北半球风暴轴附近的能量转换

用１９８０￣１９８４年的ＥＣＭＷＦ客观分析资料，对任选一年的任意月份、正常年和尼尔尼诺年的特别月份天气尺度涡动能量及其与时间平均气流之间的能量转换项进行了分析。结果表明：在风暴轴区域，天气尺度涡动动能和天气尺度涡动有效位能最大，天气尺度涡动与时间平均气流之间的能量转换也是最剧烈；在风暴轴的入口区、出口区，天气尺度涡动与时间平均气流之间的能量转换是反向的，从而使风暴轴维持在比较常定的区域。     

冬季北大西洋风暴轴的东西变化及其能量诊断

利用NCEP/NCAR再分析资料,定义一个风暴轴经度指数,基于这个指数做合成分析,对冬季北大西洋风暴轴63 a(1948-2010年)的东西变化特征及其能量平衡差异进行了诊断。主要结论如下:(1)北大西洋风暴轴存在明显地东扩和西退。当风暴轴向东扩展时,天气尺度瞬变波可以向下游发展至乌拉尔山以东的亚洲上空;风暴轴西退时,天气尺度瞬变波活动范围向西收缩到15°W以西的大洋上空。(2)能量诊断表明,当风暴轴向东扩展时,涡动动能在高纬度的大西洋东部及西欧上空明显增强。在0°以西的区域,涡动动能的增强主要归因于能量斜压转换过程的增强;而在0°以东区域,涡动动能的增强可能与涡动非地转位势通量引起的"下游发展效应"增强有关。风暴轴向西收缩时,变化相反。     

北太平洋风暴轴“深冬抑制”现象的能量分析

采用欧洲中期天气预报中心逐日再分析资料（ERA-40）,从局地能量变化方程出发,通过分析北太平洋风暴轴区域对流层不同层次局地能量的季节演变过程,对风暴轴区域各能量项在“深冬抑制”现象中的作用进行了深入探讨。结果表明,天气尺度扰动动能的季节变化可以很好地反映北太平洋风暴轴的“深冬抑制”现象,并且该现象在对流层上层最为显著,其发生概率约为80％,其中20世纪70年代中后期到80年代前期抑制最强。从同期各能量项的变化来看,扰动动能的变化主要受斜压能量转换项、涡动非地转位势通量的散度项和正压能量转换项的影响。在深冬季节,由于消耗扰动动能的正压能量转换项虽有些微弱减少从而使得扰动动能有所增加,但为风暴轴提供扰动动能的斜压能量转换项和涡动非地转位势通量的散度项减少的幅度却更大,因而总的效果是扰动动能大为减小,这可能是造成北太平洋风暴轴“深冬抑制”现象的直接原因。     

冬季北半球风暴轴能量演变的个例分析

利用观测资料,从扰动能量变化方程出发,通过分析能量的逐日演变过程,对风暴轴的各种内部因素在其维持中的作用进行了详细探讨。结果发现,涡动非地转位热能量所引起的“下游发展效应”是风暴轴得以在一常定区域维持的重要因素。     

北太平洋风暴轴对黑潮延伸体系统变异的响应及其能量转换机制

西北太平洋纬向扰动海温经验正交函数（EOF）分解第一和第三模态、第二和第四模态分别代表同期黑潮延伸体和亲潮强弱的配置关系,将两者的典型位相合成,可以分别得到延伸体收缩和扩张状态时的典型模态海温,本文以此及气候态海温作为初始海温强迫场,利用CESM1.2.0模式,讨论了延伸体的系统变异对北太平洋风暴轴的影响及其在不同能量转换过程的主要影响机制,结果表明,延伸体收缩状态下,北太平洋风暴轴强度整体加强,而扩张模态下强度减弱。空间分布上,收缩模态下,风暴轴主要体现为经向方向的变化,中心及其以北强度加强,中心以南减弱;扩张状态下,则主要表现为纬向方向的差异,中心及以西强度减弱明显,中心以东有所增强。对能量转换的诊断分析表明,正压能量转换过程对涡动动能的变化贡献很小,且在风暴轴中心附近,其作用主要为消耗涡动动能,延伸体收缩状态下其消耗作用增强,而扩张状态下消耗作用减弱,这一差异主要是由于不同海温异常强迫下瞬变涡旋的形变不同造成;斜压有效位能释放比正压能量转换大一个量级以上,该过程几乎全部通过基流的经向温度梯度和经向涡动热量输送的相互作用完成,在这一过程中大气斜压性（经向温度梯度）起了关键性作用,大气斜压性异常、基流经向温度梯度异常、斜压有效位能释放异常与风暴轴异常的空间分布均具有较好的对应关系,该过程可能也是延伸体海温异常影响北太平洋风暴轴的主要物理过程;涡动有效位能需要进一步转换为涡动动能才能产生瞬变涡旋运动,涡动有效位能释放的量级与斜压有效位能的释放相当,但数值要小,这一过程通过冷暖空气的上升下沉运动完成,延伸体异常模态下,扰动垂直速度和扰动温度的负相关性的变化与涡动有效位能向涡动动能转换的变化也有较好的对应关系。     

冬季北半球极涡强度对北太平洋风暴轴的影响

利用美国NCEP/NCAR再分析资料和中国国家气候中心北半球极涡强度指数资料,采用相关和合成分析等方法,初步分析了北半球极涡强度对北太平洋风暴轴的影响及其可能机制。研究发现,北半球极涡与北太平洋风暴轴之间有同步的强弱变化特征,在北半球极涡强度的高(低)值年,一般对应着风暴轴强度的增强(减弱),风暴轴区域扰动动能的加大(减弱),天气尺度涡动向极和向上的热量以及西风动量输送的显著增强(减弱)。进一步分析表明,极涡的异常变化可以通过改变欧亚大陆及其下游北太平洋上空的高度场,进而改变东亚西风急流的强度以及风暴轴上游的斜压性,从而对风暴轴产生影响。     

冬季北大西洋风暴轴的变化及其对西伯利亚高压的影响

采用1948—2010年NCEP/NCAR逐日再分析资料,计算大西洋风暴轴特征指数和西伯利亚高压特征指数,研究了冬季北大西洋风暴轴的变化及其对西伯利亚高压的影响。结果表明:风暴轴经度指数与西伯利亚高压纬度、强度、面积指数显著相关。风暴轴经度指数正异常月,大西洋天气尺度瞬变波活动向东扩展到欧洲乃至乌拉尔山以东,西伯利亚及东亚地区反气旋式波破碎加强,瞬变波对月平均气流的反馈作用使得欧亚大陆上空50°N以北西风加速、50°N以南西风减速;中纬度经向环流加强,气候态的西欧沿岸脊、欧洲东部槽、青藏高原北部脊均加强,东亚大槽减弱东移;在西伯利亚地区,暖空气向北输送加强,来自极区的冷空气南下减弱,致使西伯利亚及东亚地区温度偏高,西伯利亚高压面积减少、纬度偏南、强度减弱。风暴轴经度指数负异常月的情况则反之。     

冬季北太平洋风暴轴的年代际变化

对1948-2004 NCEP／NCAR 500hPa高度场资料进行滤波后,采用累积距平、Morlet小波分析、合成分析等方法,研究了风暴轴中心的强度、经纬度以及面积指数的年代际变化。结果表明,56a来北太平洋风暴轴的中心强度平均约为32dagpm^2,中心位置约在172°W、44．5°N。小波分析表明,冬季北太平洋风暴轴的中心强度和面积都存在着18a的年代际变化周期。此外,风暴轴中心强度与面积指数有很好的正相关关系。总的来说,风暴轴中心强度增强（减弱）时期,一般对应着风暴轴面积增大（缩小）和位置向西（东）、向南（北）移动。     

冬季北太平洋风暴轴指数的评估及其改进

首先对风暴轴的定义及其强度和位置表征方法进行了归纳总结, 然后利用1958～2001年44年冬季ERA40位势高度场资料重新评估了几种不同的风暴轴特征指数, 分析得到: 这些不同的定义方法在表征风暴轴强度变化方面具有一致性, 但在描述风暴轴的位置变动方面有较大差异。根据冬季北太平洋风暴轴主体的强度和位置变化特征, 提出了一组更为恰当的动态定量的表征方法, 即取北太平洋及其周边区域 (30°N～60°N, 120°E～120°W) 冬季500 hPa位势高度天气尺度滤波方差大于20 dagpm2的所有格点滤波方差的平均值, 以及满足上述条件所有格点的经度平均和纬度平均分别作为冬季北太平洋风暴轴的强度指数 (NII)、经度指数 (NXI) 和纬度指数 (NYI)。通过比较分析, 证明了新定义的指数更能反映风暴轴实际的变动特征。继而利用新指数分析了冬季北太平洋风暴轴的强度和位置的长期变化, 得到以下结论:44年中, 冬季北太平洋风暴轴的强度微弱增加, 且在1970年代中期以前北太平洋风暴轴的强度和位置的年代际变化关系复杂; 1970年代中期以后北太平洋风暴轴的强度和位置的年代际变化具有准协同一致性, 表现为偏弱期位置偏西偏南, 偏强期位置偏东偏北。而且, 这种长期变化与太平洋海气系统成员的低频变化有相关性, 其变化成因是复杂的。     

冬季北太平洋风暴轴和北大西洋风暴轴的协同变化及其与同期海气系统的空间耦合关系

基于1960~2014年NCEP/NCAR（美国环境预报中心和国家大气研究中心）的逐日再分析资料以及NCPC（美国气候预报中心）的海温资料和大气环流及海洋指数,通过风暴轴指数、经验证交分解（EOF）等方法,研究了冬季北半球北太平洋风暴轴（PST）和北大西洋风暴轴（AST）之间不同时间尺度下的协同变化特征,并利用回归和相关分析对风暴轴的年际和年代际协同变化特征与同期海气系统的空间耦合关系进行了探讨。主要结论概括如下:（1）从所定义的冬季北半球两大洋风暴轴的纬度、经度和强度指数来看:三个指数均存在明显的年际变化和年代际变化,其中年际分量的方差贡献远大于年代际分量;对于单个风暴轴来讲,无论是滤波方差场原始序列还是其年际分量和年代际分量序列,每个风暴轴各自的纬度指数和经度指数均呈显著正相关,表明每个风暴轴各自的南北位移和东西位移具有很好的协同性;虽然从原始序列来看,两个风暴轴之间各指数之间的相关关系均并不显著,但是对于年际分量序列和年代际分量序列,两个风暴轴之间均具有显著的协同性变化,其中,在年际尺度上,两者仅强度变化之间具有显著的正相关,而在年代际尺度上,AST的经度（纬度）变化与PST的强度（纬度及强度）变化均具有显著的负相关。（2）EOF结果表明,两个风暴轴之间协同变化的空间结构在年际尺度上反映的主要是强度的变化,第一模态为两者强度在其气候平均位置附近同时减弱（增强）并伴随AST整体和PST东部均略有北抬（南压）,第二模态为两者强度在其气候平均位置附近同时减弱（增强）并仅伴随AST整体略有南压（北抬）;而在年代际尺度上,第一模态为AST整体偏北（南）中东部偏强（弱）与PST整体偏南（北）中东部偏弱（强）的反位相协同变化;第二模态为两个风暴轴的强度在其气候平均位置附近同时增强（减弱）的一致性协同变化。（3）进一步分析表明,两个风暴轴之间以不同模态协同变化时,与同期海温、遥相关型及环流异常等海气系统之间均呈现出很好的空间耦合关系,但具有不同的特点。     

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。     

雷暴大风过程中对流层中低层动量通量和动能通量输送特征研究

2014年5月31日北京发生一次雷暴大风过程。以雷达资料同化结果为初始场,对此次过程进行高分辨率数值模拟。采用非静力平衡和非地转平衡的经向动量方程和质量权重动能方程,利用模拟资料,对雷暴大风过程中经向动量和质量权重动能进行收支分析,以此来研究雷暴过程中对流层中低层动量通量和动能通量输送特征,讨论地面大风的可能成因。分析结果表明,在对流层中低层,经向动量通量散度是影响经向动量局地变化的主要强迫项。雷暴系统后部的入流把中低层的经向动量倾斜向下输送,系统前部对流云区中低层的下沉气流也向下输送经向动量。这两支下传动量通量先后与近地面经向动量的水平通量汇合,向系统前沿输送经向动量。在北京西北部地形阻挡作用下,经向动量通量在系统前端近地面辐合,促进那里的经向动量局地增长,有利于增强那里的南风。质量动能收支的特征与经向动量收支类似,在近地面层质量动能的局地变化主要是由质量动能通量散度引起的。系统后部入流把中层质量动能向下传输到近地面层,然后与近地面质量动能的水平通量汇合,向系统前沿输送质量动能。相对来说,近地面层经向动量和质量动能的水平通量比下传通量更重要,这主要与低层较强的东南急流有关。     

北半球对流层上层遥相关型的涡度源、能量源与能量传播

基于ECMWF 1980～1988年的全球资料,研究了北半球对流层上层两个主要遥相关型（大西洋/欧亚型与太平洋/北美型）的涡度源、能量源及能量传播路径。结果表明,这两个遥相关型的涡度源和能量源分别主要位于北大西洋和北太平洋地区。遥相关型在北大西洋和北太平洋通过正压能量转换从气候平均流中吸收能量,然后从这两个地区将能量向外传播,以维持其水平遥相关结构。     

北大西洋海表面温度锋与大西洋风暴路径及大气大尺度异常的关系研究

运用NCEP、Had ISST再分析资料,北大西洋涛动(NAO)月指数序列,探讨了海表面温度(SST)锋的时空变化特征,揭示了北大西洋SST锋的主要气候变率及其与北大西洋风暴轴和大气大尺度环流异常的关系。研究表明,剔除季节循环后的SST锋显示其最主要变率为锋区的向南/北摆动,其对应的风暴轴发生相应的西南/东北移动,并同时在北大西洋上空对应一个跨海盆的位势高度负/正异常。这种环流异常可引起高纬度海平面气压(SLP)的反气旋/气旋式环流,这有利于增强海表面风对大洋副极地环流的负/正涡度异常输入,进一步减弱/加强了高纬度上层冷水向SST锋区的输送。北大西洋SST锋的另一主要模态为锋区在南北方向的分支和合并。当SST锋异常在40°N~45°N以单支形式加强时,对流层位势高度场和SLP南北梯度增大,对应NAO正位相,此时风暴轴也为单支型;同时SLP异常场促使冰岛附近具有气旋式风应力异常,亚速尔地区具有反气旋式风应力异常,导致副极地环流和副热带环流均加强,增加高纬度冷水和低纬度暖水在锋区的输入,从而进一步增强40°N~45°N附近的SST锋区。当SST锋异常在40°N~45°N纬带南北发生分支时,风暴轴也同时出现北强南弱的南北分支,此时对应了负位相NAO,来自北南的冷暖水输送减弱,SST锋也发生减弱分支。此外,位于大洋内区的SST锋东端也存在一个偶极子型的模态,尽管其解释方差相对较小,但仍与偏东北的NAO型具有显著相关。谱分析表明,北大西洋SST锋与风暴轴具有1~3年和年代际共振,与中高纬大尺度环流也存在周期1~3年的共变信号,其中准一年共变信号体现了SST锋和NAO之间的对应关系。进一步诊断分析表明,SST锋上空的近表层大气斜压性和经向温度梯度随着SST锋的增强而增强,经向热通量的向北输送导致涡动有效位能的增加;海洋的非绝热加热产生更强的垂直热量通量,这有利于涡动有效位能释放成为涡动动能,从而表现为该区域的风暴轴加强,并进一步影响风暴轴中的天气尺度扰动与下游大尺度环流异常的相互作用过程。     

中尺度低涡发展时高层流场特征及能量学研究

本文通过对一次长江中游中尺度低涡的分析发现,在这类斜压性低涡发展时,低涡西侧冷区对流顶明显下降,在低涡区发生折叠现象.与大位涡值相联系的平流层空气从该处下沉至对流层,对流顶下陷比对流活动区对流顶高度变化要早且明显.中尺度涡旋发展所需要之动能主要取自辐散风动能,在对流层高层和低层这种正向转换最为清晰,而整个气柱中位能向辐散风动能转换,以支持它在涡旋发展过程中之消耗.但高层与低层的情况不同.在100hPa高空辐散风动能既支持了涡旋动能,又向总位能转换.分析表明,高层对流层流场在中尺度系统发展过程中是十分活跃的,必须引起足够的重视.     

青藏高原高空流型对西太平洋台风路径影响的诊断分析

利用观测研究,动力诊断分析等手段,从上下游效应、中低纬相互作用的角度来探讨青藏高原高空天气系统的变化与西太平洋台风运动两者之间的关系。1970~1995年25年间的统计结果表明,青藏高原高空流型与台风路径有如下关系:高原高空500 hPa为低值系统控制时,有利于台风西行;反之,高原高空500 hPa为高压时,近海台风往往转向。动力诊断分析的结果揭示了高原上空系统影响下游系统的物理机制,即高原上游扰动动能的传递使得下游的槽发展,并进一步影响台风的引导气流。高原脊的存在,使得涡动动能的输送通道偏北;高原上为槽时,涡动动能的输送通道偏南。高原槽前的南风和台风东侧南风将低纬度的低位涡输入副热带高压,有利于副热带高压的发展,影响台风运动,体现了中低纬相互作用对天气系统的影响。     

Kinetic and Available Potential Energy Transport during the Stratospheric Sudden Warming in January 2009

The local features of transient kinetic energy and available potential energy were investigated using ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) Interim Reanalysis data for the stratospheric sudden warming(SSW) event of January 2009.The Western Europe high plays important roles in the propagation of the energy from North America to Eurasian.When the Western Europe high appeared and shifted eastward,energy conversions increased and energy propagated from North America to Eurasian as a form of interaction energy flow.The baroclinic conversion between transient-eddy kinetic energy(Ke) and transient-eddy available potential energy(Ae) and the horizontal advection of geopotential height were approximately one order of magnitude less than Ke and Ae generation terms.So,these terms were less important to this SSW event.     

动能空间尺度分解及其在高原切变线的分析应用

应用NCEP FNL(1°×1°)全球分析资料和动能的空间尺度分解方法,对2014年8月25—27日一次高原切变线过程进行了能量诊断分析。结果表明:低层扰动动能的增幅与高原切变线的发生发展密切相关,在切变线的生成阶段至成熟阶段,扰动动能增加为切变线的发生发展提供了能量保障;平均动能变化大体与扰动动能呈相反趋势,在切变线生成阶段和发展阶段,中低层平均动能随时间减小。在影响动能变化的各因子中,斜压转换项贡献最大;在切变线生成阶段,低层平均动能与扰动动能间的转换对扰动动能变化影响明显。背景场和扰动场的相互作用使得扰动动能增大而平均动能减小,构成动能的降尺度串级,这种能量串级转换有利于中尺度的高原切变线生成。     

基于中心轴线的北太平洋冬季风暴轴分类及其机理研究

利用NCEP/NCAR逐日再分析资料研究了63年（1948～2010年）冬季北太平洋风暴轴的时空演变,提取风暴轴的中心轴线作为研究主体,以风暴轴的经向分布差异为重点,用模糊C均值聚类分析的方法将风暴轴分为平均型、偏北型和偏南型三类,并探讨了各类风暴轴对应的海气异常型及其物理机制。结果表明:（1）三类风暴轴分别显示了风暴轴经向差异的具体物理图像,对应着不同的涡旋移动发展路径,具有明确的天气学意义。通过EOF分解证明本文的分类反映了风暴轴的主要变化特征,物理意义清晰,具有一定的合理性和实用性。（2）三类风暴轴不仅经向差异明显,其北抬南压的纬向位置也存在显著差异,进一步表明该分类方法充分考虑了风暴轴空间分布的经向纬向差异,还揭示了风暴轴多中心的特点。（3）三类风暴轴对应的不同SST异常通过热力过程影响大气的温度场、风场和位势高度场,导致阿留申低压强度位置异常和水平风场异常,进而影响大气斜压性,决定风暴轴的空间分布,是形成不同类型风暴轴的重要原因。