北半球中高纬月平均环流正压斜压动能的年变化特征

本文利用多年月平均资料计算了北半球中高纬月平均环流正压、斜压动能的年变化特征。结果表明无论正压、斜压动能都具有明显的年变化,而且两者的变化趋势也是一致的,但是正压动能要比斜压动能对总动能的贡献大得多。环流异常具有相当正压的垂直结构。有关结论可为长期数值预报模式的简化提供依据。     

大气分层扰动位能控制方程及其应用——南海夏季风活动的能量收支

针对局地环流能量转换问题,本文推导了分层扰动位能一阶矩 (L_PPE1) 和动能 (K_E) 的控制方程,分析了方程中各能量项的空间分布和季节变化特征,并以南海夏季风为例,诊断了夏季风活动各相位的能量收支特征.结果表明,850 hPa高度上在赤道辐合带、大部分季风区、风暴轴地区是L_PPE1的源区,副热带的大洋东部和高纬度地区是L_PPE1的汇区,强源、汇的中心与L_PPE1的纬向偏差场的脊、槽分布对应较好.L_PPE1向K_E的转化项 (C_K)取决于垂直速度和大气稳定度,是连接K_E和L_PPE1的纽带,在暖 (冷) 空气上升 (下沉) 时,转化项为正,L_PPE1向K_E转化能量,反之K_E转化为L_PPE1.在850 hPa 高度上C_K的分布特征是在赤道辐合带以及大部分季风区有大值分布,北半球风暴轴和南半球西风带有连续分布的正值区.将这应用到南海夏季风活动的能量收支,在南海夏季风恢复相位,C_K增大,在南海夏季风活跃相位,C_K达到最大,且为边界输入能量的2~3倍,C_K是南海夏季风恢复、活跃的最重要因素.探讨了南海夏季风活跃的条件,当L_PPE1等于南海季风区的夏季气候平均值时,上升速度大于临界速度的情形,有利于南海夏季风由中断相位向活跃相位的转变.     

北半球大气环流特征量的长期趋势及年代际变化

用１９５１－１９９５年的北半球大气环流特征量资料，计算了它们的长期趋势变化。结果表明，近４５年西太平洋副高与极涡强度都趋加强，纬向环流趋于加强，经向环流则趋减弱。这种环流的长期趋势变化及年代际变化是我国冬季气温长期趋势变化的一个直接原因。突变分析表明，不连续变化主要发生在１９７６年及８０年代初。     

冬季北半球大气低频环流型的年际变化特征

采用NCEP/NCAR逐日再分析资料,利用31点数字滤波器提取了58个冬季(1951/1952-2008/2009年)的500 hPa高度场低频分量,通过经验正交函数分析方法定义了6种低频环流型.从逐年低频环流型的差异和低频环流型系数两个角度分析低频环流型的年际变化特征;给出了58个冬季的主要低频环流型并分析了逐年低频...     

北半球平流层大气环流转型的基本气候特征

利用1948—2009年NCEP/NCAR逐日高度场和风场再分析资料探讨了平流层各主要层次上环流转型的年际、年代际时空演变特征。结果表明:北半球平流层冬季环流转为夏季环流的过程是高层环流转型早,低层环流转型晚,但在各层次上环流转型早晚存在着区域性差异。自新地岛到西伯利亚北部地区的环流转型最早,且该区域与北半球环流平均转型时间的年际以及年代际特征最相近。北半球平流层环流转型的气候平均时间早于东亚热带季风爆发时间,从而可能成为季风预测的前兆信号。分析还得到平流层各主要层次环流转型时间具有明显的年代际特征,环流转型时间呈现由偏晚到偏早、又从偏早到偏晚的变化特征,只是年代际转折年份在不同区域、不同层次存在差异。此外,平流层环流转型时间普遍存在准2年、准3~6年、准9~12年以及准21~24年的周期,可能与气候系统其他成员有密切联系。     

2008年1月中国南方低温雨雪冰冻天气的大尺度能量输送

利用NCEP-DOE再分析数据分析了2008年1月26～28日中国南方罕见的低温雨雪冰冻天气的扰动能量的生成以及各种能量之间的转换。在急流中平均动能（Km）先转换成相互作用动能（Ki）然后再转化成扰动动能（Ke）。相互作用动能流是顺急流方向的。位势高度平流和有效位能与扰动动能的转化生成的扰动动能比平均动能转化的要小一个量级。中国中南部扰动有效位能（Ae）的产生主要由平均有效位能（Am）间接提供,其中相互作用有效位能（Ai）流起到了关键作用。生成的扰动有效位能在26日12：00（协调世界时）主要来源于两个地区：一个位于青藏高原,另一个位于中国东北部。随着两个主要源地的向东移动,转化也向东移动。相互作用有效位能流的方向同时存在逆急流方向和顺急流方向。     

局地大气能量有效性中的表面扰动位能特征

在局地扰动位能理论工作基础上,进一步研究了与实际地形有关的表面扰动位能部分,理论推导了数学表达式,表明地形和表面热状况是其决定因素。利用再分析资料考察了其气候学和气候变率特征。研究表明,表面扰动位能具有独特的热动力学意义,它的量值与地球表面高大地形密切联系,而其季节变动特点则与表面热状况的季节变化息息相关。高纬度极地地形区域为明显的全年基本不变的负扰动位能分布区,低纬度热带区域则呈现季节变动非常小的正扰动位能分布。表面扰动位能的季节变动和年际变率的极值区都位于北半球中纬度的高大地形区域,夏季达到正的极大值,而冬季则转变成负值区。这一特征在青藏高原区最为典型,其表面扰动位能在时域和频域上均表现出明显的年代际特征,年际变率以2—4a周期为主。     

2017年夏季北半球大气环流特征及对我国天气气候的影响

2017年夏季（6—8月）,全国平均降水量348.6 mm,较常年同期（322.6 mm）偏多8.1%,呈现南、北两条多雨带。全国平均气温21.7℃,较常年同期（20.9℃）偏高0.8℃,为1961年以来第二高。东亚夏季风偏弱,西太平洋副热带高压显著偏强,脊线位置偏南,菲律宾附近对流层低层为反气旋环流控制;欧亚中高纬呈现“两槽一脊”环流型,乌拉尔山地区高度场为负距平,高压脊偏弱,贝加尔湖地区为正距平控制,日本附近高度场为负距平。低纬度和中高纬度的环流配置有利于冷暖气流在我国长江以南交汇,水汽通量辐合偏强,主要多雨带位于我国长江以南地区,降水显著偏多。西太平洋副热带高压的年代际增强和赤道中东太平洋由冷水向暖水发展是多雨带偏南的重要原因。     

大气环流：一个在不断演变的问题

本文回顾了十七世纪中叶到１９７０年间关于大气环流流行观点的演变过程，如以物理量羔代表我们对于那结已经意识到但学没有解释清楚的大气环流若干特征的程度的话，则分析Ｕ经历了四次明显的循环。１９７０年以后，再没有出现额外的循环，这一时期，大气环流研究的显著特征是它的多样性，为此，我们认为大气充研究本身是一种混沌过程，即在任何时候，即使能消除许多可能性，对大气环流研究未来的发展我法驾确切地预测的。     

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.     

Amplitude—Phase Characteristics of the Annual Cycle of Surface Air Temperature in the Northern Hemisphere

The amplitude-phase characteristics(APC)of surface air temperature(SAT)annual cycle(AC)in the Northern Hemisphere are analyzed.From meteorological observations for the 20th century and meteorological reanalyses for its second half,it is found that over land negative correlation of SAT ACamplitude with annual mean SAT dominates.Nevertheless,some exceptions exist.The positive correlationbetween these two variables is found over the two desert regions:in northern Africa and in Central America.Areas of positive correlations are also found for the northern Pacific and for the tropical Indian and PacificOceans.Southward of the characteristic annual mean snow-ice boundary (SIB) position,the shape ofthe SAT AC becomes more sinusoidal under climate warming.In contrast,northward of it,this shapebecomes less sinusoidal.The latter iS also found for the above-mentioned two desert regions.In theFar East(southward of about 50°N),the SAT AC shifts as a whole:here its spring and autumn phasesoccur earlier if the annual     

The Energy Budget of a Southwest Vortex With Heavy Rainfall over South China

Energy budgets were analyzed to study the development of an eastward propagating southwest vortex (SWV) associated with heavy rainfall over southern China(11-13 June 2008).The results show that kinetic energy(KE) generation and advection were the most important KE sources,while friction and sub-grid processes were the main KE sinks.There was downward conversion from divergent to rotational wind KE consistent with the downward stretching of SWVs.The Coriolis force was important for the formation and maintenance of the SWV.Convergence was also an important factor for maintenance,as was vertical motion during the mature stage of the SWV and the formation stage of a newly formed vortex(vortex B).The conversion from available potential energy(APE) to KE of divergent wind can lead to strong convection.Vertical motion influenced APE by dynamical and thermal processes which had opposite effects. The variation of APE was related to the heavy rainfall and convection;in this case,vertical motion with direct thermal circulation was the most important way in which APE was released,while latent heat release and vertical temperature advection were important for APE generation.     

冬季北半球风暴轴的协同变化及其与大气环流的相互作用

基于1971—2016年NCEP/NCAR的逐日、逐月再分析资料,研究冬季北半球西伯利亚风暴轴(Siberian Storm Track,SIST)、北太平洋风暴轴(Pacific Storm Track,PST)和北大西洋风暴轴(Atlantic Storm Track,AST)的协同变化特征及其与大气环流的关系。结果表明:(1)三大风暴轴不仅各自的位置与强度变化存在显著相关性,风暴轴之间也存在一定的协同变化且年代际尺度上比年际尺度上更紧密。年际尺度上,SIST与AST的经度变化呈显著负相关,而PST和AST的协同性较差;年代际尺度上,SIST与PST的经、纬度变化均呈弱的负相关,SIST与AST的经度和强度变化均呈显著正相关,PST与AST的经、纬度变化均呈显著负相关。(2)由联合EOF分析得到北半球风暴轴的协同变化时空特征:在年际尺度上,第一模态主要表现为SIST偏弱(强),PST主体偏弱(强)、东南偏强(弱),AST略偏北(南)偏强(弱)但不显著的协同变化。PC1为正位相时,对应的大气环流异常为:500 hPa高度场上为太平洋北美(Pacific North America,PNA)型和欧亚(Eurasian,EU)型的正位相,东亚急流偏强且偏南;第二模态主要表现为SIST偏强(弱)且偏东(西),PST中东部偏南(北)、西部强度偏强(弱),AST偏强(弱)的协同变化。PC2为正位相时,对应的大气环流异常为:500 hPa高度场上为PNA型和大西洋东部(East Atlantic,EA)型的正位相,北美急流减弱;在年代际尺度上,第一模态主要表现为SIST偏西(东)且偏弱(强),PST偏东(西)且偏弱(强),AST偏西(东)且偏弱(强)的协同变化。PC1为正位相时,对应的大气环流异常为:500 hPa高度场上为西大西洋(West Atlantic,WA)型和EU型的正位相。第二模态主要表现为SIST偏强(弱)且偏北(南),PST偏南(北)且偏弱(强),AST北抬(南压)的协同变化。PC2为正位相时,对应的大气环流异常为:500 hPa高度场上为EU型和WA型的正位相,东亚急流强度加强且偏南,北美急流强度减弱。     

北方涛动同北半球温带大气环流的遥相关(二)——季节变化

在以前工作的基础上,本文进一步分析了各个季节北方涛动和与其相联系的北太平洋海温同北半球温带大气环流遥相关的特征,并与南方涛动和赤道太平洋海温的结果进行了比较,发现它们同北半球温带大气环流的遥相关,不仅具有很强的地区性,而且具有明显的季节变化。 冬季,北方涛动和北太平洋海温与PNA型相关非常明显,且比南方涛动和赤道太平洋海温的更密切。除PNA型外,北方涛动还同500hPa高度的亚洲-北美(ANA)流型有联系。 夏季,PNA遥相关型的表现仍然非常清楚,但位置较冬季偏酉和偏北,并在北美西海岸具有特殊的分叉现象。     

Assessment of several moist adiabatic processes associated with convective energy calculation

Several methods dealing with the moist adiabatic process are described in this paper. They are basedon static energy conservation, pseudoequivalent potential temperature conservation, the strict pseudoadiabatic equation, and the reversible moist adiabatic process, respectively. Convective energy parameters, which are closely related to the moist adiabatic process and which reflect the gravitational effects ofcondensed liquid water, are reintroduced or defined, including MCAPE [Modified-CAPE (convective available potential energy)], DCAPE (Downdraft-CAPE), and MDCAPE (Modified-Downdraft-CAPE). Two real case analyses with special attention given to condensed liquid water show that the selection of moist adiabatic process does affect the calculated results of CAPE and the gravitational effects of condensed liquid water are not negligible in severe storms. Intercomparisons of these methods show that static energy conservation is consistent with pseudo-equivalent potential temperature conservation not only in physical properties but also in calculated results, and both are good approximations to the strict pseudo-adiabatic equation. The lapse rate linked with the reversible moist adiabatic process is relatively smaller than that linked with other moist adiabatic processes, especially when considering solidification of liquid water in the reversible adiabatic process.     

北半球定常波输送西风动量的气候态及其年变化

利用高分辨率的再分析资料ERA40，分析了纬向平均状态下北半球不同尺度的定常波对西风动量沿经向输送的气候态及其年变化。结果表明，对流层中定常波对西风动量输送最强的区域位于中纬度对流层的中上层，定常波在该区域长年向北输送纬向动量，且输送中心随季节有南北移动和强弱变化。此外，在高纬度地区的对流层中上层以及赤道对流层顶附近还有两个相对较弱的输送中心。前者对西风动量的输送长年向南，其垂直范围从对流层低层一直伸展到平流层下层，中心位置相对固定，强度有明显的季节变化。后者位置也相对固定，但输送方向随季节改变。平流层中定常波对西风动量的输送主要位于中高纬度的平流层中上层，定常波在该区域长年向北输送西风动量，中心位置非常稳定，而强度则随季节变化明显。行星尺度定常波的输送作用与总波动的输送作用非常一致，并在很大程度上决定了波动对动量输送强度的季节变化。天气尺度定常波和10波以上的短波的输送作用主要集中在中纬度对流层的中高层。前者与行星尺度定常波共同决定了该区域内的输送强度，并主导了输送中心的南北移动；后者的作用很小，除夏季外均可以忽略。作者给出的不同尺度定常波对西风动量输送的气候态分布不但可以作为日后研究其年际变化的基础，而且还可以为大气环流模式对大气环流模拟能力的评估提供重要的参考。     

扰动位能理论及其应用——扰动位能的概念、表达及其时空结构

针对局地环流能量转换问题,该工作系列讨论扰动位能理论及其应用.此文是第一篇,提出了扰动位能的新概念,将其分解为大气扰动位能(简称扰动位能)和表面扰动位能两个部分,给出了扰动位能各阶矩项的数学表达形式,结合资料指出二阶以上的扰动位能高阶矩项相对于其一阶矩项和二阶矩项来说是小量,可忽略,并指出扰动位能二阶矩项的全球平均恰好等于传统的有效位能,但两者在物理意义上明显不同.结合NCEP/NCAR再分析资料,研究了扰动位能的时空结构以及与大气动能之间的联系.扰动位能一阶矩项在热带地区为正、高纬度地区为负; 二阶矩项在热带和高纬度地区出现极大值,在副热带及中纬度地区出现极小值,即在南北方向上呈现三峰二谷的特征; 在局地上,由于一阶矩项在数值上较二阶矩项绝对占优,因此,扰动位能的分布与其一阶矩项的情形相似.在垂直方向上,扰动位能主要集中在对流层下层,其数值随高度的增加而迅速减少,在50 hPa以上均可以忽略不计.扰动位能有明显的季节变化,其在高纬度地区在冬半球比夏半球大很多; 南、北半球平均的扰动位能一阶矩项季节变化的幅度约是相应二阶矩项的二十倍.随着季节变化扰动位能定常波的槽脊在北半球有显著的东西方向移动,而在南半球则只表现为振幅上的增减.分析表明,从区域或局地尺度上大气动能的季节变化与扰动位能一阶矩项的关系密切,二者呈显著反向变化关系,而与二阶矩项的关系不确定; 但在全球或半球尺度上,大气动能与扰动位能二阶矩项的比率随季节基本保持不变,约是20%.此外,对大气总动能时空结构的分析也得到了与前人不同的新结果.关于利用此文提出的概念和理论对局地环流能量收支的分析、表面扰动位能的作用以及它们在大气环流变化研究中的应用,将在以后的文章中给出.