青藏高原加热对西风槽脊影响的数值模拟

本文利用5层P－σ坐标系原始方程模式，选取1999年9月20日T106客观分析资料为初始场，模拟了高原加热后，大气环流在冬夏季节转换时，槽脊系统等演变的一些基本特征。在对流层上层，高原热源加强使得中高纬欧亚大陆地区的脊加强、槽减弱，而亚洲东岩至太平洋地区则情况相反；在对流层低层，高原加热更有利于高原及低纬地区气旋的发生发展。这些及高原热源加强后温度和降水场等的变化，都与客观分析结果有相似之处。     

青藏高原加热对西风槽脊影响的数值模拟

本文利用5层P-σ坐标系原始方程模式，选取1999年9月2 0日T106客观分析资料为初始场，模拟了高原加热后，大气环流在冬夏季节转换时，槽脊系 统等演变的一些基本特征。在对流层上层，高原热源加强使得中高纬欧亚大陆地区的脊加强 、槽减弱，而亚洲东岸至太平洋地区则情况相反；在对流层低层，高原加热更有利于高原及 低纬地区气旋的发生发展。这些及高原热源加强后温度和降水场等的变化，都与客观分析结 果有相似之处。     

北半球准定常行星波气候平均态的资料分析和数值模拟

利用NCEP/NCAR再分析资料和大气环流模式(CCSR/NIES AGCM Ver 5.6),对北半球准定常行星波的气候平均态分布进行分析和模拟.再分析资料分析的结果表明:北半球冬季,准定常行星波沿两支波导向上传播,其中一支在对流层上层转向中低纬度传播,另外一支折向高纬度,通过极地波导上传到平流层.其中,1波和2波可以上传到平流层,因而其振幅分布除在中低纬的对流层上层出现一个次大值外,在高纬度平流层中上层会出现一个最大值,3波则主要限制在对流层,其振幅分布除在副热带对流层上层出现一个次大值外,最大值出现在中纬度对流层上层.北半球夏季,整个平流层为东风环流,极地波导不存在,行星波不能上传到平流层,在对流层活动也较弱,1波、2波、3波的传播情况大致相似,表现为在对流层上层由中纬度向赤道地区的传播.相应的振幅分布是,对1波和2波而言,最大值出现在中低纬对流层顶附近,同时在中高纬对流层上层出现一个次大值,而3波的振幅分布正好相反,最大值出现在中高纬对流层上层,次大值则在中低纬对流层顶附近.利用大气环流模式进行的数值模拟表明,模式可以比较好地模拟冬夏季准定常行星波的传播路径,但模拟的北半球冬季沿极地波导向平流层的传播明显偏弱,其结果是对1波、2波而言,高纬度平流层中上层的振幅最大值明显小于再分析资料的数值.文中还讨论了数值模拟与资料分析中行星波的差异可能对大气环流模拟的影响.     

平流层大气对对流层大尺度热力强迫的线性、定常响应

本文采用一个关于大气定常波的16层线性化原始方程三维谱模式,研究了冬季平流层大气对于对流层各种定常大尺度热力强迫的响应。研究结果表明,对流层中的热力强迫作用对于冬季平流层中垂直向上传播的行星定常波的维持有显著的贡献,平流层中强迫扰动的水平结构及其与对流层中扰动的差异与加热场的垂直结构有密切的关系。相对于强度和空间结构相同的强迫源而言,中纬强迫对于平流层的作用比低纬强迫更为显著。     

青藏高原上空大气低频波的振荡及其经向传播

本文得出的初步结论是:在青藏高原所在的经度范围内,从低纬到高纬的各纬带上,大气低频波存在30—40天的周期振荡现象.500 hPa等压面上,青藏高原地区生成的气旋、反气旋切变可以向南、向北传播到低纬、高纬地区.200 hPa等压面上,中纬度地区生成的气旋、反气旋切变也可以向南、向北传播到低纬、高纬地区.对流层中层,青藏高原是大气低频波振荡源地,可能与青藏高原的热力、动力作用有关;对流层上层中纬度地区是大气低频波的振荡源地,可能是西风急流的作用. 由于大气低频波的振荡和传播与低值系统有关,与急流相联系,因而具有现实的预报意义.     

夏季南海—菲律宾上空低频热源对东亚环流影响的数值试验

采用钱永甫ｐ－σ五层坐标原始方程模式，研究南海－菲律宾地区上空的低频热源对东亚大气环流的影响。结果表明，当低频热源处于加热位相时，对流层上层澳大利亚上空西风加强，对流层低层１２０°Ｅ处越赤道气流增强，副高位置偏北，此时低层东南风影响我国东部沿海地区的降水；冷却位相时，对流层上层澳大利亚上空西风减弱，对流层低层越赤道气流减弱，副高位置偏南，此时低层西南风造成我国东部沿海的降水。     

夏季南海－菲律宾上空低频热源对东亚环流影响的数值试验

采用钱永甫ｐ－σ五层坐标原始方程模式，研究南海－菲律宾地区上空的低频热源对不亚大气环流的影响。结果表明，当低频热源处于加热位相时，对流层上层澳大利亚上空西风加强，对流层低层１２０°Ｅ处越赤道气流增强，副高位置偏北，此时低层，东南风影响我国东部沿海地区的降水；冷却位相时，对流层上层澳大利亚上空西风减弱，对流层低层越赤道气流减弱，副高位置偏南，此时低层西南风造成我国东部沿海的降水。     

北半球两大地形下游冬季环流的动力分析——Ⅱ.行星波的垂直传播

线性、定常、多层半球谱模式模拟结果表明,在东亚纬向气流下,青藏高原能在平流层激发出强大的1波扰动,脊槽分别位于太平洋和大西洋上空。在北美纬向气流下,落基山在平流层激发的1波很弱。观测资料计算指出,对流层行星1波很难通过北美对流层顶上传,但却能自由穿过东亚高纬度地区的对流层顶向平流层传播。北美地形所激发的波动在上传过程中均折向低纬传播。青藏高原所激发的行星1波和2波在上传过程中有分支:折向低纬的一支主要局限在对流层中;折向高纬的一支进入平流层。模拟和分析证明,这些差异是北半球两大地形不同的动力作用的结果。     

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。     

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。     

七月中、低纬地区定常波动和加热场的模拟特征

本文利用P-σ混合坐标原始分程球带模式的最新版本,对七月中、低纬地区的定常波动及非绝热加热场进行了数值模拟。结果表明,模式成功地模拟出了北半球夏季对流层中波数为2的定常波动。高层波峰出现在大陆,波谷出现在海洋上,低层则相反。南半球的副热带高压带也模拟出来了。降水量的模拟也是成功的,特别是位于ITCZ中的积云对流性降水。加热场的模拟结果指出,七月份的热源区除了主要分布在北半球的几个主要大陆上,还分布在热带海洋上ITCZ所在区;其余的广大洋面则显示出冷源的性质。其中热带海洋的热源以潜热加热为主(主要分布于大气的中高层),大陆上的热源有的以感热为主(主要分布于大气的低层),有的仍以潜热加热贡献较大。海洋的冷源是由长波辐射冷却造成的。      

平流层臭氧变化对对流层气候影响的研究进展

平流层对对流层的作用是准确评估、预测对流层气候变化的一个重要方面。其中平流层成分尤其是臭氧的变化,可以改变平流层乃至对流层的辐射平衡,从而影响平流层、对流层的热动力过程。本文从辐射、动力2个角度介绍了平流层臭氧影响对流层气候变化的若干研究进展。平流层臭氧可以通过长短波辐射的方式对对流层大气造成辐射强迫,利用大气化学气候模式可以定量计算平流层臭氧变化引起的辐射强迫,但是辐射强迫的估算受模式中辐射传输模块本身缺陷的影响存在不确定性。动力方面,平流层臭氧变化产生的辐射效应可以改变温度的垂直和经向梯度,造成波折射指数的变化,进而影响平流层甚至对流层内波的折射与反射,通过上对流层下平流层区域内的波—流相互作用,对对流层气候产生影响。另外,南极臭氧损耗可通过大气环状模影响冬春季中高纬度对流层的天气气候,但是其影响的强度大小以及物理机制仍需进一步的确认。值得注意的是,北极平流层臭氧的变化与北半球中高纬度气候变化之间的关系相比南半球要更加复杂,需要更为深入的研究。     

热带基本气流对冬季北半球中高纬度准定常行星波的影响

本文利用一个包括Rayleigh摩擦、Newton冷却及水平涡旋热力扩散的准地转34层球坐标模式来研究冬季北半球地形与热源强迫所产生的准定常行星波与热带基本气流的关系。 计算结果表明,冬季热带平流层基本气流是西风时,其北半球中高纬度平流层波数2准定常行星波的振幅偏大;而当冬季热带平流层基本气流是东风时,其北半球中高纬度平流层波数2准定常行星波的振幅偏小,这与实际结果比较一致。 计算结果还表明冬季热带对流层基本气流对中高纬度准定常波的影响要比平流层基本气流的影响大。     

The characteristics of the forced stationary planetary wave propagations in summer Northern Hemisphere

The three-dimensional propagations of the forced stationary planetary waves in a realistic summer current, in which the vertical and horizontal wind shears are included, are discussed by using the refractive index squared of waves in a spherical coordinate system.The results show that there is no polar wave guide in stationary planetary wave propagations in summer. Thus, stationary planetary waves cannot propagate into the stratosphere. However, there are a wave guide pointing from the subtropics toward middle and high latitudes in the troposphere and another wave guide pointing from the lower troposphere at middle latitudes toward the upper troposphere near 30°oN in the forced stationary planetary wave propagations.A linearized, steady-state, quasi-geostrophic 34-level spherical coordinate model with Rayleigh friction and Newtonian cooling, horizontal kinematic thermal diffusivity is used to simulate the wave guides of three-dimensional propagations of stationary planetary waves in summer.     

INFLUENCE OF THE BASIC FLOW IN THE TROPICS ON THE STATIONARY PLANETARY WAVES AT MIDDLE AND HIGH LATITUDES DURING THE NORTHERN HEMISPHERE WINTER

The relationship between the quasi-stationary planetary waves forced by topography and heat sourceduring the Northern Hemisphere winter is investigated by means of a quasi-geostrophic,34-level,sphericalcoordinate model with the Rayleigh friction,the Newtonian cooling and the horizontal eddy thermal diffu-sion.The calculated results show that when the basic flow is the westerly in the tropical stratosphere,theamplitude of quasi-stationary planetary wave for zonal wavenumber 2 at middle and high latitudes is largerduring the Northern Hemispheric winter;while when the basic flow is the easterly,it is smaller.This is inagreement with the observed results.The calculated results also show that influence of the basic flow in the tropical troposphere on the quasi-stationary planetary waves is larger than that of the basic flow in the tropical stratosphere on the quasi-stationary planetary waves.     

Non—Acceleration theorem in a primitive equation system: I. Acceleration of zonal mean flow

Non-acceleration theorem in a primitive equation system is developed to investigate the influences of waves on the mean flow variation against external forcing. Numerical results show that mechanical forcing overwhelms thermal forcing in maintaining the mean flow in which the internal mechanical forcing associated with horizontal eddy flux of momentum plays the most important roles. Both internal forcing and external forcing are shown to be active and at the first place for the mean flow variations, whereas the forcing-induced mean meridional circulation is passive and secondary. It is also shown that the effects on mean flow of external mechanical forcing are concentrated in the lower troposphere, whereas those due to wave-mean flow interaction are more important in the upper troposphere. These act together and result in the vertically easterly shear in low latitudes and westerly shear in mid-latitudes. This verti-cal shear of mean flow is to some extent weakened by thermal forcing.     

北半球冬季行星波的传播及其输运作用

利用变换欧拉平均方程讨论了行星波动力学。观测和模拟结果都表明,在北半球冬季准定常行星波的经向传播存在两支波导。一支为高纬度波导,另一支则为低纬度波导。这些结果与理论分析相当一致。通过对EP通量进一步的研究表明,平流层爆发性增温是沿高纬度波导传播的异常行星波与平均气流相互作用的结果。而热带风场的准两年周期振荡（QBO）是低纬度平流层下层大气纬向平均流的一个重要年际变化,它可以影响行星波沿低纬度波导的传播;此外,由一个行星波一平均流耦合模式模拟的结果表明,这个热带风场的变化还可以通过波流相互作用调制行星波沿高纬度波导的传播。 行星波对臭氧的输运作用在文中也进行了分析。行星波强迫出的剩余平均环流表明,耗散的行星波有强的输运作用;向北的涡动热量输送可以强迫出一个正的输运环流,其在低纬度上升并在高纬度下沉。同时研究还表明,热带风场的QBO对行星波传播的调制对输运环流也有重要影响,模式结果表明,在QBO的东风位相期间行星波引起的输运作用明显增强,其结果可用于解释平流层高纬度臭氧的年际变化。     

青藏高原气温变化趋势与同纬度带其他地区的差异以及臭氧的可能作用

利用台站探空观测资料和卫星观测资料,分析了1979—2002年青藏高原上空温度的变化趋势。结果表明:高原地区上空平流层低层和对流层上层的温度与对流层中低层具有反相变化趋势。平流层低层和对流层上层降温,温度出现降低趋势,降温幅度无论是年平均还是季节平均都比全球平均降温幅度更大。高原上空对流层中低层增温,温度显示出增加的趋势,并且比同纬度中国东部非高原地区有更强的增温趋势。对1979—2002年卫星臭氧资料的分析表明,青藏高原上空臭氧总量在每个季节都呈现出明显的下降趋势,并且比同纬度带其他地区下降得更快。由于青藏高原上空臭氧有更大幅度的减少,造成高原平流层对太阳紫外辐射吸收比其他地区更少,使进入对流层的辐射更多,从而导致高原上空平流层低层和对流层上层降温比其他地区更强,而对流层中低层增温更大。因此,高原上空比其他地区更大幅度的臭氧总量减少可能是造成青藏高原上空与同纬度其他地区温度变化趋势差异的一个重要原因。