亚洲季风变动与大气正压/斜压运动动能变化的气候特征

使用ＮＣＥＰ／ＮＣＡＲ４０年（１９５８～１９９７年）月平均再分析资料,通过动力学论断研究了大气斜压／正压运动动能的变化及其相互转换,分析了亚洲季风变动与这两种动能变化的联系。指出：季风区大气运动动能的组成和变化具有独特的特征。冬季风时期大气斜压运动动能与正压运动动能具有正相关线性关系,斜压运动能向正压运动动能转换;春、秋季无论是东亚还是印度季风区斜压运动动能与正压运动动能之间转换都处于极小值,只是     

西风槽与强热带风暴配置下动力正、斜压性对暴雨影响研究

用加密气象站降水资料、NCEP再分析资料以及WRF模式的精细化模拟产品资料,对2011年6月24日20时-25日20时,由强热带风暴“米雷”与西风槽结合造成的江淮区域暴雨过程进行分析和诊断.结果表明:西风槽温压场斜压性显著,强热带风暴温压场正压性显著,构成了有利于中小尺度系统和暴雨发生发展的环流背景.由强热带风暴携带而来的水汽,路程近、速度快,在暴雨区形成深厚的水汽层.暴雨区具有两个上下叠置的垂直上升运动中心,保持对水汽的深厚强抬升,维持暴雨环流系统的强度.暴雨区环境大气流场动力正、斜压分解显示,此次暴雨过程大气流场的斜压成分占显著的主导地位;暴雨开始阶段,正压动能向斜压动能的转换迅速增强,各分项和总项都达到最大值;其后的暴雨阶段,转换强度逐渐减弱,暴雨结束时各项都接近0值,甚至出现弱的斜压动能向正压动能的转换.     

非均匀风场与急流强迫的水体涡旋动力特征模拟

通过数值模拟有限区域水气界面由强迫作用驱动形成的水体涡旋及环流动力结构特征,分析非均匀风场、水体急流、两者叠加以及环境边界和地转偏向力等因子的综合影响,探讨此类水体涡旋结构和动力特征。风应力驱动的水体涡旋尺度大,相对深厚,正涡旋具有下凹表面,负涡旋具有上凸表面。水体急流驱动的涡旋形成在急流两侧,对应急流所在深度及厚度尺度相对较小,也较浅,但流速与强度均大于风场驱动的涡旋环流。地形阻挡起着引导涡旋环流走向的作用;同时在北半球地转偏向力对急流侧向负涡旋形成和强度增强更为有利。此外正涡旋对应的辐合辐散势函数强于负涡旋,有利于正涡旋区垂直上升运动强于负涡旋中垂直下沉运动。非均匀风场及水体急流两种强迫叠加作用下,涡旋数量增加、尺度减小,底层的流场形态及强度与表层差异增大。形成的水体涡旋结构呈现多种形态：深厚的整层一致;浅薄的仅维持在上层,或上下层环流相反等。风应力驱动的涡旋以正压性为主,水体急流驱动的涡旋因急流的垂直强切变而具有强的斜压性,在正斜压动能的转换中,正压性涡旋区有斜压动能向正压动能转换,斜压性涡旋区有正压动能向斜压动能转换,均有利于这两个区域正负涡旋的维持。     

南亚高压季节变化中的正斜压环流转换特征

利用１９５８～１９９７ 年的 Ｎ Ｃ Ｅ Ｐ／ Ｎ Ｃ Ａ Ｒ 再分析资料,采用将大气环流在垂直方向分解为正压和斜压环流两个分量的方法,讨论了南亚高压季节演变中的正斜压环流的转换特征。指出（１）夏季,南亚高压以斜压性为主,其斜压分量约占 ７０ ％ 的比重,冬季以正压性为主,其正压分量约占 ７０ ％ 的比重;（２）由冬季的正压性高压向夏季的斜压性高压的季节演变中,南亚高压是在其斜压分量环流的引导下移动的,即其斜压分量环流的变化超前于其自身的变化;（３）由夏季的斜压性高压向冬季的正压性高压的季节演变则相反,南亚高压是在其正压分量环流的引导下移动的。     

大气环流的正斜压流型特征与季风类型

利用 NCEP/NCAR的 1 982～ 1 994年全球 1 2层等压面上的风场资料 ,计算了大气流场的正压分量 (即质量加权垂直平均 )和斜压分量 (即各层实际风与正压分量的差值 ) ,分析了全球冬夏季正斜压流场的分布特征 ,并从地面风场的正斜压流型角度对全球季风进行了分类。指出 :斜压流场和正压流场的季节变化都可以产生冬夏季盛行风向的反转 ,因而都能够产生季风。斜压流场反映了大气中不均匀加热 (主要是海陆热力差异 )所驱动的热力环流 ,而正压流场则主要代表动力作用所产生的环流 ,这对认识季风的性质很有意义。进一步分析表明 :亚洲热带地区、非洲、南美等典型季风区属斜压流型季风区 ,南、北半球太平洋中部的副热带地区也为季风区 ,但属正压流型季风区 ,而东亚副热带地区则属正斜压流型共同组成的混合流型季风区。     

30—50 天振荡动能特性及其与平均气流正压不稳定能的转换

该文利用冬季500 hPa的欧洲中心（ECMWF）网格点逐日资料,分析了30—50天振荡的E矢量分布、动能特性及平均气流的正压不稳定能转换特征,从而得到：30—50天振荡的能量传播与西风急流的位置有密切的关系,在西风大风速区作纬向能量传播,在小风速区作指向赤道的经向传播;在急流的出口区有较强的正压能转换,低频振荡从基本流中获得能量,使这里的低频动能最大,并表现出较强的正压特性,与低纬度的斜压特性形成鲜明对照。     

阻塞过程的正、斜压涡度拟能场诊断研究

应用正、斜压涡度拟能方程，对1998年6月3～11日发生在鄂霍次克海的一次阻塞环流进行诊断。结果表明:阻塞区内总涡度拟能和正压涡度拟能具有显著的变化，它清楚地揭示了阻塞过程中酝酿、维持和崩溃阶段中的不同特征，而正、斜压动能所显示的阻塞过程的变化特征则不明显。正、斜压涡度拟能场相互转换及阻塞区内外正、斜压涡度拟能场的净通量机制是鄂霍次克海阻塞环流建立和维持的两项主要因子。其过程是:首先通过斜压涡度拟能净通量机制，使斜压涡度拟能增长；又通过正斜压涡度拟能场的转换机制将增长的斜压涡度拟能转为正压涡度拟能；与此同时，通过正压涡度拟能净通量机制使正压涡度拟能增长。这两种不同的机制相互结合，从而使正压涡度拟能增长和维持，形成阻塞环流。而斜压涡度拟能增长甚微。     

2004年冬季风期间一次强寒潮过程的能量收支研究

利用1°(纬度)×1°(经度)的NCEP再分析资料和常规站点观测资料对2004年12月28～31日的一次强寒潮、冷涌过程作了研究,研究结果表明:(1)此次强寒潮事件在我国南海引发了强烈的冷涌,该支冷涌一直向南越过赤道影响南半球.大尺度环境场有利于此次寒潮、冷涌事件的爆发,本次寒潮属于“横槽转竖型”,其中200 hPa的西风带大槽经历了一次调整,500hPa经历了一次明显的横槽转竖过程,对流层低层蒙古高压稳定维持,其东侧的偏北大风是冷空气南下的有利条件.(2)此次寒潮大风区内的动能制造以正压动能制造和斜压动能制造为主,寒潮爆发初期,以正压制造过程为主,此后,由于有效位能释放的作用增强,斜压制造过程与正压制造强度相当,大风区随着动能制造的增强而增强;当斜压、正压动能制造均减弱,大风区亦随之减弱.(3)有效位能收支表明,整层有效位能的释放与大风区相对应,有效位能的释放有利于寒潮、冷涌的维持.寒潮大风区内,对流层高层受有效位能释放的影响最大,有效位能和风能可以互相转换;对流层中层所受的影响最小,且以风能向有效位能转换为主;对流层低层则以有效位能向动能转化为主,十分有利于低层风速的增大和维持.     

一次闽南暖区暴雨的多尺度动力过程

作为气象研究中的一个难点问题,暖区暴雨的动力学一直为学界所关注。基于多尺度子空间变换(MWT)以及基于MWT的局地多尺度能量学分析和正则传输理论,对2018年5月7日的一次闽南暖区暴雨进行研究以了解其多尺度动力过程。首先将原始物理量场重建到三个尺度子空间:背景流子空间、天气尺度子空间和暴雨子空间。重构场上可以很好地看出背景环流尺度的高低空急流,以及暴雨尺度上的垂直环流。以往的研究普遍认为暖区暴雨的动力过程具有弱斜压性这一特征,而就此次事件而言,正压失稳和斜压失稳都起着很关键的作用,暴雨主要落区内既发生了正压失稳,也发生了斜压失稳。研究表明,对流层不同高度上的动力学存在差异,低层主要表现为正压失稳,天气尺度子空间与背景流子空间向暴雨子空间传输的动能相当; 中层主要是混合失稳,除正压失稳外,斜压正则传输也将有效位能从背景流子空间传输到了暴雨子空间,再通过浮力转换将有效位能转为动能,从而维持暴雨在中层的动力过程; 高层则与低层相似,但只存在背景流子空间向暴雨子空间的能量传输。      

亚洲夏季风结构和变动与大气运动流场的斜压和正压特征:正压模分析

使用ＥＣＭＷＦ１９８０—１９８６年７ａ格点资料对大气运动的正压模进行了分析。指出：对流层中大气正压运动流场显示的副热带高压带仅能反映出行星风带的季节性移动；与亚洲夏季风有关且反映季风局地性的则是副热带高压带南侧的东风带上的波状扰动；东风带上的经向风分量存在着纬向传播且传播方向和扰动幅度与印度、东亚季风子系统有关；随着北半球夏季的到来，亚洲季风区大气运动的斜压模有较大的增长且斜压运动动能占气柱内整层平均总动能的绝大部分，而在赤道附近的其他经度上则是正压运动动能的成分明显增长。     

Changes in the normal mode energetics of the general atmospheric circulation in a warmer climate

Changes in the normal mode energetics of the general atmospheric circulation are assessed for the northern winter season (DJF) in a warmer climate, using the outputs of four climate models from the Coupled Model Intercomparison Project, Phase 3. The energetics changes are characterized by significant increases in both the zonal mean and eddy components for the barotropic and the deeper baroclinic modes, whereas for the shallower baroclinic modes both the zonal mean and eddy components decrease. Significant increases are predominant in the large-scale eddies, both barotropic and baroclinic, while the opposite is found in eddies of smaller scales. While the generation rate of zonal mean available potential energy has globally increased in the barotropic component, leading to an overall strengthening in the barotropic energetics terms, it has decreased in the baroclinic component, leading to a general weakening in the baroclinic energetics counterpart. These global changes, which indicate a strengthening of the energetics in the upper troposphere and lower stratosphere (UTLS), sustained by enhanced baroclinic eddies of large horizontal scales, and a weakening below, mostly driven by weaker baroclinic eddies of intermediate to small scales, appear together with an increased transfer rate of kinetic energy from the eddies to the zonal mean flow and a significant increase in the barotropic zonal mean kinetic energy. The conversion rates between available potential energy and kinetic energy, C, were further decomposed into the contributions by the rotational (Rossby) and divergent (gravity) components of the circulation field. The eddy component of C is due to the conversion of potential energy of the rotational adjusted mass field into kinetic energy by the work realized in the eddy divergent motion. The zonal mean component of C is accomplished by two terms which nearly cancel each other out. One is related to the Hadley cell and involves the divergent component of both wind and geopotential, while the other is associated to the Ferrel cell and incorporates the divergent wind with the rotationally adjusted mass field. Global magnitude increases were found in the zonal mean components of these two terms for the warmer climate, which could be the result of a strengthening and/or widening of both meridional cells. On the other hand, the results suggest a strengthening of these conversion rates in the UTLS and a weakening below, that is consistent with the rising of the tropopause in response to global warming.     

北上台风暴雨过程涡散场的能量收支和转换特征

利用辐散风和旋转风的动能收支方程,对北方一次北上台风倒槽暴雨过程暴雨区内的涡散场能量收支和转换进行了计算.结果表明:暴雨区内动能的增加是暴雨增幅的一个主要原因.暴雨发展时,就旋转风动能(K_R)而言,旋转风动能通量(HFR)辐合是主要能源,而旋转风的动能产生项(GR)是主要能汇;就辐散风动能(K_D)而言,辐散风的动能产生项(GD)是主要能源,辐散风动能通量(HFD)辐散是主要能汇;总动能水平通量(HF)提供的辐合主要表现于对流层中、低层,这就使得低层辐合加强,上升运动加强,有利于暴雨的增幅.在暴雨过程中次网格尺度效应由能源转变为能汇,在暴雨发展之时能汇减小;能量的转换项C(K_D,K_R)总为正值,在转换项中,地转效应项的贡献很大.说明暴雨过程能量均由K_D向K_R转换,也就是说有效位能经K_D向K_R转换,充分说明了在整个暴雨过程中,尽管辐散风动能变化(∂K_D/∂t)很小,但是它在其中充当“桥梁”作用,C(K_D,K_R)在暴雨发展时达到最大,此时能量转换最为旺盛;对流层低层辐散风动能向旋转风动能的转换是暴雨产生和发展的重要条件.此次暴雨过程,在暴雨区内表现为斜压不稳定和正压稳定共存的特征,其发展过程是系统斜压不稳定增长,正压稳定性减弱的过程,暴雨增幅的另一个重要原因就是暴雨区内低层斜压的发展.     

一个孟加拉湾低压动能收支的研究

本文用1979年夏季风试验时期(MONEX)得到的专门观测资料计算了孟加拉湾地区一个季风低压的能量收支,得到(1)无辐散风动能制造项是低压的主要动能制造项。在整个低压生命期,平均无辐散风动能制造为7.40瓦/米2,辐散风动能制造为0.67瓦/米2。这表明正压能量制造过程的重要性;(2)对于扰动动能收支,斜压能量转换和正压能量转换都有重要作用。另外通过边界通量,低压总是从环境得到扰动动能的。      

斜压大气波动准共振与中高纬低频振荡

从准地转两层模式出发,可能产生两种情况准共振：(1)纯正压波;(2)两个斜压波和一个正压波。本文对(2)求得准共振三波振幅的解析解和波能量变化周期的近似式。此近似式和数值计算结果两者都表明,斜压情况能量变化周期比正压情况更容易趋于准共振频率偏离Δω自身周期2πε/Δω,从物理上指出,波的位相与波振幅之间存在着一个反馈机制,由正压波与斜压波之间的慢变相差引起的动能与有效位能的互相转换,形成了正压波和斜压波交替增强和减弱2的低频振荡,其振荡周期与上述近似式一致。当Δω～(0.1-0.02).(ωj)时,平均能量周期为12-43d,而当Δω=0时,平均周期为366d.因此,频率偏离Δω出现仍可能是产生料压大气中高纬低频振荡的一种新的重要机制。     

一次东移型高原切变线过程的扰动动能特征

利用NCEP FNL(1°×1°)全球分析资料,采用动能梯度的定义和扰动动能方程,对2014年8月25—27日初生于青海省东南部之后东移到四川省中部产生天气影响过程的高原切变线进行了能量诊断分析。结果表明:在高原切变线发生发展时,切变线的位置和强的地转偏差及动能梯度大值区相对应,动能梯度模值的水平、垂直分布和相应的散度分布一致,可以反映切变线的基本结构特征;引入动能梯度有助于从能量变化视角来理解高原切变线的发展演变。扰动动能大值区的分布和切变线的走向一致,在切变线发展初期,扰动动能明显增大。扰动动能平流项和正压转换项的值都比较小,不足以反映切变线演变过程中的能量变化,而斜压转换项和扰动位势平流项是扰动动能收支的主导项;在切变线成熟阶段,扰动有效位能向扰动动能的转换最大,斜压转换项是高原切变线发展过程中能量转换的重要途径,有利于切变线上的上升运动加强。扰动动能趋势项可以较好预示切变线的发展态势,扰动非地转位势通量及其散度对高原切变线的生消及移动具有较好的指示意义。     

ANALYSIS ON THE SOURCE AND SINK OF KINETIC ENERGY OF ATMOSPHERIC 30-60 DAY PERIOD OSCILLATION AND THE PROBABLE CAUSES*

Based on ECMWF daily grid point data in summer(May-August),1981,the distribution features of the source and sink of kinetic energy of atmosphere 30-60 day oscillation,including its horizontal distribution characteristics and its vertical structure characteristics,are investigated systematically with diagnostic analysis methods over a latitude belt between 80°N and 60°S.Also,the probable reasons for the existence of the source and sink of low frequency kinetic energy(LFKE) are discussed preliminarily.Results show that the horizontal distribution of the sources and sinks of kinetic energy of atmospheric 30-60 day oscillation is extremely different.The significant sources and sinks of LFKE mainly exist in the oceans and the coastal regions of continents or islands in the mid-high latitudes.It is also found that,in the vertical direction,the sources and sinks of kinetic energy of 30-60 day oscillation display barotropic structure in the mid-high latitudes of both hemispheres,but dispaly baroclinic structure in the equtorial region,and in the horizontal direction,the sources and sinks mainly display zonal wave-like distribution.The source and sink of LFKE are determinded by ageostrophic wind effect,frictional effect,interaction between sub-grid-scale systems,nonlinear interaction,and the flux-divergence of LFKE transported by transient wind.There are some regional reasons for the generation of sources and sinks which are not completely identical in different areas.     

DEVELOPMENT OF A TROPICAL CYCLONE IN BAROTROPIC ENVIRONMENTAL FLOWS

Development of a tropical cyclone in barotropic environmental flows is investigated with a shallow water model. It is found that the tropical cyclone develops only when it is embedded in an environmental now with a southward relative vorticity gradient. The related physical mechanism is explained by analyzing the kinetic energy conversion between the environmental flow and tropical cyclone circulation.