青藏高原地形重力波拖曳的初步分析及数值模拟研究

针对目前对青藏高原大地形激发的重力波拖曳相关问题还不十分清楚,在GRAPES_Meso模式中引入次网格地形重力波拖曳参数化方案,通过数值试验初步研究了青藏高原地区次网格地形重力波拖曳的一些相关参数,结果指出:(1)沿30°N地形重力波拖曳的垂直分布显示,阻塞拖曳主要存在于模式的低层(第1—5层),重力波拖曳主要存在于模式的第5—10层;从水平分布看,模式第3层以阻塞拖曳为主,主要位于青藏高原边缘地区,阻塞拖曳大值区沿喜马拉雅山脉走向和青藏高原东坡;模式第5层以重力波拖曳为主,主要位于青藏高原东部地区和云贵高原的北部边缘。(2)弗劳德数和气流绕流高度分析表明,在青藏高原喜马拉雅山脉一带和高原东部边缘地区,气流爬坡能力强,同时在这一地区绕流高度最高;弗劳德数越大的地区绕流高度距离地表越高。(3)采用次网格地形重力波拖曳参数化方案后,对于低层和高层地形重力波破碎的发生有更准确的描述,地形重力波是向上垂直传播的。(4)个例和批量试验检验结果表明,采用次网格地形重力波拖曳参数化方案对于风场和降水模拟有正效果,提高了模式预报的准确率。     

一次冷锋后飑线的大振幅重力波特性分析

本文用较密集的观测资料分析江淮地区一次冷锋后的飑线过程。分析表明飑线的生成和发展与中尺度冷涌活动有关，它具有大振幅重力波的特征。重力波在传播过程中于大别山东侧形成边缘锋，边缘锋的传播更类似于沿岸Kelvin波，大振幅重力波在边界层特征更明显。这类被地形拦截的大振幅重力波是江淮地区冷锋后飑线的一种可能激发机制。     

青藏高原对东亚大气环流及其低频系统影响的数值试验

本文利用P—σ混合坐标系的五层原始方程模式,研究了夏季青藏高原对东亚大气环流及其低频振荡(10—20天)的影响。结果表明,当没有青藏高原存在时,高原及孟加拉湾地区的降水明显减少;我国长江流域也干旱少雨;对流层中低层高原的强大热源作用也有所减弱;南亚高压位置偏南。数值试验证明,青藏高原是低频波传播的一个源地,同时还表明,高原对对流层中低层上的低频振荡有激发作用,当没有高原地形时,500hPa上低频环流将减弱。高原对低频波的径向传播有明显影响,而对低频波的纬向传播的影响却不显著。     

地形重力波拖曳效应的参数化

当稳定的层结气流越过不规则地形时,会激发地形重力波,在合适的条件下,这种重力波会向上传播。这种重力波的传播与大气静力稳定度、垂直风切变等有关,而且在垂直方向可以传播到很高的高度。为了在中期数值预报和气候模拟中,解决由于地形引起的系统误差,例如纬向风太强、急流位置有偏差等问题,就有必要考虑到由于地形激发的地形重力波及其对大尺度气流的作用。观测表明,与地形重力波有关的天气尺度雷诺应力的量级,一般情况下,只有几十个帕斯卡。地形重力波的水平波长也可能只有几十公里。由于数值模式分辨率的原因,     

青藏高原大地形对冷涌作用的数值模拟研究

本文利用一个有限区域P-σ5层原始方程模式,用欧州中心5°×5°网格资料较好地模拟出1982年12月下旬一次冷涌的大尺度过程。结果表明:青藏高原大地形的热力作用对东亚冬季风无明显影响,而青藏高原大地形对东亚冬季风的动力作用非常显著,它强迫冷空气绕高原东侧南下,激发出冷锋后的开尔文波从而产生东北大风区。另外,冷锋南下时在其前部还产生出一种与大地形无关的重力波,它可能是冷锋本身的激发而形成的。冷涌在Hadley环流之下向南传播,在加强Hadley环流的同时使它南移。     

北半球两大地形下游冬季环流的动力分析——Ⅰ.环流、遥相关和定常波的联系

位势场中槽脊的分布、遥相关型的形态和准定常波的传播路径是1月份500hPa月平均高度场的重要特征。通过资料分析和数值试验,本文证明此三者之间是彼此关联的整体,它们与青藏高原和落基山的强迫作用有关。东亚大槽和北美大槽的强度在中高纬度上存在显著的负相关。这种负相关和槽前急流强度的年际变化导致北美和东亚存在相似的相关型分布,准定常波在两大地形下游传播的不同则导致两区域相关波链形态的明显差异。     

GRAPES中地形重力波拖曳物理过程的引进和应用试验

在中国新一代全球中期/区域中尺度同化与预报系统(GRAPES)模式中引进了ECMWF地形重力波拖曳物理过程,填补了GRAPES全球中期数值预报系统中物理过程的空白。重新计算了地形重力波过程需要的地形静态资料数据,并与原ECMWF模式的地形静态参数进行了对比分析,验证了模式地形参数的正确性。利用GRAPES模式,进行了地形重力波拖曳物理过程影响的敏感性数值试验;结果表明:引进地形重力波拖曳过程以后,在存在大地形的区域,风场会发生变化,当纬向风遇到青藏高原时,一部分气流会产生爬坡效应而越过高原,使高原上空的西风气流减弱;另一部分气流会绕过高原,在高原的南侧产生绕流;随着模式积分时间的延长,风场变化会越来越明显,地形越复杂,风场的变化也越复杂;连续的模式积分试验结果显示,引进地形重力波过程,可以延长GRAPES模式的可用预报时效,提高了全球形势预报的准确率。通过对一次降水过程的模拟,对地形重力波过程影响降水预报的原因进行了简单分析。结果显示:引进地形重力波拖曳过程后,改变了大气流场的分布,使预报的流场更接近于大气真实状态,从而提高了降水预报的准确率。     

冷涌结构及冷涌期中低纬环流相互作用的数值试验

本文利用1982年12月下旬一次冷涌过程的数值试验结果,分析了冷涌的结构并初步讨论了冷涌期中低纬环流的相互作用。结果表明,冷涌仅在近地面反映清楚,水平流场上表现为由大地形激发的开尔文波引起的东北大风沿青藏高原东侧迅速南下,而冷涌前沿则是以重力波特征向南传播。Hadley环流随冷涌南进不断加强。冷涌在涡度场和散度场上分别为一条状北倾的正涡度区和辐合区,它对应于冷锋南下时造成的上升运动区。冷涌能引起赤道地区的扰动加强和中纬度对流层高层西风急流的增强。冷涌期中低纬地区能量增大,通过能量的频散作用把中低纬环流连结起来了。      

一次大暴雨过程中地形重力波拖曳作用的研究

利用WRFV3.9数值模式,对2011年6月9-10日发生在湘鄂赣交界附近山区的一次江淮气旋大暴雨天气过程进行模拟.进行了地形重力波拖曳作用的控制试验和不考虑地形重力波拖曳作用的敏感性试验.结果表明,控制试验能较好地再现江淮气旋及其产生的强降水;模式引入地形重力波拖曳后能够更好地模拟出地形附近雨带的中心位置和强度;地形...     

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。     

THEORETICAL STUDY ON EFFECT OF QINGHAI-XIZANG PLATEAU UPON COLD SURGE*

Starting from the linear shallow-water wave equations including in themselves the effect of a large-scale orograpny, two types of gravity wave solutions are derived on the assumption that the Qinghai-Xizang Plateau serves as an orography in question inclined from west to east at the same slope. One type contains two solutions of high-frequency inertia-gravitational waves and the other solution of low-frequency topography-excited gravity waves, bearing some similarity to Kelvin mode. Both types are similar, respectively, to the gravity waves of the front of the cold surge during the rapid southward advance, and to the strong velocity center of the surge when it propagates southward slowly along the east brim of the Plateau, as shown by the numerical study.Results indicate that the low-frequency wave vanishes whereas its counterpart remains especially in the absence of the orography. In addition, we find that the propagation of the gravity-wave rays is in the form of a trochoid equation, a result in good agreement with the curved path of the strong velocity center going down the east fringe of the Plateau as shown by the numerical study. And probably a waveguide tube of topographic gravity mode is present in the coastwise area downstream of the orography.     

On the Two Successive Supercold Waves Straddling the End of 2020 and the Beginning of 2021

Two supercold waves straddling 2020 and 2021 successively hit China and caused record-breaking extremely low temperatures.In this study,the distinct features of these two supercold waves are analyzed on the medium-range time scale.The blocking pattern from the Kara Sea to Lake Baikal characterized the first cold wave,while the large-scale tilted ridge and trough over the Asian continent featured the second cold wave.Prior to the cold waves,both the northwest and hyperpolar paths of cold air contributed to a zonally extensive cold air accumulation in the key region of Siberia.This might be the primary reason why strong and extensive supercold waves occur even under the Arctic amplification background.The two cold waves straddling 2020 and 2021 exhibited distinct features:(1)the blocking circulation occurred to the north or the east of the Ural Mountains and was not confined only to the Ural Mountains as it was for the earlier cold waves;(2)the collocation of the Asian blocking pattern and the polar vortex deflection towards East Asia preferred the hyperpolar path of cold air accumulation and the subsequent southward outburst;and(3)both high-and low-frequency processes worked in concert,leading to the very intense cold waves.The cold air advance along the northwest path,which coincides with the southeastward intrusion of the Siberian High(SH)front edge,is associated with the high-frequency process,while the cold air movement along the hyperpolar path,which is close to the eastern edge of the SH,is controlled by the low-frequency process.     

青藏高原大地形对南海冷涌事件影响的数值模拟

利用大气环流模式NCAR CAM3,通过比较敏感性试验与控制试验的结果,讨论青藏高原大地形高度对南海北部冷涌事件及环流的可能影响。结果表明,地形的绕流作用对阿留申低压和东亚大槽的产生有着重要作用,当大地形不存在时,两者消失。地形高度变化对大陆冷高压的强度有影响,随着地形高度的降低大陆冷高压强度减弱。即大地形对中高纬行星尺度平均槽脊具有重要作用,地形高度降低会导致中高纬环流经向度减小,不利于冷空气南下,从而影响冷涌事件的强度和发生频率。当地形高度减半时,由于大陆东部地势相对平坦,南海北部北风强度增加,使得南海北部冷涌的出现频率略有增加。当无地形存在时,由于无青藏高原大地形的存在,使得东亚中高纬环流的经向度显著减小,冷空气南下活动明显减弱;同时没有大地形激发冷锋后的Kelvin波向南运动,导致南海北部北风强度减弱,南海北部冷涌的出现频率也显著减少。     

2011/2012年冬季寒潮低频特征及其与500 hPa低频系统的耦合关系

利用NCEP/NCAR的逐日再分析资料和国家气象信息中心的常规观测站温度资料,首先分析了2011/2012年冬季中国低温异常过程中的两次典型寒潮过程和全国828个站平均温度低频振荡的变化特征,然后分析了温度场低频振荡随位相的演变,最后采用SVD（Singular Value Decomposition）方法研究了北半球中高纬度对流层中层低频环流系统配置对温度低频变化的影响。结果表明：1）2011/2012年冬季的寒潮和强降温过程是在全国区域平均温度存在较强的10～30 d低频振荡的背景下发生的,中国的北方和东南部地区温度的低频振荡较强是导致其降温显著的主要原因之一。2）SVD分析的第一模态显示,亚洲-西太平洋中低纬度与中高纬度的南北两支低频波列在东亚地区耦合,使我国中东部和东南部地区处于沿偏东路径南下的强冷空气中;第二模态显示,沿着喀拉海-乌拉尔山东侧-我国西部的低频波列引导源地冷空气沿西北路径南下相继影响我国西北和东北地区。这两个模态驱动了强度大、范围广的低频温度由升高向降低变化的振荡,是导致2011/2012年冬季寒潮发生和极端低温事件出现的环流系统。     

2010年华南前汛期持续性降水异常与准双周振荡

利用中国台站逐日降水资料以及NCEP-DOE逐日再分析资料,分析了2010年华南汛期降水异常的低频特征及大气环流的影响。结果表明,2010年华南汛期降水异常呈显著的低频振荡特征,其中前汛期以10~20天振荡（准双周振荡）为主,后汛期以20~50天振荡（季节内振荡）为主。重点讨论了准双周尺度上前汛期持续性降水异常与中高纬和热带地区大气低频振荡的关系。中高纬地区的低频环流可通过Rossby波能量沿着低频遥相关波列的频散影响华南低频环流的变化。波活动通量分析显示,西西伯利亚作为Rossby波源,其波能量沿着横跨欧亚大陆的低频遥相关波列向我国东部地区频散,引起该地扰动加强,从而引起华南低频环流及垂直运动的变化进而造成华南降水的异常。热带东印度洋的准双周振荡是影响华南前汛期降水的另一低频来源。当赤道东印度洋对流旺盛（抑制）,其上空为强上升（下沉）气流,低层辐合（辐散）高层辐散（辐合）,而华南上空盛行下沉（上升）运动,不利于（有利于）华南降水。来自中高纬和低纬的低频信号的叠加并配合低频水汽输送共同影响了华南环流异常的低频变化,从而引起华南的低频降水异常,有利于华南持续性降水异常的发生。      

一次寒潮降温过程的等熵位涡和热力学分析

通过等熵位涡和热力学能量方程的各项诊断对2018年1月上旬我国东部一次寒潮天气过程进行分析,重点给出垂直运动在寒潮降温中的作用。结果表明：此次寒潮天气过程主要受蒙古国南部的横槽转竖影响,巴尔喀什湖东部和西伯利亚地区及其北部为引起这次寒潮的主要冷空气源地。欧亚大陆北部和极区对流层高层和平流层低层的高位涡强冷空气沿着等熵面向南向下平流,引导强冷空气侵袭我国东部。等熵位涡大值区的东侧对应上升运动区,有利于降水的产生。寒潮期间风场平流引起的850 hPa强降温区主要位于东南沿海地区,降温幅度最高可达6×10^-4 K·s^-1,而东北地区在整个寒潮期间冷平流强度较弱,最大降温幅度仅约为1×10^-4 K·s^-1。通过计算东南沿海和东北地区区域平均风场平流和垂直运动引起850 hPa温度变化,得出寒潮期间两地的温度总降幅约为1×10^-4 K·s^-1。东南沿海地区的寒潮主要由风场的冷平流引起,而东北地区则是由冷平流和垂直上升运动的共同作用引起。垂直方向上,东北地区冷空气能影响的高度要远高于东南沿海地区。     

冬季东亚高空急流季节内协同变化及对我国东部降水的影响

利用ERA-Interim再分析资料,采用滤波和合成分析等统计方法,分析了冬季东亚高空急流的季节内协同变化以及对我国东部降水的影响,结果表明:在季节内尺度(10~90天)中,东亚地区冬季300 hPa逐日纬向风主要表现为准双周振荡(10~30天)。300 hPa低频纬向风异常整体向东传播,高纬的低频纬向风异常向南传播,低纬低频纬向风没有明显经向传播特征。伴随低频纬向西风从里海附近开始向东移动至西北太平洋上空,温带急流向东再向东南移动并且强度先增强再减弱,副热带急流位置没有明显变化,强度演变特征与温带急流变化相反。降水异常对300 hPa风场低频振荡有显著响应,低频降水主要出现在我国东部,随时间向东移动,移至西太平洋附近消失;受低频风场影响,温带急流偏强,副热带急流偏弱时,我国东部高空辐合,地面表现为低频高压,整层有较强下沉气流,地面为东北风控制,不易产生降水;温带急流偏弱,副热带急流偏强时,青藏高原北侧整层一致东风异常,南侧整层一致西风异常,使我国东部高空辐散,地面受低频低压控制,我国东部产生整层上升运动,并且有西南风水汽输送,水汽辐合,我国东部出现低频降水正异常。      

2000/2001年冬季北欧异常流型形成机理及其对我国北方天气的影响

从Rossby波能量的频散和瞬变斜压扰动的正压反馈角度,探讨了2000/2001年冬季盛行的斯堪的纳维亚环流型(正位相)的维持机理,并讨论了其对我国北方地区天气气候的影响。该环流型上游部分,即北大西洋和斯堪的纳维亚半岛的两个活动中心主要由瞬变斜压扰动的正压反馈所形成,部分由Rossby波能量频散所维持。而下游部分,即贝加尔湖附近的气旋式环流异常主要由Rossby波能量从上游频散所形成和维持。与该环流型对应,冷空气在西、中西伯利亚堆积,并在其南侧的西风气流区中平流,使得我国华北部分地区和东北地区比常年冷。该环流型导致新疆北部地区、内蒙古东部及东北地区降雪量显著增强。大西洋急流的东伸及对应斜压扰动的显著加强是预报北疆和内蒙古东部及东北地区多雪的一个重要前兆因子。