线性准地转模型中副热带感热加热强迫的定常波

通过求取定常线性准地转位涡模式的解析解,研究了感热加热强迫所激发的副热带定常波的结构特征,讨论了基本流、牛顿冷却及地面摩擦等对定常波振幅和位相的影响。结果表明,东风时定常波在垂直方向上表现为上、下层反位相的第一斜压结构,且地面系统远强于中高层;西风时定常波呈现出向上的传播特征,在高层,随着风速增大振幅随高度的升高有增大趋势。在近地层,东风时气旋（反气旋）主体位于加热西（东）侧;西风时气旋（反气旋）主体位于加热东（西）侧,近地层以上相反。此外,发现东、西风基本流的作用具有对称特征,这与潜热加热显著不同。研究结果还表明,牛顿冷却对定常波有重要影响,基本流越弱影响越显著。在静止大气中,感热加热强迫下无斯韦尔德鲁普（Sverdrup）解,考虑牛顿冷却时,感热强迫在热源范围内的近地层和中高层分别激发出气旋式和反气旋式环流,气旋中心位于加热中心略偏西的位置。在非静止大气中,牛顿冷却项使地面系统中心向上风方向移动,东风时向东移。牛顿冷却对高、低层系统均有削弱作用。地面摩擦则明显不同,它总会使低层系统减弱,高层系统增强。     

淮河梅雨洪涝与西太平洋副热带高压季节推进异常

基于台站观测和卫星观测资料及再分析数据集,本文研究了6月淮河洪涝发生时中国东部降雨型及与雨带异常相联系的环流特征、环流的季节推进异常及其机理.结果发现6月淮河流域洪涝与亚洲环流和中国东部降水联合模态的第二模态密切相关.该模态在我国东部降水表现为以长江为界北增南减的“梅雨偶极型”分布,对应的低层风场呈现出倾斜的以台湾为界,以南西太平洋是异常气旋环流,以北为反气旋环流,即西太平洋副热带高压偏北,淮河流域上存在异常西南风;同时阿拉伯海上是异常反气旋,印度上空西风偏强、降水显著偏多.这些特征是东亚和西太平洋季风区季节推进超前的反映,且与前期春季澳大利亚东北向海域海洋热含量异常偏高显著相关.该关键区海洋热含量变化是太平洋热含量变化第一模态——三极型变化的一部分,即当菲律宾以东的西太平洋和澳大利亚东北向海域海洋热含量增加,赤道中东太平洋热含量减少.该三极型海洋热含量异常从春到夏信号稳定,它激发正感热加热异常控制菲律宾以东到夏威夷以北的广大热带—副热带西太平洋地区,其北侧黑潮延伸区为负感热区.两者共同作用激发出局地反气旋在北、气旋在南,使对流层低层西太平洋副热带高压偏北.因此春季三极型海洋热含量通过影响对流层低层西太平洋副热带高压异常北移对东亚—西太平洋季节推进提前和6月淮河梅雨洪涝发生起重要作用,可作为季节预测的前期因子之一.     

春季中国东海黑潮区大气热源异常对中国东部降水的影响

采用ERA-interim逐日再分析数据集与中国东部389个站逐日降水资料,通过相关和合成分析讨论了不同时间尺度上,春季中国东海黑潮区上空大气热源异常对东亚大气环流和中国东部降水的影响。观测分析表明,春季中国东海黑潮区上空为一显著的大气热源,大气对该热源的响应在不同时间尺度上表现出不同的形式。在较长时间的季节和年际尺度上,春季中国东海黑潮区大气热源增强时,可在大气对流层低层强迫出偏南气流,同期春季及后期夏季西太平洋副热带高压增强并西伸,相比于热源低值年西北太平洋副热带地区为一反气旋式异常环流所控制,中国长江中下游以南地区降水增多;反之亦然。与年际和季节时间尺度不同,在较短的天气时间尺度上,中国东海黑潮区上空大气热源增强可在其下方强迫出气旋式异常环流。大气热源的增强与中国东部对流层低层气旋式异常环流的东移有关,相应地在中国东部地区出现了显著的降水增多。     

我国华南3月份降水异常的可能影响因子分析

利用1951～2005年华南地区3月份的降水资料、NOAA海温资料、Ni?o3.4指数和NCEP再分析资料,分析了华南3月份降水异常与同期环流场、全球海温场的关系,从环流和海温的角度揭示了华南3月份降水异常的可能原因。结果表明,当华南3月份降水偏多(少)时,在对流层中低层,北太平洋海区存在气旋(反气旋)性环流异常,西太平洋及南海海面上存在反气旋(气旋)性环流异常,这样的环流异常有利(不利)于东南暖湿气流与北方东部异常冷空气在华南地区形成水汽辐合,导致降水显著增多(减少)。进一步的分析表明,ENSO和北印度洋及南海附近海温是影响华南3月份降水异常的重要外强迫因子,ENSO对华南3月降水异常的影响是通过影响春季西太平洋副热带高压和低层风场异常实现的,而北印度洋及南海附近海温对华南3月降水异常的影响则是通过垂直环流场异常和低层风场以及西太平洋副热带高压异常来实现的。     

4~5月南亚高压建立早晚年份环流差异及其可能成因

利用1979~2008年NCEP/NCAR逐日再分析资料和向外长波辐射(OLR)资料分析了4~5月南亚高压在中南半岛上空建立早晚年份的环流差异及可能机理。发现南亚高压建立早晚年,对流层高低层环流形势存在显著差异:在对流层高层,偏早年,菲律宾群岛以东洋面上空反气旋环流中心西移速度快,建立完成后,中南半岛上空南亚高压反气旋环流东西范围较宽,整个建立过程时间较长;偏晚年,建立开始前西太平洋上空无闭合的反气旋性环流中心,建立完成后,中南半岛上空南亚高压反气旋环流东西范围较窄,整个建立过程时间较短;在对流层低层,南亚高压建立早晚年风场和海平面气压场都呈现反相的分布形势,与之相联系的Walker环流强度也存在明显差异。中南半岛上空反气旋环流中心生成早晚与中南半岛地区对流建立发展关系密切,当中南半岛地区对流建立发展早时,中南半岛上空反气旋环流中心生成早;反之对流建立发展晚时,中南半岛上空反气旋环流中心生成晚,且中南半岛对流活跃稍早于南亚高压在该地区建立。菲律宾群岛以东洋面上空反气旋环流中心的西移快慢及有无闭合环流中心出现受该区域上空的上升运动和大气非绝热加热作用影响。当菲律宾群岛以东洋面上空的反气旋环流中心西移稳定至130°~145°E这一区域后,非绝热加热的垂直变化对该环流中心的维持及消亡起主要作用。由于前期冬春季节热带太平洋海温的异常分布,引起了后期Walker环流的强弱变化,进而影响了中南半岛至菲律宾群岛以东洋面上空的大气热力状况及上升运动,最终导致南亚高压建立期间环流的演变差异。     

4～5月南亚高压在中南半岛上空建立过程特征及其可能机制

利用NCEP/NCAR再分析资料, 发现菲律宾群岛以东洋面上空反气旋在4月第5候分裂成位于中南半岛上空的西部中心和仍位于菲律宾以东洋面上空的东部中心两部分, 其中位于中南半岛上空的反气旋中心加强后形成南亚高压。中南半岛高空反气旋生成加强和菲律宾群岛以东洋面高空反气旋减弱消亡的同时发生是4~5月南亚高压在中南半岛上空建立过程的主要特征, 其主要促发因子是亚洲南部大气非绝热加热状态的改变。事实上, 随着对流沿亚澳 “大陆桥” 北移和中南半岛对流建立, 中南半岛上升运动加强, 高空辐散加剧, 西部中心在中南半岛南部生成, 南亚高压初步建立。随后, 菲律宾群岛以东洋面上热源突然东撤至150°E以东, 中南半岛热源成为主导, 在加热区东面对流层高层激发出气旋式环流, 造成西太平洋高压在120°E附近分裂。之后, 孟加拉湾[CD*2]中南半岛夏季风建立, 孟加拉湾[CD*2]中南半岛对流加强, 在深对流作用下, 中南半岛上空释放大量潜热, 上升运动进一步加强, 西部中心加强北抬。同时, 南海对流开始加强, 其释放的潜热加热会在加热区东部的对流层高层激发出正涡度变率, 令东部中心减弱消亡, 南亚高压在中南半岛上空完全建立。     

东亚-太平洋地区环流场和热力场由冬向夏转换的过程特征及其可能机制

利用NCEP/NCAR逐日再分析资料和青藏高原逐日视热源资料,分析了东亚 太平洋地区对流层热力场和环流场的季节特征.结果表明,东亚-太平洋热力场上呈现出冬、夏半年反向的特征,冬半年热力格局为“西冷东暖”,夏半年则转为“西暖东冷”,冬半年向夏半年的过渡发生在3月底4月初,相应地,我国东部上空视热源也从冷却转为加热.热力场季节转换的同时,对流层各层环流形势也发生了调整:低层大陆冷高压减弱、东移,太平洋副热带高压显著西伸,形成东亚-西太平洋35°N以南一致的南风区;中层西风带发生了长波调整,由冬季“三槽型”向夏季“四槽型”过渡,西风急流减弱、北移;高层反气旋中心史替,我国上空偏南风由偏北风替代.环流的演变自低层向高层推进,下垫面感热加热的季节变化引起了低层环流的调整以及上升运动的发展,与上升运动相伴的凝结潜热释放则增强了东亚上空的热源,进一步加强了“西暖东冷”的热力格局,从而推进中高层环流的演变.环流调整的时间与东亚副热带季风雨带建立的时间一致,因此,由热力场季节变化引起的对流层环流形势的调整可看成是东亚副热带夏季风环流型的建立过程.     

线性准地转模型中副热带环流对潜热加热的定常响应II.边界约束及风场与层结稳定度的自适应

本文着重研究了线性模型中副热带环流对潜热加热的响应过程中影响高、低压系统中心位置的因子, 剖析出边界层中基本流的垂直切变影响低层环流的根本原因, 并且探讨了线性模式中基本流和静力稳定度自调整过程的重要作用。结果表明, 在β效应和f效应、基本流在经向和垂直方向的二阶切变、以及东、西风基本流作用的非对称性等因素的共同作用下, 高、低压中心位于热源北侧。结果还表明, 当近地面基本流的垂直切变为零或者当风速随高度减小时, 低层气旋和反气旋中心位于地面上, 当风速随高度增大具有类似亚洲季风区的结构时, 低层气旋和反气旋中心抬升离开地面; 进一步考虑热源区附近静力稳定度和基本流自调整过程的作用后, 反气旋中心继续抬升至中层, 证明对流降水对其东侧对流层中低层副高的形成有重要贡献。指出基于传统线性准地转模式来研究副热带高压形成的缺陷在于应用不适当的下边界条件以及缺乏静力稳定度的自调整机制和基本流对热源的反馈机制, 从而得到“潜热加热激发的低层反气旋中心位于洋面上”的不切实际的解。     

线性准地转模型中副热带环流对潜热加热的定常响应I.基本性质及特征分析

利用线性理论模型进行解析和模拟是大气科学的重要基础研究方法之一, 其简单明了, 解释了如Rossby波形成等重要的环流现象。近年, 有研究 (Chen et al., 2001) 运用定常线性准地转模型研究副热带高压的形成, 在相似加热强迫下, 其结果与理论研究和GCM的研究不同。本文运用该模型系统研究了由季风降水产生的潜热加热所激发的副热带定常波的结构特征, 以理解其结果与GCM不一致的原因。研究表明基本流对热强迫的定常波的结构有重要的影响: (1) 当基本流为东风或为零时, 定常波在垂直方向上表现为第一斜压结构, 波动振幅随东风的增大而减小; (2) 当基本流为西风时, 呈现向上的传播特征, 振幅随高度的升高而增大。而且存在一个临界风速Uc(约3 m/s), 此时, 波动振幅最强; 基本流的平流作用具有非对称性, 西风时平流作用远远强于东风。由此揭示了该线性模型解的本质: 加热在热源区所激发的经向地转涡度输送必须能够平衡加热的位涡制造和纬向位涡平流; 基本流的经向和垂直方向的变化使得气旋和反气旋中心偏向热源中心北侧, 并进一步发现当基本流为夏季亚洲季风区纬向平均的纬向风场时, 线性模型的解中位于中低层的反气旋中心显著抬升, 而不出现在地面上, 与完整的大气环流模式的结果接近。说明即使在线性模式中, 洋面副高的形成也不能完全用季风潜热加热来解释; 另外, 静力稳定度对热强迫的副热带环流的影响也很重要, 使热源的强迫作用放大。     

2012年夏季华北降水和环流形势的低频振荡特征分析

对2012年夏季华北降水的低频振荡特征和相应的低频环流形势进行了分析,结果表明:2012年华北夏季降水具有显著的10~13 d低频振荡周期,振荡的演变和强降水有很好的对应关系,强降水过程基本发生在振荡的波峰处。强降水发生前,对流层低层在孟加拉湾地区首先出现低频反气旋式环流并逐渐加强,菲律宾至我国南海地区的低频环流系统逐渐向西北方向传播,中高纬西风带上有负低频高度距平东移,其伴随西风槽加深东移。对流层上层伊朗高原低频气旋式环流减弱,随后青藏高原东部低频反气旋式环流加强东移。强降水发生时,来自西北太平洋的低频偏南风和西风槽东移携带的低频水汽,为华北地区提供了充沛的低频水汽。同时对流层高层青藏高原的低频反气旋式环流东移控制我国中东部地区,华北至东北地区为强烈的低频辐散中心,上升运动加强,为降水的发生提供动力条件。对流层各层低频系统的相互配合对华北强降水的发生和维持起到了重要作用。     

Anthropogenic changes of the thermal and zonal flow structure over Western Europe and Eastern North Atlantic in CMIP3 and CMIP5 models

The anthropogenic changes during boreal winter in the thermal and zonal flow structure over Eastern Atlantic and Western Europe (EAWE) have been investigated using an ensemble of CMIP3 and CMIP5 models. The ensemble mean change in the zonal wind at 500 hPa over this region is characterized by an eastward extension of the belt of zonal winds. Using the thermal wind relation these wind changes are found to be consistent with the changes in the tropospheric temperature profile. An enhanced warming is simulated in the subtropical upper troposphere and a relative surface cooling in the mid-latitudes. The subtropical upper tropospheric warming is related to the downward branch of the mean meridional circulation, whereas the mid-latitude lower tropospheric relative cooling is linked to the ocean processes that govern changes in its surface temperatures. Inter-model differences in the simulated change of the zonal wind over the EAWE by the CMIP3 and CMIP5 models relate well with differences in the upper tropospheric subtropical warming and the mid-latitude lower tropospheric relative cooling. The simulated change of the zonal wind over the EAWE region by the CMIP3 and CMIP5 models correlates well with changes in the meridional SST gradient. We conclude that uncertainties in the projected changes of the zonal flow over Europe are at least partly due to uncertainties in the response of the North Atlantic Ocean to increased levels of greenhouse gases.     

2003年夏季异常天气与西太副高和南亚高压演变特征的分析

通过入梅前后东亚环流与多年平均的对比,表明2003年夏季我国东部旱涝分明、长江以南高温少雨、淮河流域持续多雨、强降水过程频繁等特点是与西太平洋副热带高压(下称西太副高)活动特征有关。该年副高偏强、位置异常偏西,垂直结构呈现较强的动力性特征,即低层为辐散下沉运动、高层为辐合,脊线随高度向北倾斜。副高西北侧的梅雨锋区强,且风切变明显。动力和热力诊断结果表明,200 hPa南亚高压脊线以北东传的负涡度平流产生的辐合下沉运动,有利于对流层中下层副高的加强西伸。500 hPa副高西北侧的雨带位置与对流层上层副热带急流的位置和东伸的南亚高压对应。高层西风带和南亚高压的动力作用也会引发副高短期的东西振荡。降水区对流层高层产生的潜热释放,使副高西北侧加热率垂直方向的非均匀分布增加,导致了副高加强西进。热带天气系统的活动,对副高维持和加强也有不可忽视的作用。正是西风带、副热带和热带系统相互作用,动力和热力因素的综合影响,造成了该年副高及其所带来的天气异常。     

东亚季风区冬季经向风的季节内变化及其可能机理

利用1979—2013年ERA-interim再分析资料,通过均方差分析、功率谱分析、带通滤波及合成分析等统计方法系统地分析了东亚季风区冬季经向风的季节内变化及其可能机理。结果表明,东亚季风区冬季经向风异常在我国华南一带变化显著,振荡周期为10~20 d(准双周振荡)。在准双周尺度上,水平方向上,850 h Pa异常北风主要呈现从高纬向低纬传播的特点,60°N附近异常经向风向东南方向传播,副热带30°N附近弱的异常经向风向东传播,二者在华南汇合,随后分为两支中心,分别向南和向东继续传播,我国华南一带存在基本气流向准双周尺度波动的能量转换,因此异常经向风在华南会显著增强;垂直方向上,对流层上层、中层、下层的经向风呈现强—弱—强的异常中心特征,对流层下层850 h Pa和上层200~300 h Pa均存在经向风大值中心;我国东部上空300 h Pa上,副热带地区波动比850 h Pa更明显,60°N附近波动向东南方向移动,同样在我国东部地区合并,波动辐合导致波动能量增强。     

Progress in the study on the formation of the summertime subtropical anticyclone

The studies in China on the formation of the summertime subtropical anticyclone on the climate timescale are reviewed. New insights in resent studies are introduced. It is stressed that either in the free atmosphere or in the planetary boundary, the descending arm of the Hadley cell cannot be considered as a mechanism for the formation of the subtropical anticyclone. Then the theories of thermal adaptation of the atmosphere to external thermal forcing and the potential vorticity forcing are developed to understand the formation of the subtropical anticyclone in the three-dimensional domain. Numerical experiments are designed to verify these theories. Results show that in the boreal summer, the formation of the strong South Asian High in the upper troposphere and the subtropical anticyclone over the western Pacific in the middle and lower troposphere is, to a great extent, due to the convective latent heating associated with the Asian monsoon, but affected by orography and the surface sensible heating over the continents.On the other hand, the formation of the subtropical anticyclone at the surface over the northern Pacific and in the upper troposphere over North America is mainly due to the strong surface sensible heating over North America, but affected by radiation cooling over the eastern North Pacific. Moreover, in the real atmosphere such individual thermal forcing is well organized. By considering the different diabatic heating in synthesis, a quadruple heating pattern is found over each subtropical continent and its adjacent oceans in summer. A distinct circulation pattern accompanies this heating pattern. The global summer subtropical heating and circulation may be viewed as “mosaics” of such quadruplet heating and circulationpatterns respectively. At last, some important issues for further research in understanding and predicting the variations of the subtropical anticyclone are raised.     

Condensation heating of the Asian summer monsoon and the subtropical anticyclone in the Eastern Hemisphere

The effects of condensation heating on the formation of the subtropical anticyclone in the Eastern Hemisphere (EH) are studied by means of theoretical analysis and numerical simulation. The complete vorticity equation is employed for the analysis. It is found that, due to the vertical gradient of strong condensation heating, the distribution of cyclone and anticyclone in the upper troposphere is out of phase with that in the middle and lower troposphere. This is confirmed by a series of numerical experiments. The horizontal gradient of the condensation heating also affects the configuration of the subtropical anticyclone. It is concluded that condensation heating is a key factor for the formation and location of the summer subtropical anticyclone in the EH. The latent heating released by the Asian monsoon rainfall contributes to the formation of the 200 hPa South Asian anticyclone on the western side of the heating center and the 500 hPa western Pacific subtropical anticyclone on the eastern side of the center. Such configurations are modified to some extent by surface sensible heating and orography. The circulation in mid-latitudes is also affected by the latent heating in the subtropical area through the propagation of Rossby waves. Received: 10 September 1999 / Accepted: 5 June 2000     

青藏高原夏季高层纬向风季节内振荡特征

利用1979—2019年ECMWF提供的ERA-Interim逐日再分析资料,采用Morlet小波分析、滤波及合成分析等方法,探究了青藏高原夏季对流层高层纬向风季节内振荡（IntraSeasonal Oscillation,ISO）的主要周期及其传播特征。结果表明：青藏高原夏季高层纬向风季节内振荡的主要周期为10～30 d,其强度存在明显的年际差异。在纬向风ISO强年,振荡过程持续时间长、振幅强,ISO方差中心从对流层高层向下影响到对流层中层,表现为相当正压结构。其传播在纬向上主要表现为ISO中心从高原东部3次向东传,可达西太平洋地区;经向上分别有4次自中高纬向南传播的10～30 d ISO中心与来自低纬地区的ISO中心在高原南侧汇合,其强度在高原南侧有所加强,强振荡中心可向南传播到达低纬地区。ISO的位相演变主要表现为低频反气旋和低频气旋中心在高原东部交替出现,引起东部地区上空低频东风和低频西风的强度变化。在ISO极端活跃位相,高原东部低频西风达最强。     

Joint Impacts of SSTA in Tropical Pacific and Indian Oceans on Variations of the WPSH

Using the NCEP/NCAR reanalysis and HadISST sea surface temperature (SST) data, the joint effects of the tropical Indian Ocean and Pacific on variations of area of the summertime western Pacific subtropical high (WPSH) for period 1980–2016 are investigated. It is demonstrated that the central tropical Indian Ocean (CTI) and central equatorial Pacific (CEP) are two key oceanic regions that affect the summertime WPSH. During autumn and winter, warm SST anomalies (SSTAs) in CEP force the Walker circulation to change anomalously, resulting in divergence anomalies over the western Pacific and Maritime Continent (MC). Due to the Gill-type response, the abnormal anticyclonic circulation is generated over the western Pacific and South China Sea (SCS). In the subsequent spring, the warm SSTAs in CEP weaken, while the SST over CTI demonstrates a lagged response to Pacific SSTA. The warm CTISSTA and CEP-SSTA cooperate with the eastward propagation of cold Kelvin waves in the western Pacific, leading to the eastward shift of the abnormal divergence center that originally locates at the western Pacific and MC. The anticyclone forced by this divergence subsequently moves eastward, leading to the intensification of the negative vorticity there. Meanwhile, warm SSTA in CTI triggers eastward propagating Kelvin waves, which lead to easterly anomalies over the equatorial Indian Ocean and Indonesia, being favorable for maintenance and intensification of the anticyclone over the SCS and western Pacific. The monsoonal meridional–vertical circulation strengthens, which is favorable for the intensification of the WPSH. Using SSTA over the two key oceanic regions as predictors, a multiple regression model is successfully constructed for prediction of WPSH area. These results are useful for our better understanding the variation mechanisms of WPSH and better predicting summer climate in East Asia.