用解析的垂直正规模展开对大气数值模式进行垂直积分

本文提出了一个用大气自由振荡解析的垂直正规模为正交函数系构成一个完备的Hilbert空间,利用广义Fourier展开的概念,在垂直方向进行广义Fourier展开,对大气数值模式进行垂直积分.我们利用两组垂直正规模为正交函数系.第一组是等温大气的垂直正规模;第二组是多元大气的垂直正规模,并用变系数的一维平流方程进行试验积分,将积分结果与差分法、有限元法、Legendre多项式展开的结果进行比较.比较的标准是它们与解析解的均方根误差和相关系数.     

Seasonal heat storage in the ocean and heating of the atmosphere

Summary One method of computing the seasonal heat budget of the atmosphere involves the seasonal heat storage in the oceans. On the basis of bathythermograph data and ocean surface temperatures, the heat added to, or released by the ocean was computed month by month. The heat stored in the ocean was then compared withGabites' estimate of the heat added by radiation and by means of the latent heat of water vapor. From this comparison, the heating of the atmosphere was approximated. In middle latitudes, the net heating of the atmosphere is close to zero during most of the year, so that even the sign of the atmospheric heating is in doubt there. During most of the year, the atmosphere undergoes net heating in low latitudes, and net cooling in high latitudes. The excess is removed by motions of the atmosphere and the ocean.

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Zusammenfassung Eine Methode, das jahreszeitliche Wärmebudget der Atmosphäre zu berechnen, hat auch der Wärmespericherung in den Ozeanen Rechnung zu tragen. Auf Grund von Wasserthermographenwerten und Ozeanoberflächentemperaturen wurden die dem Ozean zugeführten oder von ihm abgegebenen Wärmemengen monatsweise berechnet. Die im Ozean gespeicherte Wärme wurde dann mit der vonGabites aufgestellten Schätzung der durch Strahlung und durch die latente Wärme des Wasserdampfs zugeführten Wärmeenge verglichen und von dieser Vergleichung wurde auf die Erwärmung der Atmosphäre geschlossen. In mittleren Breiten liegt der Erwärmungszuwachs der Atmosphäre während des Großteils des Jahres bei Null, so daß sogar das Vorzeichen der Erwärmung zweifelhaft ist. Während des Großteils des Jahres erfährt die Atmosphäre dagegen in niederen Breiten einen Wärmezuwachs, in hohen Breiten einen Überschuß an Abkühlung. Diese Überschüsse werden durch Bewegungsvorgänge in der Atmosphäre und im Ozean verfrachtet.

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Résumé Une méthode visant à calcular le bilan thermique annuel de l'atmosphère doit tenir compte de la chaleur mise en réserve dans les mers. Des mesures de température de l'eau de mer en profondeur et en surface permettent d'établir les quantités de chaleur fournies mensuellement à la mer ou enlevée à celle-ci. La chaleur accumulée fut alors comparée à celle qu'estimeGabites en considérant la chaleur fournie par rayonnement et par la chaleur latente de la vapeur d'eau; on en a tiré une conclusion relative au réchauffement de l'atmosphère. Aux latitudes moyennes, l'accroissement de chaleur de cette dernière est voisine de zéro la plus grande partie de l'année, de sorte que même le signe est douteux. Aux latitudes basses par contre l'atmosphère reçoit de la chaleur pendant la plus grande partie de l'année; elle en perd aux latitudes élevées. Ces gains et ces pertes s'équilibrent in globo par les mouvements de l'air et de l'eau.

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With 4 Figures

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Presented at the 11th General Assembly, IUGG (IAM), Toronto, Septemer 1957.

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Dedicated to Dr.Anders K. Ångström on the occasion of his 70th birthday.     

Long circumpolar atmospheric waves

Summary The periods of long waves in the circumpolar atmosphere are considerably longer than at lower latitudes because the variation of the Coriolis parameter with latitude decreases from the equator to the poles. The period length increases with decreasing meridional extent of the oscillation and with increasing meridional wave number. Numerical examples of period lengths for different longitudinal and meridional wave numbers and for different meridional extents of the oscillations are shown in Figs. 1–3. The vertical variation of the oscillations is considered only for the simple case of an isothermal atmosphere in order to illustrate the role of the vertical structure of the atmosphere in determining the free oscillations and in regulating the atmospheric response to a forcing function. As a specific example a periodic heating function has been assumed whose intensity decreases upward exponentially. With plausible values for the amplitude of this heating function reasonable values are obtained for the wind and pressure disturbance due to the heating.

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Lange Wellen in der polaren Atmosphäre

Zusammenfassung Die Perioden langer Wellen in der polaren Atmosphäre sind wesentlich länger als in den niederen Breiten, da die Änderung des Coriolisparameters mit der Breite vom Äquator zu den Polen abnimmt. Die Periodenlänge nimmt zu mit abnehmender meridionaler Ausdehnung der Schwingung und mit zunehmender meridionaler Wellenzahl. Numerische Werte von Periodenlängen sind aus Abb. 1–3 zu ersehen. Die Vertikalstruktur der Schwingungen ist für den einfachen Fall einer isothermen Atmosphäre behandelt, um zu zeigen, wie die vertikale Schichtung der Atmosphäre die freien Schwingungen bestimmt und die Ansprechung auf erzwungene Schwingungen reguliert. Als konkretes Beispiel wird eine periodische Erwärmung und Abkühlung angenommen, die mit der Höhe exponentiell abnimmt. Mit realistischen Werten für diese periodische Erwärmung ergeben sich plausible Wind- und Druckwerte.

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With 5 Figures     

A subtropical episode of production of kinetic energy from condensation heating

Summary The mutually interacting pressure wave and diabatic heating wave originally cause the observed tropical disturbances. The equivalent barotropic models relate the tendency of vorticity with the convective heating effect directly, and so these models elucidate the roles of these mutually interacting waves on the development of observed tropical disturbances readily. The exact solution for the complex frequency adequately explains the growth and movement of tropical disturbances during summer. The results are divided into two parts 1) for the upper atmosphere 2) for the lower atmosphere. For the upper atmosphere during summer, the standing and amplifying natures of wave numbers 1 and 2 are satisfactorily interpreted. So the standing natures and the intensity variations of Atlantic trough, African high, Tibetan high, Pacific trough, and Mexican high etc. are also explained thereby. Also, the amplification and westward movement of short wave number 8 are interpreted. For the lower atmosphere during summer, the amplifications and westward movements of Carribean easterly wave, African monsoon cyclone, Indian monsoon depression, west Pacific ITCZ wave etc. are explained.

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Die Entstehung tropischer Störungen

Zusammenfassung Die sich gegenseitig beeinflussende Druckwelle und diabatische Erwärmungswelle verursachen ursprünglich die beobachteten tropischen Störungen. Die äquivalentbarotropen Modelle verbinden die Vorticity-Tendenz mit dem konvektiven Erwärmungseffekt direkt, und damit erklären diése Modelle die Bedeutung dieser sich gegenseitig beeinflussenden Wellen für die Entwicklung der beobachteten tropischen Störungen. Die exakte Lösung für den Häufigkeitskomplex erklärt hinreichend die Entwicklung und die Bewegung tropischer Störungen im Sommer.Die Ergebnisse werden in solche für die obere Atmosphäre und für die untere Atmosphäre unterteilt. Für die obere Atmosphäre im Sommer sind die beständigen und sich verstärkenden Formen der Wellenzahl 1 und 2 befriedigend interpretiert. Damit sind auch die beständigen Formen und die Intensitätsänderungen des atlantischen Troges, des afrikanischen Hochs, des tibetischen Hochs, des pazifischen Troges und des mexikanischen Hochs erklärt. Auch die Verstärkung und Westwärtsbewegung der kurzen Wellenzahl 8 sind erklärt. Für die untere Atmosphäre im Sommer sind die Verstärkung und Westwärtsbewegung der karibischen östlichen Welle, der afrikanischen Monsun-Zyklone, der indischen Monsun-Depression, der westpazifischen ITCZ-Welle und der zentralpazifischen ITCZ-Welle erklärt.

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1 Figure     

Non-stationarity of the signal and noise characteristics of seasonal precipitation anomalies

In order to improve seasonal-to-interannual precipitation forecasts and their application by decision makers, there is a clear need to understand when, where, and to what extent seasonal precipitation anomalies are driven by potentially predictable surface–atmosphere interactions versus to chaotic interannual atmospheric dynamics. Using a simple Monte Carlo approach, interannual variability and linear trends in the SST-forced signal and potential predictability of boreal winter precipitation anomalies is examined in an ensemble of twentieth century AGCM simulations. Signal and potential predictability are shown to be non-stationary over more than 80% of the globe, while chaotic noise is shown to be stationary over most of the globe. Correlation analysis with respect to magnitudes of the four leading modes of global SST variability suggests that interannual variability and trends in signal and potential predictability over 35% of the globe is associated with ENSO-related SST variability; signal and potential predictability are not significantly associated with SST modes characterized by a global SST trend, North Atlantic SST variability, and North Pacific SST variability, respectively. Results suggest that mechanisms other than SST variability contribute to the non-stationarity of signal and noise characteristics of hydroclimatic variability over mid- and high-latitude regions.     

Heating of a small Alpine valley

Summary Two- and three-dimensional fields of meteorological variables are constructed from measurements in a small Alpine end valley during daytime of two fine weather days. These are fields of the surface energy balance, of temperature and wind. With these data the energy budget of the valley atmosphere is calculated. In the morning, the sensible heat which is released on the valley surface is used to heat the valley atmosphere. The advection terms are rather small. In the afternoon, the energy gain is nearly completely exported out of the valley region. The transport is managed by advection with the valley wind and the related upward motion, which are branches of the valley wind system which overlap into the next larger valley. The role of a small valley in the interplay of the thermal circulation systems in the heating of the mountainous boundary layer is discussed.

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Erwärmung eines kleinen Alpentals

Zusammenfassung Messungen in einem kleinen alpinen Endtal gestatten die Berechnung zwei- und dreidimensionaler Felder meteorologischer Größen tagsüber an zwei Schönwettertagen. Dies sind Felder der Terme der Energiebilanz am Untergrund, der Temperatur und des Windes. Daraus läßt sich der Energiehaushalt der Talatmosphäre berechnen. Am Vormittag wird die am Untergrund freigesetzte fühlbare Wärme zur Erwärmung des Tals genutzt, die Advektionsterme sind ziemlich klein. Am Nachmittag wird dieser Wärmegewinn nahezu vollständig aus dem Talbereich exportiert. Dieser Transport wird durch die Advektion mit dem Talwind und dem resultierenden Aufwind bewerkstelligt, die Zweige eines ins nächste Tal übergreifenden Talwindsystems sind. Die Rolle eines kleinen Alpentals im Zusammenspiel der verschiedenen thermischen Zirkulationssysteme bei der Erwärmung der Gebirgsgrenzschicht wird diskutiert.

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With 6 Figures     

Nonlinear resonance interactions and index cycles in the atmosphere

A barotropic spectral model is used to study the planetary-scale motions of an atmosphere whose wave ensemble modes are externally driven. Pertubations are induced by a barotropic analogue of thermal driving and by Ekman friction, bottom topography, and the vanished internal dissipation. The use of complete spectral expansions without truncation leads to that the nonlinear coupling equations between the low-index mode and the high-index mode are obtained by means of the random phase approximation and the projec-tion operator techniques. The nonlinear coupling equations are entirely equivalent to the Volterra systems in ecology.In the phase-plane, the orbits of the nonlinear coupling equations are the family of closed curves, indicat-ing a bound, and periodic motion. The qualitative behaviors of low-index and high-index modes as functions of time picture the motion of atmospheric flows, with exchanges of energy between the low-index mode and the high-index mode by nonlinear resonance interaction. It is suggested that the phenomenon of blocking be exponentially grown of the low-index mode, the atmospheric motion then evolved to the high-index mode due to relaxation process. The results therefore lead to a plausible hypothesis concerning index cycles in the atmosphere discussed by Lorenz’s early works.     

旋转大气中地形对涡旋自组织影响的初步研究

用一个带有地形项的β平面准地转正压涡度方程,进行2组积分时间长度为48h的试验,分析旋转大气中地形对多涡自组织的影响。地球旋转作用的引入主要会引起以下的差别：无旋转大气中,多涡自组织的特征是准终态涡将初始多涡全部吸收或全部组织起来;旋转大气中,多涡自组织的特征是准终态涡将初始多涡部分吸收或部分组织起来,差别较明显。中尺度地形对准终态涡位置的影响不同。无旋转大气中,中尺度地形对准终态涡位置的影响较小,有无地形的两个准终态涡中心之间的距离约100km;旋转大气中,中尺度地形对准终态涡位置的影响较大,有无地形的两个准终态涡中心之间的距离约200km,两者相差一倍左右。     

A Further Inquiry on the Mechanism of 30-60 Day Oscillation in the Tropical Atmosphere

In a simple semi-geostropic model on the equatorial β-plane, the theoretical analysis on the 30-60 day oscillation in the tropical atmosphere is further discussed based on the wave-CISK mechanism. The convection heat-ing can excite the CISK-Kelvin wave and CISK-Rossby wave in the tropical atmosphere and they are all the low-frequency modes which drive the activities of 30-60 day oscillation in the tropics. The most favorable conditions to excite the CISK-Kelvin wave and CISK-Rossby wave are indicated: There is convection heating but not very strong in the atmosphere and there is weaker disturbance in the lower troposphere.The influences of vertical shearing of basic flow in the troposphere on the 30-60 day oscillation in the tropics are also discussed.     

On the role of eddy mechanisms in the meridional energy transports

Summary Meridional transports of sensible and latent heat associated with standing eddies were computed from climatic mean data, and are compared with information available in the literature. The standing eddy flux of latent heat has a main maximum in the latitude of the subtropical anticyclones, where longitudinal contrasts in the latent heat content of the atmosphere are also pronounced. The standing eddy flux of sensible heat has, in winter, a main maximum in the latitude of the subpolar lows, where marked land-sea contrasts in temperature occur. Longitudinal variations in the energy content of the atmosphere account for constrasts in the latitudinal and seasonal pattern of the standing eddy fluxes of sensible and latent heat.

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Zusammenfassung Mit ortsfesten Störmechanismen verbundene Meridionaltransporte von fühlbarer und latenter Wärme werden auf Grund klimatologischer Daten berechnet und mit den in der Literatur verfügbaren Werten verglichen. Die Störungsbewegung von latenter Wärme hat ein Hauptmaximum in der Breitenlage der subtropischen Hochdruckzellen, wo auch die zonalen Unterschiede im latenten Wärmegehalt der Luft ausgeprägt sind. Die entsprechende Störungsbewegung der fühlbaren Wärme hat im Winter ein Hauptmaximum in der Breitenlage der subpolaren Tiefdruckgebiete, wo auch starke ozeanisch-kontinentale Temperaturgegensätze auftreten. Zonale Unterschiede im Energiegehalt der Atmosphäre bedingen breitenmäßige und jahreszeitliche Gegensätze in der Störungsbewegung von fühlbarer und latenter Wärme.

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Résumé On calcule ici au moyen de données climatologiques les transports méridiens de chaleurs latente et sensible liés à des mécanismes perturbateurs immobiles. Les valeurs ainsi obtenues sont comparées à celles que l'on trouve dans la littérature. Le mouvement perturbateur de la chaleur latente a un maximum principal dans les latitudes des cellules anticycloniques subtropicales. C'est là aussi que l'on rencontre de grandes différences zonales du contenu de l'air en chaleur latente. Le mouvement perturbateur correspondant de la chaleur sensible a, en hiver, un maximum principal dans les latitudes des dépressions subpolaires où l'on rencontre aussi de fortes oppositions de températures entre les continents et les océans. Des différences zonales du contenu de l'atmosphère en énergie provoquent des contradictions saisonnières et en latitude du mouvement perturbateur des chaleurs latente et sensible.

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With 4 Figures     

Meridional oscillations in an idealized ocean-atmosphere system,Part I: uncoupled modes

Meridional, linear, and free modes of global, primitive-equation, ocean-atmosphere models were analyzed to see if they contain multi-year, especially decadal ( 10–30 years), oscillation time scale modes. A two-layer model of the global ocean and a two-level model of the global atmosphere were formulated. Both models were linearized around axially-symmetric basic states containing mean meridional circulations. The linearized perturbation system was solved as an eigenvalue problem. The operator matrix was discretized in the north-south direction with centered finite differences. Uncoupled, meridional modes of oscillation of the ocean and the atmosphere models were calculated. Calculations were performed at three grid spacings (5°, 2.5° and 1.25°) and for two types of basic states (symmetric and asymmetric). Uncoupled, free oceanic modes in the presence of mean meridional circulations have oscillation time scales ranging from two years to several centuries. Such low frequency meridional modes do not exist in the ocean model if there are no mean meridional circulations. A large number of oceanic modes are grouped around decadal oscillation time scales. All the oceanic modes have neutral growth rates. The spatial structures of some of the oceanic modes are comparable to observed spatial structures of sea surface temperature variations in the Pacific Ocean. Most years to decades variability of meridional modes of the ocean model is contained in tropical and midlatitude modes. Some oceanic modes with years to decades periods have standing oscillations in the tropics and poleward propagation of zonal velocity and layer thickness outside the tropics. Uncoupled, free atmospheric modes in the presence of mean meridional circulations have oscillation time scales ranging from a week to several decades. Such low-frequency meridional modes do not exist in the atmospere model if there are no mean meridional circulations. A large number of modes are grouped around intraseasonal time scales. Unlike the oceanic modes, the atmospheric modes are weakly unstable. Most of the intraseasonal variability of atmospheric modes is contained in tropical, midlatitude, and polar modes. Atmospheric modes with oscillation periods longer than about one year have global extent. Meridional ocean-atmospheric modes exist in the models wherever there are mean meridional circulations, i.e., tropical, midlatitude, polar, and global. Oceanic and atmospheric eigenvectors have symmetric (assymetric) latitudinal structures if their basic states are symmetric (asymmetric) around the equator. For both models, models calculated at coarser than 2.5° grid spacing do not accurately represent low-frequency variability. Scale analysis shows taht advection by tge basic state meridional velocities is the primary cause of the meridional oscillations on time scales longer than two years in the ocean model and longer than a few weeks in the atmosphere model. Meridional modes of the coupled ocean-atmosphere models are the subject of a subsequent paper.This paper was presented at the International Conference on Modelling of Global Climate Change and Variability, held in Hamburg 11–15 September 1989 under the auspices of the Meteorological Institute of the University of Hamburg and the Max Planck Institute for Meteorology. Guest Editor for these papers is Dr. L. Dümenil     

Northern hemisphere winter atmospheric climate: modes of natural variability and climate change

Under anthropogenic climate change it is possible that the increased radiative forcing and associated changes in mean climate may affect the “dynamical equilibrium” of the climate system; leading to a change in the relative dominance of different modes of natural variability, the characteristics of their patterns or their behavior in the time domain. Here we use multi-century integrations of version three of the Hadley Centre atmosphere model coupled to a mixed layer ocean to examine potential changes in atmosphere-surface ocean modes of variability. After first evaluating the simulated modes of Northern Hemisphere winter surface temperature and geopotential height against observations, we examine their behavior under an idealized equilibrium doubling of atmospheric CO₂. We find no significant changes in the order of dominance, the spatial patterns or the associated time series of the modes. Having established that the dynamic equilibrium is preserved in the model on doubling of CO₂, we go on to examine the temperature pattern of mean climate change in terms of the modes of variability; the motivation being that the pattern of change might be explicable in terms of changes in the amount of time the system resides in a particular mode. In addition, if the two are closely related, we might be able to assess the relative credibility of different spatial patterns of climate change from different models (or model versions) by assessing their representation of variability. Significant shifts do appear to occur in the mean position of residence when examining a truncated set of the leading order modes. However, on examining the complete spectrum of modes, it is found that the mean climate change pattern is close to orthogonal to all of the modes and the large shifts are a manifestation of this orthogonality. The results suggest that care should be exercised in using a truncated set of variability EOFs to evaluate climate change signals.     

On the nonlinear evolution of baroclinic instability over topography

A theory is presented for the nonlinear evolution of fluctuations in a zonal baroclinic shear flow over topography on a β-plane. It extends an earlier linearized theory on the same subject, which showed that unstable growth was possible for hybrid modes made up of a pair of primary modes with the same frequency but different wavenumbers, each stable in the absence of topography, but made unstable by topography with wavenumber that bridges the wavenumber gap between the primary modes. The slow evolution of the amplitudes of the hybrid modes can be expressed quite generally in terms of elliptic functions that fluctuate regularly between maximum and minimum values determined in a complicated way by initial amplitudes and parameters characterizing the primary modes. For small initial amplitudes, the evolution can be described in terms of even simpler function, i.e., trains of hyperbolic-secant pulses that recur with a period that depends on the logarithm of (the inverse of) the initial amplitude.Maximum fluctuation velocities comparable to, or even larger than, mean flow velocities can be achieved for disturbances of the scale of the internal deformation radius (typically 50 km in the oceans, 1000 km in the atmosphere), topography variations 10% of total fluid depth, and parameters typical of oceans and atmosphere.     

The control of the electrical conductivity of the lower atmosphere

Summary The electrical conductivity of the atmosphere at any part of the earth's surface depends on the local concentration of small ions. This in turn depends 1. on their rate of production and 2. on their rate of removal. The removal is due principally to attachment to condensation nuclei. Methods are described for counting the nuclei and for determining their sizes and masses. The ratios of charged to uncharged nuclei, when they are in equilibrium with the small ions, are determined for nuclei of various sizes. Observations on nuclei in the free atmosphere show that they are usually not in equilibrium. The difficulty of establishing any simple relation between atmospheric conductivity, rate of ion-production and nucleus concentration is increased by the discovery that the air-borne radioactive matter which contributes to the small-ion production tends to increase with increase of nucleus concentration.

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Zusammenfassung Die elektrische Leitfähigkeit der Atmosphäre an einer beliebigen Stelle der Erdoberfläche hängt von der örtlichen Konzentration kleiner Ionen ab; diese ist ihrerseits bedingt 1. durch die Ionisierungsstärke und 2. durch die Geschwindigkeit ihrer Vernichtung. Die Vernichtung von Kleinionen ist vor allem auf die Anlagerung an Kondensationskerne zurückzuführen. Es werden Methoden für die Kernzählung und für die Bestimmung von Größe und Maße der Kerne beschrieben. Das Verhältnis von geladenen zu ungeladenen Kernen wird für den Fall, daß sie im Gleichgewicht mit den kleinen Ionen sind, für Kerne verschiedener Größe bestimmt. Kernbeobachtungen in der freien Atmosphäre ergeben, daß dieses Gleichgewicht gewöhnlich nicht besteht. Die Aufstellung einer einfachen Beziehung zwischen der atmosphärischen Leitfähigkeit, dem Prozentsatz der Ionenbildung und der Kernkonzentration wird noch erschwert durch die Feststellung, daß die aus der Luft stammenden radioaktiven Substanzen, die zur Bildung von Kleinionen beitragen, mit einer Zunahme der Kernkonzentration ihrerseits ebenfalls eine Zunahme zeigen.

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Résumé La conductibilité électrique de l'atmosphère en un endroit quelconque de la terre dépend de la concentration locale des petits ions; celle-ci est à son tour commandée 1. par l'intensité de l'ionisation et 2. par la vitesse de leur disparition. La destruction des petits ions est due surtout à leur dépôt sur des noyaux de condensation. On expose des méthodes de dénombrement des noyaux et de détermination de leur grosseur et de leur masse. On établit le rapport des noyaux chargés aux noyaux non chargés dans le cas où ils sont en équilibre avec les petits ions, et cela pour des noyaux de différentes grosseurs. Des observations de noyaux de l'atmosphère libre prouvent que cet équilibre n'est généralement pas réalisé. Dans la recherche d'une relation simple entre la conductibilité atmosphérique, le taux de formation d'ions et la concentration en noyaux, on se heurte à la difficulté suivante: les substances radioactives provenant de l'air et qui contribuent à la formation de petits ions augmentent en même temps que la concentration des noyaux.

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Dedicated to Professor Dr.H. Benndorf on the occasion of his eightieth birthday.     

The summer radiation and heat budget of the Arctic and Antarctic

Summary For two pairs of arctic and antarctic stations, one coastal and one mountainous, an intercomparison between the summer radiation and surface energy budgets was carried out. The station pairs were similar in both latitude and altitude. It was found that the global radiation was larger for both antarctic stations. This is the result of a smaller Earth-Sun distance and cleaner atmosphere in Antarctica. Cloudiness, and for the arctic mountainous station substantial screening of the sun, also contributed. Further, large differences were found in the albedo. In the Arctic, the summer surfaces considered were bare tundra and melting snow, with respective albedos of 20 and 59%, while in Antarctica the surfaces considered were melting and dry snow, with albedos of 67 and 83% respectively.This results in a less positive radiation balance at both antarctic stations, despite the higher incoming global radiation. In turn, less sensible heat transfer from the surface to air results in lower temperatures in the Antarctic. The reduced rate of evaporation in Antarctica results in a drier atmosphere and less cloudy conditions.

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Zusammenfassung Für jeweils zwei arktische und antarktische Stationen, von denen jeweils eine an der Küste, eine in den Bergen liegt, wurden Vergleiche in bezug auf sommerliche Strahlungs- und Oberflächenenergiebilanz angestellt. Die Stationen liegen auf vergleichbarer Höhe und Breite. Es hat sich gezeigt, daß die Gesamt-Einstrahlung in den antarktischen Stationen größer war, aufgrund geringerer Erde-Sonnen-Distanz und der reineren Atmosphäre. Bewölkung und vor allem die für die arktischen Gebirgsstationen ausschlaggebende Sonnenabschirmung tragen auch zu dieser Differenz bei. Weiters wurden starke Albedounterschiede beobachtet. In der Arktis waren die Beobachtungsoberflächen im Sommer offene Tundra und schmelzender Schnee mit einer Albedo von 20 bzw. 59%, während die Antarktisoberflächen, nasser und trockener Schnee, eine Albedo von 67 bzw. 83% aufwiesen.Dies ergibt eine weniger positive Strahlungsbilanz für die beiden antarktischen Stationen trotz höherer Gesamteinstrahlung. Infolgedessen bewirkt die geringere Wärmeabgabe des Bodens an die Luft niedere Temperaturen in der Antarktis. Geringere Verdunstung ergibt somit geringere Bewölkung und eine trockenere Atmosphäre über der Antarktis.

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With 5 Figures     

Drag of a thin closed fence estimated by the momentum budget technique

Summary In a full-scale field study, the drag coefficient has been estimated of a closed thin fence, which has been attached to the earth's surface. The momentum budget method has been applied to a small and narrow control volume around the fence. It appeared that the drag coefficient was strongly dependent on the thermal stratification of the atmosphere. The result under thermally near-neutral conditions agreed well with an independent direct measuring technique.

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Zusammenfassung Der Widerstandsbeiwert eines dichten dünnen Zaunes, der am Erdboden befestigt war, wurde bestimmt. Dabei wurde das Impulsbilanzverfahren an einem kleinen und schmalen Kontrollvolumen angewendet. Es zeigte sich, daß der Widerstandsbeiwert stark von der thermischen Schichtung der Atmosphäre abhängig war. Bei thermisch neutralem Zustand stimmte das Resultat gut mit unabhängigen direkten Messungen überein.

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With 7 Figures     

Some laboratory models of flow past the Alpine/Pyrenees mountain complex

Summary A series of laboratory experiments have been conducted to simulate the dynamical effects of the flow over and around a model Alpine/Pyrenean topography. The experimental study has employed a linearly salt-stratified rotating water channel through which the model topography is towed. Data have been collected for ranges of the similarity parameters (Rossby, Burger, Ekman and Froude numbers and the topography height to fluid depth ratio) which accord with their atmospheric values; only four of these parameters are independent. The ratio of the fluid depth to topography width need not be simulated because it does not appear as an independent parameter in the leading terms of the governing equations and boundary conditions. The results demonstrate the effects of flow direction on the horizontal motion patterns at various heights and numerous system parameter combinations. Vortex shedding is shown to occur for parameter ranges similar to those appropriate for the atmosphere; an empirical relation between the Strouhal and Rossby numbers is obtained and it is shown that the shedding periods is approximately twice the inertial period. The experiments demonstrate the flow splitting occurs in the vicinity of Geneva for both westerly and northwesterly flow. The importance of the Froude number in controlling the conditions under which fluid flows over or around the topography is illustrated, and the occurrence of lee waves for different values of the Froude and Rossby numbers (and different locations and flow directions) is described. Finally, it is shown that the advection of a parent cyclone from west to east along a path north of the Alps can generate a cyclone in the lower levels of the atmosphere in the vicinity of the Gulf of Genoa. It is suggested that these dynamical effects may play a role in triggering a lee cyclone which then might grow by other physical processes.

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Einige Labormodelle von Strömungen im Einfluß des Alpen/Pyrenäen-Gebirgskomplexes

Zusammenfassung Es wurden eine Reihe von Laborexperimenten durchgeführt, um die dynamischen Effekte der Strömung über und um ein Modell der Alpen-Pyrenäentopographie zu simulieren. Bei der Experimentaluntersuchung wurde ein mit Salz linear geschichteter rotierender Wasserkanal, durch den das Modellgelände gezogen wird, verwendet. Es wurden Daten für Bereiche der Ähnlichkeitsparameter (Rossby-, Burger-, Ekman- und Froude-Zahl und das Verhältnis Geländehöhe zu Flüssigkeitstiefe) gesammelt entsprechend ihren atmosphärischen Werten. Nur vier von diesen Parametern sind unabhängig. Das Verhältnis der Flüssigkeitstiefe zur Geländebreite braucht nicht simuliert zu werden, weil es in den Haupttermen der bestimmenden Gleichungen und Randbedingungen nicht als unabhängiger Parameter aufscheint. Die Resultate veranschaulichen die Effekte der Strömungsrichtung auf die horizontalen Bewegungsmuster in verschiedenen Höhen und bei zahlreichen Kombinationen von Systemparametern. Es zeigt sich, daß Wirbelablösung in ähnlichen Parameterbereichen vorkommt, wie sie für die Atmosphäre geeignet sind. Man erhält eine empirische Beziehung zwischen der Strouhal- und der Rossby-Zahl und es zeigt sich, daß die Ablösungsperiode annähernd das Doppelte der Trägheitsperiode ausmacht. Die Experimente zeigen, daß Strömungsaufspaltung im Bereich von Genf sowohl für westliche, als auch für nordwestliche Strömungen vorkommt. Weiters wird die Bedeutung der Froude-Zahl für die Kontrolle der Bedingungen, unter welchen die Flüssigkeit über oder um die Topographie fließt, veranschaulicht und das Auftreten von Lee-Wellen für verschiedene Werte der Froude- und der Rossby-Zahl (und verschiedene Stellen und Strömungsrichtungen) beschrieben. Schließlich wird gezeigt, daß die Advektion einer Mutterzyklone von West nach Ost nördlich der Alpen eine Zyklone in den unteren Schichten der Atmosphäre im Bereich des Golfs von Genua erzeugen kann. Es wird darauf hingewiesen, daß diese dynamischen Effekte beim Auslösen einer Lee-Zyklone, welche dann durch andere physikalische Prozesse wachsen könnte, eine Rolle spielen kann.

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With 15 Figures     

30—60天大气振荡的全球特征

利用ECMWF格点资料,分析研究了大气季节内(30—60天)振荡的全球特征。30—60天振荡动能的分布表明高纬度地区要比赤道地区大得多。说明那里有较突出的30—60天振荡。中高纬度地区的30—60天振荡与热带有明显不同,垂直结构为正压模态,以纬向2—4波为主,多为向酉传播。30—60天振荡存在明显的低频遥相关,北半球主要为欧亚—太平洋(EAP)型和PNA型,南半球主要有澳洲—南非(ASA)型和环南美(RSA)型,并且在全球范围构成南北半球相互衔接的低频波列,即EAP-ASA波列和PNA-RSA波列。南北半球30—60天大气振荡有明显的相互影响,本文研究了南北半球30—60天振荡相互影响的3种主要过程。     

Valley winds and slope winds — Observations and elementary thoughts

Summary This paper presents a state-of-the-art account of valley wind research, with a bias towards a typical large Alpine valley and towards weak-gradient synoptic conditions. At the center of our attention is the quasiperiodic thermal forcing mechanism which drives the local wind system, in particular the role of slope winds and of topographic relief.Slope winds are at the small-scale end of a whole spectrum of thermally direct circulations which act to transmit the sensible heat input along the slopes to the valley atmosphere via compensating vertical motions. We surmise that the dynamics of slope winds, which react instantly to changes of the insolation or radiation balance, is characterized by local, instantaneous equilibria, rather than by conventional entrainment and boundary layer concepts.As described by Steinacker, the area-height distribution of a valley segment is a fundamental geometric factor which affords a quantitative measure of the slope area available for heat exchange, and of the air volume which must be heated or cooled. Using this concept, one can easily explain why the daily range of the valley mean temperature is, on average, more than twice as large as that of the atmosphere over the adjacent plain. This horizontal temperature contrast between plain and valley, reversing sign twice daily, builds up a corresponding pressure contrast hydrostatically, thereby causing up- and downvalley winds.

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Berg- und Tal- bzw. Hangwinde — Beobachtungen und grundsätzliche Überlegungen

Zusammenfassung Wir berichten über den aktuellen Stand der Talwindforschung mit besonderer Betonung der Verhältnisse in den Alpen und vorzugsweise gradientschwache Wetterlagen betreffend. Einen Schwerpunkt unserer Darstellung bilden die quasiperiodischen thermischen Antriebskräfte der lokalen Windsysteme, vor allem die Rolle der Hangwinde und des Reliefs.Am kleinräumigen Ende eines Spektrums thermisch getriebener direkter Zirkulationsformen stehen die Hangwinde. Sie vermitteln der Talatmosphäre die an den Hängen umgesetzte fühlbare Wärme mittels kompensierender vertikaler Strömungen. Es wird vermutet, daß die Dynamik der Hangwinde eher durch lokale und spontane Gleichgewichtszustände beschrieben werden kann als durch die üblichen Entrainment- und Grenzschichtkonzepte.Steinacker hat gezeigt, daß die Flächen-Höhen-Verteilung von Talabschnitten ein quantitatives Maß der für die Wärmeumsätze zur Verfügung stehenden Hangflächen liefert, und gleichzeitig der abzukühlenden oder zu erwärmenden Luftvolumina. Die in einem Tal im Vergleich zum Vorland mehr als doppelt so große Tagesschwankung der vertikalen Mitteltemperatur kann damit leicht erklärt werden. Dieser horizontale Temperaturunterschied zwischen Ebene und Gebirge mit seinem täglich zweimaligen Vorzeichenwechsel baut hydrostatisch die entsprechenden Druckunterschiede auf, welche die Talein- und Talauswinde antreiben.

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With 14 Figures     

Three－dimensional Global Scale Permanent－wave Solutions of the Nonlinear Quasigeostrophic Potential Vorticity Equation and Energy Dispersion

The three-dimensional nonlinear quasi-geostrophic potential vorticity equation is reduced to a linear form in the stream function in spherical coordinates for the permanent wave solutions consisting of zonal wavenumbers from 0 to n and rn vertical components with a given degree n. This equation is solved by treating the coefficient of the Coriolis parameter square in the equation as the eigenvalue both for sinusoidal and hyperbolic variations in vertical direction. It is found that these solutions can represent the observed long term flow patterns at the surface and aloft over the globe closely. In addition, the sinusoidal vertical solutions with large eigenvalue G are trapped in low latitude, and the scales of these trapped modes are longer than 10 deg. lat. even for the top layer of the ocean and hence they are much larger than that given by the equatorial β-plane solutions. Therefore such baroclinic disturb-ances in the ocean can easily interact with those in the atmosphere.Solutions of the shallow water potential vorticity equation are treated in a similar manner but with the effective depth H = RT / g taken as limited within a small range for the atmosphere.The propagation of the flow energy of the wave packet consisting of more than one degree is found to be along the great circle around the globe both for barotropic and for baroclinic flows in the atmosphere.