大气分层扰动位能控制方程及其应用——南海夏季风活动的能量收支

针对局地环流能量转换问题,本文推导了分层扰动位能一阶矩 (L_PPE1) 和动能 (K_E) 的控制方程,分析了方程中各能量项的空间分布和季节变化特征,并以南海夏季风为例,诊断了夏季风活动各相位的能量收支特征.结果表明,850 hPa高度上在赤道辐合带、大部分季风区、风暴轴地区是L_PPE1的源区,副热带的大洋东部和高纬度地区是L_PPE1的汇区,强源、汇的中心与L_PPE1的纬向偏差场的脊、槽分布对应较好.L_PPE1向K_E的转化项 (C_K)取决于垂直速度和大气稳定度,是连接K_E和L_PPE1的纽带,在暖 (冷) 空气上升 (下沉) 时,转化项为正,L_PPE1向K_E转化能量,反之K_E转化为L_PPE1.在850 hPa 高度上C_K的分布特征是在赤道辐合带以及大部分季风区有大值分布,北半球风暴轴和南半球西风带有连续分布的正值区.将这应用到南海夏季风活动的能量收支,在南海夏季风恢复相位,C_K增大,在南海夏季风活跃相位,C_K达到最大,且为边界输入能量的2~3倍,C_K是南海夏季风恢复、活跃的最重要因素.探讨了南海夏季风活跃的条件,当L_PPE1等于南海季风区的夏季气候平均值时,上升速度大于临界速度的情形,有利于南海夏季风由中断相位向活跃相位的转变.     

局地大气能量有效性中的表面扰动位能特征

在局地扰动位能理论工作基础上,进一步研究了与实际地形有关的表面扰动位能部分,理论推导了数学表达式,表明地形和表面热状况是其决定因素。利用再分析资料考察了其气候学和气候变率特征。研究表明,表面扰动位能具有独特的热动力学意义,它的量值与地球表面高大地形密切联系,而其季节变动特点则与表面热状况的季节变化息息相关。高纬度极地地形区域为明显的全年基本不变的负扰动位能分布区,低纬度热带区域则呈现季节变动非常小的正扰动位能分布。表面扰动位能的季节变动和年际变率的极值区都位于北半球中纬度的高大地形区域,夏季达到正的极大值,而冬季则转变成负值区。这一特征在青藏高原区最为典型,其表面扰动位能在时域和频域上均表现出明显的年代际特征,年际变率以2—4a周期为主。     

埃玛图微机制作及对流有效位能的计算

该文阐述了微机制作简化埃玛图的思路和方法,介绍了与对流密切相关的大气能量参数ＣＩＮ、ＣＡＰＥ的计算方法,分析了两个实例,并对文中设计的大气能量计算方案的应用前景进行了讨论。     

2008年1月中国南方低温雨雪冰冻天气的大尺度能量输送

利用NCEP-DOE再分析数据分析了2008年1月26～28日中国南方罕见的低温雨雪冰冻天气的扰动能量的生成以及各种能量之间的转换。在急流中平均动能（Km）先转换成相互作用动能（Ki）然后再转化成扰动动能（Ke）。相互作用动能流是顺急流方向的。位势高度平流和有效位能与扰动动能的转化生成的扰动动能比平均动能转化的要小一个量级。中国中南部扰动有效位能（Ae）的产生主要由平均有效位能（Am）间接提供,其中相互作用有效位能（Ai）流起到了关键作用。生成的扰动有效位能在26日12：00（协调世界时）主要来源于两个地区：一个位于青藏高原,另一个位于中国东北部。随着两个主要源地的向东移动,转化也向东移动。相互作用有效位能流的方向同时存在逆急流方向和顺急流方向。     

引发强降水的一次东移高原云团的能量演变特征研究

利用日本气象厅葵花-8卫星亮温资料、欧洲中心ERA5（the fifth generation of European Centre for Medium-Range Weather Forecasts Reanalysis）再分析资料,根据时间尺度分解的局地能量诊断方法,本文从能量学多个角度研究了2016年6月5日00时（协调世界时,下同）至6日15时（持续40小时）一次东移并引发强降水的高原对流云团,得到了以下主要结论。本次事件中,高原东移对流云团在不同阶段的主要影响系统有所不同。移出高原前,其主要受高原涡和高原短波槽的共同影响,随着云团移出高原,高原涡消亡,而高原短波槽则随时间发展加强,成为东移云团的最主要影响系统。高原东移对流云团具有显著的深对流特征,自西向东引发了一系列的降水,移出高原后,其对流重心显著降低,降水达到最强。不同阶段高原东移对流云团的能量转换特征显著不同。云团位于高原上时（第一阶段）,背景场通过动能的降尺度能量级串为造成强降水的扰动流直接提供能量,这是此阶段扰动流动能维持的主要方式;云团移出高原过程中（第二阶段）,降水凝结潜热明显增强,由此制造的扰动有效位能也显著增强。在垂直运动配合下,扰动有效位能斜压释放所制造的动能是本阶段造成强降水扰动流动能维持的最主要能量来源;云团移出高原后（第三阶段）,背景场对造成强降水扰动流的影响再次增强,但是不同于第一阶段的直接影响方式,该阶段背景场的作用是以一种间接的影响方式出现。其首先通过有效位能的降尺度级串将背景场的有效位能转换为扰动流的有效位能,然后通过扰动有效位能的斜压能量释放为扰动流的动能维持不断地提供能量。此外,本阶段内还出现了扰动流向背景场动能的升尺度级串供给（即扰动流的反馈）,但其强度不足以对背景场的演变产生显著影响。     

北半球大气环流能量循环的气候特征

利用1958—2011年NCEP/NCAR逐日再分析资料,根据Lorenz能量循环理论框架,分析了北半球大气能量循环的年变化特征,在此基础上给出了更具普适性的多年平均的大气能量循环框图.结果表明:北半球大气能量循环的年变化特征十分明显.大气能量及能量转换率均表现为冬季高、夏季低、春秋季过渡的演变特征;纬向平均有效位能、纬向平均动能和涡动动能中有少许能量在冬季时由南半球向北半球进行越赤道输送,夏季时则由北半球向南半球输送,而涡动有效位能的输送方向则与此相反;纬向平均有效位能的制造在秋季最大,涡动有效位能的制造在夏季最大;动能的耗散冬季最强,夏季最弱.就年平均而言,相较于能量转化过程,能量越赤道交换过程非常微弱.在经向上,纬向平均有效位能主要分布于高纬地区,纬向平均动能主要分布于中低纬地区,而涡动能量主要贮存在中纬和高纬地区;此外,能量转化过程一般在中纬度地区较活跃.     

动能空间尺度分解及其在高原切变线的分析应用

应用NCEP FNL(1°×1°)全球分析资料和动能的空间尺度分解方法,对2014年8月25—27日一次高原切变线过程进行了能量诊断分析。结果表明:低层扰动动能的增幅与高原切变线的发生发展密切相关,在切变线的生成阶段至成熟阶段,扰动动能增加为切变线的发生发展提供了能量保障;平均动能变化大体与扰动动能呈相反趋势,在切变线生成阶段和发展阶段,中低层平均动能随时间减小。在影响动能变化的各因子中,斜压转换项贡献最大;在切变线生成阶段,低层平均动能与扰动动能间的转换对扰动动能变化影响明显。背景场和扰动场的相互作用使得扰动动能增大而平均动能减小,构成动能的降尺度串级,这种能量串级转换有利于中尺度的高原切变线生成。     

2004年冬季风期间一次强寒潮过程的能量收支研究

利用1°(纬度)×1°(经度)的NCEP再分析资料和常规站点观测资料对2004年12月28～31日的一次强寒潮、冷涌过程作了研究,研究结果表明:(1)此次强寒潮事件在我国南海引发了强烈的冷涌,该支冷涌一直向南越过赤道影响南半球.大尺度环境场有利于此次寒潮、冷涌事件的爆发,本次寒潮属于“横槽转竖型”,其中200 hPa的西风带大槽经历了一次调整,500hPa经历了一次明显的横槽转竖过程,对流层低层蒙古高压稳定维持,其东侧的偏北大风是冷空气南下的有利条件.(2)此次寒潮大风区内的动能制造以正压动能制造和斜压动能制造为主,寒潮爆发初期,以正压制造过程为主,此后,由于有效位能释放的作用增强,斜压制造过程与正压制造强度相当,大风区随着动能制造的增强而增强;当斜压、正压动能制造均减弱,大风区亦随之减弱.(3)有效位能收支表明,整层有效位能的释放与大风区相对应,有效位能的释放有利于寒潮、冷涌的维持.寒潮大风区内,对流层高层受有效位能释放的影响最大,有效位能和风能可以互相转换;对流层中层所受的影响最小,且以风能向有效位能转换为主;对流层低层则以有效位能向动能转化为主,十分有利于低层风速的增大和维持.     

东南亚夏季风中断、过渡与活跃期的区域能量学研究

对两次季风演变过程的能量学研究表明，季风演变具有鲜明的阶段性能量学特征。中断期，积云加热小，两个转换函数值很小；过渡期，积云加热增强明显，两个转换函数值迅速加大，边界输送作用也明显朝有利方向变化，同时，纬向平均气流变为向季风供应扰动动能；活跃期，大尺度加热变得重要，积云加热维持，两个转换函数也保持大的正值。分析表明，印度季风东传对东南亚季风活跃的触发作用是重要的，但季风活跃的维持则主要依靠区域内部能量学过程。     

The Energy Budget of a Southwest Vortex With Heavy Rainfall over South China

Energy budgets were analyzed to study the development of an eastward propagating southwest vortex (SWV) associated with heavy rainfall over southern China(11-13 June 2008).The results show that kinetic energy(KE) generation and advection were the most important KE sources,while friction and sub-grid processes were the main KE sinks.There was downward conversion from divergent to rotational wind KE consistent with the downward stretching of SWVs.The Coriolis force was important for the formation and maintenance of the SWV.Convergence was also an important factor for maintenance,as was vertical motion during the mature stage of the SWV and the formation stage of a newly formed vortex(vortex B).The conversion from available potential energy(APE) to KE of divergent wind can lead to strong convection.Vertical motion influenced APE by dynamical and thermal processes which had opposite effects. The variation of APE was related to the heavy rainfall and convection;in this case,vertical motion with direct thermal circulation was the most important way in which APE was released,while latent heat release and vertical temperature advection were important for APE generation.     

夏季东亚西风急流扰动异常与副热带高压关系研究

利用1979—2003年NCEP/NCAR月平均再分析资料, 探讨夏季 (6—8月) 200 hPa东亚西风急流扰动异常与南亚高压和西太平洋副热带高压的关系。研究指出:夏季200 hPa东亚西风急流扰动动能加强 (减弱), 东亚西风急流位置偏南 (偏北)、强度偏强 (偏弱); 东亚西风急流扰动动能强弱不仅与北半球西风急流强弱和沿急流的定常扰动有关, 而且还与东亚地区高、中、低纬南北向的扰动波列有关, 亚洲地区是北半球中纬度环球带状波列异常最大的区域。夏季200 hPa东亚西风急流扰动动能加强 (减弱), 南亚高压的特征为位置偏东 (偏西)、强度加强 (减弱); 西太平洋副热带高压的特征为位置偏南 (偏北)。东亚环流特别是500 hPa西太平洋副热带高压对东亚西风带扰动异常的响应由高空东亚西风急流南侧的散度场及其对流层中下层热带和副热带地区的垂直速度距平场变化完成。     

夏季东亚西风急流Rossby波扰动异常与中国降水

利用1958～2003年NCAR/NCEP再分析和中国160 站月降水资料,探讨沿东亚西风急流Rossby波扰动动能异常对东亚夏季风环流和中国夏季（6～8月）降水的影响及其响应机理。研究发现:（1）夏季东亚西风急流Rossby波扰动动能加强（减弱), 东亚西风急流位置偏南（北)、强度偏强（弱）。（2）该扰动动能具有显著的年际和年代际变化特征, 1958～1978年处于年代际偏弱阶段,1979～1998年处于年代际偏强阶段。（3）该扰动动能加强（减弱), 200 hPa 辐合区位于30?N以南（以北）西太平洋地区,此时,500 hPa 西太平洋副热带高压位于30?N以南（以北), 850 hPa 反气旋性距平环流出现在东亚30?N以南（以北）地区,而30?N以北（以南）为气旋性距平环流,东亚热带季风环流加强（减弱), 梅雨锋加强（减弱), 夏季中国东部降水中间多、南北少（中间少、南北多）。（4）东亚高、中、低层大气环流对高层东亚西风急流Rossby波扰动动能强弱响应由对流层上层散度场及垂直速度场变化完成。     

垂直湍流输送对大洋的重力位能和混合过程的影响

利用WOA09（World Ocean Atlas 2009）全球大洋温盐客观分析数据,计算了不同湍流垂直混合系数下全球大洋重力位能的变化,并分析了混合系数、浮力频率和重力位能变化之间的关系。在此基础上,进一步探讨了湍流混合造成的能量转换对湍流参数化的影响。结果表明,大洋中的垂直湍流运动不仅仅是动能能汇,而且是一个重要的外部能量转化为重力位能的途径。垂直湍流增加的重力位能在混合系数取0.1 cm2 s-1 时为0.08 TW,参考前人研究结果,外部能量输入甚至可引起等效于全球平均12 cm2 s-1 的垂直混合系数。一般而言,层结越稳定、混合系数越大,垂直湍流对重力位能的影响也越大。考虑湍流动能可转化为重力位能后,参数化方案可以得到和实际观测更接近的湍流动能耗散率和混合系数。     

多级扰动法——静力扣除及其在非静力模式设计中的可应用性

在尺度分析的基础上,利用大气垂直运动方程中各项量级的分布特点,提出了多级扰动法.通过它可以使该方程中量级最大的垂直气压梯度力项(VPGF)和重力项(G)的相应扰动项的量级随级次n的增加明显减小,而其他项的量级不变;而且,方程中最大的垂直截断误差的量级也随n的增加而减小,直到高级扰动项不再是扰动方程中仅有的最大项时为止....     

The Diabatic Heating and the Generation of Available Potential Energy: Results from NCEP Reanalysis

In the existing studies on the atmospheric energy cycle, the attention to the generation of available potential energy (APE) is restricted to its global mean value. The geographical distributions of the generation of APE and its mechanism of formation are investigated by using the three-dimensional NCEP/NCAR diabatic heating reanalysis in this study. The results show that the contributions from sensible heating and net radiation to the generation of zonal and time-mean APE (Gz) are mainly located in high and middle latitudes with an opposite sign, while the latent heating shows a dominant effect on Gz mainly in the tropics and high latitudes where the contributions from the middle and upper tropospheres are also contrary to that from the low troposphere. In high latitudes, the Gz is much stronger for the Winter Hemisphere than for the Summer Hemisphere, and this is consistent with the asymmetrical feature shown by the reservoir- of zonal and time-mean APE in two hemispheres, which suggests that the generation of APE plays a fundamental role in maintaining the APE in the global atmospheric energy cycle. The same contributions to the generation of stationary eddy APE (GSE) from the different regions related to the maintenance of longitudinal temperature contrast are likely arisen by different physics. Specifically, the positive contributions to GSE from the latent heating in the western tropical Pacific and from the sensible heating over land are dominated by the heating at warm regions, whereas those from the latent heating in the eastern tropical Pacific and from the sensitive heating over the oceans are dominated by the cooling at cold regions. Thus, our findings provide an observational estimate of the generation of eddy APE to identify the regional contributions in the climate simulations because it might be correct for the wrong reasons in the general circulation model (GCM). The largest positive contributions to the generation of transient eddy APE (GTE) are found to be at middle latitudes in the middle and upper tropospheres, where reside the strong local contributions to the baroclinic conversion from transient eddy APE to transient eddy kinetic energy and the resulting transient eddy kinetic energy.