简单热带海气耦合模式中的耦合波及其不稳定性（Ⅰ）

西文建立了一处简单的热带海气耦合模式，模式大气和海洋中含了Ｋｅｌｉｖｎ波和长Ｒｏｓｓｂｙ波。在赤道β平面近似下，讨论了取耦合系统中最大径向模时，即大气和海洋中只存在Ｋｅｌｉｎ波时耦合波的性质。结果指出，向东传的耦合Ｋｅｌｖｉｎ波可以出现不稳定性，并且由于海气相互作用，在长波部分可以产生向西传的耦合Ｋｅｌｖｉｎ波。耦合Ｋｅｌｖｉｎ波的性质与模式中所选用的参数有很大关系，当大气与海洋中自由波的频率相差     

简单热带海气耦合模式中的耦合波及其不稳定性（I）

本文建立了一个简单的热带海气耦合模式，模式大气和海洋中包含了Kelvin波和长Rossby波。在赤道β平面近似下，讨论了取耦合系统中最大径向模时，即大气和海洋中只存在Kelvin波时耦合波的性质。结果指出，向东传的耦合Kelvin波可以出现不稳定性，并且由于海气相互作用，在长波部分可以产生向西传的耦合Kelvin波。 耦合Kelvin波的性质与模式中所选用的参数有很大关系，当大气与海洋中自由波的频率相差很大时，耦合波的性质与没有海气相互作用时自由波的性质非常接近；只有当大气与海洋中自由波的频率相差不太大时     

简单的热带海气耦合波——Rossby波的相互作用

在本文中分析了当大气和海洋中未经耦合前的自由波均为Rossby模时,经相互作用后所激发出的耦合波的物理性质。结果表明,由于大气和海洋的背景状态不同,可以激发出两类不稳定耦合Rossby波。一类波要求大气的背景场是斜压的,而海洋的混合层较深,即热容量较大。这是一类弱相互作用的不稳定波。另一类要求大气的背景场趋于正压性,而海洋的混合层较浅,即热容量较小。这是一类强相互作用的不稳定波。色散关系的计算表明,这两类不稳定波产生的物理机制也不相同。文中对解不同截断模的本征值问题提出了几种数学方法,同时还进一步提出了一种使大气和海洋自由Rossby模的色散关系不受歪曲的处理方法。     

全球热带简单海气耦合模式中的ENSO预报试验

利用一个全球热带简单海气耦合模式(GTSM模式),并选取热带三大洋较强的冷暖事件作为预报对象进行了若干预报试验,分析结果发现:在GTSM模式中由于热带三大洋海气耦合通过大气模式而相互作用和影响,使得该模式对于东大西洋和中东印度洋较强冷暖事件的预报能力,较单独大西洋或单独印度洋耦合模式均有明显提高,预报和观测的ATL3、IND3指数的相关系数达到0.5以上的月份,分别达到9个月和6个月左右;而在东太平洋则和ZC(LDEO1)模式差不多,预报和观测的Nio3指数的相关系数达到0.6以上的月份可以达到15个月左右.     

热带海气耦Kelvin波的弱相互作用

本文在简单的热带气耦合方程组中,引进基本风场和平均海流的作用以后,对热带海气耦合Ｋｅｌｖｉｎ波的不稳定性进行了讨论,得到其耦合不稳定的判据条件,并且分析了它的传播结构特征。     

海气耦合系统中的季节内振荡模态

从海气相互作用的观点出发研究了热带大气季节内振荡产生的一种可能原因,发现在不考虑大气内部大尺度凝结反馈过程的条件下,线性简单海气耦合系统在真实的参数取值范围内存在一类和实际观测类似的季节内振荡模态,这种模态可以不稳定缓慢东传或西传或表现为驻波,海洋边界波反射效应对这种振荡模态的形成无根本性影响。这一结果为解释洋面上观测到的热带大气低频振荡的局地特征提供了理论背景。     

一个可描写ENSO循环基本特点的简单热带海气耦合模式

在所构造的海气耦合模式中,采用Zebiak海洋模式框架,并重建了一个海洋数值模式,大气模式采用了Gill模式.在大气模式中保留了时间发展项,潜热加热采用了Kleeman方案.对模式的积分结果表明,海温异常具有3～7年的准周期振荡.在模式El Nino事件的初始阶段,西风异常,海温正距平(SSTA)首先在赤道西太平洋发生,然后向东传播、加强.在模式ENSO循环的位相转换过程中,SSTA的空间分布共有4种不同类型.模式模拟的El Nino事件的初始阶段有两种发展类型,它们是:在初始阶段中西太平洋和东太平洋沿岸各有海表温度的正异常发生.在以后的发展中,一种情况是这两块正SSTA都发展连成一片,形成El Nino事件;另一种情况是中西太平洋地区的正SSTA衰减,中东太平洋地区的正SSTA加强,向西传播,形成El Nino事件.模式模拟的La Nina事件的初始阶段也有两科发展类型,它们的发展过程和El Nino事件初始阶段的发展过程相似.     

热带大气和海洋运动的频率差异在海气系统演变中的作用

对热带太平洋地区850 hPa纬向风场、海表温度场月平均距平进行了谱分析。结果表明:纬向风距平与海表温度距平的振幅在El Ni?o或La Ni?a期间同时增长。而在其他期间,波振幅随时间呈相反变化趋势。在El Ni?o或La Ni?a事件发展期间,纬向风距平的位相角与海表温度距平位相角的差值在90o左右,而在事件的衰减期间,它们的位相角的差值在0o左右。本文还利用长波近似、海洋对大气加热取局地热力平衡近似时的简单热带海气耦合模式,研究了大气变量和海洋变量位相差随时间变化对海气耦合解的影响。在海气耦合模式中,当大气模式取为非定常时,大气和海洋Kelvin波之间以及Rossby波之间存在着能量转换,使大气和海洋波振幅呈相反变化趋势。此时,耦合波振幅随位相角差的变化没有共同的增长或衰减区间。大气Kelvin波与海洋Rossby波或大气Rossby波与海洋Kelvin波相互作用时,波振幅随位相差的变化存在着相同增长和衰减区间,它们的振幅要么同时增长,要么同时减少。当大气模式取定常时,因为相互作用波之间的位相差是一常数,波振幅随时间无限制增长。本文还在大气模式取为非定常和定常两种情况下,对海气耦合模式进行了数值求解。结果表明,当大气模式取为非定常时,数值解随时间的变化趋势跟观测结果有较好一致性。当大气模式取为定常时,数值解随时间的变化趋势跟观测结果差别较大。     

简单海气耦合的线性和非线性Rossby波

采用忽略Ｒｅｙｌｅｉｇｈ摩擦和Ｎｏｗｔｏｎ冷却的定常，线性大气模式和地转动量近似下的非线性海洋模式。这里包含了大气通过线性风应力影响海洋，海洋通过加热过程影响大气的物理机制。用相平面理论讨论了海气耦合作用对简单耦合线Ｒｏｓｓｂｙ波和非线性Ｒｏｓｓｂｙ波的影响。     

赤道不稳定波对海气相互作用影响的数值模拟分析

赤道不稳定波 (tropical instability waves) 存在于热带东太平洋赤道附近, 通常于每年的春末夏初出现, 以约0.6 m/s速度向西传播, 波周期为20～40天左右, 波长约为1000～2000 km.本文利用一个全球高分辨率海气耦合模式对赤道不稳定波在赤道附近的热量输送进行分析, 表明赤道不稳定波产生指向赤道的热通量, 从而部分抵消了热带东太平洋地区由Ekman辐散和温度平流导致的强冷却效应, 维持热带地区的热量平衡.其对赤道冷舌区的增暖作用可以消除和减弱气候模式中热带东太平洋地区的系统性冷偏差, 能使冷舌的强度和分布得到合理的改善, 对气候模式的改进和发展具有潜在贡献.赤道不稳定波还可以改变赤道海洋上空低层大气层结稳定度, 导致近地层强的风场辐合辐散, 并进一步影响大气混合层的温度、 风场等气象要素.模拟分析结果还表明, 赤道不稳定波对大气强迫产生二次响应, 改变赤道上空逆温层的垂直位移和逆温强度.研究赤道不稳定波对热带海洋气候及其海气相互作用机理的理解具有重要意义.     

Numerical Simulation of Changes in Tropical Cyclone Intensity Using a Coupled Air-Sea Model

A coupled air-sea model for tropical cyclones （TCs） is constructed by coupling the Pennsylvania State University/National Center for Atmospheric Research mesoscale model （MM5） with the Princeton Ocean Model.Four numerical simulations of tropical cyclone development have been conducted using different configurations of the coupled model on the f-plane.When coupled processes are excluded,a weak initial vortex spins up into a mature symmetric TC that strongly resembles those observed and simulated in prior research.The coupled model reproduces the reduction in sea temperature induced by the TC reasonably well,as well as changes in the minimum central pressure of the TC that result from negative atmosphere-ocean feedbacks.Asymmetric structures are successfully simulated under conditions of uniform environmental flow.The coupled ocean-atmosphere model is suitable for simulating air-sea interactions under TC conditions.The effects of the ocean on the track of the TC and changes in its intensity under uniform environmental flow are also investigated.TC intensity responds nonlinearly to sea surface temperature （SST）.The TC intensification rate becomes smaller once the SST exceeds a certain threshold.Oceanic stratification also influences TC intensity,with stronger stratification responsible for a larger decrease in intensity.The value of oceanic enthalpy is small when the ocean is weakly stratified and large when the ocean is strongly stratified,demonstrating that the oceanic influence on TC intensity results not only from SST distributions but also from stratification.Air-sea interaction has only a slight influence on TC movement in this model.     

热带和热带外太平洋海气相互作用特征的比较

比较分析了热带和热带外太平洋海气系统年际和年代际变化特征。在海气系统异常的方差构成中，北太平洋区域以年代际异常为主，热带太平洋区域年际和年代际异常相当；表（浅）层海洋与大气的年代际变化特征对同一季节、区域是一致的，且20世纪70年代后期到80年代初均发生由低模态向高模态的转变；北太平洋区域的7月与此不同，这与该季节近表层海温层结稳定有关；年际尺度的海、气异常与ENSO有关，且以热带太平洋区域1月最典型，7月次之，北太平洋区域1月再次之，7月无明显关系。     

简单热带海气耦合模型中不同扰动形式间的耦合作用

在局地热平衡情况下研究了简单热带海气耦合模式中不同扰动形式间的耦合，依次讨论了由大气准定常Kelvin波与海洋R0ssby波、大气准定常Rossby波与海洋Kelvin波、大气准定常Kelvin波与海洋KelVin波、大气准定常Rossby波与海洋Rossby波组成的耦合系统的性质，并研究了存在于其中的耦合扰动的特征。     

Importance of Air-Sea Coupling in Simulating Tropical Cyclone Intensity at Landfall

An atmosphere-only model system for making seasonal prediction and projecting future intensities of landfalling tropical cyclones (TCs) along the South China coast is upgraded by including ocean and wave models. A total of 642 TCs have been re-simulated using the new system to produce a climatology of TC intensity in the South China Sea. Detailed comparisons of the simulations from the atmosphere-only and the fully coupled systems reveal that the inclusion of the additional ocean and wave models enable differential sea surface temperature responses to various TC characteristics such as translational speed and size. In particular, interaction with the ocean does not necessarily imply a weakening of the TC, with the coastal bathymetry possibly playing a role in causing a near-shore intensification of the TC. These results suggest that to simulate the evolution of TC structure more accurately, it is essential to use an air-sea coupled model instead of an atmosphere-only model.     

海气相互作用与年代际气候振荡可能机制初探

从简单海气相互作用方程组出发，引进新的海洋对大气加热函数，得到简单海气相互作用方程组的解析解。解析解表明，海气相互作用可以产生不稳定耦合波，这种波的不稳定程度随海气相互作用系数和深海对海洋混合层的影响而不同，并且e-折时间尺度随海气相互作用系数出现极小值，这个极小值点对应的周期是最不稳定海气耦合波的周期；海气相互作用产生的最不稳定海气耦合波的周期在中纬度地区是18a，在低纬度是3．5a，在高纬度是35a，它可能是海气系统年代际振荡的机制之一。     

海气系统中不稳定耦合波的空间结构与气候年代际振荡

利用带有深海作用的简单海气耦合模型,分析了中纬度海气系统中不稳定耦合波的空间结构,讨论了其对气候年代际振荡的影响.结果表明:对于海气系统中的不稳定耦合波,大气扰动在位相上超前于海洋扰动,位相差范围0到π/2,特别当位相差为π/4时,出现最不稳定海气相互作用;大气和海洋扰动振幅之间的关系由风应力系数和海洋加热系数的相对大小决定,大气扰动振幅可以小于海洋扰动振幅,也可以大于海洋扰动振幅;深海作用系数对于海气耦合波的空间结构总体影响很小.     

热带印度洋海温的年际异常及其海气耦合特征

利用长期观测资料分析了印度洋海温距平的年际变化及其海气耦合特征,结果表明热带印度洋海温距平的变化存在显著的距平符号东西一致的单极型和距平符号东西相反的偶极型,其出现的概率分别为67%和33%.偶极期间在热带印度洋和西太平洋海洋性大陆上空的大气中存在着明显的Walker类型的环流,具有显著的局地海气耦合特征,而单极期间这种特征不明显.大部分偶极子的生命史都非常短暂,其持续发展的主要特征表现为西印度洋正距平的增加、东移和东印度洋负距平的不断加强.单极的发展为整个海盆的不均匀增暖.单极向偶极的转换可以分为两类,第I类表现为赤道西印度洋海表温度距平由负转变成正后逐渐向东扩展,东印度洋的负距平范围逐步缩小;第II类是东南印度洋海表温度的负距平不断加强并略向西发展,而西部保持正距平.这种转换还经历了一个年代际变化,20世纪70年代中后期以前主要是第I类转换,以后则第II类占绝大多数.     

A Survey of Statistical Relationships between Tropical Cyclone Genesis and Convectively Coupled Equatorial Rossby Waves

Convectively coupled equatorial Rossby waves(ERW)modulate tropical cyclone activities over tropical oceans.This study presents a survey of the statistical relationship between intraseasonal ERWs and tropical cyclone genesis(TCG)over major global TC basins using four-decade-long outgoing longwave radiation(OLR)and TC best-track datasets.Intraseasonal ERWs are identified from the OLR anomalies using an empirical orthogonal function(EOF)analysis method without imposing equatorial symmetry.We find that westward-propagating ERWs are most significant in four tropical ocean basins over the summer hemisphere and that ERWs exhibit similar northeast-southwest(southeast-northwest)tilted phase lines in the northern(southern)hemisphere,with an appreciable poleward advance of wave energy in most TC basins.The EOF-based ERW indices quantitatively show that ERWs significantly modulate TC genesis.The convectively active(suppressed)phases of ERWs coincide with increased(reduced)TCG occurrences.The TCG modulation by ERWs achieves the maximum where the ERWs propagate through the climatological TCG hotspots.As a result,the total number of TCG occurrences in the TC basins varies significantly according to the ERW phase.The ERW-TCG relationship is significant over the northwestern Pacific Ocean,northeastern Pacific Ocean,and the northern Indian Ocean during the northern summer seasons.In the southern summer season,the ERW-TCG relationship is significant over the southern Indian Ocean,Indonesian-Australia basin,and the southwestern Pacific Ocean.However,ERW activities are weak in the main TC development region of the Atlantic Ocean;and the impact on Atlantic TCG appears to be insignificant.