northward transport of heat and momentum in the periphery of the typhoon low. A numerical simulation of this event is performed using the nonhydrostatic mesoscale model MM5 with two-way interactive and triply-nested grids, and the structure of the inverted typhoon trough is studied. Furthermore, the formation and development mechanism of the inverted typhoon trough and a mesoscale vortex are discussed through a vorticity budget analysis. The results show that the heavy rainfall was induced by the strong convergence between the strong and weak winds within the inverted typhoon trough. Dynamic effects of the low-level jet and the diabatic heating of precipitation played an important role in the development of the inverted typhoon trough and the formation of the mesoscale vortex. The vorticity budget analysis suggests that the divergence term in the low troposphere, the horizontal advection term, and the convection term in the middle troposphere were main contributors to positive vorticity. Nonetheless, at the same pressure level, the effect of the divergence term and that of the adveetion term were opposite to each other. In the middle troposphere, the vertical transport term made a positive contribution while the tilting term made a negative contribution, and the total vorticity tendency was the net result of their counteractions. It is found that the change tendency of the relative vorticity was not uniform horizontally. A strong positive vorticity tendency occurred in the southeast of the mesoscale vortex, which is why the heavy rainfall was concentrated there. The increase of positive vorticity in the low （upper） troposphere was caused by horizontal convergence （upward transport of vorticity from the lower troposphere）. Therefore, the development of the inverted typhoon trough and the formation of the mesoscale vortex were mainly attributed to the vorticity generated in the low troposphere, and also the vertical transport of vorticity from the low and middle troposphere.     

“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。     

2003年夏季梅雨期一次强气旋发展的位涡诊断分析

通过位涡诊断和回推轨迹分析, 对2003年夏季梅雨期间一次强江淮气旋的发展过程进行了研究。结果表明: 气旋发展初期, 非绝热加热在气旋的低层发展中起了主要作用, 随后由于高层水平平流的增强, 通过垂直平流使高低层大值位涡耦合在一起, 从而使气旋迅速发展。从中、 高、 低层对位涡柱形成所起的作用来看, 低层主要是非绝热加热, 中层是垂直平流, 而高层主要是水平平流; 从构成气旋的气流来说, 在气旋迅速发展阶段, 低层主要以西南暖湿气流为主, 高层 (500 hPa以上) 主要以沿急流轴下降的高层干冷气流和对流层底层流向气旋东北部并迅速上升的暖湿气流为主。高低层冷暖空气的相互作用主要发生在600 hPa及以上层次, 因凝结加热引起的垂直运动通过垂直平流可能在冷暖气流相互作用和上下大位涡的垂直耦合中发挥了重要作用。     

华南持续性强降水期间低频非绝热加热对低频环流的影响

利用站点降水资料和再分析资料针对华南地区5—8月的持续性强降水过程,分析了低频异常非绝热加热的时空分布特征及其对低频大气环流的可能反馈作用。得到如下结论:5—6月和7—8月华南持续性强降水期间10—30 d低频非绝热加热的演变特征有所不同,5—6月持续性强降水发生前低频非绝热加热大值区从30°N(107°—115°E)以北向南传播发展至华南地区,而在7—8月降水前非绝热加热大值区从中国南海中部向西北方向传播,并在降水最强盛期到达华南。异常环流型控制着持续性强降水的强度和位置,从而决定异常凝结潜热的演变特征。异常凝结潜热则是通过影响涡度倾向变化而对大气环流有一个反馈作用。对于发生在华南5—6月和7—8月的这2组持续性强降水过程,当降水处于发展阶段,在低频非绝热加热作用项和低频涡度平流项的共同作用下,华南上空中层存在显著的10—30 d低频正涡度倾向变化,有利于低频气旋式环流的进一步发展。非绝热加热作用项主要由加热率的垂直梯度决定,涡度平流项则与气候背景风场有密切关系。5—6月持续性强降水期间涡度平流项位于非绝热加热项东侧,而7—8月持续性强降水期间涡度平流项位于非绝热加热项北侧。在持续性强降水的衰亡期,由于非绝热加热项和涡度平流项转为负值,华南被负涡度倾向变化控制,低频气旋式环流迅速消亡。     

Simulations of the East Asian subtropical westerly jet by LASG/IAP AGCMs

Performances of two LASG/IAP(State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sci- ences and Geophysical Fluid Dynamics/Institute of Atmospheric Physics)Atmospheric General Circulation Models(AGCMs),namely GAMIL and SAMIL,in simulating the major characteristics of the East Asian subtropical westerly jet(EASWJ)in the upper troposphere are examined in this paper.The mean vertical and horizontal structures and the correspondence of the EASWJ location to the meridional temperature gradient in the upper troposphere are well simulated by two models.However,both models underestimate the EASWJ intensity in winter and summer,and are unable to simulate the bimodal distribution of the ma- jor EASWJ centers in mid-summer,relative to the observation,especially for the SAMIL model.The biases in the simulated EASWJ intensity are found to be associated with the biases of the meridional temperature gradients in the troposphere,and furthermore with the surface sensible heat flux and condensation latent heating.The models capture the major characteristics of the seasonal evolution of the diabatic heating rate averaged between 30°-45°N,and its association with the westerly jet.However,the simulated maximum diabatic heating rate in summer is located westward in comparison with the observed position,with a rela- tively strong diabatic heating intensity,especially in GAMIL.The biases in simulating the diabatic heating fields lead to the biases in simulating the temperature distribution in the upper troposphere,which may further affect the EASWJ simulations.Therefore,it is necessary to improve the simulation of the meridional temperature gradient as well as the diabatic heating field in the troposphere for the improvement of the EASWJ simulation by GAMIL and SAMIL models.     

2019年长江中下游伏秋连旱的异常特征分析

利用NCEP/NCAR再分析资料及实况观测资料,分析了2019年中国长江中下游地区伏秋连续干旱期间的降水、温度及大气环流异常特征.结果表明:此次干旱具有持续时间长、降水偏少严重、气温较历史同期明显偏高、高温日数明显偏多等极端性特点.西太平洋副热带高压偏强,位置相对偏西、偏北,是形成长江中下游伏秋连旱的最主要原因;南亚高...