东亚季风区夏季准定常环流系统气候特征及月内演变的数值模拟

利用P—σ混合坐标系5层区域气候模式,研究了东亚季风区夏季准定常环流系统的月平均气候特征及其时间演变,结果发规模式在一定的海陆分布、地形及模式物理过程等的综合作用下可以较好地模拟出东亚季风区夏季准定常环流系统的月平均气候特征,各高度上的主要环流系统以及高原地区的经圈环流与实际情况较为一致,准定常环流系统的时间变化主要发生在模式积分的前15天中,在此后的时间积分过程中环流系统的变化比较缓慢,大陆暖中心、低压中心以及季风强度指数等的时间演变和相关系数、均方误差及误差标准差的分析都能说明这一点。     

涡旋粘性对于夏季副热带准定常行星尺度环流的影响

本文从理论上分析了涡旋粘性对于夏季副热带准定常行星波分布的影响,指出夏季副热带地区由于纬向气流很弱,涡旋粘性对于准定常行星尺度运动起着重要作用。 本文还利用一个线性34层准地转球坐标模式计算了不同涡旋热力扩散系数下地形与热源强迫所产生准定常行星波的差别及准定常扰动环流系统的差别,计算结果说明了涡旋粘性系数对于副热带准定常行星尺度环流的强度有很大影响。     

中层大气行星波在臭氧的季节和年际变化中输运作用的数值研究 II. 波流相互作用的情况

本文利用一个34层球坐标波-流相互耦合原始方程谱模式，从拉格朗日平均环流的观点出发讨论了非常定流下行星波对O3的输运作用。计算结果表明：该耦合模式能较好地模拟中层大气纬向平均流场及准定常行星波的基本变化特征。通过计算行星波对臭氧的输运，我们得到了与观测基本一致的O3的季节变化。此外，计算结果还表明，非常定流下行星波对O3输运的年际变化与常定流下的结果是类似的，都是在热带纬向风为东风位相下的输运作用比西风位相下强，但是在波-流相互作用情况下，中高纬地区行星波对O3输运的年际变化大大增强。     

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.     

中层大气行星波在臭氧的季节和年际变化中输运作用的数值研究：Ⅱ.波流…

本文利用一个３４层球坐标波－波相互耦合原始方程谱模式，从拉格朗日平均环流的观点出发讨论了非常定流下行星波对Ｏ３的输运作用。计算结果表明：该耦合模式能较好地模拟中层大气纬向平均流场及准定常行星波的基本变化特征。     

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.     

时间平均基流中准定常波的传播及多向折射

应用几何光学中的射线理论，直观地讨论了准定常波在时间平均基流中的传播，解释了定常 传播的纬向非均匀性。结果表明：折射指数平方可表示为基流绝对对基流流函数的微商，定常波的传播路径与折射指数平方的空间分布有着密切的关系。     

下边界条件对北极涛动影响的数值模拟研究

利用NCAR大气模式CAM3.0探讨了包括山脉和海陆分布等下边界条件对北极涛动(AO)或北半球环状模(NAM)形成的影响.主要进行了控制试验和两个地形敏感性数值试验,对比了控制试验结果与资料分析结果.控制试验和NCEP/NCAR资料分析结果对比指出,CAM3.0模式能够较好地模拟出AO的水平环状结构和垂直相当正压结构.在去除山脉的敏感性试验中发现,AO中纬度北太平洋和北大西洋两个活动中心的强度、范围和位置发生变化.在水球敏感性试验中发现,AO两个大洋上的活动中心被环绕极地主活动中心的环状结构代替.两个敏感性试验共同表明,AO是大气内部某种过程作用的结果,它的存在本身不取决于下边界条件的改变.山脉和海陆分布主要影响的是AO的具体形态.通过控制试验和两个敏感性试验对比,又分析了准定常波和瞬变波对AO的影响.去除山脉和海陆分布热力差异共同强迫的准定常波,AO纬向平均纬向风高纬地区平流层异常最大值活动中心消失,这表明在平流层准定常波和纬向平均流的相互作用与AO活动关系密切.在只有对流层瞬变波作用时,AO仍然存在,表明准定常波不是AO存在的必要条件.平流层准定常波与平均流的相互作用和对流层瞬变波与平均流的相互作用与AO形成之间的具体关系有待通过E-P通量诊断进一步确定.     

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.     

北半球冬季准定常行星波的三维传播及其年际变化

作者回顾了应用叶笃正先生所创立的Rossby波频散理论,来研究准定常行星波在三维大气的能量频散以及在北半球冬季三维大气中的传播规律,并应用NCEP/NCAR再分析资料和由大气环流数值模拟所得的模式资料的40年风场、温度场资料计算了冬季北半球准定常行星波的E-P通量.计算结果表明了北半球冬季准定常行星波在三维大气传播具有沿两支波导的传播特征,这与从理论分析所得的结果相吻合.作者还分析了冬季准定常行星波的E-P通量分布的年际变化,分析结果表明了准定常行星波在北半球冬季三维大气中传播的这两支波导有明显的年际振荡;并且,从冬季准定常行星波的E-P通量辐散辐合的年际变化与北极涛动的年际变化相比较,发现准定常行星波两支波导的年际振荡直接影响着北极涛动(AO),因而说明了准定常行星波活动的年际变化可以影响对流层的气候变化.     

NWP模式中纬向平均环流系统误差的动力诊断

证明了模式在预报时段的纬向平均环流误差，是由于在预报时段内模式大气和真实大气中西风加速过程的不同造成的。又由于原始方程的无加速定理中各强迫因子具有良好的线性迭加性，因此能够清楚地将造成模式系统误差的动力因子分解开来。通过对Ｔ４２Ｌ９模式的分析，说明原始方程的无加速定理可以作为分析模式系统误差的良好手段。动力诊断分析结果表明，模式对纬向平均环流分布具有较好的预报能力，但在各缔带也存在明显的误差。通过无加速定理的分解分析，本文研究了这些误差的成因及改善模式的可能途径。     

不同形状初始涡旋和热力强迫能量频散特征的数值研究

用谱方法求解球面无辐散正压涡度方程，讨论了不同形状初始涡旋和热力强迫能量频散特性的差异。结果表明：１．在不同结构的环境风场下，差异是没的。环境风场为零或西风时，不不形状的初始涡旋或热力强迫能量频散方向，１速度，强度的差异均较大，但在半球模式中经向频散均很小，能量以向东传播为主。有东风风场存在时，只表现为频散强度的差异，且向极传播的波形波长较长，向南传播的波列波长较短。２．以上线性结果中用波射线跟踪     

海温变化与副热带高压季节活动的数值模拟

本文采用二维纬向平均模式,通过数值试验来研究海温的变化对副热带高压(以下简称副高)季节活动的影响。结果表明,副高对西太平洋中纬度海温的响应存在3—5个月的滞后。所以,当3月至5月西太平洋中纬度海域为感热正距平时,相应地当年7月至9月副高减弱并南移。反之,则北移增强。      

阻塞高压建立的非线性机理探讨

文中建立了一个考虑斜压大气的超长波、长波与纬向气流相互作用的动力系统 ,其中把热力强迫和摩擦耗散作为外参数 ,采用相轨线图、流函数图和Poincar啨图综合分析的方法 ,绘制了外参数平面上的系统状态和环流型式的分布图。结果表明 :用Galerkin方法时 ,在一定范围内截谱阶数的增加对系统状态分布和环流型分布的影响不大 ,但在一定程度上增加了复杂性 ;加热分布的改变对系统影响很大 ;阻塞高压与环流振荡、经向度强烈发展有密切的联系 ,而天气波的发展有利于激发振荡。     

冷暖事件对大气能量循环和纬向平均环流影响的模拟研究

利用中国科学院大气物理研究所大气科学与地球流体力学数值模拟国家重点实验室新发展的GOALS 5全球海 陆 气耦合模式研究了暖事件 (ElNi no)和冷事件 (LaNina)对大气能量循环和纬向平均环流的影响 ,并用观测资料进行了对比分析。结果表明 :对于纬向平均资料来说 ,冷、暖事件在热带和副热带地区的大气环流相关量的反相变化特征非常清晰 ,中高纬度地区并不明显。此外 ,还发现 ,暖事件时定常涡动的经向热通量的变化是北半球对流层热带外地区温度异常的主要原因 ,而瞬变波的影响则起抵消作用。冷事件时定常波和瞬变波相互抵消的局地特征也依然存在 ,但瞬变波的影响有所增强。     

THE EFFECTS OF TOPOGRAPHY ON THE SUMMER ATMOS-PHERIC ENERGETICS OF THE NORTHERN HEMISPHERE IN A LOW-RESOLUTION GLOBAL SPECTRAL MODEL

An analysis is made of the effects of topography on the summer atmospheric energetics of the Northern Hemisphere in a low-resolution global spectral model. The numerical model is a global, spectral, primitive equation model with five equally spaced sigma levels in the vertical and triangular truncation at wavenumber 10 in the horizontal. The model includes comparatively full physical processes.Each term of the energy budget equations is calculated in four specific latitudinal belts (81.11°S-11.53°S; 11.53°S-11.53°N; 11.53°N-46.24°N; 46.24°N-81.11°N) from a five-year simulation with mountains and a one-year simulation without mountains, respectively. Differences between them are compared and statistically tested. The results show that synoptical scale waves transport available potential energy and kinetic energy to long waves and increase conversion from available potential energy of the zonal flow to eddy’s and from the eddy kinetic energy to the zonal kinetic energy in region 3 (11.53°N-46.24°N) due to mountains; topography intensifies the atmospheric baroclinity in region 3, consequently the baroclinic conversion of atmosphere energy is increased. The seasonal characteristics associated with the summer atmospheric energy source in region 3 are caused by seasonal variation of the solar radiation and the land-ocean contrasts and independent of topographic effects. The mechanism of topographic effects on the increase of long wave kinetic energy is also discussed.     

ON THE DYNAMICS OF SUBTROPICAL UPPER-TROPOSPHERIC QUASI-STATIONARY VORTICES IN NORTHERN SUMMER

In this paper the dynamic mechanism of the subtropical quasi-stationary vortices in the upper troposphere,such as the southern Asia high and the mid-oceanic troughs,are studied with a highly truncated spectral model,in which the thermal forcing and the nonlinear interaction between wave and zonal components,as well asthe basic zonal flow changing with latitudes are incorporated.The results show a stable equilibrium statewith an upper level fiow field similar to the observed subtropical systems.It is found that the thermal forc-ing has some important controlling effects on these planetary-scale vortices.     

2003年东亚季风季节内振荡对我国东部地区降水的影响

将2003年东亚夏季风指数IM进行30~60天带通滤波后,分析结果表明,大气季节内振荡(ISO)的经向传播主要表现为从南海南部地区向北传播,其传播过程中的高值中心分别对应我国南海地区、华南前汛期以及江淮流域梅雨的强降水过程。ISO的传播还表现出纬向与经向相互接力的特征,纬向上源于热带地区孟加拉湾向东传播的ISO和源于副热带西太平洋地区向西传播的ISO 在120 °E附近汇合后,分别补充到由南海南部向北传播的ISO中,使其可以继续加强北传,最北界可延伸到35 °N以北,对我国东部地区大尺度降水过程产生一定的影响。     

强迫二维Rossby波传播特征的数值试验

Bjerknes提出了大气对外界强迫响应的概念。大量研究已证明这一遥响应机制的存在,且大气对强迫源的遥响应及其低频活动的共同特征都表现为类似大圆路径的波列,Hoskins的理论研究揭示了这现象的实质,他把叶笃正所提出的Rossby波的频散理论推广到球面上。黄荣辉曾利用波折射指数平方与EP通量系统地研究了北半球冬夏准定常行星波的传播规律。邹晓蕾、叶笃正、吴国雄提出了中高纬的相关链、定常地形波链,并指出北美与东亚相关型的差异与两区域地形准定常波在不同纬向流中传播的差异有关。观测分析亦表明,青藏高原是大气低频振荡的强迫源,且在此区域可产生向北、向南或向东、向西传播的波列。     

Future evolution of the Sahel precipitation zonal contrast in CESM1

The main focus of this study is the zonal contrast of the Sahel precipitation shown in the CMIP5 climate projections: precipitation decreases over the western Sahel (i.e., Senegal and western Mali) and increases over the central Sahel (i.e., eastern Mali, Burkina Faso and Niger). This zonal contrast in future precipitation change is a robust model response to climate change but suffers from a lack of an explanation. To this aim, we study the impact of current and future climate change on Sahel precipitation by using the Large Ensemble of the Community Earth System Model version 1 (CESM1). In CESM1, global warming leads to a strengthening of the zonal contrast, as shown by the difference between the 2060–2099 period (under a high emission scenario) and the 1960–1999 period (under the historical forcing). The zonal contrast is associated with dynamic shifts in the atmospheric circulation. We show that, in absence of a forced response, that is, when only accounting for internal climate variability, the zonal contrast is associated with the Pacific and the tropical Atlantic oceans variability. However, future patterns in sea surface temperature (SST) anomalies are not necessary to explaining the projected strengthening of the zonal contrast. The mechanisms underlying the simulated changes are elucidated by analysing a set of CMIP5 idealised simulations. We show the increase in precipitation over the central Sahel to be mostly associated with the surface warming over northern Africa, which favour the displacement of the monsoon cell northwards. Over the western Sahel, the decrease in Sahel precipitation is associated with a southward shift of the monsoon circulation, and is mostly due to the warming of the SST. These two mechanisms allow explaining the zonal contrast in precipitation change.