Impact of Boundary-Layer Processes on Near-Surface Turbulence Within the West African Monsoon

High frequency measurements of near-surface meteorological data acquired in north Benin during the 2006 West African monsoon seasonal cycle, in the context of the African Monsoon Multidisciplinary Analysis (AMMA) experiment, offer insight into the characteristics of surface turbulence in relation to planetary boundary-layer (PBL) processes. A wide range of conditions is encountered at the lower and upper limits of the PBL: (i) from water-stressed to well-fed vegetation, and (ii) from small to large humidity and temperature jumps at the PBL top inversion, due to the Saharan air layer overlying the monsoonal flow. As a result, buoyant convection at the surface and entrainment at the PBL top play very different roles according to the considered scalar. We show that, when the boundary-layer height reaches the shear level between the monsoonal and Harmattan flows, the temperature source and humidity sink at the boundary-layer top are sufficient to allow the entrainment to affect the entire boundary layer down to the surface. This situation occurs mainly during the drying and moistening periods of the monsoon cycle and affects the humidity statistics in particular. In this case, the humidity turbulent characteristics at the surface are no longer driven solely by buoyant convection, but also by entrainment at the boundary-layer top. Consequently, the Monin–Obukhov similarity theory appears to fail for the parameterisation of humidity-related moments.     

Statistics of Surface-Layer Turbulence Over Terrain with Metre-Scale Heterogeneity

Refuge has patchy vegetation in sandy soil. During midday and at night, the surface sources and sinks for heat and moisture may thus be different. Although the Sevilleta is broad and level, its metre-scale heterogeneity could therefore violate an assumption on which Monin-Obukhov similarity theory (MOST) relies. To test the applicability of MOST in such a setting, we measured the standard deviations of vertical (_w) and longitudinal velocity (_u), temperature (_t), and humidity (_q), the temperature-humidity covariance (¯tq), and the temperature skewness (S_t). Dividing the former five quantities by the appropriate flux scales (u_*, _*, and q_*) yielded the nondimensional statistics _w/u_*, _u/u_*, _t/|t_*|, _q/|q_*|, and ¯tq/t_*q_*. _w/u_*, _t/|t_*|, and S_t have magnitudes and variations with stability similar to those reported in the literature and, thus, seem to obey MOST. Though _u/u_* is often presumed not to obey MOST, our _u/u_* data also agree with MOST scaling arguments. While _q/|q_*| has the same dependence on stability as _t/|t_*|, its magnitude is 28% larger. When we ignore ¯tq/t_*q_* values measured during sunrise and sunset transitions – when MOST is not expected to apply – this statistic has essentially the same magnitude and stability dependence as (_t/t_*)². In a flow that truly obeys MOST, (_t/t_*)², (_q/q_*)², and ¯tq/t_*q_* should all have the same functional form. That (_q/q_*)² differs from the other two suggests that the Sevilleta has an interesting surface not compatible with MOST. The sources of humidity reflect the patchiness while, despite the patchiness, the sources of heat seem uniformly distributed.     

Effects of Topographical Slope Angle and Atmospheric Stratification on Surface-Layer Turbulence

The effect of topographical slope angle and atmospheric stratification on turbulence intensities in the unstably stratified surface layer have been parameterized using observations obtained from a three-dimensional sonic anemometer installed at 8 m height above the ground at the Seoul National University (SNU) campus site in Korea for the years 1999–2001. Winds obtained from the sonic anemometer are analyzed according to the mean wind direction, since the topographical slope angle changes significantly along the azimuthal direction. The effects of the topographical slope angle and atmospheric stratification on surface-layer turbulence intensity are examined with these data. It is found that both the friction velocity and the variance for each component of wind normalized by the mean wind speed decrease with increase of the topographical slope angle, having a maximum decreasing rate at very unstable stratification. The decreasing rate of the normalized friction velocity (u _* /U) is found to be much larger than that of the turbulence intensity of each wind component due to the reduction of wind shear with increase in slope angle under unstable stratification. The decreasing rate of the w component of turbulence intensity (σ _w /U) is the smallest over the downslope surface whereas that of the u component (σ _u /U) has a minimum over the upslope surface. Consequently, σ _w /u _* has a maximum increasing rate with increase in slope angle for the downslope wind, whereas σ _u /u _* has its maximum for the upslope wind. The sloping terrain is found to reduce both the friction velocity and turbulence intensity compared with those on a flat surface. However, the reduction of the friction velocity over the sloping terrain is larger than that of the turbulence intensity, thereby enhancing the turbulence intensity normalized by the friction velocity over sloping terrain compared with that over a flat surface.     

冬季北极喀拉海、巴伦支海海冰面积变化对东亚冬季风的影响

通过大量的数据分析发现,冬季喀拉海、巴伦支海海区是影响东亚以及北半球气候变化的关键区之一,该海区海冰面积变化与大气500 hPa高度场的EU遥相关型以及东亚冬季风强、弱之间存在密切的关系。冬季该海区海冰偏多,则500 hPa高度场容易出现EU遥相关型（日本及西欧500 hPa高度场偏高）,亚洲大陆上的冷高压减弱,而北太平洋海域海平面气压升高,致使东亚冬季风偏弱以及2月份入侵我国的冷空气次数减少;而冬季该海区海冰偏少时,情况正好相反。     

广州市近地层大气的湍流微结构和谱特征

本文利用UVW脉动风速仪资料分析了广州市区近地层大气的湍流强度、相关系数、尺度和速度谱,并获得了不同稳定度条件下的速度谱模式.结果表明,城市近地层大气湍流在惯性副区接近局地各向同性、速度谱符合Kolmogorov相似理论;气流方向上下垫面粗糙度的增加,使沿海城市近地层大气湍流能量(特别是铅直方向)比平坦、均匀下垫面上的增加.     

东亚冬季风异常对区域气溶胶分布的影响

气溶胶已是东亚地区最主要的大气污染物之一,其时空分布会受到东亚季风气候的影响.利用2000～2014年MODIS/AOD (Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer/Aerosol Optical Depth)和NCEP月平均气象场再分析资料,本研究分析了东亚冬季风长期...     

南海夏季风爆发与前期东亚冬季风异常的关系以及ENSO的作用

基于ERA-interim再分析资料采用相关分析研究了东亚冬季风和南海夏季风爆发的关系,并探讨了ENSO在其中的作用。结果表明,弱冬季风之后的南海地区5月有异常东风、降水偏少,对应于夏季风爆发偏晚;强冬季风之后则相反;但上述关系并不十分显著。进一步利用线性回归将东亚冬季风分为与ENSO有关和无关的部分,对于与ENSO有关的冬季风,上述冬季风-夏季风爆发的关系的显著性有明显提高;但与ENSO无关的冬季风和夏季风爆发并无显著联系。这说明冬季风-南海夏季风爆发的关系主要是由与ENSO有关的冬季风造成的。这一关系可以用ENSO激发的菲律宾异常反气旋或气旋来解释,以弱冬季风之后夏季风爆发偏晚为例:El Ni?o事件一方面激发出菲律宾异常反气旋,使得冬季风偏弱;另一方面又引起热带印度洋增暖,由于局地海气相互作用正反馈和印度洋电容器效应,菲律宾异常反气旋得以维持到晚春。该异常反气旋及其南侧的异常东风不利于南海夏季风的爆发,从而导致夏季风爆发偏晚。     

太阳活动11年周期对东亚冬季风与随后东亚夏季风关系的影响及其过程

利用长时间再分析资料和台站观测资料以及反映太阳周期活动的太阳黑子数资料,研究了太阳活动11年周期对东亚冬季风与随后夏季风关系的影响和过程。结果表明,弱(强)的东亚冬季风后的次年春、夏季在西北太平洋上空往往出现反气旋(气旋)式环流异常。通过将东亚冬季风指数分解为与ENSO有关的部分以及与ENSO无关的部分,进一步证实东亚冬、夏季风之间的联系主要来自于与ENSO有关的东亚冬季风异常。在此基础上着重分析了太阳活动对东亚冬、夏季风关系的影响和过程。研究表明,太阳活动显著影响了东亚冬季风与ENSO的关系,在太阳活动偏低年ENSO与东亚冬季风的关系更为密切。并且,对应与ENSO有关的东亚冬季风异常,当太阳活动偏低(LS)时西北太平洋附近的异常反气旋明显增强,范围扩大,其西北侧的西南气流强度偏强并向北延伸,从而使春季多雨地区绵延到内蒙古乃至西北地区;而夏季降水主要集中在长江流域中游,表明是一个强的夏季风年。然而,在太阳活动偏高(HS)年的次年春、夏季,不论是环流异常还是降水场的异常都明显偏弱。这说明东亚冬季风与随后夏季风的关系在LS年要比HS年更紧密。对海温异常的分析则进一步表明,LS(HS)年从冬季至夏季与ENSO有关的东亚冬季风异常相联系的印度洋及热带西太平洋海温正相关范围明显偏大(小);而赤道东太平洋的显著正海温异常衰减迅速(缓慢)。上述海温异常的差异是西北太平洋反气旋能否从冬季持续到夏季的重要原因,并可以很好地解释太阳活动对东亚冬、夏季风关系的影响。     

我国东北地区冬季气温变化的东亚冬季风背景

利用中国气象局国家气象信息中心1961—2011年我国东北地区72个气象站月平均气温资料及NCEP/NCAR月平均海平面气压、500 hPa高度场及200 hPa与850 hPa风场再分析资料,对东亚冬季风强度与我国东北地区冬季气温序列经去除线性趋势处理后的变化特征进行对比分析。结果表明:去除线性趋势后,东亚冬季风强度与我国东北地区冬季气温序列的相关系数为-0.69,较原始序列更为显著;两者变化的阶段性较为同步,我国东北地区冬季气温于2004年已转入低温阶段,这与东亚冬季风同时转为偏强阶段关系密切;两者均存在20年左右的长周期,同样存在相近的阶段性短周期;我国东北地区冬季气温的增温变化趋势在1986年前后的增暖性气候突变中起重要作用。东亚冬季风强度与我国东北地区冬季气温年代际信号的相关系数达-0.86,较原始序列年代际相关更为显著;两者的年代际变化存在21.5年左右的共同准周期。东亚冬季风强度与我国东北地区冬季气温的年际变化序列存在4年左右的共同准周期。我国东北地区冬季气温的年际和年代际异常存在与东亚冬季风相关联的200 hPa东亚急流、500 hPa东亚大槽、乌拉尔高压、850 hPa风场、地面西伯利亚高压等的异常背景。     

东亚冬季风气候变异和机理以及平流层过程的影响

本文综述了近几年来关于东亚冬季风变异特征和机理方面的研究,特别对平流层过程对东亚冬季风和气候异常的可能影响作了回顾和进一步分析.东亚冬季风的变异除了季风强弱变化外,还有东亚冬季风的路径变化;研究表明,前者往往对应全国气温一致的变化,而后者可以引起我国气温的南北反相振荡,并导致东亚冬季风变异存在南北两个子系统.此外,进入本世纪后,东亚冬季风的建立推迟,并且东亚冬季风在盛期明显减弱,但冬季风活动在早春比以往要更为活跃,这些变化与冬季气温南北反相变化也有密切的联系.进一步的分析揭示出东亚气温的南北反相变化是东亚冬季风变异的主要模态之一,而且它与平流层极涡强度密切相关.当异常的平流层极涡向下传播时,可以引起对流层低层北极涛动(AO)的异常以及西伯利亚高压的异常,并在东亚地区出现南北反相的温度变化.有关东亚冬季风变异的成因研究表明,上世纪70年代中后期以后,热带厄尔尼诺—南方涛动(ENSO)的影响变弱,而中高纬的北太平洋涛动(NPO)和乌拉尔地区阻塞强度的影响显著增强,相关研究还揭示了这些变化的原因.此外,东亚冬季风在1987年以后的持续减弱主要与准定常行星波活动年代际变化有关,行星波活动通过波流相互作用可以影响AO以及西伯利亚高压和阿留申低压,从而导致冬季风异常.最后,本文还讨论了太阳活动11年周期变化对东亚冬季气候异常的可能影响和过程.     

冬季乌拉尔山阻塞与东亚冬季风的联系分析

利用美国国家环境预报中心和美国大气科学研究中心(NCEP/NCAR)1948/1949~2012/2013年的逐日再分析资料,从年际变化和季节内演变两种时间尺度分析了冬季乌拉尔山阻塞与东亚冬季风的联系。结果表明,从年际变化角度,东亚冬季风综合指数(EAWMII)与冬季乌拉尔山阻塞频数显著相关,且两者的线性趋势与周期一致。当乌拉尔山阻塞频繁发生时,对流层中层西伯利亚反气旋异常,东亚大槽加深;对流层低层表现为贝加尔湖及东亚沿岸北风显著加强,中亚和东亚大部分地区地表温度降低,东亚冬季风较常年加强。乌拉尔山阻塞的由强盛到崩溃的过程对应着西伯利亚高压由加强到减弱东移的季节内演变,850 h Pa风场对应为异常北风由贝加尔湖以北逐渐影响至低纬度菲律宾以东的演变特征。     

气溶胶对东亚冬季风影响的数值模拟

利用NCAR/UCAR CAM5.1模式研究气溶胶对东亚冬季风的影响。模式从1991—2010年运行20年,取2001—2010年冬季的结果。模式结果可以较好地再现东亚冬季风的主要特征。试验结果表明:气溶胶增加使我国东南部地区和东北亚地区（35°~55°N,115°~150°E）冬季风减弱,同时,造成我国东南部地区降水减少。其中,热源热汇的变化和无辐散风减弱为主要原因。气溶胶增加改变了大气热源的分布,造成在我国东南部地区热源减弱,热汇加强;我国东北地区热汇减弱,日本列岛热源加强;气溶胶增加使这些区域全位能的产生减弱,消耗加强。同时,凝结潜热的变化主要影响热源和热汇,其中大尺度过程产生的凝结潜热变化起主要作用。在我国东南部和东北亚地区辐散风动能向全位能的转换增加,造成辐散风减弱。故该区域辐散风向无辐散风的转换减弱,导致无辐散风减弱,最终造成东亚冬季风减弱。     

东亚冬季风对秋、冬季SSTA响应的数值试验

利用NCAR CCM2模式，通过设计多组数值试验方案，研究了东亚冬季风对赤道中东太平洋、中纬度太平洋秋、冬季SSTA的响应。模拟结果表明，东亚冬季风对秋、冬季太平洋SSTA均存在一定的响应，但冬季风对SSTA的响应存在显著的季节和海域差异，并表现出不同的异常响应形态。东亚冬季风对秋季SSTA的显著响应区域位于中纬度太平洋地区，该区域的SST的持续异常，可以引起欧亚、北美地区冬季大气环流的异常，并伴随有明显的EU型和PNA型波列特征，秋季中纬度太平洋SST持续异常偏冷（暖），能够引起有利于强（弱）东亚冬季风的环流异常。而冬季风对冬季SSTA的响应则为赤道中东太平洋和中纬度太平洋SSTA共同作用的结果，在两个区域SSTA的同时强迫下，大气环流表现出类似PNA及WP型波列分布的异常响应特征，赤道中东太平洋的正（负）的SSTA及中纬度太平洋负（正）的SSTA，将导致弱（强）冬季风的发生。     

东亚冬季风异常与全球大气环流变化 II.冬季风异常对全球热带海温变化的影响

作为冬季风研究系列中的第II部分,首先对第I部分中的强弱冬季风个例所对应的海温状况进行对比研究。然后,利用中国气象局的46年历史资料挑选出多个强弱冬季风个例进行合成分析,以进一步探讨个例分析中的一些主要结果。最后,引用奇异值分解方法来诊断分析冬季风异常对海温的影响。分析结果表明:冬季风异常不但造成了同期大尺度环流形势的差异,而且对后期环流和天气状况也有较大的影响;环流异常的持续性与海温异常的持续性密切相关,海温可能是维持这种持续异常的中介,它在冬夏季环流的隔季相关中起了重要的作用。     

ENSO期间赤道太平洋对流活动异常对我国冬季风的影响

利用月平均风场和ＯＬＲ资料,通过ＳＶＤ方法研究了前期６个月,３个月和同期赤道太平洋对流活动异常与我国冬季风场的相互关系,得出：我国冬季环流异常与前期夏季,秋季和同期赤道中太平洋对流活动异常有关,还与同期,前期秋季赤道西太平洋对流活动异常有关,同期的显著区域较大,超前３个月和６个月时显著相关区主要位于长江以南和西北地区,ＥｌＮｉｎｏ年,赤道中太平洋对流活动加强,西太平洋对要位于长江以南和西北地区,Ｅ     

北半球大气环流及其冬季风的年代际变化对青藏高原冬季降雪的影响

对1961~2010年间北半球大气环流背景异常变化及其东亚冬季风指数(东亚大槽位置指数-CW、西伯利亚高压指数-SH)与青藏高原降雪之间在年代际尺度上的相关关系进行了分析,结果表明:北半球冬季行星波年代际尺度上的异常导致了青藏高原地区冬季降雪在年代际尺度上的变化,北半球行星波"冬三(波)"流型的年代际尺度变化是青藏高原地区冬季降雪年代际尺度上增加/减少的环流背景;青藏高原冬季降雪与东亚冬季风之间也存在着年代际尺度上的显著相关。相对于1961~1986年间的冬季风减弱,青藏高原地区冬季降雪量呈现出增加趋势。结果也指出,青藏高原地区的冬季降雪、CW和SH在1986年前后存在一次显著的突变;突变后北半球冬季三波流型明显增强,青藏高原地区的降雪也相应发生了由多到少的变化。     

东亚冬季风异常与全球大气环流变化 I. 强弱冬季风影响的对比研究

利用ECMWF资料挑选出一个强冬季风年（1986年）和一个弱冬季风年（1980年）,通过个例分析对各种气象要素场及中高纬度大尺度环流在强弱冬季风年的差异特征进行比较。分析结果表明：东亚冬季风是全球大气环流的一个重要组成部分,冬季风异常关联着全球环流的异常;这种异常不仅在中高纬度环流中表现出来,而且在热带地区大尺度流场上也尤为显著。强弱冬季风所对应的长波槽脊分布、低纬对流特征、三维流场结构都是截然不同的。冬季风异常不但造成了同期环流形势的差异,而且对后期环流和天气状况也有影响。     

澳大利亚植被覆盖对亚澳季风影响的数值模拟(I):对澳洲气候及冬季风的影响

通过澳大利亚植被绿化和沙漠化的数值试验,对植被覆盖变化引起的地方性气候变化及对半球尺度环流的影响进行了探讨。结果表明,澳洲大陆植被覆盖变化可显著影响地方性温湿和降水,大陆中西部绿化可使大陆东部显著降温,局地水汽增加对温度变化影响显著。绿化引起的中东部降水增加与地表粗糙度增加引发的水汽辐合增强,垂直上升运动增强引发的对流旺盛有关系。局地温湿和环流的变化通过大气定长波的经向传播影响了越赤道气流的强弱,进而对亚澳冬季季风系统降水产生了影响。研究表明,绿化使低层南北半球越赤道气流略微增强,增加了北半球冬季寒潮深入南半球内部的几率,并引起了澳洲大陆北部沿岸的气流明显增强,季风槽南移,降雨带区域性的南移,增加了气旋干扰深入内陆的几率,降水发生的频率增多;沙漠化则引起澳洲大陆增温显著,由于局地下沉运动抑制了对流,造成了陆上降水的减少,通过波的外传,引起了100°~110°E和120°~130°E的低层越赤道气流的变弱和澳大利亚季风槽降水的减少。     

东亚冬季风与中国南方冬季降水的关系分析

由850hPa的风场资料和海平面气压资料计算两个东亚冬季风强度指数,结合月平均降水资料,分析我国南方冬季降水对冬季风响应的空间分布型及其在冬季各月的差异。结果表明:12月东亚冬季风强度比1、2月的弱,同期的降水对其响应不明显;1月冬季风比2月强,同期降水对季风的响应比2月更强些。在1、2月,强(弱)东亚冬季风易造成南方冬季降水偏少(多),但这种响应是时间和空间的函数,随时间变化且有明显的区域特征。1月的强响应区基本上连成一片,强响应中心散布于其中;最明显的中心区在淮河以南附近,区域中心值-0.5;响应强度由此中心向南变弱,但依然分别在湖南东北部、江西东北部以及四川东北部都出现了较强中心区,区域中心值都为-0.35左右;2月的响应区相对1月作了总体的顺时针偏转和稍微的北缩。分析发现,响应区的空间分布可以从地形和地势分布解释,响应区的时间变化与850hPa的风场有关。     

东亚大陆冬季风的低频振荡特征

本文对东亚大陆冬季风期间的地面气温、气压的数年资料做了30～60天的低频波、准双周振荡等分析。结果表明，东亚大陆地区地面气温、气压的0～60天波和准双周波具有重要的作用，它们多年平均的低频波方差相对贡献分别为59.2%（气温）和49.8%（气压）左右。并且伴有显著的年际差异，如华北气温30～60天波强的年份其方差相对贡献可达50.2%，而最弱的年只占11.9%左右。另外这两种频率振荡强弱还有明显的地区性，30～60天波一般华北和长江流域(约28°N以北)比其南部地区强；冬季风期间，东亚大陆地区的30～60波的经向传播主要是由北向南传播的。大多数年份可以传播至东亚大陆的南端，历时约3～6天，但是这种传播在长江流域以北地区表现为更清楚，在长江以南地区，一方面受到了冬季风本身强弱的影响，另方面还受到来自热带地区以致南半球夏季风低频波北传等因素的影响使得经向传播往往变得比较复杂。