一次典型的平流层爆发性增温中的局地多尺度洛伦兹循环

利用一种新的工具,多尺度子空间变换(MWT),以及基于MWT的局地多尺度能量与涡度分析(MS-EVA)与Lorenz循环诊断方法,对2009年1月中下旬平流层发生的一次强爆发性增温(SSW)事件的内在动力学过程进行了研究。首先用MWT将各个场重构于三个尺度子空间,即平均尺度、爆发性增温尺度(或SSW尺度)和天气尺度子空间上。结果表明,极地迅速增长的温度主要是由于SSW尺度子空间上极区内的斜压不稳定引起的正则传输(有效位能从平均尺度子空间传输到SSW尺度子空间)造成的,显著增加的有效位能(APE)转换到了SSW尺度子空间的动能(KE)中,加之快速增温前极区内正压不稳定引起的正则传输(动能从平均尺度子空间传输到SSW尺度子空间)的作用,共同导致了极夜急流的反转。     

MJO特征的多尺度子空间重构

通过构造两种不同类型的理想序列,将多尺度子空间变换(Multiscale Window Transform,MWT)与传统使用最多的带通滤波方法(Butterw orth)进行比较发现:MWT滤波的结果在整体上与原序列几乎完全吻合,而Butterworth的滤波结果在振幅上总是偏小;同时MWT对边界的处理也比Butterworth要好。为此使用这两种方法分别对MJO进行重构,并比较两种方法下MJO特性的差异。结果表明:在经向(meridional)传播上,两种方法得出的MJO基本类似;但在纬向(zonal)传播及其季节变化上,两种方法的结果无论在强度还是分布上都存在明显的差异,并且这种差异主要存在于西太平洋地区。本文发现:MJO波列从年初到夏季由南向北传播,从夏季到岁末传播方向却逆转成由北向南(尤其是在西太平洋地区),这一点与前人的结果迥异。     

2008年1月中国南方低温雨雪期间异常阻塞高压事件的多尺度动力过程分析

2008年1月,中国南方发生了罕见的低温雨雪灾害,造成这次灾害的关键系统之一是乌拉尔山以东地区的异常阻塞高压(阻高)。基于NCEP再分析资料,利用新发展的多尺度子空间变换和重构分析了这一期间阻高的多尺度特征,发现其源头来自欧洲地区,强度减弱后东移,在乌拉尔山—贝加尔湖地区重新增强并得以维持相当长的时间。结果表明,两次阻高过程本质上是同一过程在不同阶段的表现。为探讨上述过程的动力学机制,利用基于多尺度子空间变换的局地多尺度能量分析方法以及正则传输理论对其进行了分析,发现此次异常阻高过程源自32 d以下尺度系统的动能强迫,具体地说,能量来自32 d以下尺度系统向32—128 d低频尺度系统的正压正则传输,而且这种正则传输在阻高环流的东、西两侧不对称,西侧在强度上远大于东侧。分析表明,上述非对称的强迫作用由动能空间输运来平衡,平流将西侧获得的32—128 d低频尺度动能向东侧输运,以此来维持阻高环流的整体稳定和均一。上述两种内部的物理过程是高压环流在东移的过程中得以重新增强并长时间维持的机制。     

一次自上向下发展的高原涡的多尺度动力学分析

高原涡作为经常给我国带来暴雨等灾害的天气系统,其形成一般认为是通过感热和潜热自下而上激发的,然而,2013年5月下旬发生的一次引发其下游灾害性强降水的高原涡却是由对流层高层天气尺度低涡诱发的.为此,基于新发展的多尺度子空间变换和多尺度能量涡度方法以及ERA5再分析资料对其动力学过程进行了详尽的探讨,先将原始场重构到三个...     

登陆台风莫拉克(2009)的涡度拟能收支分析

利用涡度拟能、散度平方项(简记为散度能量)和总变形平方项(简记为变形能量)来表征涡度、散度和变形的强度,并推导这3个物理量的倾向方程。这些方程中既包含代表这些物理量相互转化的符号相反项,也含有代表共同强迫的符号相同项,其中,涡度拟能局地变化主要由涡度拟能与变形能量的共同强迫项、涡度拟能与变形能量的转化项以及涡度拟能与散度能量的转化项组成。针对2009年第8号台风莫拉克,利用美国全球预报系统分析场资料计算这些方程中的强迫项,分析涡度拟能及其收支特征,以此来探讨影响台风莫拉克涡度拟能局地变化的主要物理因素。结果表明,在莫拉克发展和衰减阶段,涡度拟能与变形能量的共同强迫项(涡-形相同项)和涡度拟能与散度能量的转化项(涡-散转化项)是影响涡度拟能局地变化的重要强迫项。涡度拟能与变形能量转化项(涡-形转化项)的贡献相对来说弱一些。影响位涡拟能局地变化的重要物理因素是涡-形相同项和涡-形转化项中的平流输送项和散度耦合项,以及涡-散转化项中散度耦合项。变形能量一方面通过涡-形转化项向涡度拟能转化,直接促进涡度拟能增长;另一方面通过散-形转化项向散度能量转化,再通过涡-散转化项散度能量向涡度拟能转化,间接促进涡度拟能增长。     

一次西南低涡形成过程的数值试验和诊断 II:涡度方程和能量转换函数的诊断分析

本文是对第一部分的数值试验结果进行涡度方程以及位能、散度风动能和旋转风动能之间的能量转换函数诊断分析,并讨论了地形动力作用和潜热加热影响西南低涡形成和发展的物理过程.结果表明:从涡度收支上看,地形和潜热加热通过增大辐合使涡度增加.从能量转换上看,在低层地形和潜热加热加强位能向散度风动能转换以及散度风动能向旋转风动能转换;在高层,地形通过加强旋转风动能向散度风动能转换,使高空辐散增强,而潜热加热通过加强位能向散度风动能转换亦使高空辐散增强.     

一次西南低涡形成过程的数值试验和诊断——Ⅱ:涡度方程和能量转换函数的诊断分析

本文是对第一部分的数值试验结果进行涡度方程以及位能、散度风动能和旋转风动能之间的能量转换函数诊断分析,并讨论了地形动力作用和潜热加热影响西南低涡形成和发展的物理过程.结果表明:从涡度收支上看,地形和潜热加热通过增大辐合使涡度增加.从能量转换上看,在低层地形和潜热加热加强位能向散度风动能转换以及散度风动能向旋转风动能转换;在高层,地形通过加强旋转风动能向散度风动能转换,使高空辐散增强,而潜热加热通过加强位能向散度风动能转换亦使高空辐散增强.     

台风Morakot(2009)暴雨中关键尺度位涡的诊断分析

采用二维小波变换方法对格点分析资料进行多尺度分解,诊断分析台风Morakot(2009)登陆福建省霞浦市过程中位涡的多尺度特征。在此基础上,讨论了多尺度位涡正压项通量散度对位涡正压项局地变化的贡献。研究结果表明,在此次台风登陆过程中位涡主要包含第4、5关键尺度(理论波长范围为96.4~160.67 km)动力扰动和第3、4关键尺度(理论波长范围为64.27~128.54 km)热力扰动的综合信息。由于关键尺度位涡正压项的强度大于斜压项,因而位涡主要体现了第4、5动力尺度垂直涡度与第3、4热力尺度广义位温垂直梯度的耦合作用。第4、5动力尺度西南扰动气流为台风暴雨提供充足的水汽供应,在台风环流西北侧产生低层辐合、中高层辐散,为强对流系统的发生提供有利动力条件。第3、4热力尺度的广义位温扰动一方面增加降水区大气湿斜压性,另一方面在降水区低层形成位势不稳定,为强对流的发展提供潜在不稳定能量。位涡正压项方程强迫项的分析表明,关键尺度位涡正压项通量输送对位涡正压项局地变化有一定贡献,影响位势稳定度的变化。在台风登陆后,关键尺度位涡及位涡正压项通量散度都有所减小,使得垂直涡度和位势稳定度的变化趋缓。     

Localized multi-scale energy and vorticity analysis: II. Finite-amplitude instability theory and validation

A novel localized finite-amplitude hydrodynamic stability analysis is established in a unified treatment for the study of real oceanic and atmospheric processes, which are in general highly nonlinear, and intermittent in space and time. We first re-state the classical definition using the multi-scale energy and vorticity analysis (MS-EVA) developed in Liang and Robinson [Liang, X.S., Robinson, A.R., 2005. Localized multiscale energy and vorticity analysis. I. Fundamentals. Dyn. Atmos. Oceans 38, 195–230], and then manipulate certain global operators to achieve the temporal and spatial localization. The key of the spatial localization is transfer-transport separation, which is made precise with the concept of perfect transfer, while relaxation of marginalization leads to the localization of time. In doing so the information of transfer lost in the averages is retrieved and an easy-to-use instability metric is obtained. The resulting metric is field-like (Eulerian), conceptually generalizing the classical formalism, a bulk notion over the whole system. In this framework, an instability has a structure, which is of particular use for open flow processes. We check the structure of baroclinic instability with the benchmark Eady model solution, and the Iceland–Faeroe Frontal (IFF) intrusion, a highly localized and nonlinear process occurring frequently in the region between Iceland and Faeroe Islands. A clear isolated baroclinic instability is identified around the intrusion, which is further found to be characterized by the transition from a spatially growing mode to a temporally growing mode. We also check the consistency of the MS-EVA dynamics with the barotropic Kuo model. An observation is that a local perturbation burst does not necessarily imply an instability: the perturbation energy could be transported from other processes occurring elsewhere. We find that our analysis yields a Kuo theorem-consistent mean–eddy interaction, which is not seen in a conventional Reynolds stress framework. Using the techniques of marginalization and localization, this work sets up an example for the generalization of certain geophysical fluid dynamics theories for more generic purposes.     

CMIP5模式对西太平洋副热带高压的模拟和预估

利用国际耦合模式比较计划第五阶段（CMIP5）26个模式的模拟结果,从空间分布和振幅变化、年际周期及年代际趋势等方面,初步评估了CMIP5模式对西太平洋副热带高压（副高）的模拟能力。在此基础上,还对未来不同典型浓度路径（RCPs）情景下副高的可能变化给出了定性的预估。CMIP5模式历史试验结果显示,大多数模式对500 hPa位势高度气候平均值的模拟有明显误差,这主要是由于模式对热带印度洋和西太平洋地区海表温度（SST）的模拟普遍较观测值低,从而导致模式对副高的模拟能力有限。但大多数模式对高度场和纬向风场变化的空间形态与振幅都有较强的模拟能力。因此,通过用NCEP/NCAR再分析资料的气候平均值替代CMIP5模式气候平均值的简单方法,对CMIP5模拟结果进行了订正。经订正后的模式结果均有能力刻画副高指数的历史时间序列,且能够反映出20世纪70年代末期之后,副高面积增大、强度增强和显著西伸的变化趋势。此外,通过对副高指数的长期趋势、年际周期及标准差等的定量评估,注意到CNRM-CM5、FGOALS-g2、FIO-ESM、MIROC-ESM和MPI-ESM-P这5个模式对副高的模拟能力较强。未来气候预估试验中,副高面积和强度均增大,且显著西伸;其线性增长趋势在RCP8.5情景下最高,RCP4.5情景下次之,RCP2.6情景下最弱。有趣的是副高脊线指数在3种排放情景下都没有明显的长期变化趋势。这些结果为选取和利用CMIP5模式进行东亚地区气候变化的归因分析和未来预估提供了一定的科学依据。     

夏季西太平洋副热带高压的客观定量化预测及其对汛期降水的指示

基于动力统计相似预报原理,将模式误差动力统计预报方案应用于西太平洋副热带高压的客观定量化预测,通过交叉检验距平相关系数,筛选出对副热带高压区域的500 hPa高度场模式预报结果订正较好的因子作为前期关键因子集.对2003-2010年的副热带高压区域的500 hPa高度场进行了回报检验,结果显示该方案在数值模式预报结果基础上有了进一步提高,显示出较高的预测水平.在此基础上,从高度场预测结果中提取出与中国降水关系最为密切的两个典型副热带高压特征指数(脊线指数与西伸脊点指数),将其投影在二维平面上,并根据不同类型的副热带高压特征下对应的雨型分类特征得到预报年副热带高压所属类型下中国夏季降水的分布类型,多年检验结果表明,预测的投影类型所对应的降水合成分布与实况的降水具有较好的一致性,进一步验证此种副热带高压与雨型分类的合理性,达到通过副热带高压的定量化预测对夏季的旱涝分布形式进行预测的目的,为进一步提高汛期降水预测水平提供一种可能的思路.     

30-60-day Oscillations of Convection and Circulation Associated with the Thermal State of the Western Pacific Warm Pool during Boreal Summer

This study focuses on the characteristics of the 30-60-day oscillation (MJO) associated with the interannual variability of the thermal state in the western Pacific warm pool. The composite results show that the amplitude of MJO convection over the tropical western Pacific tends to intensify (reduce) in the WARM (COLD) case. The negative correlations between MJO convection in the WARM and inthe COLD cases are examined to be significant over most of the Asian-Pacific region. The evolutions of MJO convection and lower circulation, on the one hand, exhibit larger differences between the WARM and COLD cases, but on the other hand, display a unique feature in that a well-developed MJO cyclone (anticyclone) is anchored over the Asian-Western Pacific domain at the peak enhanced (suppressed) MJO convection phase over the western Pacific warm pool, either in the WARM or in the COLD case. This unique feature of MJO shows a Gill-type response of lower circulation to the convection and is inferred to be an inherent appearance of MJO. The context in the paper suggests there may exist interactions between MJO and the interannual variability of the thermal state in the western Pacific warm pool.     

夏季对流和环流10-25天季内变化-5西太平洋暖池热力状况的关系

主要讨论了西太平洋暖池热力状况年际变化相联系的10－25天季内振荡的特征。在西太平洋暖池处于“暖”夏季和“冷”夏季两种状态时，10－25天季内振荡呈现出明显差异，在所讨论的亚洲－太平洋大部分区域，“暖”夏季时对流活动的10－25天季内变化和“冷”夏季时对流活动的10－25天季内变化表现出显的反相关关系，表明对流活动的年际变化与季内变化的相互作用。当西太平洋暖池上空对流活动的10－25天季内振荡处于最强和最弱阶段时，低层大气表现为Gill型环流响应，即气旋式（反气旋式）环流出现在最强（最弱）对流活动的西北，这种对流和环流关系在西太平洋暖池出于“暖”夏季和“冷”夏季两种状态时均成立。而当西太平洋暖池上空对流活动的10－25天季内振荡处于除此以外其他阶段时，就看不到Gill型环流响应。     

北太平洋涛动的季节演变及其与我国冬春气候异常的联系

本文利用NCEP/NCAR再分析资料和我国160站的观测资料,首先定义了季节平均的北太平洋涛动(NPO)指数,在此基础上分析了不同季节中NPO的时空变化特征,特别对冬季和春季NPO与我国气温、降水异常的关系作了研究.结果表明,作为北太平洋地区海平面气压(SLP)年际变化的第二模态,NPO具有相当正压的结构,在地面表现为...     

太平洋中低纬度海表温差与副热带高压异常的数值模拟

中国夏季天气变化与太平洋副热带高压关系密切,而中低纬度热力差异可能是副热带高压的强度和位置发生变化的莺要原因,文中利用NCAR/NCEP再分析位势高度、垂商速度和海表温度场资料,在对太平洋海表温度合理分区的基础上.根据海表温度EOF分解的第一模态时间系数与副热带高压的相关关系,定义了太平洋中、低纬度海表温差指数,并通过统计分析和数值模拟方法分析了温差的年代际变化特征及其对副热带高压的影响.结果表明:副热带高压的变化分别与中纬度太平洋的(30°-40°N,180°-140°W)和低纬度太平洋的(10°S-10°N,140°～100°W)两块区域海温关系密切,对由此两区域定义的温差指数分析发现,1976年前后温差指数出现一次显著的由弱变强的年代际突变,且温差的年代际变化特征与副热带高压异常有很好的对应关系,温差大值年,副热带高压偏强,面积增大,西伸尤其明显;温差小值年,副热带高压偏弱,面积减小,东撤明显.进一步的统计分析和NCAR/CAM3.0模式数值模拟都发现,夏季中低纬海表温差增大将引起哈得来环流加强,副热带的下沉速度加大,使副热带高压增强;夏季中低纬海表温差减小将引起哈得来环流减弱,副热带的下沉速度减小,使副热带高压减弱.冈此夏季中低纬海表温差的变化是导致副热带高压强度和位置异常的重要原因之一.     

降水集中度的变化特征及影响因素分析——以山西为例

基于山西14个站点1957—2014年逐日降水资料,计算年尺度与多年尺度下的降水集中指数（CI）和极端降水指数（R_95p和R_99p),利用统计方法,研究了山西降水集中度的时空变化和影响因素。结果表明,CI值与R_99p显著正相关,CI值增大则发生极端强降水几率增大。多年尺度CI值体现出明显的纬度地带性和较大的局地空间差异。受温带大陆性季风气候控制,山西省降水CI值介于0.59~0.64,相对亚热带地区较小,且变化范围较小。总体上年尺度CI值呈下降趋势,五台山、右玉、五寨、运城等站点下降趋势显著。盆地区域较高山高原区的CI值更大且下降趋势不显著,更易于发生极端降水事件。较高的高程和较大的变幅可增强高程对CI值的影响。太平洋年代际振荡（PDO）与年尺度CI值显著负相关。PDO冷位相时期,西太平洋副高西进、偏强,CI值偏高,发生极端强降水的可能性增大。本研究揭示了自然地理条件和海-气相互作用对区域尺度降水集中度存在复杂的影响。     

On the characteristics of propagation of intraseasonal oscillations and their observed association with tropical synoptic waves in the Asian-western Pacific region in boreal summer

Using the daily average outgoing longwave radiation and NCEP/NCAR reanalysis data in boreal summer (Mays to Octobers) from 1979 to 2007, the propagating characteristics of convection intraseasonal oscillations (ISOs) in the Asian-western Pacific (AWP) region and the relationship between tropical synoptic waves and ISOs are examined by means of finite-domain wavenumber-frequency energy spectrum analysis and lagged linear regression technique. The results are shown as follows. (1) The AWP ISOs propagate both eastward and westward, showing seasonality and regionality. The ISOs propagate eastward with a period of 30 to 60 days over equatorial regions in the whole AWP region, while the westward propagation occurs over 10 to 20? N western Pacific or in the late summers (August, September and October) with periods of 20 to 40 days. The ISOs eastward propagation mainly occurs in primary summers while the westward propagation enhances in late summers. (2) Deep ISO convections associate with westerly and cyclonic circulation anomalies that first form in the Indian Ocean, propagate eastward to the dateline in the Pacific and then turn northwestward. The ISOs convections show northwestward propagating characteristics in the western North Pacific. (3) The ISOs link with the tropical synoptic waves closely. Both convection signals, though with different spatio-temporal scale, enhance simutaneously in the northwestern Pacific, and the ISOs facilitate the forming of a cluster of tropical cyclones (TCs), while a cluster of TCs convection becomes one portion of the northwestward ISOs.