模式大气对于大尺度地形动力强迫作用的线性响应

本文利用一个包含了Newton冷却Rayleigh摩擦以及▽~4水平扩散等耗散作用的定常、斜压、线性初始方程三维谱模式,研究了中、高纬度理想化的大尺度地形以及北半球实际地形的动力强迫作用对于行星尺度的大气定常波的影响。计算结果证实了简化的β平面正压理论的定性结论。地形动力强迫作用所导致的大气定常波具有相当正压的垂直结构,其对应的扰动流场在中、高纬地区旋转(无辐散)分量占据主导地位,而辐散(无旋)分量则主要集中在低纬区域。北半球实际地形所强迫的大尺度扰动,主要表现为纬向波数为2的行星波,其中青藏高原的贡献具有头等重要的意义,相对而言,落基山和恪陵兰高原的贡献则是第二位的。     

一个大气定常波的非线性初始方程谱模式

本文提出了一个可以用于大气定常波数值模拟的非线性初始方程三维谱模式,模式的动力学框架与文献[1]中的线性模式是相互对应的。利用线性模式的定常解作为初值,通过Newton-Raphson迭代法求出了收敛的非线性定常解。文中给出了这一模式大气对于北半球大尺度地形和1979年1月平均非绝热加热场的响应作为计算实例,并与对应的线性响应以及观测事实进行了对比,证明在考虑了大气中波动之间的非线性相互作用之后数值模拟的结果确实比线性模式有显著的改进,尤其是对于低纬环流系统更是如此。这表明了非线性作用对于热带环流系统的极端重要性。      

模式大气对于大尺度地形动力强迫作用的非线性响应

本文与文献[1]相对应,利用一个非线性初始方程谱模式,研究了中、高纬度理想化的大尺度地形以及北半球实际地形的动力强迫作用对于冬季行星尺度的大气定常波的影响。计算结果证实,根据线性模式的数值试验结果所做的定性分析在非线性情形下仍然是成立的,同时,非线性扰动流场也与线性流场有明显的差异,在纬向平场基本气流相对较弱的地区或垂直层次上差异尤为显著。数值试验表明,北半球实际地形强迫的大尺度扰动,在对流层低层以及对流层上部的中、高纬均主要表现出纬向波数为2的行星波,但是在对流层上部的低纬地区3波分量比较明显。中、高纬的大地形动力强迫作用,对于低纬太平洋高空的反气旋和气旋环流的形成有重要的贡献。      

冬季热源位置与热源的南北宽度对定常行星波的影响

本文应用一个定常、准地转34层球坐标模式来讨论冬季北半球多层模式大气对定常热源强迫的响应. 计算结果表明:在冬季位于高纬度的定常热源强迫所产生的定常行星波的振幅要比位于中纬度的定常热源强迫所产生的定常行星波的振幅要大.计算结果也表明了热源的南北宽度愈宽,其强迫所产生的定常行星波的振幅愈大.     

经圈环流对定常波传播的影响

在一般斜压大气中，基本气流中包含经圈环流时，定常波传播不仅能穿过东风带，而且明显增强。在基流含有经圈环流的情况下，北半球中纬度地形强迫可引起低纬大气的显著响应，这表明经圈环流在中低纬定常响应的相互联系中起着重要作用；北半球中纬度热力强迫可产生类似北半球夏季季风环流的波列分布，这说明经圈环流在夏季季风环流的形成中起着一定的作用；在赤道东太平洋加热强迫情况下，在冬半球可引起ＰＮＡ型的定常波传播波列，而在夏半球却没有明显的ＰＮＡ特征。这表明经圈环流对冬、夏半球的定常波传播路径有着显著的影响。     

平流层大气对对流层大尺度热力强迫的线性、定常响应

本文采用一个关于大气定常波的16层线性化原始方程三维谱模式,研究了冬季平流层大气对于对流层各种定常大尺度热力强迫的响应。研究结果表明,对流层中的热力强迫作用对于冬季平流层中垂直向上传播的行星定常波的维持有显著的贡献,平流层中强迫扰动的水平结构及其与对流层中扰动的差异与加热场的垂直结构有密切的关系。相对于强度和空间结构相同的强迫源而言,中纬强迫对于平流层的作用比低纬强迫更为显著。     

夏季西藏高原与落基山脉对北半球定常行星波形成的动力作用

本文应用一个包括Rayleigh摩擦、Newton冷却与水平涡旋热力扩散准地转34层球坐标模式来研究夏季西藏高原与落基山脉地形强迫对于夏季北半球定常行星波形成的作用. 计算结果表明:夏季北半球地形强迫所产生的定常行星波的振幅与位相分布与冬季的分布是很不一样的,夏季地形强迫所产生的定常行星波主要集中在亚热带的对流层,并且可以发现纬向波数k=1与k=2的振幅在高纬度存在着第二峰值.计算结果还表明了夏季西藏高原与落基山对于夏季定常行星波的形成起了重要作用.     

球面斜压大气中上传行星波与纬向平均气流的相互作用

本文指出在球面斜压大气中的行星尺度扰动与纬向平均气流相互作用中必须考虑非地转风分量对位涡度南北方向输送的作用,从而证明了球面大气中行星尺度运动的波作用守恒,并求得球面大气中的行星尺度扰动与纬向平均气流相互作用的欧拉平均运动方程组。 本义利用1979年2月的实际天气观测资料分析了北半球一次对流层阻塞形势建立与平流层爆发性增温过程的行星波与纬向平均气流的相互作用。从分析结果可以看到:由于行星波向上传播,使得在高纬度对流层中、上层出现行星波的波作用通量(也称E-P通量)辐合,使得西风气流减速,因而在高纬度对流层中、上层形成阻塞形势。并且,随着行星波的继续向上传播,使得平流层下、中层的基本气流相继减速并出现东风,因而在平流层下、中层出现爆发性增温。然而,由于高纬度对流层低层出现东风,行星波不能往上传播,在上层波的E-P通量矢量变成辐散,气流由东风又变成西风。     

夏季西藏高原对北半球定常行星波形成的热力作用

本文应用一个包括Rayleigh摩擦、Newton冷却与水平涡旋热力扩散的准地转34层球坐标模式来研究西藏高原对夏季北半球定常行星波形成的热力作用. 计算结果表明夏季位于西藏高原上空的热源对于北半球夏季定常行星波形成的热力作用要比高原地形的动力作用大得多. 本文还计算了夏季北半球地形与热源强迫所产生的定常行星波与等高面上定常扰动系统的分布,其计算结果与由实际观测所得到的分布比较一致.     

大气中定常行星波的Eliassen-Palm通量与波折射指数的关系

本文研究了β平面近似下波作用量守恒,得到波作用通量——Eliaaen-Palm通量的一般形式.本文还利用WKBJ方法求得球面大气中定常行星波的Eliassen-Palm通量与波折射指数的关系. 本文还用一个准地转34层球坐标模式计算了冬季北半球地形与定常热源强迫所产生的定常行星波的Eliassen-Palm通量,证明了冬季受迫定常行星波在垂直及侧向传播中存在着两支波导,从而证明了理论上所得到的关系.     

经圈环流在大气对SSTA强迫响应中的作用

本文建立了一个包括经向Hadley环流作用的简单半谱模式并从1982年欧洲中心的客观分析资料中得到全球纬向平均场。经一系列数值实验发现，当SSTA处于赤道地区时，由它强迫产生的波动可以同时向南北半球传播。但若考虑经向Hadley环流（υ）的作用，波传播的空间位相和振幅就有比较明显的变化，并更接近于实际大气环流异常情况。当非绝热加热源位于偏离赤道的南北半球时，实验结果表明，如果不考虑Hadley环流，南北半球的非绝热加热很难在另一半球产生强的大气响应；考虑了Hadley环流后，则非绝热加热产生的波动可向另一半球传播。数值实验结果还表明，夏季当非绝热加热源的位置改变时，大气对其改变的响应不明显，而冬季大气对非绝热加热源的纬向位置的响应却非常敏感。     

加热场的三维结构对亚洲夏季风环流的影响

本文利用原始方程线性波模式考察了加热场的三维结构对夏季定常行星波特性的影响;比较了不同加热方式对亚洲夏季风坏流的形成及维持所起的作用。指出与低纬深厚积云对流相联的凝结加热对亚洲夏季风环流所起的重要作用和大气定常行星波响应对加热场的垂直结构的敏感性。     

一个大气定常波的线性初始方程谱模式

本文提出了一个可以用于大气定常波数值模拟的线性化初始方程三维谱模式。在模式中物理场的水平结构采用了球谐函数展开,而其垂直结构则采用了勒让德多项式展开。模式中包含了Newton冷却、Rayleigh摩擦及▽~4水平扩散等耗散作用。文中给出了模式参数选择、数值求解的详细方案以及该模式大气的扰动流函数场对于北半球大尺度地形和1979年1月平均非绝热加热场的响应的实际计算结果。     

冬季平流层热源及其对环流的影响

本文采用一个可用于大气定常波数值试验的线性化原始方程三维谱模式,研究了平流层环流对平流层内各种定常大尺度加热分布的响应.相对于北半球冬季纬向对称的基本状态,讨论了大尺度加热分布对冬季平流层大尺度运动的影响.发现平流层大气除受到对流层的热力强迫作用外,还将受到平流层内热源的影响,由于这种热力强迫作用,在平流层出现了1-2波的环流,但对对流层的环流影响却不大.引入臭氧加热率,使我们进一步证实了臭氧做为平流层中重要的增温因子所起的作用.数值试验的结果表明,臭氧对平流层环流的形成和维持,有着重要的贡献.     

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。     

全球大气季节平均热源的三维分布——非绝热加热与瞬变加热之对比

利用1958—2001年ERA40逐日大气再分析资料,使用热力学方程剩余项法计算和对比分析了全球大气季节平均非绝热加热和瞬变加热的四季气候平均三维分布。结果表明,全球大气非绝热加热主要为热带强大深厚对流性热源、中纬度浅薄热源以及副热带和高纬度的深厚性热汇,热带热源总是向夏半球偏移,但中纬度热源和高纬度热汇在冬半球偏强。全球大气瞬变加热的三维分布主要表现为:副热带热汇-中高纬度热源的南北偶极型和中纬度低层热汇-高层热源的高低层偶极型,该分布型导致瞬变热源具有从高纬度低层向中纬度高层的倾斜结构。瞬变加热与风暴路径密切相关,冬半球风暴路径的瞬变活动强,因而其瞬变热源和热汇也强,而夏半球则相对弱。瞬变加热在北半球具有位于大陆东部和大洋西部的区域性特征,而在南半球具有纬向带状分布,尤其在冷季时南太平洋瞬变热汇和热源带出现分离现象。瞬变加热在全球大部分区域对非绝热加热起减弱抵消作用,但在中纬度对流层中高层起支配性作用。因此,大气瞬变活动帮助高纬度和中纬度中高层大气获得更多的热量,从而对非绝热加热造成的大气热量进行空间上的重新分配。     

准定常行星被对大气中臭氧输运的动力作用

本文从拉格朗日平均环流观点讨论了行星波对大气中Ｏ３。的输运作用。理论分析表明，当行星波是定常保守时，行星波对大气中Ｏ３没有输运作用；而非定常的行星被对大气中ｏ。有明显的输运作用，它可以强迫出一个正的输运环流、即从热带上升，而从高纬下沉的环流；此外，只有当耗散的行星波传播到平流层才会在平流层强迫出输运环流。为了说明行星波对大气中Ｏ３输运的动力作用，本文还利用一组３４层波－流相互耦合球坐标原始方程谱模式计算了地球大气中行星波对Ｏ３变化的作用，其计算的Ｏ３变化与实际观测到的Ｏ３分布变化很相似。     

准定常行星波对大气中臭氧输运的动力作用

本文从拉格朗日平均环流观点讨论了行星波对大气中O3的输运作用。理论分析表明，当行星波是定常保守时，行星波对大气中O3没有输运作用；而非定常的行星波对大气中O3有明显的输运作用，它可以强迫出一个正的输运环流，即从热带上升，而从高纬下沉的环流；此外，只有当耗散的行星波传播到平流层才会在平流层强迫出输运环流。为了说明行星波对大气中O3输运的动力作用，本文还利用一组34层波—流相互耦合球坐标原始方程谱模式计算了地球大气中行星波对O3变化的作用，其计算的O3变化与实际观测到的O3分布变化很相似。     

强迫二维Rossby波传播特征的数值试验

Bjerknes提出了大气对外界强迫响应的概念。大量研究已证明这一遥响应机制的存在,且大气对强迫源的遥响应及其低频活动的共同特征都表现为类似大圆路径的波列,Hoskins的理论研究揭示了这现象的实质,他把叶笃正所提出的Rossby波的频散理论推广到球面上。黄荣辉曾利用波折射指数平方与EP通量系统地研究了北半球冬夏准定常行星波的传播规律。邹晓蕾、叶笃正、吴国雄提出了中高纬的相关链、定常地形波链,并指出北美与东亚相关型的差异与两区域地形准定常波在不同纬向流中传播的差异有关。观测分析亦表明,青藏高原是大气低频振荡的强迫源,且在此区域可产生向北、向南或向东、向西传播的波列。     

冷暖事件对大气能量循环和纬向平均环流影响的模拟研究

利用中国科学院大气物理研究所大气科学与地球流体力学数值模拟国家重点实验室新发展的GOALS 5全球海 陆 气耦合模式研究了暖事件 (ElNi no)和冷事件 (LaNina)对大气能量循环和纬向平均环流的影响 ,并用观测资料进行了对比分析。结果表明 :对于纬向平均资料来说 ,冷、暖事件在热带和副热带地区的大气环流相关量的反相变化特征非常清晰 ,中高纬度地区并不明显。此外 ,还发现 ,暖事件时定常涡动的经向热通量的变化是北半球对流层热带外地区温度异常的主要原因 ,而瞬变波的影响则起抵消作用。冷事件时定常波和瞬变波相互抵消的局地特征也依然存在 ,但瞬变波的影响有所增强。