近148年塞舌尔珊瑚氧同位素记录的热带印度洋海盆模态

在厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)事件的后期,热带印度洋海表温度(SST)会呈现海盆尺度一致增暖或冷却的分布,被称为印度洋海盆模态(IOBM).近几年的研究表明,IOBM是热带印度洋SST年际变化最主要的模态,影响了从印度洋到西太平洋及周边区域的气候.对西印度洋塞舌尔群岛(Seychelles)近148年的珊瑚氧同位素(δ18O)资料的再研究表明,该珊瑚δ18O能非常好地指示西印度洋局地SST的季节变化和长期变化,且能够表征热带印度洋海盆尺度SST的年际变化.进一步的研究显示δ18O所表征的IOBM具有3~7年的年际变化周期,并受年代际变化的调制.通过与全球海温资料的相关分析发现,该珊瑚δ18O信号滞后热带太平洋SST变化约5个月,在ENSO盛期次年春季相关达到最大.其空间分布显示塞舌尔群岛位于IOBM模态的关键海区,能够用来表征IOBM以及ENSO对印度洋的大气遥相关效应.这表明塞舌尔群岛的珊瑚氧同位素序列可以作为IOBM代用指数,用以研究印度洋气候的长期变化.     

冷空气入侵对热带气旋发生发展的影响

本文从梯度风方程出发,证明温度梯度增强对涡度起到增强作用.因此当冷空气侵入热带气旋外围时,只要没有破坏热带气旋的暖心结构,就会引起温度梯度的增长,从而促进热带气旋的发生发展.本文采用NCAR/PSU研制的非静力中尺度模式MM5,研究北半球冷暖空气入侵在热带气旋形成和加强过程中的作用.通过研究冷暖空气对热带气旋发展影响的试验发现,冷暖空气在入侵热带气旋外围时,最主要改变的是外围的环流场.北半球冷空气的入侵将会增强热带气旋北面的北风,形成指向热带气旋中心的推力,即辐合增强,暖空气入侵减弱北面的北风,形成背向热带气旋中心的拉力,即辐合减弱.由于拉力作用,一方面把边界上由于冷空气入侵而生成的能量往热带气旋中心输送,另一方面导致温度梯度的增加.因此从天气学形势来看,在热带气旋发生发展的过程中,北方的冷高压将会增强热带气旋北面的风速,从而导致热带气旋的增强;南半球澳高的增强,将使越赤道气流增强,热带气旋南面的风速也因此增强,从而引起热带气旋的增强.     

西北太平洋热带气旋活动对大尺度环境场影响的线性回归分析

本文使用西北太平洋累积气旋能量（ACE）月尺度异常序列,对850 hPa相对涡度、地表纬向风、柱水汽含量、OLR、降水和SST等大尺度环境场变量进行时滞回归分析,讨论了月尺度TC活动对大尺度环境场的影响及其与周尺度的区别和联系.结果表明：（1）月尺度ACE回归出的纬向风无论是强度还是范围都要明显大于周尺度ACE回归结果,TC的频繁发生,尤其是强度大且持续时间长的近赤道TC,对于激发或加强TC活动区域南侧的低纬地区西风异常有一定的积极作用,持续并且强度较大的西风异常可能导致西风的爆发,而西风爆发会在很大程度上影响ENSO事件的发生和演变.（2）在月尺度上,OLR、柱水汽含量、降水和SST等物理量均呈现出较为明显的El Niño型分布,而在周尺度上,仅SST呈现出明显的El Niño型分布,这在一定程度上反映了月尺度TC活动和太平洋ENSO信号之间存在更密切的关联.（3）在TC发生后1-2月,TC的主要生成区域柱水汽含量减少、OLR增大,这会在一定程度上降低该区域生成TC的潜能.虽然TC所引起SST降低的空间尺度很小,但其通过大气和海洋的传导会扩大到更大尺度上,由于这种反馈具有一定的滞后性,所以月尺度TC对大尺度环境场影响的信号更为显著.

     

斜压大气中热带气旋运动特征的动力分析

从绝热、无摩擦、无环境场作用条件下的原始方程组出发,讨论了热带气旋的动力平衡特征,并分别导出了正、斜压大气中综合描述热带气旋中心强度变化的物理量(dI/dt)及其动力平衡关系式,进而分析了正、斜压大气中的热带气旋强度变化及移动的特征.结果表明:热带气旋的定常运动具有"相当地转风平衡”的特征,其等"压能”线和等位涡线均与流线重合;"β涡旋对”及由高(低)层水平风正(负)垂直切变产生的"切变涡旋对”之间的"通风气流”均使热带气旋的强度减弱,高(低)层涡度的负(正)垂直平流则增强热带气旋的强度;热带气旋的中心有向极、向高(低)层涡度垂直平流的梯(升)度方向移动的趋势,垂直运动及高、低层水平风速垂直切变的非对称结构对热带气旋的移动有影响;"γ效应”则是"通风气流”牵引热带气旋移动的动力机制之一.     

北大西洋涛动与西北太平洋热带气旋频数关系的年代际变化

基于观测资料分析,研究了夏季北大西洋涛动与西北太平洋热带气旋频数之间的关系,发现两者的联系呈现由弱转强的年代际变化特征.1948~1977年,北大西洋涛动与西北太平洋热带气旋频数的联系较弱;但1980~2009年,两者转为显著的正相关,北大西洋涛动偏强(弱)对应西北太平洋热带气旋数偏多(少).本文进一步从大气环流变化角度,探讨了北大西洋涛动与西北太平洋热带气旋频数的关系在前后两个时段出现不同的可能原因.结果表明,在后一时段,当北大西洋涛动偏强时,西北太平洋低层为异常气旋型环流,季风槽加强,西太平洋副热带高压偏东,西北太平洋地区高层大气异常辐散,低层大气异常辐合,这些条件均有利于热带气旋的生成和发展,西北太平洋热带气旋因此偏多.然而,在前一时段,北大西洋涛动对上述环流系统的影响不明显,因而减弱了北大西洋涛动与西北太平洋热带气旋频数的联系.研究进一步揭示,与北大西洋涛动异常相关联的波活动通量的变化可以解释北大西洋涛动与西北太平热带气旋频数联系的这种年代际变化.     

西北太平洋热带气旋活动影响区域大尺度环流的数值模拟研究

本文利用"模式手术"方法研究了西北太平洋热带气旋（TC）对东亚-西北太平洋区域大尺度环流的影响.结果表明,夏季频繁的西北太平洋TC活动导致东亚夏季风增强,季风槽加深;西太平洋副热带高压东退,位置偏北;东亚副热带高空急流强度增强,北太平洋（东亚大陆）上急流轴偏北（偏南）;热带地区（副热带地区）的对流层中低层出现异常上升气流（下沉气流）,并且从低纬向高纬呈现异常上升气流和异常下沉气流交替分布特征.在中国东南沿海,TC降水导致夏季降水量明显增加;而在长江中下游和华北地区,TC活动引起的异常下沉气流使夏季降水量显著减少.因此,夏季西北太平洋TC活动对东亚-西北太平洋区域气候有显著影响.     

斜压大气中热带气旋运动特征的动力分析

从绝热、无摩擦、无环境场作用条件下的原始方程组出发,讨论了热带气旋的动力平衡特征,并分别导出了正、斜压大气中综合描述热带气旋中心强度变化的物理量(dI/dt)及其动力平衡关系式,进而分析了正、斜压大气中的热带气旋强度变化及移动的特征.结果表明:热带气旋的定常运动具有"相当地转风平衡”的特征,其等"压能”线和等位涡线均与流线重合;"β涡旋对”及由高(低)层水平风正(负)垂直切变产生的"切变涡旋对”之间的"通风气流”均使热带气旋的强度减弱,高(低)层涡度的负(正)垂直平流则增强热带气旋的强度;热带气旋的中心有向极、向高(低)层涡度垂直平流的梯(升)度方向移动的趋势,垂直运动及高、低层水平风速垂直切变的非对称结构对热带气旋的移动有影响;"γ效应”则是"通风气流”牵引热带气旋移动的动力机制之一.     

南印度洋海温偶极子型振荡及其气候影响

印度洋海表温度（Sea Surface Temperature,简称SST）的方差分析和相关分析表明南印度洋也存在一个海温偶极子型振荡,并定义了一个南印度洋海表温度异常偶极子指数.夏、秋季（南半球冬、春）的南印度洋偶极子指数与后期热带500hPa和100hPa高度场异常有显著而持续的相关,在冬、春达到最大,并可以持续到次年夏、秋.前期夏、秋季节的南印度洋偶极模对次年我国大陆东部夏季降水异常有显著的影响,对应偶极子正位相,次年夏季印度洋、南海（东亚）夏季风偏弱;副高加强且南撤、西伸,南亚高压偏强且位置偏东,易形成我国长江流域降水偏多,华南降水偏少;负位相年反之.后期冬季西太平洋暖池是联系南印度洋偶极子与次年我国夏季降水异常关系的一条重要途径.南印度洋偶极子表现出了明显的独立于ENSO（El Nio-Southern Oscillation,简称ENSO）的特征.     

热带海表面温度及中纬度大气环流对青藏高原9月降水异常的共同影响

由于青藏高原独特的地理位置,其降水受到热带和中纬度异常环流系统的共同影响.利用观测、再分析和CMIP6模式数据,本文揭示了印度洋偶极子(IOD)和丝绸之路遥相关(SRP)对青藏高原9月降水年际变率的单独和联合影响.当IOD处于正位相,热带印度洋异常纬向海温梯度激发一个Gill响应,在印度次大陆和孟加拉湾低层产生异常反气旋.其北侧的异常西风在青藏高原南坡形成浅槽,相关的异常西南风向青藏高原东南部输送水汽,导致东南部降水增加.同时,北大西洋的西风急流扰动能够激发一个SRP遥相关波列,在印度北部产生一个倾斜的斜压结构,即中西亚对流层高层为异常反气旋,而印度北部对流层低层为异常气旋.异常气旋东侧的西南风向东南部青藏高原输送大量水汽,并造成降水增加. IOD和SRP的联合影响可以解释将近52%的青藏高原降水异常,远超过IOD(19%)和SRP(27%)的单独贡献.本文强调了考虑热带和中纬度驱动因子共同作用的必要性,这为更准确地模拟和预测青藏高原降水提供了线索.     

近50年影响中国热带气旋的气候变化特征

本文用CMA-STI整编的热带气旋最佳路径和大风、降水观测资料,用分位数回归拟合法分析了过去50年热带气旋对我国及四个区域（华南、华东、东北和内陆地区）的风雨影响趋势.分析表明,在过去50年间,影响我国及各区域的热带气旋频数基本不变,但对全国及东北地区而言高频年份有显著减少.影响的热带气旋在南海西北部及广东和山东半岛一带的活动有显著减少.过去50年热带气旋影响季节特征最主要的变化是内陆地区的影响日数在分布的主峰区有明显变化,影响日数少的年份显著减少.过去50年间,热带气旋所致的大风在全国及各区的平均风速的大值一致减少,但阵风风速的趋势出现分化,且各区也不相同.而热带气旋的降水影响,最大过程降水量和最大1小时降水量虽有变化但趋势不显著.     

热带气旋"鲸鱼"影响海南地震监测特征分析

海南岛地理位置的特殊性,常年受到热带气旋的影响。海南监测台站通过平时晴朗天气与热带气旋2种天气状态,比较其频谱,分析热带气旋影响海南地震监测特征,结果表明,热带气旋主要影响低频信号,受影响的振幅是平时10倍左右。之后,分别采用双二阶滤波(Direct Form II)和零相位数字滤波(Zero Phase IIR)方式剔除热带气旋的干扰频段,比较干扰前后地震定位、震级测定结果,表明热带气旋会影响地震定位及震级测定。     

热带气旋集合预报中的不确定性研究

综合考虑了数值天气预报过程中的两种不确定性：初值和模式的不确定性,建立了一个拥有20个成员的中尺度集合预报系统来模拟1997年热带气旋Danny的路径和对流系统.发现模拟气旋路径的集合平均误差在12 h以后比所有成员的误差都小.通过考察模拟结果对各种不确定性的敏感性,发现两种不确定性在模拟中都很重要,但不同的不确定性对模拟结果的贡献是不同的.初值的不确定性主要影响模式积分的前12 h,模式的不确定性在整个积分过程中始终存在.不确定性最敏感的区域主要分布在气旋附近的强天气区.     

热带气旋路径预报的遗传算法客观综合决策研究

研究了一种采用遗传算法(GA)用于台风移动的多预测结论的客观综合决策方法. 通过对1884~2002年的台风数据超大样本训练学习, 设计了用于台风路径预测的遗传学习人工神经元网络(GLANN), 可以把台风移动的预测转化为在其移动中对运动环境动态变化的适应. 采用GA进行网络结构描述, 提出一种遗传选择适应度函数设计, 并给出获得适应度最高(误差最小)的计算方法. 采用人工神经元网络遗传算法与其他方法, 对近年来异常路径台风进行了预报能力的平行对比分析. 参加对比试验的台风有多种类型, 包括海、陆生命史较长, 且登陆影响严重的9711号台风(Winnie), 20世纪90年代以来登陆并影响我国的10个疑难路径台风, 1998年登陆及影响我国的台风, 以及2000年在西北太平洋和南中国海生成的台风24~48 h预报. 试验结果表明, GA方法优于其他方法, 对异常路径台风表现出明显的预报能力.     

热带印度洋-太平洋三极模态的理论探讨

热带太平洋的厄尔尼诺-南方涛动(El Ni o-Southern Oscillation,ENSO)现象是过去几十年里海洋与气候研究的重点.随着近年来印度洋偶极子模态(Indian Ocean Dipole,IOD)的提出,热带印度洋中的短期气候变化也逐步被重视.然而,人们对这些现象的研究更多的是局限在单个的海盆之内,而不是将其作为一个整体来思考.观测表明,在年际间尺度上,热带印度洋和热带太平洋的海表温度异常(Sea Surface Temperature Anomaly,SSTA)和海表高度异常(Sea Surface Height Anomaly,SSHA)等物理量的有着很明显的反向变化趋势.对这种反向变化可以给出一个简单的解释:由于双圈沃克环流在暖池区幅聚上升,海表风场在热带印度洋为西风,在热带太平洋为东风;它们通过驱动海水的上翻使得热带西印度洋与东太平洋SSTA变冷,SSHA变低,同时也通过暖水的堆积使得暖池区SSTA升高,SSHA增加.这样就在整个热带印度洋-太平洋地区形成了一个SSTA和SSHA的三极子结构.随着热带印度洋-太平洋上空沃克环流圈的增强或减弱,两个海洋之间的反向梯度关系也会随之做相应的调整,并通过梯度与沃克环流之间的正反馈作用得以维持.这一振荡模态被称为印-太三极子(Indo-Pacific Tripole,IPT).本文将通过资料分析和一个简单的概念模型来讨论IPT模态的发展和变化机制,并着重考虑ENSO与IOD对IPT模态的影响.该模型包含了最基本的海洋与大气的物理变量和他们之间的相互作用,可以为更深层次地理解和研究热带地区短期气候变化提供重要参考.     

Hadley环流的年际和年代际变化特征及其与热带海温的关系

利用NCEP/NCAR再分析风场资料和NOAA海表温度(SST)资料,分析了冬、夏季Hadley环流的变化特征及其与热带海温在年际、年代际尺度上的关系. 结果表明,冬季北半球Hadley环流强度具有明显的年际和年代际变化,同时还呈现出明显的增强趋势. 伴随着Hadley环流的加强,环流中心位置南移,高度上升;夏季南半球Hadley环流变化主要表现为强、弱、强的年代际振动,没有明显的线性趋势. 研究还显示冬季Hadley环流与Nino3区SST正相关,这种相关性具有年代际变化特征. 年际尺度上,冬季北半球Hadley环流与Nino3区SST正相关;夏季南半球Hadley环流与Nino3区SST负相关,即当赤道中东太平洋SST异常偏暖(冷)时,冬、夏季Hadley环流变强(弱).     

由热带气旋MATTHEW引起的非潮汐负荷效应影响

热带气旋能在短期内造成海水和大气质量的重新分布,使得近海地表受力发生变化,进而产生非潮汐负荷形变,对现今高精度大地测量的影响已不容忽视.为了保证空间大地测量结果的精度和稳定性,热带气旋引起的地表形变必须进行有效的估计.因此本文联合NOS、GLOSS验潮站数据与海潮模型,通过获取非潮汐残余量分析了热带气旋"MATTHEW"引起的风暴潮.利用ECCO海洋环流模型、ERAin大气再分析模型、HUGO-m海洋动力学模型,分别估计了"MATTHEW"引起非潮汐海洋负荷、非潮汐大气负荷、动力学响应下非潮汐海洋负荷对地表位移的影响,结果表明热带气旋影响下的广大区域地表都不同程度受到非潮汐负荷的作用,最大位移分别达到-9.13 mm、3.31 mm、-6.11 mm,并且加入动力学响应的非潮汐海洋负荷要普遍大于IB（Inverted Barometer）响应下的结果.在对比不同位置站点所受负荷差异时,发现"大陆站"非潮汐海洋负荷形变普遍大于"岛屿站",而"岛屿站"更易受非潮汐大气负荷的影响.     

LTP_DSEF模型对2018年登陆中国热带气旋强降水预报的应用

最近,一种基于路径相似的登陆热带气旋降水动力统计集合预报(LTP_DSEF)模型被发展用来预报登陆热带气旋(LTC)带来的强降水.文章把LTP_DSEF模型应用于2018年登陆中国的10个热带气旋(TC)的强过程降水预报,通过测试模型的3452套预报方案确定了对这10个LTC的最佳方案,然后将其性能与三家动力模式(ECMWF、GFS和GRAPES)进行对比.结果表明:LTP_DSEF模型在预报LTC的较强过程降水方面与三家动力模式相比很有优势,特别是预报250mm以上量级的过程降水;对单TC, LTP_DSEF模型预报LTC过程降水的能力优于或者略逊于三家动力模式,特别在三家动力模式对某些TC的强降水均无预报能力时,模型仍能提供宝贵的大于零的TS值;此外虽然与实况相比该模型预测的强降水范围倾向偏大,但它在多数情况下能合理地捕捉到强降水的落区.初步研究表明,尽管LTP_DSEF模型只引入了TC路径和登陆时间两个相似性变量,但它已能为LTC的强过程降水预报提供非常有用的指导.     

热带气旋引起的震颤波

在中国地震台网的宽频数字地震计和倾斜、重力仪的观测中,记录到来自西太平洋热带气旋（热带风暴、台风）引起的震颤波.通过对2006年来自西太平洋的全部热带气旋的分析,以及所观测到的震颤波与气旋运动过程中强度的变化、运动路径、观测点与其之间的距离变化等方面的分析研究得到以下结论：震颤信号的持续时间与热带气旋的生命过程基本相符,其中出现强震颤的时间大多为2～3天,特征为信号的包络线呈纺锤状叠加在观测背景上,震颤波的主要频率范围为0.13～0.33 Hz（周期：3～7 s）.我国内陆大部分区域内的宽频地震计、重力仪、倾斜仪等都能清晰记录到这类由热带气旋引起的震颤波.震颤波的强度主要与热带气旋的强度、运动路径以及气旋中心到地震观测台站的距离这几个因素直接相关;而震颤波的变化过程与热带气旋的运动和变化过程密切相关,其中强震颤波的出现时间与气旋过大陆板块边界进入大陆架的时间一致.经对热带气旋的结构、运动规律及动力学特点的了解分析,初步分析认为其主要源于热带气旋运动过程中与浅海区大陆架及陆地表面的摩擦、气压载荷变化以及由此产生的海浪对地壳板块的冲击,及板块边界断层对气旋扰动的响应.此外,我们对北印度洋孟加拉湾生成并在缅甸登陆的热带气旋也进行了实例分析.结果表明：与西太平洋相比,北印度洋热带气旋引起的震颤波对我国大陆的地震观测而言信号较弱.     

五指山台洞体形变观测资料对热带气旋的响应特征研究

通过对五指山台形变观测资料产生影响的热带气旋信息统计及数据分析发现:该台的倾斜类仪器的热带气旋响应水平明显高于应变类仪器,特别是VP垂直摆的响应能力最强,SSY伸缩仪的风扰响应水平最弱;不同气旋引起的震颤波扰动信号的形态、振幅、频率、扰动强度不同;同一气旋对倾斜类仪器VP垂直摆北南向响应幅度最大,最大扰动强度幅度量级为20×10?3″/ms左右,持续时间与气旋的生命周期有关。      

热带气旋引起的震颤波

宽频地震观测技术提供了前所未有的更丰富的地球物理信号,对其新信息的探索和应用研究是一个正在挖掘的领域。目前宽频地震观测中的小振幅震颤和低频的微震动越来越受到国际上的广泛关注,并成为一个研究热点。不同地区观测到的震颤在性质上很不相同,而且震颤的产生原因也是多样的,因此,对震颤的观测和认识（特别是和地震的关系）还在丰富之中。