大气对热带热源低频响应的数值研究

本文设计—关于基本气流线性化的二层球面模式研究大气对不同类型赤道热源的低频响应,分析了全球大气40—50天低频振荡的结构和传播特点。结果表明:全球大气对热带热源响应特征是在热带地区表现为东西向非对称的热源东侧的Kelvin响应和西侧的Rossby响应,高低层反位相;在中高纬响应是具有低频振荡的二维Rossby波列,且具有相当正压结构。低频振荡的传播特征表明热带大气对移动性热源的响应更有利于振荡的向东传播,且该振荡可以沿波列路径向中高纬度传播,然后再折向低纬。二维Rossby波列是联系着热带和中高纬度地区低频振荡的基本动力学途径。该波列的形成取决于基本气流的分布,冬半球波列振幅较大。因此本文认为40—50天低频振荡是全球尺度的现象,它是一涉及到热带对流加热、赤道Kelvin波、亦道Rossby波、二维Rossby波列以及基本气流等动力学相互作用的过程。     

The Rossby wave train patterns forced by shallower and deeper Tibetan Plateau atmospheric heat-source in summer in a linear baroclinic model

观测结果表明,在夏季青藏高原高层大气热源(TPUHS)的发展和衰减阶段(高原热源由浅向深发展),北半球的环流异常表现出不同的Rossby波列型。本研究利用线性斜压模式LBM来探究深浅TPUHS的波列效应。模拟结果表明,深浅TPUHS能强迫出不同的Rossby波列型,而且波列型与观测结果相似。对应浅的TPUHS,Rossby波列型从青藏高原延伸至美国西海岸;而对应深的TPUHS,Rossby波列型从青藏高原延伸至阿拉斯加。     

大气中的惯性重力内波作用密度守恒性

陈英仪等将大气中的波作用密度与稳定度问题联系在一起,阐述了 Rossby 波的稳定度和一些参数的关系,从而说明了波作用密度研究的重要性。本文采用 WK B 方法导出大气中惯性重力内波的波作用密度守恒。     

经圈环流对定常波传播的影响

在一般斜压大气中，基本气流中包含经圈环流时，定常波传播不仅能穿过东风带，而且明显增强。在基流含有经圈环流的情况下，北半球中纬度地形强迫可引起低纬大气的显著响应，这表明经圈环流在中低纬定常响应的相互联系中起着重要作用；北半球中纬度热力强迫可产生类似北半球夏季季风环流的波列分布，这说明经圈环流在夏季季风环流的形成中起着一定的作用；在赤道东太平洋加热强迫情况下，在冬半球可引起ＰＮＡ型的定常波传播波列，而在夏半球却没有明显的ＰＮＡ特征。这表明经圈环流对冬、夏半球的定常波传播路径有着显著的影响。     

波流相互作用与波动传播模态

波和流是大气中两种最基本的运动形式,两者之间的相互作用可以导致千变万化的天气现象。波流相互作用理论是大气动力学的基本理论之一,该理论的研究具有重要的理论价值和科学意义。波流相互作用的研究主要包括两方面:一方面是可以描述基本气流对波强迫作用的“波作用”（守恒）方程的研究,另一方面是可以描述波对基本气流反馈作用的E-P通量以及波形变、传播等理论的研究。波流相互作用的研究不仅在理论上已取得重要进展,例如, E-P通量的提出,剩余环流的引进,广义E-P通量的出现,三维E-P通量的建立,波作用守恒方程、波动突变、波流稳定性结构、波形变及其大圆路径、低频波遥相关等理论的发展,而且在实际应用上也取得丰硕成果,如科学地解释了赤道平流层东西风准两年振荡、极地平流层爆发性增温、瞬变波对阻高的维持和高空急流加速以及大气低频波遥相关等,特别是为预测行星波的传播,研究风暴轴和诊断分析实际大气中波能集中区和发散区提供了理论基础和科学方法。作者从小振幅和有限振幅扰动两方面回顾了国内外波流相互作用和低频波传播理论的研究进展,重点介绍了大尺度环流系统波流相互作用和波动传播模态的最新研究成果,提出了不同动力、热力背景下多尺度波流相互作用机理及其理论模型,建立了非线性大气动力学突变及其稳定性结构等理论。相对来说,热源强迫和地形强迫引起的波流相互作用中稳定性问题的研究一直比较薄弱,特别是关于大气水分循环过程和青藏高原等复杂大地形影响下不同尺度系统波流相互作用的研究,这也是未来波流相互作用研究的一个重要内容。     

东北冷涡的位涡动力诊断模型及应用

近几十年的研究普遍认为,纬向平均气流的偏差所引起的热量和动量输送在大气环流维持中起着决定作用,而且产生这些偏差的涡动,基本上是与瞬变天气波动相联系的。有人认为,Rossby波的基本流型、急流、锋面、切变线、斜压波和切断环流的结构和演变均可由涡旋向量(切变与曲率)的分布加以分析和说明。     

淮河流域夏季降水与低纬地区波列结构的关系

利用NCEP/NCAR再分析资料,通过合成分析、诊断分析等方法,研究了淮河流域夏季降水异常年份的大尺度环流背景,并且分析了造成这种环流背景的可能原因。得到以下主要结论:在副热带地区,对流层低层存在一个自低纬向高纬传播的波列结构。在多雨年从低纬到高纬呈现"+-+-"相间的波列结构,而少雨年则相反,但是多雨年的波列强度要比少雨年强。利用波活动通量进行诊断发现:在多雨年,菲律宾到南海是明显的波源区,我国淮河流域和印度尼西亚是波汇区;在少雨年,印度尼西亚和我国淮河流域是明显的波源区,南海地区是明显的波汇区。这种波列结构的差异可能与淮河流域降水异常存在密切的联系。大气加热的不同可能是产生波列结构的一个重要原因。研究表明,赤道西太平洋大气热源的变化与我国淮河流域降水有密切的联系。印度尼西亚附近的赤道地区加热强,则淮河多雨;加热较弱,则淮河少雨。诊断分析表明,赤道地区加热强度的变化所产生的Rossby波的不同位相,与我国淮河流域降水的异常有密切的联系。     

基流水平结构变化在定常Rossby波列传播及正压能量转换中的作用

本文利用球面正压大气的准地转方程组讨论了基本气流水平结构及其变化对于定常Ross(?)y波列传播的影响,发现定常Rossby波列的两维传播与基本气流的水平切变有关,急流的存在阻挡了波长较短的波列的径向传播,使其在强迫源附近被“trapped”,但长波可以通过很强的急流区并具有准径向传播的特征。另外本文还分析了基本气流水平结构的变化对正压不稳定能量转换的影响,定性地解释了急流附近定常Rossby波列强度的变化。     

大气非线性波动方程的解

本文从非线性大气运动方程出发,用比较简洁的方法,求得了大气非线性惯性波、非线性重力内波和非线性Rossby波的周期解,这些解反映了非线性大气波动的特色。分析指出:对有限振幅的惯性波和重力内波,振幅大的波传播越快,而有限振福的非线性Rossby波,振幅大、波长长的波传播越慢;本文还分析了这些解的某些可能的实际意义。 这些非线性波的研究提供了解非线性方程的新的途径,而且,它可以与大家熟悉的线性波动进行比较。对于天气预报和大气湍流的研究都有一定的意义。     

层结切变流中的Rossby波的稳定度

Rossby波的稳定度问题是大气动力学的中心问题之一,这方面的研究工作已有很多。早期,文献[1-4,9]采用标准波型法对此问题作了开创性的研究,得到了许多重要结论。如,有关不稳定的判据,稳定波和不稳定波的结构,以及它们对维持大气环流所起的作用等。近些年来,文献[5—8]应用WKB方法和波包波作用量概念研究了缓变介质中的Rossby波的发展演变问题,发现:Rossby波     

论Rossby波在东、西风带中传播与频散I——谐波扰动Rossby波和指数扰动Rossby波

传统Rossby波最初求解于局地直角坐标系（Cartesian coordinate）准地转、准水平无辐散正压大气运动微扰方程,在所谓“β平面”近似下,归于求解一个关于经向风扰动的二阶常微分方程,它存在可在β-平面经向-纬向传播的简谐波解,其物理机制是,扰动气流在科氏参数随纬度变化（所谓“β效应”）作用下的绝对涡度守恒。本文先讨论传统Rossby波二阶常微分方程“经向谐波扰动-纬向简谐波”（谐波扰动Rossby波）通解,指出传统Rossby波只被描述为谐波扰动Rossby波,即在扰动区内形成谐波扰动可在扰动区外作经向-纬向简谐波的连续传播;又讨论数学上存在的“经向指数扰动-纬向简谐波”（指数扰动Rossby波）另一通解,并且分析与比较两个通解的纬向波速与群速诊断方程。认为,谐波扰动和指数扰动“传播”与“频散”可以在相邻边界上保持为分段“零阶”连续且为有界。从而Rossby波定义为：大气运动受到连续或分段“零阶”连续谐波扰动和/或指数扰动和/或其它函数扰动、在β效应与绝对涡度守恒作用下、可以在全球（东、西风带）传播与频散的波动,作“纬向简谐波”传播是Rossby波的唯一识别特征。最后,作为对传统Rossby波的补充,单纯用指数扰动Rossby波波速和群速方程,对西风带中的长-中-短波槽脊传播、阻塞高压建立与后退、大槽建立与寒潮,以及气候上的遥响应,做出新的解释,更对东风带中的东风波（倒槽）与台风传播、副热带高压西进与东退,做出传统Rossby波尚不能解释的初步解释。     

青藏高原地面热力异常对夏季江淮流域持续暴雨形成作用的数值试验

本文采用OSU-AGCM大气环流模式，对青藏高原下垫面热力异常与夏季江淮流域暴雨形成的关系进行了数值试验。模拟结果表明，青藏高原下垫面热力状况的异常对东亚环流形势及云量分布异常的影响是形成1991年夏季江淮流域持续性降水的重要原因之一。青藏高原异常热力强迫还可以引起大范围云量的异常分布和云量异常区类似于二维Rossby波列没大圆路径传播的特征。     

论Rossby波在东、西风带中传播与频散Ⅱ——球面Rossby波方程与诊断分析

从球坐标(Spherical coordinate)非地转、正压水平无辐散大气运动微扰方程出发,推导出球面Rossby波方程,证明球面Rossby波的物理机制仍然是绝对涡度守恒与卢效应,但基本气流以涡度形式参与了卢效应。因球面Rossby波偏微分方程不存在经向-纬向传播的"双向简谐波(传统Rossby波)"解,则将它做经向-纬向求导分离,从而得到关于球面经向风扰动的二阶偏微分方程及与之相应的仅作纬向传播的简谐波解,但待解的二阶偏微分方程不归于数理方程中的任何特殊函数,即证明不存在以连带Legendre函数为通解的Haurwitz波。采用传统Rossby波两个通解,当作球面Rossby波两类特解,做诊断分析表明,传统Rossby波正确反映球面Rossby波的(β-平面近似)"线性部分",但球面Rossby波及其纬向波速和群速都带有地球曲率性,并且存在奇点,其中,球面谐波扰动Rossby波仍然保持槽与脊纬向对称性,但"正弦扰动"与"余弦扰动"Rossby波有一定差别,而球面指数扰动Rossby波槽与脊不具备纬向对称性,后者可以解释东、西风带槽与脊一般为纬向非对称,还可以解释台风的纬向非对称结构。     

夏季青藏高原加热和北半球环流年际变化的相关分析

利用 195 8～ 1997年NCEP/NCAR再分析数据集中加热率和环流资料 ,采用相关分析和对比分析相结合的方法 ,诊断和分析了夏季青藏高原的非绝热加热与北半球环流系统的年际变化的联系。分析结果表明 :夏季青藏高原的加热强 (弱 )的年份 ,高原及邻近地区的上升运动、下层辐合及上层辐散均增强 (减弱 ) ,使高原加热对周边地区低层暖湿空气的抽吸效应和对高层大气向周边地区的排放作用加强 (减弱 )。从而影响着高原和周边地区的环流以及亚洲季风区大尺度环流系统。而且高原的加热强迫能够激发产生一支沿亚欧大陆东部海岸向东北方向传播的Rossby波列 ,其频散效应可影响到更远的东太平洋以至北美地区的大气环流     

两种类型中尺度涡旋Rossby波的相速度及其物理机制

本文使用正压浅水方程组以及纬向切变基流下二维中尺度横波型扰动的Bouss-inesq近似方程组,分析了这种沿着基本气流方向传播的中尺度扰动的波动传播物理过程。研究结果表明,中尺度涡旋Rossby波划分为两种类型。由于纬向基本气流的方向的二阶水平切变或者基本气流的垂直涡度在南北方向的变化(β*因子)所导致的涡旋Rossby波称之为第一类涡旋Rossby波(正压涡旋Rossby波),它产生的根本原因是β*因子的作用。这种第一类涡旋Rossby波相对于基本气流-U0是单向传播的,其传播方向则与β*因子的正负符号有关。基本气流在垂直方向上的风速切变对于中尺度横波型的扰动起着不稳定的作用。如果考虑基流的二次垂直切变时,可以得到第二类涡旋Rossby波(斜压涡旋Rossby波)的相速度表达式,第二类涡旋Rossby波产生的物理根源是基本流场的风速-U的二次垂直切变或者基本流场y方向的平均涡度在空间z方向上的不均匀性(亦即β**因子)。第二类涡旋Rossby波相对于基本气流-U0也是单向传播的,其相速度与纬向波数k有关,能量是频散的,在纬向x方向存在群速度。在基本流场的风速-U存在二次垂直切变时,横波型不稳定可能是混合的涡旋Rossby-重力波的不稳定;而当基本流场的风速-U仅仅存在线性切变,不存在二次垂直切变时,此时根本不存在涡旋Rossby波,横波型扰动的不稳定则仅仅是重力惯性波的不稳定。最后利用横波型扰动的总涡度守恒方程对第二类涡旋Rossby波形成的物理机制做出了解释。     

夏季欧亚中高纬环流持续异常事件的Rossby波传播特征

利用西风波导结构以及波作用通量, 探讨了夏季欧亚一类中高纬持续异常环流所对应的Rossby波的能量频散特征。中高纬度对流层上层存在结构较为复杂的弱波导, Rossby波能量频散过程基本上与该弱波导结构一致。Rossby波传播特征在不同时期以及两种环流型 （E型和C型) 之间存在显著差异: (1) 在梅雨前期, 与E型环流对应, Rossby波从南欧气旋式异常环流中心传播到乌拉尔山正高度异常中心, 并且波作用通量在乌拉尔山西侧辐合, 形成该地区正高度异常环流。乌拉尔山持续异常中心东侧重新激发出Rossby波, 并传播至贝加尔湖和鄂霍次克海地区, 维持对应的异常环流。与C型异常环流对应, Rossby波活动非常活跃。该型三个活动中心呈现高纬－中纬－高纬的分布特征, 这与波导结构密切相关。 (2) 在梅雨期, Rossby波的传播对两类持续异常环流的作用更加明显, 其传播路径基本上在处于极区和偏向中纬度一侧的两个“波障碍区”之间的带状西风波导区中。Rossby波从乌拉尔山活动中心向东传播, 最终形成贝加尔湖和鄂霍次克海地区的持续异常环流。在C型维持过程中则还存在另一种强迫因子。在C型中, Rossby波从乌拉尔山活动中心向中纬度传播, 并在亚洲急流中向东传播至东亚地区。 (3) 在后汛期, 在欧亚大陆上纬向“波障碍区”的增加使得Rossby波活动减弱。E型异常环流型的鄂霍次克海活动中心向东扩展到北太平洋, 但来自上游的Rossby波传播只作用于该活动中心的西北侧部分。C型中Rossby波的传播在乌拉尔山活动中心地区变弱。在夏季各个时期, E和C型持续异常环流对应着不同位相的EAP (或PJ) 型, 但并没有Rossby波从中纬度向北传播至鄂霍次克海地区的现象。     

夏季长江中下游地区降水持续性年(代)际变异及其与环流和Rossby波活动的联系

旱涝异常不仅与降水的频次和强度有关,在多种时间尺度上,其与降水的持续性亦存在较好的对应关系。基于1979～2013年6～7月中国东部249站点逐日降水资料及ERA-interim逐月再分析资料,研究了长江中下游地区近35年降水持续性的长期变化及其相联系的大尺度环流型和Rossby波能量频散特征。结果表明:近35年长江中下游地区降水时段平均持续时间变短而无雨时段变长,体现出了降水持续性的减弱趋势。进一步研究发现,该趋势变化与长江中下游地区在1980和1990年代持续性降水事件偏多,而在2000年以后偏少的年代际变化有关。在年代际和年际尺度上,与长江中下游地区降水持续特征变异相联系的异常环流型在我国东南部及南海地区分布较为类似,而在偏高纬度和偏低纬度地区存在较大差异。相似之处在于:在两个时间尺度上,在对流层中高层均存在显著的反气旋性环流控制我国东南部地区,而在中低层均存在由海洋向长江中下游地区的气流辐合,并在高层由长江中下游地区向海洋辐合。不同之处是:年代际尺度上,自对流层低层到高层在乌拉尔山以东及蒙古地区分别存在反气旋性环流和气旋性环流,且赤道印度洋地区的对流层中低层存在显著的气旋性环流;而在年际尺度上,由低层到高层位于贝加尔湖东、西侧均为反气旋性环流异常,但海洋性大陆的东北部,低层出现向长江中下游地区辐合的气流的源,高层则为由长江中下游地区向低纬度地区辐合的气流的汇。Rossby波扰动能量频散特征在年代际和年际尺度上亦呈现出明显的差异。年代际尺度上,中纬度地区自大西洋至蒙古地区存在一个正—负—正—负的Rossby波列,波能东传,对长江中下游地区产生影响,而在中低层,自低纬地区向长江中下游地区的波能传播相对较弱;在年际尺度上,影响长江中下游地区降水的Rossby波活动的局地性特征更为明显。在低层,波扰能量经由南海向长江中下游地区传播更明显,而在对流层高层源于贝加尔湖西侧的波扰能量传播相对较强。这些结果有助于深刻认识长江中下游地区降水的异常持续及与之相联系的洪涝灾害的形成机理。     

澳洲大陆热力强迫对南北半球环流异常的影响效应

本文采用OSU-AGCM动力框架加入牛顿加热项构成的简化大气环流模式,研究澳洲大陆热力强迫与南北半球环流异常的相关关系。本文对不同平衡温度模拟结果的差异(偏差场)进行了分析,探讨某局地热力强迫对全球其它区域环流异常的影响效应.数值试验结果表明,南北半球海陆热力结构有利于两半球行星尺度经向环流的加强及其低纬跨赤道气流的形成:南半球澳洲大陆热力强迫可以通过东、西风带侧向藕合效应,显著地影响北半球中纬西风带急流状况;二维Rossby波能量频散径向传播可能足澳洲热力强迫与北半球常定环流系统的异常变化相关现象的重要成因,且澳洲大陆强迫产生的径向波列路经与PNA、EU型相似.     

广西一次冷空气过程前后Rossby波作用的对比分析

基于T-N波作用通量以及NCEP/NCAR再分析资料,对比分析了2016年1月广西一次强冷空气过程前后两个阶段中大尺度环流以及Rossby波的调制作用.结果 表明,冷空气活动过程前后阶段大气环流存在明显差异.第一阶段中欧亚中高纬地区阻塞形势明显,低纬度地区环流平直.第二阶段中欧亚低纬地区环流经向度增大,南支槽发展活跃;两个阶段中欧亚大陆上空均存在南北两支Rossby波列.第一阶段中北支波列调控了乌拉尔高压脊的发展以及横槽转竖,而南支波列调控了印缅槽的减弱,两者协同使冷空气更易南下.第二阶段南支波列主导了南支槽的发展东移,为该阶段降水提供了动力抬升以及水汽条件;NAO与南北两支波列的活动密切相关,NAO由负到正的位相转变是第二阶段南支波列增强的可能原因.     

北半球夏季南极冰气候效应的数值试验

本文利用9层菱形截断15波的全球大气环流谱模式进行了7月份南极冰正常和无冰的对比试验,进而研究了南极冰的短期气候效应.结果表明:南极冰的移去首先在局地区域加热了低层空气,减弱了南极极涡,然后使中高纬度超长波发生变异尤其是使纬向3波增幅.超长波的异常引起东亚季风区低层越赤道气流加强,从而增强东亚季风环流,增大中南半岛到西太平洋的降雨量和相应的对流潜热释放,结果在北半球激发了一支从东亚到北美的二维Rossby波列,使北半球大气环流发生异常.文中对这一气候效应的动力学机制进行了讨论,并认为南极冰不仅是影响南半球