梅雨锋中尺度系统及其与大尺度运动相互作用的能量学研究

本文导出了二维非均匀介质中重力惯性波的频散方程、波列传播路径方程和考虑了中尺度与天气尺度运动之间相互作用的动能收支方程,并用于讨论了一个典型的梅雨锋过程。研究发现,由一条中尺度雨带强迫产生的重力惯性波的能量频散可能成为另一条中尺度雨带生成和维持的机制;中尺度与天气尺度运动之间相互作用所产生的动能交换是中尺度系统发展的一个非常重要的动能来源,在中尺度系统的维持中也有重要作用。      

能量转化视角下一次引发冬季区域强对流的南支槽研究

2020年1月24—25日广西出现一次罕见区域性强对流,过程伴随近20年最大范围冰雹天气。南支槽异常发展东移是此次过程的扰动背景,提供了必要的热动力及水汽条件。基于波作用通量及多尺度能量诊断方法,利用常规观测资料、风云卫星资料、NCEP/NCAR以及ERA5再分析资料,从能量转化角度对此次引发区域强对流的南支槽过程进行研究。结果表明:整个过程中纬度和副热带西风急流均较历史同期偏强,有利于上游扰动向下游传播。欧亚大陆上空存在南北两支活跃Rossby波列。源自地中海一带的南支副热带西风急流Rossby波列对南支槽起到主要调控作用,Rossby波能量沿急流频散并在南支槽区辐合,促进了南支槽发展东移。源自北大西洋阻塞高压内部的北支Rossby波列则起到协同作用,促进了乌拉尔山冷槽发展及其与中东槽合并,从而增强了南支波列向下游的传播,进一步增强南支槽;天气尺度有效位能向天气尺度动能的转换以及由背景场向天气尺度的动能输送是南支槽天气尺度扰动发展的主要贡献项。动能的平流输送将获得的天气尺度动能在空间上再分配,维持南支槽稳定发展东移。在此背景下,天气尺度向对流尺度的降尺度动能串级是区域强对流最主要能量...     

1991年夏东亚阻塞高压形成的诊断分析

文中将１９９１年夏季在东亚地区发生的阻塞高压分为发展期,旺盛期及衰亡期等３个阶段进行了细致的诊断分析。发现在东亚阻塞高压的第一、二阶段其上游有明显的波活动通量与２～６ｄ尺度的Ｅ矢量通量传播。即定常罗斯贝波的传播与天气尺度扰动的共同作用有利于东亚阻塞高压的维持。第一阶段西风气流的分支处有比第二阶段更为明显的南北向分布的涡动位势涡度的辐散辐合偶极子说明了天气尺度扰动给阻塞高压的发展提供了很重要的能源,显然天气尺度扰动在阻塞高压的发展阶段起着比旺盛阶段更为显著的作用。本文还注意到乌拉尔阻塞高压的崩溃与东亚阻塞高压形成的某些联系。     

大气Rossby波动力学的研究进展

Rossby波是旋转大气和海洋中的一类重要波动,在天气和气候演变中起有重要的作用。该文介绍了北半球中纬度地区的两类重要Rossby波——斜压不稳定波和准定常行星波,在最近20余年来取得的一些重要研究进展。文中涉及的主要研究领域有:斜压不稳定波包动力学、湿斜压过程对斜压不稳定波的作用、北半球风暴轴动力学、斜压波包与高影响天气的预报、准定常行星波的形成机理、准定常行星波的水平传播与能量频散、准定常行星波的垂直传播与能量频散、三维准定常行星波的传播与能量频散。     

球面斜压大气中上传行星波与纬向平均气流的相互作用

本文指出在球面斜压大气中的行星尺度扰动与纬向平均气流相互作用中必须考虑非地转风分量对位涡度南北方向输送的作用,从而证明了球面大气中行星尺度运动的波作用守恒,并求得球面大气中的行星尺度扰动与纬向平均气流相互作用的欧拉平均运动方程组。 本义利用1979年2月的实际天气观测资料分析了北半球一次对流层阻塞形势建立与平流层爆发性增温过程的行星波与纬向平均气流的相互作用。从分析结果可以看到:由于行星波向上传播,使得在高纬度对流层中、上层出现行星波的波作用通量(也称E-P通量)辐合,使得西风气流减速,因而在高纬度对流层中、上层形成阻塞形势。并且,随着行星波的继续向上传播,使得平流层下、中层的基本气流相继减速并出现东风,因而在平流层下、中层出现爆发性增温。然而,由于高纬度对流层低层出现东风,行星波不能往上传播,在上层波的E-P通量矢量变成辐散,气流由东风又变成西风。     

2003年淮河大水期间亚洲北部阻塞高压的形成特征

利用观测资料和NCEP再分析资料分析2003年淮河大水期间亚洲北部阻塞高压的形成维持机制, 结果表明, 2003年淮河梅汛期亚洲中高纬地区阻塞高压的异常活动中, 波流作用十分显著。6月上旬, 阻高建立前期和维持过程中, 上游地区天气尺度波动活跃, 欧洲斜压区不断有瞬变动能生成, 并在阻塞区向阻高平均流转化。从瞬变涡动的作用来看, 上游传播而来的瞬变波不断将较低纬度的低位涡空气向阻塞区输送, 有利于阻塞高压的建立维持; 平均流则使位涡呈相反形势发展, 引导阻塞高压向东频散, 削弱了扰动位涡输送的作用, 对阻高的维持起到耗散作用。阻高建立前, 瞬变涡位涡输送作用强于平均流位涡平流, 造成阻塞区位涡降低, 有利于阻高生成; 阻高维持期间, 瞬变涡位涡输送与平均流位涡平流输送量相当; 6月25～30日, 阻塞高压明显西退, 该阶段瞬变涡动明显强于平均耗散作用, 引导低位涡场向西移动。研究表明, 大气内部的波波作用对阻高的建立维持也十分重要。1波与5波在一定范围内的共同作用可能是阻高建立维持的决定因素, 而天气尺度波动扰动则对阻塞高压的建立、 维持和崩溃起到重要的作用。波波作用表明, 2003年6月份阻塞高压建立、 维持时, 尺度较长的波一般从平均动能得到扰动动能的转化, 尤其5波, 斜压能的转换不但是其能量的来源, 同时非线性作用也使得尺度更小或更长的波向其提供能量; 阻高衰退时, 5波则通过非线性作用向其他波动输送能量, 同时也存在斜压耗散, 能量逐渐失去。     

复杂构型涡旋能量频散波列的形成过程

能量频散是一个基础性的科学问题,与台风、暴雨以及地震等灾害密切相关,一直受到多学科研究人员和广大预报员的关注。孤立圆涡能量频散波列形成过程己经清楚。但是,造成天气灾害的往往是非孤立圆涡,这里,非孤立圆涡指的是:一个热带气旋(Tropical Cyclone,TC)涡旋和一个中尺度涡构成的复杂构型。非孤立圆涡能量频散波列的形成过程研究目前尚未见报道。本文用线性化的正压无辐散涡度方程,研究了复杂构型的非孤立圆涡能量频散波列的形成过程,并指出该形成过程由三个阶段构成:涡旋东西向非对称结构的形成;涡旋主体东侧,频散高值系统的出现、持续和发展;在频散高值系统的东侧,频散低值系统的出现和加强。这些结果在台风预测中具有应用前景。     

东亚地区夏季阻塞过程的研究进展

阻塞过程是一种大尺度的大气环流持续性异常现象 ,它一旦出现会造成大范围的天气和气候异常。对阻塞过程的定义多种多样 ,有根据阻塞的气候特征进行定义的 ,也有根据阻塞的天气特征进行定义的 ,研究时根据不同的情况应选择不同的定义。人们用平衡态理论、外源强迫下的共振理论、非线性孤立波理论、斜压性及波流相互作用等理论对阻塞过程进行了研究 ,得到了许多有意义的研究结果。东亚夏季的阻塞过程对中国的天气气候有重要影响 ,东北地区的夏季低温、华北地区的干旱、长江中下游和江淮地区的梅雨和洪涝灾害等都与东亚阻塞过程有关。人们对东亚夏季的阻塞过程形成原因的研究很多 ,发现乌拉尔山阻塞高压崩溃后 ,Rossby波的传播、青藏高原及其附近地区暖湿空气的传输和赤道西太平洋海温异常激发的遥相关波列等对东亚夏季阻塞过程的形成有重要影响     

梅雨锋暴雨过程中两支雨带的数值模拟

利用中尺度模式（ＭＭ４）对１９８１年６月２７日江淮地区梅雨锋暴雨过程进行数值模拟,取得了与实况比较一致的结果,成功地模拟出南北两支中－α尺度雨带,在此基础上利用模式输出资料进行中尺度诊断分析,揭示了这次天气过程的中尺度结构特征。重点探讨两支雨带形成和维持的机制。并通过干湿对比试验讨论了积云对流潜热反馈作用。研究表明：在这次过程中南、北雨带主要是由于重力惯性波频散、高低空急流耦合等共同作用下的结果。     

有蒸发-风反馈和海-气相互作用的CISK开尔文波——热带季节内振荡机制的进一步研究

将波动－CISK（积云对流加热反馈）、海－气相互作用和蒸发－风反馈都引入一个简单理论模式，研究了他们在驱动热带大气季节内振荡（ISO）中的作用。其结果表明：波动－CISK在减慢激发波的位相速度以接近观测到的热带ISO的移速过程中起主要作用；而蒸发－风反馈的主要作用是使激发波不稳定；海－气相互作用在减慢激发波的移速方面也有一定作用。因此，波动－CISK和蒸发－风反馈可认为是热带ISO的主要动力学机制。本研究还表明，由于蒸发－风反馈和海－气相互作用的影响，激发波是一种频散波，这种频散性可以更好地解释热带大气中ISO的活动特征。     

呼伦贝尔市一次鄂霍次克海阻高影响下的降水天气过程分析

2011年7月24日—8月4日呼伦贝尔市出现了一次鄂霍次克海阻高影响下的降水天气过程,此次降水过程历时之久为历史罕见。文章通过分析降水过程天气尺度大环流背景影响下的中小尺度天气系统的活动,结合水汽通量散度、垂直速度、涡度等物理量场的分布,发现受鄂霍次克海阻塞高压的阻挡,高空槽稳定摆动且发展为低涡,为暴雨的反复出现提供了极有利的天气尺度环流条件。     

2015年初北极极端气旋对中国寒潮的影响

从北大西洋中高纬度进入北极的极端气旋会引起北极异常增暖,与中高纬度极端天气事件关系密切,危害极大。利用ERA-Interim再分析资料和中国地面气象站观测资料,探讨了2015年1—2月两个极端气旋（C1,C2）影响中国天气的物理过程和机制。结果表明:当极端气旋生成并北移,附近大气低层和高层均出现异常增暖,中高纬度大气环流表现为乌拉尔阻塞形势形成,极涡断裂,低压槽加深南压,我国发生寒潮天气;且极端气旋伴随的异常增暖加强Rossby波能量频散,使中高纬度的槽和脊发展。对比发现,C1和C2的生成地和路径均存在差异,相比于C2,C1生成纬度较高且路径偏东,对应低温寒潮天气范围更大,但强度比C2略弱。这些结果均表明,极端气旋的生成和移动是中国寒潮天气发生的重要原因之一。     

致洪暴雨过程中尺度涡旋的涡散作用及准平衡流诊断分析

利用较高分辨率的观测资料与模拟结果进行分析表明,影响2008年6月中旬广西致洪暴雨的主要中尺度天气系统是准静止的中尺度涡旋,它是中纬度天气尺度西风带波动与低纬度暖湿气流带在地形效应下相互作用的结果,其生成、发展和移动对此次致洪暴雨过程的降水强度和持续有重要作用,该中尺度涡旋具有强涡散共存、涡散度达同量级并伴随有较长生命...     

缓慢移动的行星尺度偶极子包络Rossby孤立子与?双波地形相互作用

在ＬＧ型偶极子近共振条件下，获得了一个高阶非线性Ｓｃｈｒ■ｄｉｎｇｅｒ方程，并用此方程来描述缓慢移动的包络Ｒｏｓｓｂｙ孤立子与双地形相互作用。数值结果表明，在ＬＧ型偶极子近共振条件下，在弱西风气流中，当一个弱包络孤立子位于地形槽区时，包络Ｒｏｓｓｂｙ孤立子可以通过近共振强迫而放大，并产生振荡现象然而长时间过后这个孤立子将破裂并激发一系列向西传播的小振幅波。在一定时间后，强迫孤立子除了东传外还存在一个缓慢的西传。同时，强迫包络Ｒｏｓｓｂｙ孤立子的瞬时流场与观测到的Ω型阻高和偶极子的形成、维持和崩溃过程类似。除此之外，孤立子扰动理论被用来研究双波地形在Ω型阻高和偶极子中的作用。结果表明，在孤立子的强迫过程中，由于高阶项的存在，孤立子的群速度和相速趋于相等，以致于阻塞包络与载波在某个时刻锁相，在这种情况下，阻塞的产生是强迫包络孤立子从频散向非频散的转换过程，而在阻塞崩溃期间则相反。因此包络孤立子与地形相互作用可以认为是阻塞产生的可能机制。     

江淮流域持续性强降水过程的多尺度物理模型

本文对江淮流域持续性暴雨事件（PHREs）的多尺度物理模型和能量转换特征以及青藏高原东部对流系统东移影响下游地区降水的研究成果进行了总结。从欧亚大陆Rossby波列能量频散的角度揭示了江淮流域PHREs中纬度系统槽脊稳定的机制,定量分析了冷暖空气的源地和输送路径,提出了江南型和江北型PHREs的多尺度物理模型。从天气尺度和次天气尺度之间的能量转换角度呈现了不同尺度系统相互作用的物理图像,指出背景场的能量供给是直接触发暴雨的次天气尺度系统维持的最重要因子,尤其是在对流层的低层,动能的降尺度级串（即能量由背景场传递给次天气尺度系统）最强。研究表明青藏高原东部对流系统东移影响江淮流域的降水是一系列天气系统配合和活跃的结果,主要由青藏高原和四川盆地、二级地形和东部平原之间的热力环流、西南涡、二级地形以东中尺度涡旋和对流系统的共同影响。除了本文总结的内容,还有一些影响PHREs的因子值得深入研究,多尺度相互作用中的Rossby波源及其波列如何影响天气系统,中尺度系统对其背景场的能量反馈等。     

热带大气半地转适应理论的尺度分析和物理机制

对热带大气行星尺度运动所做的尺度分析和物理分析表明:热带大气 的行星尺度运动在y方向容易实现气压梯度力与Coriolis力的平衡，它称为纬圈的 半地转运动。半地转平衡的建立过程，也就是半地转适应过程相对是很短暂的，它不需 要考虑f=β0y随y的变化，因而主要依靠惯性重力波为频散；而半地转平 衡建立后的演变过程相对是很缓慢的，它主要受Kelvin波和Rossby波控制。     

夏季东亚上空副热带高压中期变化的物理机制讨论

本文从动力学角度分析讨论了夏季南海至热带西太平洋地区的热力作用和环流分布的变化对东亚副热带地区位势高度场产生的影响。研究表明:这种影响表现为热带地区的热力和环流作用对东亚上空副热带高压的强度和位置变化具有一种遥相关的制约作用,而这种作用过程是通过上述热带地区激发出的天气尺度以上的准定常波列向东亚副热带地区传播来实观的。本文结果对一些天气观测事实作了解释。     

汉江流域暴雨的Eliassen-Palm通量特征及潜势预报

利用1980—2018年ERA-Interim全球再分析资料,对汉江上游汉中地区暴雨过程纬向风场及瞬变波活动Eliassen-Palm(下简称EP)通量特征进行诊断分析。结果表明:(1)尝试将瞬变波EP通量特征分析应用到汉江流域典型暴雨过程动力特征研究中,天气尺度瞬变波EP通量的辐散可以表征天气尺度扰动的强迫作用,根据热成风原理,角动量和热量的沉积耗散会进一步影响纬向环流的变化。大气中高层瞬变波活动特征可作为提前量反映汉江流域暴雨的发生。(2)暴雨发生前,30°N附近200 hPa有纬向风减速中心,对应200 hPa为EP通量辐散区,EP通量辐散区扩展加强有利于暴雨的发生,这种大气波动的垂直分布特征及其变化对暴雨发生有指示意义。     

中高纬Rossby波活动对盛夏东亚/太平洋事件中期演变过程的影响

在中期时间尺度上探讨了Rossby波活动对盛夏东亚太平洋(EAP)事件的影响。正负EAP事件的形成过程不是简单的反位相过程, 但这一时期的气候平均流波导结构决定了两者在Rossby波能量频散特征上有许多相似之处。在对流层中上层, 源自上游东北大西洋或东欧平原的Rossby波能量经巴尔喀什湖附近向东北方向频散, 它对东北亚异常中心的形成和维持起重要作用。由于盛夏东亚急流位置偏北, 我国华北[CD*2]东北地区成为波导区, Rossby波能量从贝加尔湖附近向该波导区频散, 形成了EAP事件的东亚中纬度异常中心。在EAP事件的三个异常中心中, 东北亚异常中心最先形成, 西太平洋副热带异常中心则最后出现。在对流层上下层波导结构有明显差异, 它导致了Rossby波能量在东亚沿岸中高纬地区的反向经向传播特征。在负事件的对流层低层, 西太平洋副热带异常中心和中纬度两个异常中心间的经向Rossby波链接较为明显。在东亚地区, 盛夏月平均尺度上EAP型的Rossby能量频散特征与中期EAP事件基本一致。     

非线性螺旋行星波的非频散解

本文将柱坐标中正压无辐散大气的运动方程组作适当简化后,求出了螺旋行星波的非频散椭圆余弦波解,并得到了波速公式及波参数间的一些诊断关系。这些关系绝大多数与观测事实相一致,故在大气中这种非频散的椭圆余弦波可能是真实存在的。或者可作为真实的非线性波动的第一近似。