一次快速发展气旋的有效位能收支分析

本文利用有效位能收支方程对1979年1月10日出现于西太平洋的爆发性发展气旋进行了有效位能的收支分析,讨论了气旋发展和有效位能的产生、释放的关系。计算了有效位能的转换效率。结果表明,非绝热加热和大尺度背景场对有效位能的变化均是重要的。在非绝热加热中,大尺度和对流性凝结潜热的释放对气旋的发展都是重要的。     

纬向平均有效位能和平均动能变化的机制

当非绝热经向不均匀加热作用制造平均有效位能多,而平均有效位能向扰动有效位能输送少时,平均有效位能就增加,反之就减少,这是平均有效位能变化的指数循环振动的主要机制。平均有效位能变化的短期振动主要决定于平均有效位能与扰动有效位能的相互作用。 平均动能变化的振动的主要机制是平均动能与扰动动能的相互作用。     

一次梅雨锋暴雨过程Q1和Q2的结构

利用一次数据模拟结果对台风范围的总有效位能、涡旋有效位能（Ａ，Ａｓ）进行了研究，结果发现，暴雨增幅时有效位能释放，冷空气处在台风外围时有效位能释放最多，增幅最大，能是积累与释放周期１２小时，冷空气侵入中心后，非绝热加热迅速小，不利于降水增幅。     

按Lorena精确公式和近似公式计算有效位能制造

以时空域为函数研究了按Ｌｏｒｅｎｚ所定义大气中精确的有效位能制造的近似的有效位能制造公式。大气中有效位能的制造是由非绝热加热场和温度场决定。这个加热场通过使用每天四次的ＥＣＭＷＦ的１９８６－１９９２年７个１月份和１９８５－１９９１年７个７月份的初值化分析资料，用余差法进行估计。     

南海夏季风建立前后的大气能量收支

本文用总动能、总有效位能、扰动动能和扰动有效位能四个收支方程计算了1980年4-6月南海南部(0-15°N,100-120°E)夏季风建立前(4月1日-5月9日)和夏季风建立后(5月18日-6月25日)各时段的大气能量收支,并对其结果进行了分析讨论,发现:(1)总动能主要是在制造项G(K)(汇)与耗散项D(K)(源)间达到平衡,夏季风建立后源汇强度值都增大了40%左右。(2)非绝热加热所直接制造的有效位能并不重要,高层总有效位能的水平通量辐合、中低层与总动能间的转换和由于参考气压的变化而引起总有效位能的增减对于总有效位能的收支作用较大,其作用在夏季风建立前后也明显不同。(3)扰动动能同总动能一样主要在制造项G(K)(汇)与耗散项D(K)(源)间平衡。夏季风建立后源汇强度增强。(4)扰动有效位能主要由非绝热加热制造,夏季风建立后制造量增大了16倍多。夏季风建立前,扰动有效位能主要因参考气压的改变而减少;夏季风建立后,扰动有效位能主要被转换为扰动动能和平均有效位能。      

南海夏季风爆发前后华南地区大气结构和能量收支的变化

本文计算、分析了1981年南海夏季风爆发前后华南地区平均的大气动力学和热力学结构,水汽和能量收支情况。分析表明,在季风爆发前后这些物理量场,特别是垂直运动场,都经历了一次明显的变化。南海夏季风的建立,是以副热带高压从南海东撒,越赤道气流北进为特征。它与以"爆发性涡旋"为开始,降水与西南气流同时开始的印度夏季风有所不同。另外,南海夏季风建立过程,主要变化发生在中、上层大气之中。这说明夏季风的建立,主要是大气环流季节性调整的结果,海陆差异需要有合适的大气环流配合才能产生明显的季风。对大气能量收支的分析表明,夏季风爆发前,华南地区主要是动能向总位能转换。所产生的总位能部分辐散到边界之外,部分消耗在对流层上层非绝热冷却过程之中,因而在对流层下部总位能才有稍明显的增长。夏季风爆发后,整个能量循环几乎相反。总位能大量转换为动能,以维持南海夏季风的增长。而整层大气中的非绝热加热以及总位能的辐合又补充了大气中总位能的损耗。潜热释放是夏季风爆发后大气的主要非绝热加热过程,它是南海夏季风维持,发展的主要能源。      

一次东北冷涡发展过程中的能量学研究

对一次典型的东北冷涡过程做了能量学分析。结果表明,东北冷涡活动具有鲜明的阶段性能量学特征。东北冷涡发展之前,各种能量之间的转换很小,边界通量也处于正负相间的振荡状态。早期发展阶段,扰动动能边界通量作用是至关重要的。随着非绝热加热制造扰动有效位能和扰动有效位能向扰动动能转换的大幅度增长,以及外界扰动动能的大量输送和纬向平均动能向扰动动能转换的明显加强,导致了东北冷涡的强烈发展,即这一时期区域内部的能量过程也同样十分重要。东北冷涡的减弱是从有大量扰动动能转换成纬向平均动能开始的,随后加上扰动有效位能向扰动动能转换以及边界通量作用的减弱,使得冷涡逐渐衰亡。     

青藏高原地表非绝热加热模态及其与中国北方环流异常的联系

利用青藏高原非均匀下垫面热力输送系数及地表有效辐射的EOF分析结果,计算了2000年以来的高原地表非绝热加热资料,并将1958—2013年地表非绝热加热资料进行重建得到高原地表非绝热加热指数,以表征高原不同气候分区的地表热力状况。根据EOF分析结果将高原分为4个气候区,并从波能传播的角度分析其对中国北方环流异常的影响。结果表明,高原地表非绝热加热指数在西部边缘(气候Ⅰ区),除了冬季为微弱下降趋势以外,其他季节都为微弱的上升趋势;在高原中西部腹地(气候Ⅱ区),四季均为下降趋势;在高原东北部(气候Ⅲ区),除了冬季表现为微弱的下降趋势外,其他季节均为微弱的上升趋势;而在高原东南部(气候Ⅳ区),四季均表现为下降趋势。高原西部边缘地表非绝热加热异常增强时,高原200 h Pa上空为波能辐散区,并向东传播,初夏在北方辐合加强,有利于降水,干旱减弱;盛夏在北方地区处于辐散区,加剧干旱。在高原东北部地表非绝热加热异常增强时,该区200 h Pa上空为波能辐散区,并向东传播,无论是在初夏还是盛夏,除了东北地区北部,北方其他地区辐合加强,有助于干旱减弱。     

非绝热加热对热带气旋非对称结构影响的数值试验

利用含非绝热加热强迫的正压涡度方程。将非绝热加热作适当的参数化处理。对初始对称 热带气旋作了一系列数值试验,结果表明：不仅β项、平流项在热带气旋非对称结构的形成中有重要作用,而且非绝热加热对热带气旋的非对称结构亦有重要影响,从而验证了非绝热加热是热带气旋非对称结构形成的一种可能机制的结论。     

大气非绝热加热作用的研究进展与展望

大气非绝热加热与天气系统的发生发展有密切联系,与降水等天气过程密不可分,非绝热加热在大气运动中有着至关重要的作用。对非绝热加热的研究和理解,有助于改进数值预报模式,增强数值天气预报模式的预报能力。本文系统梳理了大气非绝热加热的基本内容,近几十年非绝热加热及其作用的研究成果,主要包括非绝热加热的概念及其表征、非绝热加热的时空分布特征、非绝热加热与季风、天气系统(如西太平洋副热带高压、热带气旋、温带气旋和急流)和降水之间的关系,以及非绝热加热在数值模式中的表征,进而指出有待于进一步研究的方面。     

非绝热加热对6月东北冷涡形成演变的影响及其可能机制

利用ERA-Interim再分析资料,基于等熵位涡理论,采用合成分析和动力诊断方法分析了6月东北冷涡演变过程的气候特征,探究非绝热加热对东北冷涡形成和演变的重要影响。结果表明:气候平均东北冷涡形成在中纬度对流层高层,其形成过程表现为等熵位涡"自上而下、自西向东"发展加强,其演变过程与大气非绝热加热的变化密切联系。在东北冷涡形成前,其上空的非绝热加热明显加强;而在东北冷涡形成后,局地对流层中下部非绝热加热迅速发展。可见,东亚中纬度地区的高空非绝热加热是东北冷涡形成和发展的重要因素,而东北地区对流层中部的非绝热加热则是东北冷涡减弱消亡的主要原因。     

夏季沿西亚急流Rossby波活动异常的波源和能量传播及转换特征

用1958-2003年NCEP/NCAR再分析资料,利用涡度源方程、Eliassen-Palm通量(EP通量)和非绝热效应的波能方程,分析了夏季沿西亚急流Rossby波活动(WAJRA)异常的波源、能量传播和转换特征,从大气动力学内部机制上进一步认识WAJRA异常的成因,提高对中高纬大气环流异常机理的理解.研究表明,对流层高层位于地中海和北大西洋-斯堪的纳维亚半岛的负涡度源区和EP通量强辐散区为夏季WAJRA异常的波源区.当波源区位置和强度出现异常时,波源所激发东传的Rossby波活动也出现异常,从而导致WAJRA强弱变化.WAJRA强(弱)年冰岛-斯堪的那维亚半岛(斯堪的那维亚半岛以东)EP通量强辐散区激发Rossby波并沿2条路径向东传播,一支向东传播在乌拉尔山附近转向东南并在里海、咸海-新疆上空进入亚洲副热带西风急流传播增强(减弱),另一支直接向东南方向传播在地中海东部-黑海附近进入亚洲西风急流增强(减弱),此外,地中海上空EP通量辐散也增强(减弱),它们共同作用使得WAJRA增强(减弱).沿西亚地区副热带西风急流(简称西亚急流,指亚洲副热带西风急流的15°-60°E部分)非绝热加热产生扰动有效位能远大于基本气流动能向扰动动能的转换和基本气流有效位能向扰动有效位能的转换.西亚急流Rossby波活动强年(弱年)伊朗高原及其北侧的西亚地区非绝热加热产生的有效位能增强(减弱)显著,是WAJRA增强(减弱)的能量源.     

热带平流层低层的对称运动和反对称运动

文章从对赤道β平面上静止大气中线性方程分解着手,得出控制对称运动和反对称运动方程组,对方程求解,从理论上证实在热带子流层低层中存在两种特殊性质的运动即对称运动和反对称运动,并证实赤道Kelvin波是典型的对称运动,而混合罗斯贝-重力波是反对称运动。文章分析了非绝热加热对对称运动和反对称运动的影响,当非绝热加热为唯一的外源扰动时,对称的非绝热加热是产生Kelvin波的重要条件,而反对称的非绝热加热是产生赤道区域平流层混合罗斯贝-重力波的重要条件。另外,随着非绝热加热增加,对称运动和反对称运动强度也增加。     

东海地区温带气旋爆发性发展的动力学分析

本文对东海地区两个气旋波的爆发性发展过程进行了动力学分析。结果表明:明显的对流层中下部增温、增温以及不稳定的大气层结和强高空西风急流,及其有关的次级环流的作用是气旋爆发性发展的重要条件。在气旋爆发性发展过程中,上升运动、正涡度以及高空辐散和低空辐合的散度场皆达到最强。加热场的计算也表明非绝热加热特别是凝结潜热释放也在气旋爆发时刻达到最强,最大加热区位于气旋的东北象限内。这时涡动动能的增加十分显著,它主要是由涡动有效位能向涡动动能的转换造成,这说明气旋的爆发性发展是与斜压发展密切有关。     

青藏高原加热对东亚地区夏季降水的影响

东亚地区降水主要集中在夏季,是亚洲夏季风系统的重要特征.本文利用NCEP再分析资料和CRU的降水资料,分析了青藏高原非绝热加热对东亚夏季降水的影响.结果表明,东亚地区夏季降水的分布形势与青藏高原非绝热加热变化有很好的相关关系.由于高原非绝热加热可在亚洲东部沿海地区强迫出类似Rossby波列的大气环流低频振荡结构,而此低频波可以影响到西太平洋副热带高压的形态和位置变化,从而使得东亚夏季降水的形势发生变化.而青藏高原非绝热加热的形态从春季到夏季有很好的持续性,春季高原加热与夏季东亚的降水形势分布也有很好的相关.本研究中采用的青藏高原非绝热加热指数可作为东亚夏季降水预测的一个指标,亚洲季风降水不仅受赤道太平洋海温的影响,青藏高原地区的非绝热加热对其也有显著的影响作用.     

春夏季节转换前北亚平稳增温过程的热力学特征

本文利用1958～2019年日本气象厅逐日再分析资料（JRA-55）,基于热力学方程,详细研究了北亚地区春夏季节转换前（第19至28候）平稳增温过程的热力学特征。结果表明,气候温度平流和非绝热加热有相反的变化趋势,它们先后主导着北亚春夏季节转换前的温度变化。在第22候之前,绝热的气候温度平流主导着北亚地区的增暖过程。但随着欧亚大陆中高纬度上的非绝热加热逐步增强,气候温度平流逐渐变为冷平流,使得非绝热加热成为主导项。线性斜压模式结果表明,非绝热加热除直接加热局地大气外,它还会在北亚地区强迫出气旋式环流异常和上升运动,从而引导着原位于新地岛附近的低压系统向北亚地区移动,进而在水平和垂直方向上引起绝热的冷平流。该冷平流部分抵消了非绝热的加热作用,最终在北亚地区形成平稳的增温过程。     

青藏高原加热与亚洲环流季节变化和夏季风爆发

利用逐日NCEP/NCAR再分析资料分析了春夏过渡季节青减高原非绝热加热和大气环流季节变化以及亚洲季风爆发的关系.结果表明,过渡季节的早期(5月中旬以前)青藏高原总非绝热加热与感热加热的时间演变曲线趋势一致,感热加热在过渡季节早期的环流演变中有很重要的作用.青藏高原非绝热加热的时间演变与北半球环流的季节变化和亚洲夏季风爆发有很好的相关.在过渡季节里,青藏高原非绝热加热的变化引起了海-陆热力差异对比的变化,给亚洲夏季风的爆发建立了有利的背景环境,对亚洲夏季风爆发有明显的影响.结果还表明,用各区域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.     

青藏高原热力作用对初夏经圈环流的影响

本文利用1979年6月逐日的实测风资料,用间接推算法计算了90°E经圈剖面上的平均加热场,进而利用平均经圈环流诊断方程计算了不均匀的非绝热加热所驱动的平均经圈环流,并与转盘模拟实验、大气环流数值试验以及自然正交函数分解的结果进行了比较。本文指出1979年6用高原中部平均经圈环流以及逐日经圈环流作自然正交函数分解所得到的第二特征向量场,主要是由于不均匀的非绝热加热强迫形成的,从而显示了青藏高原热力作用对于初夏经圈环流的巨大影响。同时,本文还揭露了六月份北半球大气环流季节转换期间经围环流演变的特征。     

2003年7月西太平洋副热带高压变异及中国南方高温形成机理研究

运用全型垂直涡度倾向方程理论, 研究了空间非绝热加热在垂直方向的变化对2003年7月副高强度和位置变异的影响.结果表明: 副热带地区的非绝热加热对副高的强度和位置的变化有极其重要的影响.与气候平均状况相比较, 2003年7月副高北侧、西侧非绝热加热的垂直变化异常偏强, 而南侧、东侧较常年异常偏弱.这种异常的非绝热加热状况导致我国江南到副热带西太平洋地区呈现带状的异常反气旋性涡度制造, 使得7月副高偏强偏西.     

位涡倾向在Muifa台风路径转折中的应用

利用ECMWF资料诊断分析了位涡倾向方程中的水平平流项和非绝热加热项分别在Muifa台风两次路径转折中的作用。结果表明:第一次路径转折过程中,非绝热加热项的量级比水平平流项小一个量级,水平平流项所表征的外部大尺度环流因素是第一次路径转折的主要原因;第二次路径转向过程由水平平流项和非绝热加热项共同控制,其中水平平流项控制台风的移向,非绝热加热项表征的内部非对称结构对台风转向有抑制作用。