热带对流层大气低频振荡机制的初步研究

本文从赤道β平面近似下的线性化扰动方程组出发,基于第二类条件不稳定(CISK)理论,研究了热带对流层大气准40天低频振荡的动力机制。研究发现,当对流层中、上层存在较大的对流凝结加热时可激发出纬向波数为1、周期为40天左右的不稳定Kelvin波,它以每天8到11个经度的相速缓慢向东移动。由此指出,观测到的热带对流层大气30—50天的低频振荡可能正是这种由对流凝结加热所驱动的缓慢东移的Kelvin波的具体表现。这可对热带对流层大气30—50天低频振荡现象的动力机制给以初步的物理解释。      

冬季亚洲-太平洋地区低频(30—60天)偶极子和低频涡旋活动特征

根据1984—85年冬季欧洲中期预报中心的格点资料,采用带通滤波(30—60天)和合成分析方法研究了东亚西风急流的入口区和出口区的低频偶极子结构和亚太地区的低频涡旋活动特征。发现纬向风偶极子的低频循环伴随着东亚西风急流中心的东西摆动,在急流入口区的低频经圈环流对于纬向风振荡有重要作用。从乌拉尔经中亚到东亚存在一个西北一东南向的波列,源自乌拉尔地区的低频涡旋先是向南然后向东移动导致波列位相的转变。中太平洋地区存在一个经向波列,一对低频气旋和反气旋的逆时针打转导致该地区低频波列的转变。     

雷州半岛海风环流的数值研究

利用1984年N1月—1985年2月和1985年5—8月的欧洲中期预报中心格点资料,计算了北半球低频(40—50)天扰动动能和正压动能的分布以及时间平均气流与低频扰动的相互作用.发现高空低频扰动动能的高值区与西风急流的纬向非对称性和经向切变关系密切。在西风急流的出口区,特别是东亚西风急流的出口区,时间平均气流向低频扰动输送动能,这些地区的低频正压性也最强.亚洲季风区低频正压动能较小。提出可以用低频正压动能与低频动能的比值作为低频扰动的“结构参数”,“结构参数”为0.5的等值线可作为区分热带地区低频振荡与中高纬地区低频振荡的特征线.     

大气中40—60天低频振荡形成的数值试验

观测资料的分析表明,40—60天的低频振荡,除了在赤道附近有向东的传播外,在副热带和高纬度带还存在向西传播的现象.本文利用正压原始方程的谱模式,加以与运动(辐散)相联系的强迫(相当于加热场),模拟这类低频振荡发现有两类波存在:一类是周期约为10—20天向东传播的行星波,另一类是周期为40—60天向西传播的低频波,它是前一类行星波的波包相速度,每天5—6经度,纬向波数为1.这类低频波的出现可能是行星波与加热场非线性相互作用的结果. 这里之所以没有得到东传的40—60天的低频波,可能是由于模式格点较疏,使赤道Kelvin波不能明显激发出来.     

西太平洋热带地区环流低频变化的主振荡型预测试验

用1994年逐日西太平洋热带地区200 hPa纬向风场资料建立主振荡预测模型,对低频纬向风场（30～50天）的传播进行独立预报试验。试验结果表明,在夏半年109次预测中提前15天预报的相关性预报技巧在0.50以上。它是揭示低频时空演变的有效工具。同时也讨论了有关模型参数的选取方法。     

大气对热带热源低频响应的数值研究

本文设计—关于基本气流线性化的二层球面模式研究大气对不同类型赤道热源的低频响应,分析了全球大气40—50天低频振荡的结构和传播特点。结果表明:全球大气对热带热源响应特征是在热带地区表现为东西向非对称的热源东侧的Kelvin响应和西侧的Rossby响应,高低层反位相;在中高纬响应是具有低频振荡的二维Rossby波列,且具有相当正压结构。低频振荡的传播特征表明热带大气对移动性热源的响应更有利于振荡的向东传播,且该振荡可以沿波列路径向中高纬度传播,然后再折向低纬。二维Rossby波列是联系着热带和中高纬度地区低频振荡的基本动力学途径。该波列的形成取决于基本气流的分布,冬半球波列振幅较大。因此本文认为40—50天低频振荡是全球尺度的现象,它是一涉及到热带对流加热、赤道Kelvin波、亦道Rossby波、二维Rossby波列以及基本气流等动力学相互作用的过程。     

OLR资料所揭示的热带地区低频振荡的变化特征

本文使用1979年1月至1984年12月射出长波辐射(OLR)资料,对热带地区低频振荡的一些特性进行了研究,认为正常年份30—60天振荡的合成功率谱最强,El Nino年最弱。低频波活动冬夏差异较大,其年际变化大值区冬季在赤道地区,夏季位置偏北,位于印度洋和西太平洋。就六年平均而言,低频波在西太平洋及印度洋地区有明显的经向传播,赤道地区低频波的纬向传播主要集中在北半球夏季。此外,30—60天OLR滤波场的强弱与印度季风的爆发和减弱有较好的对应关系。      

1979年夏季40—50天周期振荡的空间结构及其位相传播

本文根据FGGE Level Ⅲb资料详细分析了1979年夏季大范围内(30°S—30°N,30°E—150°W)40—50天周期振荡的空间分布及其传播特点。结果证实了早先关于“这些低频振荡主要表现为纬向风振荡”的究研结果,且它们向东向北传播。而季风区域850毫巴经向风的振荡周期却小于10天,这或许反映了这一地区季风扰动的活跃。在赤道,40—50天周期的纬向风的扰动系统地向东(600公里/天)和向上(0.7公里/天)传播。纬向风、位势高度和大尺度的“视热源”场之间的位相关系表明这些扰动确实不象大气中的开尔文波。与赤道地区不同,沿着15°N的纬向风的位相虽然也向东传播但不很系统。在这一纬度,纬向风的振荡在季风地区是低层显著,而西太平洋地区是在高层显著。这两个系统的相互作用导致西风或东风在阿拉伯海地区向下传播。西风(东凤)向下的位相对应着南亚和东南亚地区季风活跃(中断)的开始。     

冬季亚洲—太平洋地区低频（30—60天）偶极子和低频涡旋活动…

根据１９８４－８５年冬季欧洲中期预报中心的格点资料，采用带通滤波（３０－６０天）和合成分析方法研究了东亚西风急流的入口区和出口区的低频偶极子结构和亚太地区的低频涡旋活动特征。发现纬向风偶极子的低频循环伴随着东亚西风急流中心的东西摆动，在急流入口区的低频经圈环流对于纬向风振荡有重要作用。从乌拉尔经中亚到东亚到东亚存在一个西北－东南向的波列，源自乌拉尔地区的低频涡旋先是向南然后向东移动导致波列位相的转     

赤道太平洋高低频纬向环流差异及其物理机制

利用1982—2017年欧洲中期天气预报中心再分析资料和美国国家大气海洋管理局的观测资料,分析了赤道太平洋高、低频海平面气压距平场的特征及差异,并通过诊断赤道太平洋海-气耦合的时间尺度,探讨了导致赤道太平洋高、低频纬向环流差异的原因。结果表明,南方涛动海平面气压东西跷跷板耦合现象只是在低频场中才存在,在高频场中并不存在。低频场上,主要受到热带最明显的年际信号(ENSO)的调控,海平面气压场和海表温度场呈现出东西振荡型。相比而言,在高频场上由于时间短,海、气异常还没有发生较好的耦合,气压场和风场呈现出全海域一致型。高频纬向环流与热带季节内振荡(MJO)紧密联系,具有明显的东传特征,传播速度大约为5 m/s,其变率方差的34%可以由MJO线性解释。相干谱分析表明海-气耦合具有时间依赖性,南方涛动通常只在20候以上的时间尺度才能存在,这与赤道海洋开尔文波横穿太平洋时间相当。     

热带准两年振荡影响北半球冬季大气环流的诊断分析

利用NCEP/NCAR再分析资料,首先讨论了热带纬向风准两年振荡(QBO)的东、西风位相的划分标准.结果发现,赤道50 hPa的风与西风深厚度关系最密切,即赤道50 hPa的纬向平均风为西(东)风时往往代表平流层下层为一层深厚的西(东)风.在此基础上诊断分析了1958/1959～1997/1998年共40个冬季中热带纬向风QBO对北半球中高纬度地区纬向平均环流和准定常行星波传播的影响.诊断分析表明,热带QBO对北半球冬季大气环流的影响主要表现在平流层和对流层上层.热带QBO的东风位相年与西风位相年相比,中高纬地区的绕极西风环流明显减弱,中低纬地区则出现相反变化,从而在平流层的纬向平均环流分布上呈现偶极子形式.纬向平均流的这种年际变化可以很好地用中高纬度准定常行星波传播的异常加以解释,QBO的东风位相年和西风位相年相比,中高纬准定常行星波向极地的传播更强,从而在高纬度平流层产生异常的E-P通量辐合,波-流相互作用的结果使得西风减弱.但是热带纬向风QBO的影响在1958/1959～1997/1998年的前后20年有所差异.后20年相对于前20年而言,东西风位相的差异有所减小,Hol-ton-Tan振荡明显减弱;就行星波传播而言,东风位相年下,前20年行星波向上传播较弱,而后20年则以大约70°N为分界点,以南向上传播较强,以北向上传播较弱.这种差异可能跟中高纬度纬向西风的自身变化有关.     

7—9月500百帕高度场30—50天振荡的遥相关结构及其演变特征

利用1982、1983年7—9月的欧洲中期天气预报中心(ECMWF)网格点资料,分析了北半球中高纬度以及热带地区500百帕高度场的30—50天周期振荡的遥相关结构及其演变特征。发现30—50天周期振荡的分布,在热带与对流活动中心相对应,在中高纬地区与主要的气压活动中心相配合。振荡的相关中心分布于15—70°N之间,并成大弧状排列,具有波列的结构特征,其路径具有显著的年际变化,其弧状排列的振荡中心具有纬向移动,移动方向与高度场振荡位相的纬向移动相一致,高度场振荡的纬向移动和波列的能量频散密切相关。     

黄河中下游地区夏季逐候降水量的低频振荡特征

本文使用主分量分析黄河中下游地区(河南省)68站1982—1987年夏季(6—8月)逐侯降水量的主要时空特征,并用非整波技术分析所提取的第一主要分量频谱分布的低频振荡特点.分析结果表明该地区降水主要低频振荡周期为6—12候(30—60天)月际振荡及季问振荡15—24候(75—120天).它们年际变化有准两年振荡,其中月际低频振荡与赤道地区的纬向风准两年周期振荡有同相关系.     

关于北半球准定常行星波年际变化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), 对北半球冬季准定常行星波活动的年际变化进行了分析和模拟.基于以前对EP通量散度的遥相关分析, 作者将EP通量散度的EOF第一分量时间序列T1定义为年际变化指数.对应于T1的高指数, 在对流层和平流层低层, 准定常行星波更多地折向赤道传播, 从而在对流层出现一个EP通量散度的偶极子型异常, 这一形势主要来自2波和3波的贡献; 而折向高纬度经极地波导向上传播的行星波活动减弱了, 在高纬度产生异常辐散, 这一形势主要来自1波和2波的贡献.相关和回归分析发现, 准定常行星波的年际变化与北极涛动有密切联系, 与T1对应的纬向平均流场以及位势高度场的异常分布都与北极涛动下的异常形势非常相似.利用大气环流模式模拟的结果显示, 模式在对流层可以很好地模拟准定常行星波的年际变化以及北极涛动形势, 并且二者同样密切相关.但是模式还不能很好地模拟行星波经极地波导向平流层传播的年际变化, 对可能的成因也进行了探讨.     

北极涛动与我国北方强沙尘暴的关系

使用1954—2003年北极涛动指数、500hPa纬向环流指数和沙尘暴等气候观测资料,针对我国北方春季沙尘暴年际和年代际变化趋势,分析了以北极涛动为代表的大气环流异常变化的气候特征,揭示了其与我国春季沙尘暴相关的事实。结果表明：近50年北极涛动指数表现出由负位相向正位相转变的趋势,当冬季(12月～2月)北极涛动为负位相时,相应的纬向环流指数为负距平,中高纬度西风气流偏弱,有利于极地冷空气向南输送,西伯利亚高压偏强,我国北方春季易多发区域性沙尘暴;反之则不易发生区域性沙尘暴。     

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。      

东亚大气环流的低频振荡及与韵律的关系

本文根据北半球500hPa高度场30年(1951—1980)平均的逐候格点资料,对气候平均的东亚各主要大气环流系统的年内变化进行了谐波分析和天气学分析.结果表明,东亚大气环流系统存在着三种主要的大气低频波:年波、半年波和30—50天的季内波;中、高纬度的大气环流以年波振荡为主,低纬度的大气环流以半年波振荡为主;30—50天的季内波是北半球各纬度上都存在的一种波,但它对总方差的贡献在低纬比中、高纬度大.此外,还讨论了年波和半年波这两种大气低频波与我国长期预报中常用的各种韵律指标特别是隔季相关现象的关系.     

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。     

北极涛动与北大西洋涛动的差异

根据北极涛动和北大西洋涛动指数的时间序列,选取两者差异较大的13个年份进行合成分析。结果表明：除北太平洋地区外,北极涛动与北大西洋涛动差异最显著的区域是西欧-地中海区域和亚洲东北部地区。北极涛动高指数阶段,对流层中层为纬向二波的驻波型,分别对应于极地-欧亚遥相关型和太平洋-北美遥相关型。同时,纬向平均纬向风偶极型使西风急流向极地偏移,与增强的中纬度经圈环流相互作用,引导对流层上层异常信号向下传播,形成高低空耦合机制。进一步分析发现,这种中纬度经圈环流异常和高低空耦合形势的差异主要表现在欧亚大陆地区;在北大西洋区域差异并不显著。     

北极涛动的纬向对称结构

运用NCEP／NCAR再分析月资料,分季节研究了北极涛动的纬向结构,以及与之相对应的纬向平均纬向风和经圈环流异常的空间结构特征,并初步探讨了北极涛动的维持机制。结果表明,北极涛动在水平方向上主要呈纬向对称的环形模态,且这种结构在冬季北极涛动的活跃期表现更为显著;而夏季纬向对称型随季节风带的北移和极涡的减弱,其节点也相应向极地移动。与北极涛动纬向对称型相联系的纬向平均纬向风在冬季表现为明显的偶极型,向上延伸到平流层;而夏季这种形态明显减弱,并只限于对流层中。与冬、夏季北极涛动纬向对称型相对应的平均经圈环流异常均表现为增强的费雷尔环流和哈得来环流,这种形势有利于北极涛动形成正反馈机制,使之得以长期维持。