A study on the nonlinear stability of fronts in the ocean on a sloping continental shelf

1.IntroductionArnol'd(1965,1969)variationalprincipleandapriorestimatemethodisessentiallyageneralizationofLyapunovstabilitymethodforfinite--dimensionaldynamicalsystemsininfinite--dimensionalones,andhestudiedthenonlinearstabilityof2--dimensionalincompressibleidealfluidmotionbyuseofthismethod,andestablishedtwotheoremswhichareArnol,d'sfirsttheoremandArnol'd'ssecondtheorem.Eversincethe1980's,manyscientistshavebeenworkingonthissubject,Holmetal.(1985);MclntyreandShepherd(1987);Zeng(1989);Muetal.(1…     

地形对门头沟一次大暴雨动力作用的数值研究

2002年6月24—25日,北京门头沟附近发生了一次大暴雨过程。为探讨地形在本次过程中的动力作用,采用美国俄克拉荷马大学风暴分析预测中心开发的ARPS模式,对大暴雨过程进行了数值试验。控制试验采用27、9 km双重单向嵌套网格,网格覆盖范围约为3000 km×3000 km、900 km×900 km。两层网格均采用全物理过程,使用的都是全球30″的地形资料。在控制试验的基础上,进行了3组敏感性试验:第1组试验采用干过程模拟,即不考虑凝结潜热的作用;第2组试验将地形整体向东/西平移1°;第3组试验是将门头沟西部的局地地形抠除一部分。试验结果表明,在不考虑凝结潜热作用时,东南风气流仍然可以爬升到2 km以上,超过了大气的抬升凝结高度,证实了地形的动力作用是本次大暴雨的触发机制;将地形向东/西平移1°后,由于大气的对流稳定度发生了改变,模拟的降水强度和落区也发生了变化,表明山坡和山顶的对流不稳定大气是导致本次大暴雨的必要条件;抠除局地地形后,模拟的降水量也发生了不同程度的改变,再次证明大暴雨是在多尺度地形以及一定的天气系统配置下产生的。     

2018年1月北大西洋上一个具有“T”型锋面结构的超强爆发性气旋的分析

利用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）提供的0.5°×0.5° ERA-Interim再分析资料，麦迪逊-威斯康星大学气象卫星研究所（CIMSS）提供的地球静止环境业务卫星（GOES-EAST）红外卫星云图和天气预报模式（WRF）的模拟结果，对2018年1月3—6日发生在北大西洋上的一个具有“T”型（T-bone）锋面结构的超强爆发性气旋进行分析。该爆发性气旋在较暖的湾流上空生成，沿海表面温度大值区向东北方向快速移动，生成后6 h内爆发性发展，24 h中心气压降低48.7 hPa。高空槽加深、涡度平流加强和低层较强的大气斜压性为气旋快速发展提供了有利的环流背景场。由于气旋发展迅速，低层相对涡度急剧增大，低压中心南部来自西北方向的干冷空气随气旋式环流快速向东推进，与东南暖湿气流汇合，锋生作用较强。较暖的洋面对西北冷空气的加热作用使得交汇的冷、暖空气温度梯度较小。减弱东移的冷锋与暖锋逐渐形成近似垂直的“T”型结构。用Zwack-Okossi方程诊断分析表明，非绝热加热、温度平流和正涡度平流是该爆发性气旋发展的主要影响因子。气旋初始爆发阶段，西北冷空气进入温暖的洋面，海洋对上层大气感热输送和潜热释放较强，非绝热加热对气旋快速发展有较大贡献。气旋进一步发展，“T”型锋面结构显著，温度平流净贡献较大，对气旋的发展和维持起重要作用。      

The effect of Antarctic Circumpolar Current transport on the frontal variability in Drake Passage

The Antarctic Circumpolar Current (ACC) is composed of three major fronts: the Sub-Antarctic Front (SAF), the Polar Front (PF), the Southern ACC Front (SACCF). The locations of these fronts are variable. The PF can shift away from its historical (mean) location by as much as 100 km. The transport of the ACC in Drake Passage varies from its mean (134 Sv) by as much as 60 Sv. A regional numerical circulation model is used to study frontal variability in Drake Passage as affected by a range of volume transports (from 95 Sv to 155 Sv with an interval of 10 Sv). Large transport shifts the fronts northward while the smaller transport causes a southward shift. The mean shifting distance of the PF from the historical mean location is minimum with 135 Sv transport. The SAF and the SACCF are confined by northern and southern walls, respectively, while the PF is loosely controlled by the topography. Due to impact of the eddies and meanders on the PF at several regions in Drake Passage, the PF may move northward to join the SAF or move southward to combine with the SACCF, especially in central Scotia Sea. The SAF and PF are more stable with higher transport. The SAF behaves as a narrow, strong frontal jet with large transport while displaying meanders with smaller transport. In the model simulations, the Ertel Potential Vorticity (EPV) is strongly correlated with the volume transport stream function. EPV at depths between 1000 and 2500 m is correlated with the transport stream function with a coefficient above 0.9. Near the bottom, the correlation is about 0.6 due to the disruptive influence of bottom topography. Within 750 m of the surface, the correlation is much reduced due to the effect of K-Profile Parameterization (KPP) mixing and eddy mixing.     

分层气流条件下地形降水的二维理想数值试验

利用WRF v3.5中尺度数值模式,在条件不稳定层结下,针对分层气流(基本气流风速和大气湿浮力频率呈二层均匀分布)过山时,地形对降水的影响进行了多组二维理想数值试验,以研究不同高度、尺度山脉和不同方向基本气流对降水形态和分布的影响。模拟结果表明,地形重力波触发对流是地形降水的主要机制之一,地形波的特征(波长、振幅)和传播均受到地形和基本气流的影响,其中,强基本气流流经高而陡峭的山脉时,更容易在其背风坡捕捉到重力波,地形降水呈现多种模态,反之亦然;当改变基本气流与山脉交角时,主要通过影响地形强迫抬升速度、基流对波动稳定性发展来进一步影响地形降水的强度和分布。     

Dynamics of the Leeuwin Current: Part 2. Impacts of mixing,friction, and advection on a buoyancy-driven eastern boundary current over a shelf

The boundary currents over the Western Australian continental shelf and slope consist of the poleward flowing Leeuwin Current (LC) and the equatorward flowing Leeuwin Undercurrent (LUC). Key properties of the LC are its poleward strengthening, deepening to the south, and shelfbreak intensification. The alongshore flow reverses direction below about 300 m, forming the LUC at greater depths. To investigate the processes that cause these features, we obtain solutions to an idealized, regional ocean model of the South Indian Ocean. Solutions are forced by relaxing surface density to a prescribed, meridionally varying density profile ρ^*(y) with a timescale of δt. In addition, vertical diffusion is intensified near the ocean surface. This diffusion establishes the minimum thickness over which density is well-mixed. We define this thickness as the “upper layer”. Solutions are obtained with and without a continental shelf and slope off Western Australia and for a range of values of δt and mixing parameters. Within this upper layer, there is a meridional density gradient that balances a near-surface, eastward geostrophic flow. The eastward current downwells near the eastern boundary, leading to westward flow at depth. The upper layer's meridional structure and zonal currents crucially depend on coastal processes, including the presence of topography near the eastern boundary. Kelvin waves inhibit the upper layer from deepening at the coast. Rossby waves propagate the coastal density structure offshore, hence modifying the interior currents. A comparison of the solutions with or without a continental shelf and slope demonstrate that topographic trapping of Rossby waves is a necessary process for maintaining realistic eastern boundary current speeds. Significant poleward speeds occur only onshore of where the upper layer intersects the slope, that is, at a grounding line. Its poleward transport increases when surface-enhanced vertical mixing is applied over a greater depth. When the timescale δt is sufficiently short, the poleward current is nearly barotropic. The current's spatial structure over the shelf is controlled by horizontal mixing, having the structure of a Munk layer. Increasing vertical diffusion deepens the upper layer thickness and strengthens the alongshore current speed. Bottom drag leads to an offshore flow along the bottom, reducing the net onshore transport and weakening the current's poleward acceleration. When δt is long, poleward advection of buoyancy forms a density front near the shelf break, intensifying poleward speeds near the surface. With bottom drag, a bottom Ekman flow advects density offshore, shifting the jet core offshore of the shelf break. The resulting cross-shelf density gradient reverses the meridional current's direction at depth, leading to an equatorward undercurrent.     

The theory study of the influence of the topography on the cold frontal motion

In order to study the characteristics of cold frontal motion over the arbitrary topography, the velocity of cold frontal movement is derived by using the one layer shallow-water model. The results show that there exist the retardation in upwind side and rapid descent in the lee slope when the cold front crosses the topography.     

云贵高原锋线的动态特征

面向精细化的气象服务需求,为做到对云贵高原锋面系统变化的精准把控,深入认知其动态演变规律,基于50 a（1971—2020年）逐日台站观测资料,提出了一种利用线性拟合近似判定云贵高原地面锋线的方法,并通过综合分析锋线位置和锋线周边气象要素的空间分布和时间变化特征以及长持续锋线事件的锋线位置、走向变化,系统揭示了云贵高原锋线的移动特征,展现了云贵高原准“静”止锋的“动”态特征。结果表明,冷性锋线集中在102.5°—105°E,最大降温区在锋线东侧,暖性锋线集中在104.5°—105.75°E,最大升温区位于锋线西侧;锋线附近气象要素的变化与锋线的移动紧密相关,西进的锋线一般会伴随锋线附近的降温、升压和日照减少,东退的锋线则相反;根据长持续锋线事件的连续演变过程,可将锋线事件区分为静止、西移和东移3类,静止型出现次数最多,西移型可连续快速推进并伴随锋线南部的顺时针摆动,东移型出现频次较低且移速相对较慢。上述结果通过对云贵高原锋线,特别是其动态特征的客观定量描述,为该地区在锋线影响下各气象要素的精细化预报提供了重要参考。      

“低温雨雪冰冻”天气过程锋区特征分析

2008年年初低温雨雪冰冻期间(包括4次过程),冷暖气团长期对峙是"低温雨雪冰冻"天气持续的主要原因;准静止锋稳定、少动,锋面较平缓;等θse经向和垂直向梯度不断加强;冷暖气团形成的逆温很明显;主锋区前部上空存在多层锋区现象;锋区渐强,最强时在10个纬度内南北温差超过20℃;相对湿度≥90%的高湿度区的移动趋势、范围、垂直伸展高度均与4次过程吻合较好;锋生函数的分布与等θse密集区的分布一致,呈向北倾斜上升状,滇黔地区准静止锋区域内,多数时间段有锋生发生,华南地区上空静止少动的锋生中心,正是低温雨雪冰冻期间准静止锋长期稳定的原因之一;南北风交界线的移动趋势与低温雨雪冰冻过程趋势一致,4次过程都伴有偏南风低空急流;当副热带高空急流逐渐加强、水平风垂直切变加强并向下伸展时,低空急流加强;高位涡舌向下伸展,高纬度的高位涡舌与主锋区的中高层相对应,中纬度高位涡舌与副热带锋区对应;湿位涡斜压项PMV2量级较小,但其与,4次过程的对应关系非常好;锋区上界和下界等熵面上的气流能较好地反映准静止锋区上、下界特征;约290 K等熵面上(锋区下界以下)在贵州均为偏东气流,这是贵州及江南大部分地区长时间维持低层冷气团的主要原因.     

FY-4A卫星云导风观测误差优化及同化效果影响研究

为了推进FY-4A卫星资料在数值模式中的实际应用,本研究选择云导风产品作为研究对象,首先统计了FY-4A高层水汽通道和红外通道云导风的观测误差,进一步基于WRFDA(Weather Research and Forecasting model Data Assimilation system)系统,利用默认观测误差和新...     

华东沿海地形对登陆热带气旋运动影响的理想数值研究

利用中尺度数值模式设计一组高分辨率理想试验,采用位涡趋势方法定量诊断分析热带气旋在登陆我国华东沿海地形时,其运动发生的精细化变化以及不同因子的贡献。结果表明,平地的存在使得登陆热带气旋移速相对更快,当华东沿海地形存在时,热带气旋移速显著增大,这种增速现象主要是由于平地和地形所引起的非对称气流以及相应的引导气流变化所致,这很可能是导致预报路径误差的一个重要原因。平地试验中,陆地在热带气旋低层激发出中小尺度的非对称气流,与之不同的是,实际地形的加入激发出更大尺度并且更强的非对称偏南气流。位涡趋势方法的诊断结果表明,非引导效应总体而言对热带气旋运动贡献较小,这是因为这些因子相互抵消,但在不同的垂直层次上,不同的非引导因子贡献存在明显的差异。     

青藏高原对流层顶高度与臭氧总量及上升运动的耦合关系

根据1979-2008年青藏高原地区14个探空站对流层项气压资料以及同期各标准等压面上的温度资料,分析了不同季节高原上空两类对流层顶高度与高空各层温度之间的关系;在此基础上,结合同期的NCEP／NCAR月平均再分析资料以及NASA提供的TOMS／SBUV月平均臭氧总量资料,分别讨论了高原上升运动以及高原臭氧总量与对流层顸高度的耦合关系。结果表明：高原第一（二）对流层顶高度全年处在300～200hPa（100hPa附近）高度,在季节变化、年际变化以及长期变化趋势上,两类对流层顸高度与各自对应高度层上的温度存在着密切的反相变化关系,当对流层顶高度偏高（低）时,相应高度上的温度偏低（高）。上升运动有助于两类对流层顶高度的抬升,尤其是当高空200（100）hPa附近有上升运动时,有利于第一（二）对流层项高度抬升。各季节高原臭氧总量与第二对流层顶高度均呈显著的负相关关系,当臭氧含量减少（增加）时,该对流层顶高度将偏高（偏低）,近年来伴随着高原臭氧总量的减少,高原第二对流层顸高度出现了明显的抬升。     

天气学的发展概要——关于锋面气旋学说的四个阶段

参照流体力学发展的4个阶段,以锋面气旋模型为例将天气学也分为:"古代"、经典、近代和现代4个发展阶段。"古代"天气学的代表是1863年航海家Fitz-Roy绘制的第一个风暴概念模型,它是对实践经验的总结,但不失其科学性;100年前挪威气象学派锋面气旋模型是基于牛顿力学的经典天气学代表,确立了斜压性是天气变化机理的核心,但将锋面视为物质面是其有悖流体连续性原则的重大缺陷;50年前芝加哥学派的锋面气旋三维模型是基于对准地转动力学理论深刻物理洞察力的近代天气学代表;20世纪末暖锋后弯卷入爆发性气旋模型是高科技时代基于大规模数值计算的现代天气学代表。在大数据时代,现代天气学需要学习和继承近代天气学用深刻的物理洞察力来分析天气学问题。     

2013年盛夏中国中东部高温天气的成因分析

为了研究2013年盛夏中国中东部地区异常高温天气的成因,根据中国191个站地面观测资料和NCEP/NCAR再分析资料,利用热力学方程进行了诊断分析。结果表明,非绝热加热(主要是长波净辐散)是夏季中国中东部地区升温最为主要的因子,但2013年盛夏中国中东部地区温度异常偏高(距平)主要是由中低层异常偏强(相对常年平均)的下沉运动造成的,偏强的非绝热加热也有一定的贡献,而异常的温度平流(冷平流)则起着负贡献。结合天气形势分析发现,500 hPa西太平洋副热带高压(西太副高)偏强、偏西、偏北和200 hPa南亚高压偏强、偏东、偏北是造成2013年盛夏中国中东部地区中低层下沉运动偏强的主要原因,偏强的下沉运动又会使空中云雨减少,地表吸收的太阳短波辐射偏强,地表温度偏高,地表向上的感热通量和长波辐射也随之增大。结合海表温度的分析发现,2013年盛夏西太副高偏强、偏西、偏北主要是由赤道西太平洋地区、黑潮地区和北半球西风漂流区海面温度异常偏高造成的。     

梅雨云系中亮带不均匀性的理论探讨

初步理论计算表明,梅雨云系中亮带上方不均匀的回波结构可以直接造成亮带的不均匀性.另外,亮带上方冰晶的形状和尺度,融化区中的液态含水量和融化冰晶的粘并等对亮带的不均匀性也有影响,它们的适当配合可以产生很不均匀的亮带.     

山东省冰雹频数月际变化的时空特征与成因探究

基于观测数据,统计分析了1999—2017年山东省冰雹频数月际变化的时空特征;基于大气再分析数据,通过对大尺度环流客观分型与物理量场的合成分析,探究了月际变化的成因。统计结果显示,山东省冰雹频数存在显著的月际变化,逐月冰雹落区具有明显的空间差异。成因探究结果表明：1）约88%的冰雹发生于低槽槽前,或槽后西北气流的环流形势下,此两种形势发生频率之和的月际变化与冰雹频数的月际变化呈现一致的起伏特征;2）水汽与热力条件影响了冰雹发生频数,对4—6月和9—10月而言,充足的水汽与强不稳定对应了较高的冰雹频数,其中6月冰雹频数最高归因于水汽含量与K指数均达到最大,且距平正异常最小;3）4—9月冰雹落区的空间分布与低层水汽输送及辐合存在较好的对应关系,而10月对应关系不明显。     

Impacts of the atmospheric apparent heat source over the Tibetan Plateau on summertime ozone vertical distributions over Lhasa

青藏高原(TP)是一个对气候变化敏感的地区,其上空的臭氧分布影响着青藏高原及其周边地区的大气环境,北半球夏季青藏高原上空臭氧柱总量相对较低的现象,及其时空变化受到广泛关注.本研究利用北半球夏季5年的拉萨上空臭氧的气球测量数据,研究高原上空大气视热源(Q1)对臭氧垂直分布的影响并探讨了该过程的机制.结果表明,当TP上空对流层整体的Q1相对较高时,拉萨上空对流层臭氧浓度下降.大气更强的上升运动伴随着TP主体区域上空的Q1的增大.因此,当夏季Q1较高时,由于近地表低浓度臭氧空气向上输送,拉萨上空的对流层臭氧浓度下降.     

中国区域降水偏差订正的初步研究

基于中国气象局公共气象服务中心提供的降水预报资料,利用频率匹配法和阈值法对2015年全年的降水预报进行偏差订正并对订正后的结果进行检验。结果表明:(1)偏差订正可显著减少集成系统降水预报的小雨空报现象,改善"有雨或无雨"的定性预报性能,提高集成系统的晴雨预报准确率。(2)订正后降水量级大小更接近实况降水,并且集成系统预报的平均绝对误差和面积偏差(干偏差或湿偏差)均有所降低。(3)偏差订正对降水预报的改善程度与系统本身预报性能有关,系统本身预报误差越大,订正效果越好。     

河北省南部回流暴雪天气结构特征

利用常规气象观测资料、降雪加密观测资料和NCEP的1°×1°再分析资料,对2009年11月10—12日和2011年11月29—30日河北省南部两次回流暴雪天气过程进行对比分析。结果表明：河北省南部两次回流暴雪的时空分布具有中尺度特征。两次回流暴雪的典型天气形势为500 hPa高空河套地区有低压槽东移,700 hPa有切变线影响,地面蒙古冷高压东移至东北地区南下,河套倒槽发展,华北地面为东高西低形势。回流暴雪过程中高低空急流有非常重要的作用,冷空气自850 hPa以下随强劲的东北风回流至河北省南部形成冷垫,700 hPa暖湿气流随西南急流输送至河北省南部叠加在冷垫上辐合抬升,高空200 hPa急流右后侧的辐散抽吸作用使上升运动加强。华北平原高空存在一支垂直环流,边界层东北风到达太行山东麓,在迎风坡抬升至对流层中高层转为西南风,到达东北地区转为下沉气流,再与低层东北风构成一个完整的垂直环流。θse密集区由地面向上向北伸展至700 hPa,锋面结构特征明显,锋面的前沿从北向南推进,地面锋面附近850 hPa以下等θse线与地面垂直,具有对流中性层结。回流强降雪发生在地面锋后冷气团中。