低空越赤道气流的研究进展

越赤道气流是南、北半球物质、能量交换的主要通道,其强弱对夏季风爆发、台风的发生及中国降水等有重要影响。简要回顾了低空越赤道气流强弱突变对亚洲夏季风爆发早晚、西太平洋副热带高压脊线北抬位置、西北太平洋地区台风生成多寡及中国夏季降水影响的研究进展,并简要讨论了越赤道气流研究中存在的问题及未来的研究前景。     

地形坡度和越赤道大尺度低空气流

本文用取β近似的简化的正压线性方程研究地形坡度和越赤道大尺度低空气流的关系。结果表明:如大尺度强迫场用符合实际的解析表达式表示,则消元后方程的齐次部分类似于waber方程,因此解和非齐次项都可用Hermite函数展开。这样得到的精确解基本上能表示低空平均气流中强风带和流场形势的特点;并且地形坡度和这些特点特别是和风速大小有关。还对非齐次weber方程在较一般的源函数分布和边界条件下,对不同地形坡度求了数值解,以便研究这种情况下地形坡度和平均风场的关系.      

夏季低空越赤道气流与ENSO的关系

利用NCEP/NCAR风场和海温等资料,分析了东半球夏季低空各支越赤道气流与ENSO循环的关系及其年代际变化,结果表明:东半球夏季低空越赤道气流强度的年际变化和ENSO循环密切相关,ElNino年夏季马斯克林高压减弱,导致索马里越赤道气流变弱,而澳大利亚高压加强, 105°E及其以东的越赤道气流明显加强,LaNina年则相反;夏季越赤道气流与ENSO的年际关系具有年代际变化特征,索马里越赤道气流与ENSO的关系在 20世纪 70年代末变弱,而 105°E及其以东的越赤道气流与ENSO的关系在 20世纪 60年代末增强。     

南海低空越赤道气流流型的初步研究

本文通过1979—1981年6—8月850百帕的90—150°E、35°S—35°N逐日流场进行分型,得出南、北半球有利和不利于越赤道气流的各种流型,并对其转换作了统计分析。      

东半球夏季低空越赤道气流的年际变化

利用1948—2006年NECP/NCAR的风场、高度场、海平面气压场以及地表温度再分析资料,采用相关分析、合成分析及回归分析等方法,探讨了东半球夏季低空越赤道气流的年际变化特征以及越赤道气流强度与环流系统和前期海陆热力差异的关系。结果表明,越赤道气流强度的年际变化和同期南北半球低纬环流系统,特别是亚澳大陆气压差关系密切。此外,索马里急流和孟加拉湾越赤道气流受海陆热力差异的影响,而东亚越赤道气流则主要受海温影响。     

夏季菲律宾低空越赤道气流与南半球大气环流的关系

采用NCEP/NCAR再分析资料,定义了1950-2009年菲律宾越赤道气流强度指数,并研究其与南半球大气环流的关系。结果表明,菲律宾越赤道气流受南半球低层极地高压、绕极低压带和中纬度副热带高压,以及高层巨大的绕极低压影响;南半球环流对菲律宾越赤道气流的影响主要是通过南极涛动的调整,对澳大利亚高压产生影响来发挥作用,从南极涛动发生调整到对越赤道气流及北半球环流产生影响,有约4a的时滞;澳大利亚高压强度和位置的变化对菲律宾越越赤道气流有重要影响,关键区位于澳大利亚高压西北方向的洋面上。     

盛夏南海低空越赤道气流变化与东亚夏季风的联系

利用1979—2014年ERA-Interim逐月的风场、海平面气压场和位势高度场等再分析资料以及中国160站降水观测资料,采用回归分析等方法分析了盛夏(7、8月)南海(South China Sea,SCS)低空越赤道气流(Cross-Equatorial Flow,CEF)的变化及其与东亚夏季风的联系,结果表明:盛夏南海低空越赤道气流(SCEF)强度指数与南海夏季风强度指数呈显著的正相关关系,与东亚副热带夏季风强度指数呈显著的负相关关系。当盛夏SCEF偏强(弱)时,亚洲热带低压及西太平洋赤道辐合带增强(减弱),西太平洋副热带高压强度减弱(增强)、东撤(西伸),南海北部和西北太平洋地区为明显的气旋式(反气旋式)环流异常,使得南海夏季风增强(减弱)和东亚副热带夏季风减弱(增强)。此外,当盛夏SCEF偏强时,由于东亚副热带夏季风减弱,我国华南地区为东北风异常,华北地区为偏南风异常,受其影响,我国华南地区为显著的水汽辐合区,华中地区为显著的水汽辐散区,使得盛夏华南地区降水增多,华中地区降水减少;反之亦然。     

加热场对低空越赤道气流影响的数值试验研究

本文用一个三层斜压原始方程模式研究了低空越赤道气流对赤道附近加热场的响应。结果表明,赤道附近的非均匀加热场对越赤道气流的位置和强度均有重要的影响。越赤道气流的位置与经向加热梯度最大值的位置一致。加热梯度的变化可以导致越赤道气流位置和强度出现相应的变化。加热场对越赤道气流的影响可能是通过非均匀加热影响辐散流场来实现的。数值试验结果与实例分析结果颇为一致。      

越赤道气流的时空特征分析

利用1948—2010年NCEP/NCAR逐日再分析场(2.5°×2.5°)的经向风资料,初步分析了全球越赤道气流的时空分布特征。结果表明,全球越赤道气流通道分布存在明显的空间不对称性,即垂直不对称性和沿经向不对称,低层通道窄而多,高层通道宽而少;东半球低层通道数远较西半球多,且强度更强。在时间分布上,夏季越赤道气流总和无论高低层都强于冬季。这些反映了南北半球空气质量交换的时空分布的不对称性,即空气质量的交换主要集中在夏季和东半球。此外,夏季在140°E~150°E向北的越赤道气流强度逐年增强,在冬季位于120°E~130°E处向南的越赤道气流在逐年减弱,且在1958年前后向南的越赤道气流出现突然增强期。     

1950—2009年夏季菲律宾低空越赤道气流的变化特征

利用1950—2009年NECP/NCAR的月平均经向风再分析资料,根据夏季(6—8月)菲律宾低空越赤道气流的特征,定义了该支气流的强度指数IS和位置偏移指数IL,并根据这两个指数分析了菲律宾越赤道气流的时间变化特征及对应的环流特征,以及其与亚洲夏季降水的关系。结果表明,IS主要呈现弱、强、弱、强的年代际变化特征,IL主要呈现振荡、稳定、径直转向的年代际变化特征。IS与由低层澳大利亚高压北侧冷空气活跃和西太平洋副热带高压减弱所造成的经向气压梯度的变化有关,IL与澳大利亚地区和赤道低槽区高、低层的南北气压梯度有关。IS与印度尼西亚、孟加拉湾南部、热带西太平洋和澳大利亚东部的降水关系密切,IL与孟加拉湾和中国南海南部的降水关系密切。此外,IL与澳大利亚上空的垂直运动具有密切联系。     

沙暴天气下大气中沙尘粒子空间分布特点及其微结构

根据对一次在阿拉善沙漠及其附近地区发生的沙尘暴天气下大气沙尘粒子的飞机观测资料,分析了3600 m以下各层的沙尘含量、粒子谱、云凝结核浓度;讨论了该次沙暴天气下沙尘垂直输送的原因及向下游传输的可能范围和不同距离处的相对沉沙量。     

华南地区春季平流层入侵对对流层低层臭氧影响的模拟研究

利用中尺度大气化学模式WRF/Chem对2013年3月6日华南地区一次平流层入侵事件及其对对流层低层臭氧的影响进行模拟研究。通过加入UBC（Upper Boundary Condition）上边界处理方案,弥补WRF/Chem模式未考虑平流层臭氧化学反应的不足。结合臭氧探空廓线资料、地面O₃、CO、NO_x、相对湿度、温度和风速等观测资料以及再分析资料对模拟结果进行定量评估,结果表明模式能较为真实地模拟本次平流层入侵过程。模拟分析进一步揭示:（1）副热带高空急流是本次平流层入侵的主要原因。当华南地区处在副热带急流入口区左侧下沉区域时,平流层入侵将富含臭氧的干燥空气输送到对流层中低层。（2）本次平流层入侵对对流层低层臭氧收支有重要影响,导致香港地区近地层臭氧体积混合比浓度明显上升,如塔门站夜间臭氧浓度升高21.3 ppb（1 ppb=1×10-9）。地面气象场和化学物种的分析进一步确认了平流层入侵的贡献。（3）采用动力学对流层顶高度时零维箱式模型和Wei公式计算得到的平流层入侵通量相当,分别为-1.42×10-3 kg m-2 s-1和-1.59×10-3 kg m-2 s-1,这一结果与前人研究相吻合,且与采用热力学对流层顶高度计算所得到的结果具有可比性。     

中国夏季降水对南印度洋偶极子的响应研究

分析了春季印度洋海表温度（SST）与中国160个站夏季降水的关系,得到:印度洋全海盆的增温趋势与我国夏季降水的气候线性变化趋势是十分一致的。另外,热带外南印度洋出现西南印度洋为正（负）、其东北部出现（负）正海温异常的分布模态时,定义为正（负）南印度洋偶极子PSIOD（NSIOD）事件。SIOD事件对中国夏季降水具有重要影响,PSIOD年,5月份中国江南和西南以及长江中下游的降水偏多;6～8月份华北、东北区域、长江中游以及华南地区降水增多,华南与华北之间的区域降水偏少,即主要为两条雨带的分布。NSIOD年,5月份中国大部降水偏少; 6～8月中国西南、江南地区以及黄淮地区降水偏多。不同时段SIOD所起的作用是不同的,5月,SIOD主要通过改变马斯克林局地环流的变化,影响印度洋低层越赤道的水汽通量输送;6～8月,通过改变海洋大陆下垫面SST热状态,改变其上空对流强度以及水汽输送方向,并间接影响西北太平洋副热带高压的强度和南北位置,进而对中国雨带的分布产生影响。     

前冬印度洋海盆一致模对ENSO衰减期华南春季降水的影响

利用逐月台站观测降水、HadISST1.1海温和ERA5大气再分析资料,研究了前冬印度洋海盆一致模（Indian Ocean Basin,IOB）对华南春季降水（SCSR）与ENSO关系的影响,并分析了IOB通过调控ENSO环流异常进而影响SCSR的可能机制。结果表明：当前冬El Niño（La Niña）与IOB暖（冷）位相同时发生时,SCSR显著增多（减少）;而当El Niño或La Niña单独发生而IOB处于中性时,SCSR并无明显多寡倾向。其原因在于,当El Niño与IOB暖相位并存时,前冬热带印度洋和赤道中东太平洋均为正海温异常（Sea-Surface Temperature Anomaly,SSTA）,且印度洋SSTA强度可一直维持至春季。在对流层低层,春季赤道中东太平洋的正SSTA激发出异常西北太平洋反气旋（Western North Pacific Anticyclone,WNPAC）。而热带印度洋的正SSTA在副热带印度洋激发出赤道南北反对称环流,赤道以北的东风异常有利于异常WNPAC西伸;赤道以南的西风异常与来自赤道西太平洋的东风异常在东印度洋辐合上升,气流至西北太平洋下沉,形成经向垂直环流,有利于春季WNPAC维持。在对流层高层,印度洋的正SSTA在热带印度洋上空激发出位势高度正异常,随之形成的气压经向梯度加强了东亚高空副热带西风急流,进而在华南上空形成异常辐散环流。WNPAC的西伸和加强可为华南提供充足的水汽,同时高空辐散在华南引发水汽上升运动,共同导致SCSR正异常。而若El Niño发生时IOB处于中性状态,El Niño相关的SSTA衰减较快,春季WNPAC不显著,SCSR无明显多寡趋势。     

A Three-Dimensional Global Model Study of Carbonyl Sulfide in the Troposphere and the Lower Stratosphere

Global distributions of carbonyl sulfide and carbon disulfide have been calculated with a three-dimensional global model of the atmospheric general circulation (ECHAM). The model calculates a global sink strength for carbonyl sulfide of 0.3 Tg S yr^-1, with vegetation uptake being the largest sink. With this sink strength, the sources have to be close to the lower limit of the present estimate in the literature. The calculated mixing ratios are higher in the Southern Hemisphere than in the Northern Hemisphere. This interhemispheric gradient is the opposite of what is observed demonstrating that the present knowledge of the distribution of sinks and sources is not fully adequate. The model calculations support the idea that the open oceans could act as a net sink of carbonyl sulfide. The calculated stratospheric photolysis of carbonyl sulfide constitutes about 4% of the total sink of carbonyl sulfide. A stratospheric production of sulfate from carbonyl sulfide of 0.013 Tg S yr^-1 is obtained, which is 3 to 12 times less than what is needed to maintain the stratospheric sulfate aerosol layer. Although these results are associated with uncertainties, due to the low upper boundary and coarse vertical resolution of the model, they support recent findings of a low stratospheric production of sulfate from carbonyl sulfide. Instead, sulfur dioxide transported from the troposphere is calculated to be the most important precursor for the stratospheric sulfate aerosol layer.     

冬季热带印度洋上层流场异常模态分析

利用复经验正交函数(CEOF)分解对冬季热带印度洋海洋上层流场异常做了模态分析和结果讨论,得到以下主要结果:该流场异常前两个模态均呈现赤道俘获波形式,其异常在赤道上最大,向南北两侧迅速衰减,呈现纬向流的形态;第一、二模态的性质分别是大洋赤道波动的半波和1波形态,这表明此时赤道波动异常在大洋流场异常中占有重要地位。冬季第一模态大洋垂直运动所导致的近表层海温异常与春、秋季不同,此时在赤道印度洋呈现正—负—正的经向分布态势,这与印度洋耦极子(Indian Ocean Dipole,IOD)的不同,并是IOD在冬季衰亡的直接原因。第二模态相应的海温异常则在赤道东印度洋呈现北负南正的分布态势。第一模态与南亚冬季风异常密切有关,为印度洋冬季风环流模态。第一、二模态都有明显的年际变化和年代际变化,年际变化均为3~5年,主要的年代际变化则分别为约18、22年,此外两者还均有约13年的年代际变化。本文第一、二模态年代际变化的主周期也是冬季北太平洋和冬季热带太平洋流场异常第二、一模态的主周期。     

The Role of Ocean Dynamics in the Cross-equatorial Energy Transport under a Thermal Forcing in the Southern Ocean

Under external heating forcing in the Southern Ocean, climate models project anomalous northward atmosphere heat transport (AHT) across the equator, accompanied by a southward shift of the intertropical convergence zone (ITCZ). Comparison between a fully coupled and a slab ocean model shows that the inclusion of active ocean dynamics tends to partition the cross-equatorial energy transport and significantly reduce the ITCZ shift response by a factor of 10, a finding which supports previous studies. To understand how ocean dynamics damps the ITCZ's response to an imposed thermal heating in the Southern Ocean, we examine the ocean heat transport (OHT) and ocean circulation responses in a set of fully coupled experiments. Results show that both the Indo-Pacific and the Atlantic contribute to transport energy across the equator mainly through its Eulerian-mean component. However, different from previous studies that linked the changes in OHT to the changes in the wind-driven subtropical cells or the Atlantic meridional overturning circulation (AMOC), our results show that the cross-equatorial OHT anomaly is due to a broad clockwise overturning circulation anomaly below the subtropical cells (approximately bounded by the 5℃ to 20℃ isotherms and 50°S to 10°N). Further elimination of the wind-driven component, conducted by prescribing the climatological wind stress in the Southern Ocean heat perturbation experiments, leads to little change in OHT, suggesting that the OHT response is predominantly thermohaline-driven by air-sea thermal interactions.     

对流层下部雨滴谱分布

本文讨论了Г(D)函数n(D)=ADαe-λD一阶、二阶、三阶原点矩与分布参数λ、α的关系。得出由实测雨滴谱算术平均直径D1、均方根直径D2、均立方根直径D3的比值k1=D1/D2、k2=D2/D3求取α的关系,进而可求出Г(D)函数的其它参数A、λ。通过机载二维降水粒子探头（2D-P）获得的空中雨滴谱资料计算表明：由k1、k2求得的参数α1、α2多数是接近的,可以用一个介于α1～α2的值α来近似。本文选取α=2对实测值进行拟合,并和广泛采用的Marshal-Palmer公式(α=0）进行了比较。结果表明：用α=2拟合不仅相关系数R、相关显著水平K较α=0拟合的对应值有明显提高,而且拟合的特征值,如D1、D2、D3、雨水含量Q、雷达反射率因子Z都更接近于实测值,即用三参数（A、α、λ）来表征雨滴谱比双参数（A、λ）要精确得多。     

冬季北半球平流层季节内振荡与对流层季节内振荡的关系

通过平流层大气ISO与对流层大气ISO的比较分析,发现在中高纬地区平流层大气ISO与对流层大气ISO有着许多相同点.北半球冬半年平流层大气环流主要低频模态也可认为是北极涛动(AO),其空间分布的主要特征为; 高纬度地区与中低纬度地区为反位相变化,北极地区附近具有最大的变化值; 其季节内振荡的正位相对应于AO增强,负位相对应于AO减弱.北半球冬半年平流层100 hPa 和70 hPa 位势高度场的低频遥相关分析表明,北极地区(概指北纬60°N以北)和北半球其他大部分地区呈负相关,北极涛动扮演了非常重要的角色.同时,北半球冬半年平流层的主要低频波列是从欧亚大陆中部到西北太平洋,并且由纬向型低频波列(欧亚大陆-西伯利亚-太平洋)和经向型低频波列(欧亚大陆-北极-太平洋)共同构成.平流层30 hPa 和对流层500 hPa 上经过带通滤波(15～90 d)位势高度场的EOF第一主分量的形势有十分类似的特征,它们对应的时间系数序列有显著的延迟相关关系.因此可以认为,北半球平流层大气ISO的变化要先于对流层大气,在滞后35 d 左右其相关系数达到最大.大气环流模式(SAMIL)的数值模拟试验结果也表明,平流层的低频扰动可以在14 d 之后便在对流层500 hPa上激发出低频响应,其谱峰在30 d 左右.这进一步表明,通过大气季节内振荡,平流层的异常可以影响到对流层.