春夏季节过渡期间北半球500百帕能量变化的波谱分析和研究

本文利用1972-1982年5月初-7月底春夏季节过渡期间北半球500百帕高度资料计算有关能量谱、角动量输送谱和扰动动能向平均动能转换率谱,分析了大气环流由春到夏季节过渡期间能量谱变化特征及过渡前后特征差异,并揭示了它们与初夏中期主要天气过程-梅雨天气过程的关系。结果表明由春到夏季节过渡前后,对流层中层扰动动能谱和大气波能密度均有显著变化,大气波能密度值有个急剧减弱过程,经向扰动动能集中的波数由超长波向长波转移,55、45、35°N角动量输送平均辐散也有明显转折,这些是春夏二种不同流型在能量学上的基本差异点。对流层中层扰动动能向平均动能转换率谱在季节过渡前后也有显著不同:过渡前高纬强于中纬;而过渡后中纬转换明显增强,并大大超过高纬。大气环流由春到夏的季节过渡,一般由一次或二次长波急剧发展来完成。在大型环流转变上对应为一次副热带高压明显北跳加强及西风带迅速北撒减弱,在天气表现形式上江淮流域对应为梅雨这种大型天气过程的出现。      

南半球500hPa月平均场谱物理量的气候特征

本文利用南半球500hPa多年（1972年5月至1987年12月）逐月高度场资料，在地转近似条件下，计算了500hPa高度场的各谱物理量，包括月平均环流场、纬向动能谱、经向动能谱、扰动角动量输送以及扰动动能向平均动能转换率。分析了它们的气候特征，发现谱物理量前3波的分布基本上决定了其总体分布，优势域的位置和强度随季节的变化较显著。     

北半球大气环流季节突变的诊断与模拟

本文根据扰动与纬向平均气流相互作用的EP理论,着重诊断了扰动在北半球大气环流季节突变中所起的作用,并使用一个二维数值模式分别计算了扰动、加热和耗散等因子对于环流变化的贡献。诊断分析表明,源于中纬度低层的斜压扰动能量向副热带对流层顶的输送与西风急流位置和强度的季节变化紧密相关。纬向气流对扰动的强迫作用的响应在“六月突变”中十分迅速显著,而在“十月突变”中不大明显。数值计算也表明,扰动强迫作用总是有利于在急流位置以北维持西风加速。数值计算还表明,无论是六月还是十月,加热场季节变化对于环流变化都十分重要,垂直湍流扩散对于十月环流变化的作用比较明显。     

西风角动量输送的气候特征及其与急流关系研究

利用1958～1997年NCEP/NCAR一日四次的风场再分析资料,系统地分析了季节平均西风角动量（即u角动量）经向、垂直输送通量及其三个分量（平均经圈环流、定常波、瞬变涡输送通量）的气候特征,特别是讨论了12～2月、6～8月它们与东、西风带、副热带西风急流、极夜急流之间的联系。结果表明:（1）包含纬度因子的角动量通量与动量通量在高纬地区存在显著差别,高纬对流层上部的强动量输送中心在角动量通量中不明显。而u角动量强经向输送主要在中低纬对流层顶附近和冬半球高纬平流层顶附近,副热带西风急流和极夜西风急流均位于u角动量强向极输送中心及其高纬一侧的辐合区中。（2）发现三个输送分量对急流维持的作用随纬度、季节不同。北半球冬季（夏季）的副热带西风急流主要由平均经圈环流（强度相当的定常波和瞬变涡）强经向输送及辐合维持;南半球西风急流全年均由平均经圈环流和瞬变涡旋输送及辐合维持;冬半球中平流层极夜急流主要由定常波、瞬变涡旋输送及其辐合共同维持。（3）热带东风区是牵连角动量（即Ω角动量）的高值区,它主要由平均经圈环流向对流层上部输送;冬半球副热带及中纬西风区存在u角动量垂直输送的切变区,它主要由平均经圈环流和瞬变涡旋完成;热带对流层顶附近有u角动量的定常波弱向下输送。     

能谱分析在暴雨中期预报中的应用

本文分析了我省暴雨天气发生前期５００ｈＰａ扰动动能、角动量输送谱的演变特征，指出暴雨天气发生前扰动动能在长波（４～６波）有一高能中心形成，而角动量输送在中纬度有强烈的辐合中心，并建立了暴雨天气的中期能谱预报模型。     

北半球西风带准周期性转换的理论分析——初步探讨北极与中纬度及副热带能量相互输送的机制

本文运用准地转模式,通过等值投影方法,将等值线转换为向量场结构,探讨西风带高低指数周期性转换的机制,结果表明:（1）仅有位能转化所引起的水平涡动输送,可能产生大振幅的行星波,但不会产生西风带的断裂;（2）在波流相互作用下,平均纬向风速与基波波幅满足分岔条件时,会出现西风带断裂现象,即当满足这个分岔条件时,更有利于北极与中纬度及副热带能量的相互输送。如北极冷空气的跨纬度输送会导致东亚极端冷事件的发生;同时,也能维持西风带的高低指数循环。     

许昌麦播期降水500hPa能谱分析

分析许昌麦播期间１８例较强降水天气过程的角动量输送及动能转换率的中期变化特征发现．超长波在过程前１２天及前７～３天时段内，在６０°Ｎ一直维持向南的能量输送；相应地，长波在３０°Ｎ的前１２天和前５天时段内，则分别有持续向北的能量输送，且长波在前８～５天时段内，在５０～６０°Ｎ范围内，平均动能向扰动动能的转换率最大。对５例弱降水过程的能谱特征分析发现，只是在过程前７天以前反映为一向南的能量输送．尔后就转为向北的能量输送，且长波的动能转换率变化快，形成不了较强降水的中尺度系统。     

西太平洋副热带高压中期变化的数值试验 Ⅱ.热带西太平洋热源的作用

用一个全球谱模式作数值试验,研究了１９７９年６月中旬一次西太平洋副热带高压西伸北进的中期天气过程中热带西太平洋地区理想热源的作用。结果表明：理想热源的作用大约在４天以后可以影响我国东部的副热带高压和中高纬度的环流;理想热源在热带洋面上产生的扰动首先沿副高南边的东风气流向西北方向传播,到中纬西风带后分为两支,一支继续向西北方向传播,另一支转向东北偏东方向传播,两支扰动的共同作用,导致了副热带高压和西风带环流的变化。     

热带对流层上空东风带扰动影响西太平洋副热带高压的个例分析

利用NCEP/NCAR1000—10hPa2.5°×2.5°日平均和每日4次再分析资料,分析了2003年6月19—25日热带对流层上空东风带扰动对西太平洋副热带高压东西向进退的影响。结果表明:热带对流层上空东风带扰动从对流层中低层伸展到50hPa高度附近,在200hPa上表现最为明显,在热力场上表现出“上暖强,下冷弱”的垂直分布特征。当西太平洋副热带高压南/北侧的东/西风带上的扰动在相向运动中抵达同一经度上时,对应于西太平洋副热带高压的异常东退。垂直涡度方程的诊断分析表明:在东风带扰动附近,涡度倾向效应贯穿于对流层整层到50hPa高度上,在200hPa高度附近表现最显著,当高层东风带扰动东/西侧的负/正变涡增强时,当东/西风带扰动在相向移动过程中,它们涡度倾向正值区在130°E南北打通时,西太平洋副热带高压出现突然东撤。涡度方程分析还表明,对于涡度倾向变化的贡献中,水平涡度平流的贡献最大、β效应的贡献最小;当东风带扰动附近的水平涡度平流和β效应增强时、且由β效应所引起的东/西风带扰动中的南、北风分量在130°E附近南北同相迭加出现“正压发展”时,有显著的正涡度增长,对应于西太平洋副热带高压的东撤。     

100毫巴准常定扰动对角动量输送的长期变化的初步分析

本文采用1956--1976年100毫巴月平均高度资料计算了各个季中月各个纬度带准常定扰动对角动量输送的谱,研究其季节变化和周期变化。计算表明,100毫巴等压面上准常定扰动对角动量的输送几乎全部由波数1—3的超长波完成的。各波输送在各个季节以及在高纬和低纬都呈现不同的特点。功率谱分析表明,在低纬(35°N以南)盛行13—14个月,28—29个月和57个月的周期。指出准两年振荡可能与1波输送和3波输送的相互作用有某种联系。     

GRAPES全球模式的动能谱分析

大量的观测资料表明在对流层高层和平流层低层,大气动能谱在大尺度范围(800 km以上)与波数呈现出-3的斜率关系,而过渡到中尺度范围(400 km以下)二者呈现出-5/3的斜率关系。模式预报结果能否展现大气动能谱的这种斜率转折特征已经成为模式评估的有效方法。本文采用GRAPES全球中期数值预报模式2013年5月的预报结果,计算了模式一维和二维动能谱,并分析了二维谱的旋转分量与辐散分量、平均分量与扰动分量的关系。结果表明,GRAPES模式的一维谱和二维谱结果均能较好地表现出动能谱的斜率转折特征,但该模式动能谱在中尺度范围的斜率绝对值明显比观测结果和其它模式结果偏大;二维谱的旋转分量和辐散分量、平均分量和扰动分量在总动能谱中的比重关系及其随高度的变化均与文献结果较为一致。总之,GRAPES模式整体上较好地再现了大气动能谱的各种特征,但是可能由于模式分辨率和耗散作用的影响,模式对大气中尺度波动的描述还不够充分。     

西太平洋副热带高压中期变化的数值试验 Ⅱ.热带西太平洋热源的作用

用一个全球谱模式作数值试验,研究了１９７９年６月中蟾一次西太平洋副热带高压西伸北进的中期天气过程中热带西太平洋地区理想热源的作用。结果表明：理想热源的作用大约在４天以后可以影响我国东部的副热带高压和中高纬度的环流;理想热源在热带洋面上产生的扰动首先沿副高南边的东风气流向西北方向传播,到中纬西风带后分为两支,一支继续向西北方向传播,另一支转向东北偏东方向传播,两支扰动的共同作用导致副热带高压和西风带     

定常波和瞬变波在亚洲季风区大气水分循环中的作用

利用欧洲中心ＥＣＭＷＦ１０ａ逐日资料，对定常波和瞬变波在亚洲季风区大气水分循环中的作用进行了计算分析。结果表明，瞬变涡动总把水汽从高水汽含量区送到低水汽含量区，实现与平均环流相反的输送，维持了热带地区和中高纬地区水汽的平衡。夏季定常涡动输送的经向分量是将水汽从热带向副热带输送的主要机制，而瞬变涡动输送的经向分量则是把水汽从副热带输送到中高纬的主要机制。由于季风经圈环流的存在，使得亚洲季风区的热带地区为重要的水汽源区，而其副热带和中纬度地区是水汽汇区，这与同纬度其它地区相反。     

我国东部旱涝变化规律及其影响因子

根据近五百年旱涝等级和近40年500hPa 高度和太平洋海面温度资料,用 EOF 方法研究了中国东部各站汛期旱涝等级的时空分布及其所对应的环流和海温场特征.分析表明,各旱涝特征向量在环流和海温场上的差异,主要表现为从亚洲西风带到东亚副热带500hPa 高度距平的波列分布,以及与 ENSO 相联系的北太平洋海温距平场的特征.在时间变化方面则是各旱涝型均有37.8、23—26和17—19年周期,它们分别与南方涛动、太阳活动和月赤纬的变化周期相对应.     

从海平面气压场的波谱分析比较南、北半球大气环流的变化

本文应用沿纬圈的谐波分析,对1951—1960年各年逐月南、北半球海平面气压进行分解,对比两个半球的副热带(30°N,30°S)及中纬度(50°N,50°S)的超长波活动发现:(1)南、北两个半球月平均大气环流都存在有性质不同的两类变化,即季节性变化与非季节性变化。在海陆对比明显的北半球,不论西风带还是副热带季节性变化都比较清楚。而南半球仅副热带季节性变化明显,西风带则是非季节性变化占优势。(2)南、北两个半球大气环流的季节变化,都有明显的年际差异。通常,北半球夏季建立(南半球是夏季结束)的年际差异大,北半球夏季结束(南半球是夏季建立)的年际差别较小。(3)超长波位置的年际变化与海陆分布有密切关系。陆地面积大的地区,占优势的超长波位置比较稳定,在几乎全为海洋的50°S,则超长波无论占优势与否,波槽位置的年际变化都较大。     

华北地区“16·7”极端强降水事件之环流及扰动能量变化特征

2016年7月18—22日在华北地区发生了一次极端强降水事件，其中19—20日降水较为集中，20日降水最强。本文利用NCEP/NCAR再分析逐日风场资料和国家级地面气象站基本气象要素日值数据集，研究了本次事件的Rossby波活动及能量变化，结果表明：本次极端强降水事件持续时间约5 d，雨带呈西南—东北走向。华北地区受对流层中低层的气旋性异常环流和对流层上层反气旋性异常环流的控制，水汽则主要源于孟加拉湾和中国南海地区。发生极端降水期间，波扰动能量在对流层低层主要呈经向传播而在对流层上层呈纬向传播，对流层低层的波扰动能量对华北地区的影响比上层更为明显。涡动动能在华北地区的增强和维持主要是涡动非地转位势通量散度项、涡动有效位能和涡动动能的斜压转换项以及其他剩余部分与摩擦耗散引起的能量损耗之和的共同作用，涡动动能在19日增强、20日维持，随后减弱。涡动热量通量变化显示低层有暖湿空气向北输送，高层有干冷空气向南输送，支持了正压和斜压转换，而华北地区上空涡动动量通量的变化则使得基本气流中的涡动动能增强，这些变化影响到极端降水事件的发生发展。     

500毫巴角动量输送波谱的周期变化

用三年冬半年15个月500毫巴逐日资料,计算写成谱函数形式的角动量涡动输送,研究其周期变化。输送总值(波数k=1—12的总和)盛行准两周的周期,逐年差别不大。k=3波输送值也盛行准两周周期,近于同输送总值同位相,而且负担了50％以上的输送总值。其他波数,k=2盛行26天左右周期,k=4盛行12天左右周期,但这些波的变化幅度比k=3波小得多。初步考察了准两周周期同寒潮的关系。 用解纬圈谱法,选例考察k=3波的槽脊走向和振幅,有同角动量输送准两周变化相应的变化。 最后采用功率谱和交叉谱的分析法,对1976—1977年角动量输送进行统计上处理,得到一些与定性分析相同的结果。     

热带和中高纬地区季节内振荡的特征及其动力学诊断

使用5年低阶全球谱模式资料,对中高纬大气和热带大气季节内振荡的动力学性质和传播特征进行了诊断研究。分析发现模式再现了大气中季节内振荡在热带和中高纬地区的传播特性以及它们之间的差异。热带大气30—60天振荡在速度势场上表现为纬向—波结构和行波特性,而在散度风场上反映了赤道西太平洋—印度洋东西向偶极子型的振荡。中高纬大气30—60天振荡表现为定常波位相和振幅的变化,即波包络的传播特征。它与中高纬地区遥相关型的转换有关,通过遥相关位相和振幅的变化,不仅完成了热带和中高纬地区之间以及热带不同区域之间的能量输送,而且通过这种能量输送过程把南、北半球中高纬地区季节内振荡联系起来。      

扰动位能理论及其应用——扰动位能的概念、表达及其时空结构

针对局地环流能量转换问题,该工作系列讨论扰动位能理论及其应用.此文是第一篇,提出了扰动位能的新概念,将其分解为大气扰动位能(简称扰动位能)和表面扰动位能两个部分,给出了扰动位能各阶矩项的数学表达形式,结合资料指出二阶以上的扰动位能高阶矩项相对于其一阶矩项和二阶矩项来说是小量,可忽略,并指出扰动位能二阶矩项的全球平均恰好等于传统的有效位能,但两者在物理意义上明显不同.结合NCEP/NCAR再分析资料,研究了扰动位能的时空结构以及与大气动能之间的联系.扰动位能一阶矩项在热带地区为正、高纬度地区为负; 二阶矩项在热带和高纬度地区出现极大值,在副热带及中纬度地区出现极小值,即在南北方向上呈现三峰二谷的特征; 在局地上,由于一阶矩项在数值上较二阶矩项绝对占优,因此,扰动位能的分布与其一阶矩项的情形相似.在垂直方向上,扰动位能主要集中在对流层下层,其数值随高度的增加而迅速减少,在50 hPa以上均可以忽略不计.扰动位能有明显的季节变化,其在高纬度地区在冬半球比夏半球大很多; 南、北半球平均的扰动位能一阶矩项季节变化的幅度约是相应二阶矩项的二十倍.随着季节变化扰动位能定常波的槽脊在北半球有显著的东西方向移动,而在南半球则只表现为振幅上的增减.分析表明,从区域或局地尺度上大气动能的季节变化与扰动位能一阶矩项的关系密切,二者呈显著反向变化关系,而与二阶矩项的关系不确定; 但在全球或半球尺度上,大气动能与扰动位能二阶矩项的比率随季节基本保持不变,约是20%.此外,对大气总动能时空结构的分析也得到了与前人不同的新结果.关于利用此文提出的概念和理论对局地环流能量收支的分析、表面扰动位能的作用以及它们在大气环流变化研究中的应用,将在以后的文章中给出.     

一次区域大暴雨过程的雷达回波特征分析

针对2007年8月10—12日烟台市区域性大暴雨天气资料的综合分析表明,热带系统的水汽条件、西风带弱冷空气的抬升力条件和副热带高压边缘的不稳定层结条件,共同构成了区域性暴雨天气过程。对新一代多普勒天气雷达资料的分析表明:数条强对流回波单体在移动的过程中合并,形成MCS,稳定少动是暴雨产生的直接原因,低空急流输送大量水汽,低层冷空气入侵导致对流上升运动强烈。