关于北半球准定常行星波年际变化的资料分析和数值模拟

利用NCEP/NCAR再分析资料和大气环流模式(CCSR/NIES AGCM Ver.5.6), 对北半球冬季准定常行星波活动的年际变化进行了分析和模拟.基于以前对EP通量散度的遥相关分析, 作者将EP通量散度的EOF第一分量时间序列T1定义为年际变化指数.对应于T1的高指数, 在对流层和平流层低层, 准定常行星波更多地折向赤道传播, 从而在对流层出现一个EP通量散度的偶极子型异常, 这一形势主要来自2波和3波的贡献; 而折向高纬度经极地波导向上传播的行星波活动减弱了, 在高纬度产生异常辐散, 这一形势主要来自1波和2波的贡献.相关和回归分析发现, 准定常行星波的年际变化与北极涛动有密切联系, 与T1对应的纬向平均流场以及位势高度场的异常分布都与北极涛动下的异常形势非常相似.利用大气环流模式模拟的结果显示, 模式在对流层可以很好地模拟准定常行星波的年际变化以及北极涛动形势, 并且二者同样密切相关.但是模式还不能很好地模拟行星波经极地波导向平流层传播的年际变化, 对可能的成因也进行了探讨.     

北半球冬季准定常行星波的三维传播及其年际变化

作者回顾了应用叶笃正先生所创立的Rossby波频散理论,来研究准定常行星波在三维大气的能量频散以及在北半球冬季三维大气中的传播规律,并应用NCEP/NCAR再分析资料和由大气环流数值模拟所得的模式资料的40年风场、温度场资料计算了冬季北半球准定常行星波的E-P通量.计算结果表明了北半球冬季准定常行星波在三维大气传播具有沿两支波导的传播特征,这与从理论分析所得的结果相吻合.作者还分析了冬季准定常行星波的E-P通量分布的年际变化,分析结果表明了准定常行星波在北半球冬季三维大气中传播的这两支波导有明显的年际振荡;并且,从冬季准定常行星波的E-P通量辐散辐合的年际变化与北极涛动的年际变化相比较,发现准定常行星波两支波导的年际振荡直接影响着北极涛动(AO),因而说明了准定常行星波活动的年际变化可以影响对流层的气候变化.     

东亚2005年和2006年冬季风异常及其与准定常行星波活动的关系

利用NCEP/NCAR再分析资料系统地分析了2005年与2006年冬季欧亚大陆的气温和东亚冬季风的差别及其与北半球准定常波活动的关系。分析结果表明:2005年冬季欧亚大陆中、高纬度地区气温偏低,东亚冬季风偏强;而2006年冬季欧亚大陆中、高纬度地区气温偏高,出现暖冬,东亚冬季风偏弱。分析结果还表明,这两年冬季东亚冬季风的差别不仅是由于西伯利亚高压和阿留申低压的变异所造成,而且是由于北极涛动(北半球环状模)的变化所造成。并且,作者还从这两年冬季北半球准定常行星波活动的差异,在动力理论上进一步讨论了这两年冬季北半球气候和东亚冬季风差异的机理。结果表明:2005年冬季北半球行星波活动为低指数,准定常行星波在高纬度往平流层传播加强,而往低纬度对流层上层传播减弱,造成了行星波E-P通量在高纬度地区对流层中、上层辐合加强,而在副热带地区对流层中、上层辐散加强,引起了北半球高纬度地区极锋急流减弱,而副热带急流加强,这有利于西伯利亚高压的发展,从而引起了东亚冬季风增强;相反,2006年冬季北半球行星波活动为高指数,准定常行星波在高纬度往平流层传播减弱,而往低纬度对流层上层传播加强,造成了行星波E-P通量在高纬度地区对流层中、上层辐散加强,而在副热带地区对流层中、上层辐合加强,引起了北半球高纬度地区极锋急流加强,而副热带急流减弱,这不利于西伯利亚高压的发展,从而引起了东亚冬季风减弱。     

东亚季风系统的动力过程和准定常行星波活动的研究进展

本文系统地回顾了近几年来关于东亚季风系统的动力过程与机理方面的研究,特别是关于东亚季风系统年际和年代际变异与准定常行星波活动关系的研究。最近的许多研究表明东亚夏季风系统变异的动力过程主要与东亚／太平洋型(即EAP型)遥相关有关,利用EAP型遥相关理论不仅可以说明东亚夏季风系统各成员之间内在联系的机理,而且可以揭示热带西太平洋热力和菲律宾周围对流活动影响东亚夏季风系统季节内、年际变化及其异常的经向三极子结构的动力过程;除了EAP型遥相关外,研究还表明北半球夏季从北非到东亚的对流层上层经向风异常存在一个沿急流传播的遥相关型,它对东亚夏季风系统异常的经向三极子型分布也有重要影响。并且,最近关于东亚冬季风变异与行星波活动的关系已做出许多研究,并获得很大进展。这些研究表明:北半球冬季准定常行星波传播波导在年际和年代际变化上存在着反相振荡特征,即若“极地波导”加强,则“低纬波导”将减弱,反之亦然;准定常行星波两支波导的反相振荡与北半球环状模(NAM)的年际和年代际振荡有紧密联系,而NAM的变化通过行星波活动的异常可以导致东亚冬季风的年际和年代际变化;此外,准定常行星波活动的年际变化与东亚冬季风异常之间的关系明显地受热带平流层纬向风准两年周期振荡(QBO)的调制,进一步的研究还提出了可能的机理。最后本文还指出:2005～2007年冬季东亚冬季风的异常不仅与西伯利亚高压和阿留申低压的变异有关,而且与极涡的演变和准定常行星波活动密切相关。     

东亚2005年和2006年冬季风异常及其与准定常行星波活动关系的分析研究

利用NCEP/NCAR再分析资料系统地分析了2005年与2006年冬季欧亚大陆的气温和东亚冬季风的差别及其与北半球准定常波活动的关系。分析结果表明:2005年冬季欧亚大陆中、高纬度地区气温偏低，东亚冬季风偏强; 而2006年冬季欧亚大陆中、高纬度地区气温偏高，出现暖冬，东亚冬季风偏弱。分析结果还表明，这两年冬季东亚冬季风的差别不仅是由于西伯利亚高压和阿留申低压的变异所造成，而且是由于北极涛动 (北半球环状模) 的变化所造成。并且，作者还从这两年冬季北半球准定常行星波活动的差异，在动力理论上进一步讨论了这两年冬季北半球气候和东亚冬季风差异的机理。结果表明:2005年冬季北半球行星波活动为低指数，准定常行星波在高纬度往平流层传播加强，而往低纬度对流层上层传播减弱，造成了行星波E-P通量在高纬度地区对流层中、上层辐合加强，而在副热带地区对流层中、上层辐散加强，引起了北半球高纬度地区极锋急流减弱，而副热带急流加强，这有利于西伯利亚高压的发展，从而引起了东亚冬季风增强；相反，2006年冬季北半球行星波活动为高指数，准定常行星波在高纬度往平流层传播减弱，而往低纬度对流层上层传播加强，造成了行星波E-P通量在高纬度地区对流层中、上层辐散加强， 而在副热带地区对流层中、上层辐合加强，引起了北半球高纬度地区极锋急流加强，而副热带急流减弱，这不利于西伯利亚高压的发展，从而引起了东亚冬季风减弱。     

江淮流域旱涝年份准定常行星波分布与平均纬向风速的差异

利用欧洲数值预报中心1980—1989年6—8月资料,讨论了80年代江淮流域夏季旱涝年份亚洲地区平均纬向风速和准定常行星波分布的差异。旱年类与涝年类相比,热带东风急流强度偏强,纬度位置偏南;副热带急流强度相近,位置偏北。旱年（涝年）类的夏季准定常行星波的分布反映了菲律宾周围水域上空和青藏高原地面的热源均为偏强（弱）的异常外源强迫的结果。二者的主要差异表明,在中高纬度振幅大值区,旱年类纬度位置较涝年类偏北几个纬度。厄尔尼诺与反厄尔尼诺年份之间,准定常行星波各纬向波数的振幅距平分布基本上具有完全相反的型式,亚     

从Rossby波能量频散理论到准定常行星波动力学研究的发展

本文是为纪念叶笃正院士诞辰百周年和他对大气动力学发展的重大贡献而撰写的.叶先生在20世纪40年代所提出的罗斯贝波能量频散理论不仅至今仍广泛应用于天气预报,而且开创了准定常行星波动力学的研究.在罗斯贝波频散理论的启迪和引领下,行星波动力学和大气环流异常遥相关的研究取得重要进展.特别是关于准定常行星波在二维和三维球面大气的传播特征以及北半球夏季大气环流异常的EAP(East Asia-Pacific)型和"丝绸之路(Silk Road)"型遥相关及其机理已做出系统的研究,本文简要地回顾这些研究.并且,本文还回顾了在叶先生所提出罗斯贝波能量频散理论的引领下,近年来我们关于东亚冬、夏季风和我国气候灾害的年际和年代际变化的内动力学机理研究所取得的进展.     

北半球冬季行星波的传播及其输运作用

利用变换欧拉平均方程讨论了行星波动力学。观测和模拟结果都表明,在北半球冬季准定常行星波的经向传播存在两支波导。一支为高纬度波导,另一支则为低纬度波导。这些结果与理论分析相当一致。通过对EP通量进一步的研究表明,平流层爆发性增温是沿高纬度波导传播的异常行星波与平均气流相互作用的结果。而热带风场的准两年周期振荡（QBO）是低纬度平流层下层大气纬向平均流的一个重要年际变化,它可以影响行星波沿低纬度波导的传播;此外,由一个行星波一平均流耦合模式模拟的结果表明,这个热带风场的变化还可以通过波流相互作用调制行星波沿高纬度波导的传播。 行星波对臭氧的输运作用在文中也进行了分析。行星波强迫出的剩余平均环流表明,耗散的行星波有强的输运作用;向北的涡动热量输送可以强迫出一个正的输运环流,其在低纬度上升并在高纬度下沉。同时研究还表明,热带风场的QBO对行星波传播的调制对输运环流也有重要影响,模式结果表明,在QBO的东风位相期间行星波引起的输运作用明显增强,其结果可用于解释平流层高纬度臭氧的年际变化。     

北极涛动与东亚冬季气候在年际尺度上的联系:准定常行星波的作用

利用NCEP/NCAR再分析资料和我国160站月平均气温资料,首先采用线性回归的方法分析了从1958至1998年40个冬季北极涛动(AO)与东亚气候异常的关系.结果表明,当AO处于正位相时,东亚地区200 hPa的急流明显北跳,东亚大槽显著减弱,而在中国的华北、东北到西伯利亚出现大范围的地表南风异常,使得低空从西伯利亚到我国的东北、华北以及韩国、日本有显著的暖异常; 而当AO处于负位相时,则往往出现相反的情形.进一步的相关和合成分析发现,准定常行星波活动可以在AO与东亚气候之间起到桥梁作用.AO可以通过影响中高纬平流层下层的西风强弱,进而影响到准定常行星波的垂直传播,使得对流层下层中高纬地区的行星波振幅发生变化,从而导致低层的西伯利亚高压和阿留申低压同时减弱或增强,最终导致东亚地区异常偏暖或偏冷; 其中低层中高纬地区纬向波数2的扰动对西伯利亚高压和阿留申低压的变化起了最主要的作用.作者提出的AO通过影响准定常行星波的活动而导致东亚气候异常的机理,不但强调了西伯利亚高压的贡献,而且特别从波动的意义上强调了阿留申低压的重要性.文中还讨论了值得进一步研究的有关问题.     

时间平均基流中准定常波的传播及多向折射

应用几何光学中的射线理论，直观地讨论了准定常波在时间平均基流中的传播，解释了定常 传播的纬向非均匀性。结果表明：折射指数平方可表示为基流绝对对基流流函数的微商，定常波的传播路径与折射指数平方的空间分布有着密切的关系。     

热带准两年振荡影响北半球冬季大气环流的诊断分析

利用NCEP/NCAR再分析资料,首先讨论了热带纬向风准两年振荡(QBO)的东、西风位相的划分标准.结果发现,赤道50 hPa的风与西风深厚度关系最密切,即赤道50 hPa的纬向平均风为西(东)风时往往代表平流层下层为一层深厚的西(东)风.在此基础上诊断分析了1958/1959～1997/1998年共40个冬季中热带纬向风QBO对北半球中高纬度地区纬向平均环流和准定常行星波传播的影响.诊断分析表明,热带QBO对北半球冬季大气环流的影响主要表现在平流层和对流层上层.热带QBO的东风位相年与西风位相年相比,中高纬地区的绕极西风环流明显减弱,中低纬地区则出现相反变化,从而在平流层的纬向平均环流分布上呈现偶极子形式.纬向平均流的这种年际变化可以很好地用中高纬度准定常行星波传播的异常加以解释,QBO的东风位相年和西风位相年相比,中高纬准定常行星波向极地的传播更强,从而在高纬度平流层产生异常的E-P通量辐合,波-流相互作用的结果使得西风减弱.但是热带纬向风QBO的影响在1958/1959～1997/1998年的前后20年有所差异.后20年相对于前20年而言,东西风位相的差异有所减小,Hol-ton-Tan振荡明显减弱;就行星波传播而言,东风位相年下,前20年行星波向上传播较弱,而后20年则以大约70°N为分界点,以南向上传播较强,以北向上传播较弱.这种差异可能跟中高纬度纬向西风的自身变化有关.     

The Role of Stationary and Transient Planetary Waves in the Maintenance of Stratospheric Polar Vortex Regimes in Northern Hemisphere Winter

Using 1958-2002 NCEPNCAR reanalysis data, we investigate stationary and transient planetary wave propagation and its role in wave-mean flow interaction which influences the state of the polar vortex (PV) in the stratosphere in Northern Hemisphere (NH) winter. This is done by analyzing the Eliassen-Palm (E-P) flux and its divergence. We find that the stationary and transient waves propagate upward and equatorward in NH winter, with stronger upward propagation of stationary waves from the troposphere to the stratosphere, and stronger equatorward propagation of transient waves from mid-latitudes to the subtropics in the troposphere. Stationary waves exhibit more upward propagation in the polar stratosphere during the weak polar vortex regime (WVR) than during the strong polar vortex regime (SVR). On the other hand, transient waves have more upward propagation during SVR than during WVR in the subpolar stratosphere, with a domain of low frequency waves. With different paths of upward propagation, both stationary and transient waves contribute to the maintenance of the observed stratospheric PV regimes in NH winter.