两层海洋对风场气候异常响应的解析解及其讨论

利用一个β通道线性化两层正压准平衡海洋模型,解析求解了两层海洋流场对时变风场(风场异常)的响应,得到了时变风场强迫下该海洋流场响应的斜压模态,而该模型中的正压模态则因其与实际情况不符,应弃之.在海洋上层该斜压模态中,西边界附近的海洋流场响应表现为一对由气旋性曲率和反气旋性曲率组成的涡旋偶;在时刻t=0和t=T/2(T为风场变化周期),β通道中线上分别有西风异常和东风异常最大,故响应表现为东向流和西向流;而在β通道的南北侧边界上响应表现为逆流;此时响应变化较缓慢,但强度大.在时刻t=T/4和t=3 T/4,虽无大气风场异常强迫,但因海洋运动的惯性,响应仍不为0;此时,响应变化较剧烈,但强度小,且.其流向也发生反转,这时上述涡旋偶也表现得最清晰.存海洋下层,海洋流场响应的强度和时间变化与上层相似,但流向却相反,而这体现了响应的斜压性.该海洋流场响应的频率与时变风场异常的频率相同,但存在位相差.因模型中采用了无辐散近似,故响应的性质为准平衡涡旋波,当风应力强迫和瑞利摩擦不太大时,即为海洋Rossby波.对该流场响应的振幅做了估计,发现风应力越大,β通道半宽越大,耗散越小,风应力变化的频率越低,则该响应就越大;在其他因子相同时,低频的风应力异常比高频的能激发出更大的海洋流场响应.得到的斜压模态的解析解与中纬度北太平洋在日本本州岛以东、以南的实际海洋上层流场异常相像,故其在一定程度上能够反映中纬度北太平洋海洋上层流场对实际风应力异常的响应情况;且其较我们以前得到的结果要优,适用性也更广,而这有助于揭示该响应的性质和机理.     

两层正压准平衡海洋模型的中纬度定常风场强迫解

建立了风场强迫下考虑瑞利摩擦的水平二维两层正压准平衡海洋模型,并在中纬度大尺度理想风场强迫的情况下,进行了解析求解。结果表明,在西风急流强迫下,在理想海洋的西海岸以东的上层流场上,在西风急流处会出现较强的东向流;在接近β通道侧壁处则有西向逆流出现;在近西海岸处,在上述东向流的两侧有气旋性曲率与反气旋性曲率的流动;而下层流场的强度与上层流场大致相同,但流向大体相反。由理想西风急流异常强迫出的流场异常的分布形式与以上结果类似。与实际风场异常强迫下的北太平洋上层流场异常进行比较后可知,模型得到上层海洋的结果与实际情况有相像之处。最终,该海洋模型的解趋于风场强迫特解。     

两层正压准平衡海洋模型的中纬度自由涡旋波动解

建立了具有瑞利摩擦且仅考虑大洋西海岸或同时考虑大洋东、西海岸的两层正压准平衡海洋模型,并做了解析求解,用以研究中纬度的自由涡旋波。得到的主要结论有:模型中该波动的解为波包。在仅考虑大洋西海岸时该波包的载频频率是连续谱;而同时考虑大洋东、西海岸时其为离散谱;且均有载频频率越高(周期越短)水平尺度越大的特点,对过分低频的波动,则会使准平衡的假定不再适用。模型中该波动波包载频的周期约在26天至24年。因考虑了摩擦,该波包的振幅随时间呈指数衰减,但摩擦系数的大小仅影响其衰减程度而不改变其空间结构,最终该波包振幅趋于0,故该两层正压海洋模型的解就趋于大气风场的强迫特解。模型中该波包的载频都是西传的;频率较高则西传较快,波包的特性和变形都很明显;频率低,则西传慢,其波形接近平面简谐波。在该两层正压模型中,该波动上层流场与正压模型中的流动类似,而下层海洋流动则其流速与上层海洋相同,而流向相反。该模型中该波动的性质是准平衡(准无辐散)的涡旋波,当摩擦不太大且其水平尺度在10km以上时,其性质则为准地转的Rossby波。     

黄海典型气旋与反气旋式海洋涡旋特征及影响机制模拟研究

为探讨黄海海洋涡旋的三维结构特征、能量输送与转换及影响机制,对黄海海域典型台风海洋气旋与近海海湾反气旋式涡旋个例进行数值模拟和时空诊断分析。采用FVCOM(Finite Volume Community Ocean Model)区域海洋数值模式精细化描述台风海洋涡旋与近海海洋中小尺度涡旋系统。对涡旋能量传输特征模拟显示,气旋式和反气旋式海洋涡旋中,非对称强流区动能能量下传比涡旋中心部位的强度更强,维持时间更长,下传深度更深。反气旋式海洋涡旋因Ekman流动形成的向中心辐合作用,造成此类差异更显著。气旋涡的动能主要来源于台风的近海面风应力动能和海洋涡旋有效位能的转换,反气旋涡旋区域风动力偏弱,其动能强度维持在低位,其涡旋增强伴随着有效位能的增加。环境因子影响机制从风浪,底摩擦和地形三方面讨论。结果显示:耦合波浪模块后,台风强风应力和风浪的综合作用扩大台风海洋涡旋尺度,并增强涡旋环流强度,同时对相邻的反气旋涡有压缩和减弱作用。风浪效应对台风海洋涡旋有正贡献。强台风过程表层环流响应台风应力而浅水地形和底摩擦强烈影响涡旋下层,造成台风海洋涡旋结构在垂直方向上偏移,并影响到下层环流速度减小,流向与表层相反。在海洋气旋涡和反气旋涡的显著辐散区,其混合层下方有温盐要素的涌升对应,辐合区有温盐要素的下沉对应;同时海底地形的升降也造成温盐强迫上升与下降,其强度与地形起伏尺度成正比,较环流系统作用更强。     

正压准平衡海洋模型及其解Ⅱ:中纬度自由涡旋波动

本文研究了正压准平衡海洋模型中的自由涡旋波.得到的主要结论有:该模型中的解为波包,其载频都是西传的.在仅考虑大洋西海岸时其载频频率是连续谱;而同时考虑大洋东、西海岸时则其为离散谱;且均有其载频频率越高(周期越短)其水平尺度越大的特点,对过分低频的波动,则会使准平衡的假定不再适用.模型中波包载频的周期约在26 d至24 ...     

影响台风移动因子的数值研究

本文采用有辐散的正压原始方程模式对影响台风涡旋移动的因子进行了数值试验,试验结果表明:(1)在无环境风条件下,台风涡旋向西北方向移动,移速与台风切向风速、台风半径和台风区f场的特征有关,台风外区(指最大风速半径以外台风区域)切向风速越大、台风半径越大,台风涡旋移速向北分量越大。(2)均一环境风场中,台风移动受基本气流的平流、β效应和指向引导气流左侧的横向加速度的作用,其中基本气流的引导作用是主要的。台风移速与引导气流速度比在东风气流中要大于西风气流中,而台风移向与基本气流之间的偏角在西风气流中要大于在东风气流中。(3)台风涡旋有沿基本气流绝对涡度梯度方向的次级运动分量。(4)台风涡旋在有切变的西风气流中比在均一西风气流中易发展加强,而它的移动更偏向引导气流的左侧。      

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     

地形强迫对大气长波调整的可能影响

地形作为大气的外部强迫,其动力和热力作用对波动结构演变及极端天气出现都有不能忽视的作用。本文通过数值求解考虑地形强迫的β平面正压准地转位势涡度方程,探讨了地形强迫作用对大气长波调整的可能影响,结果表明:同非线性作用和纬向非均匀基流作用一样,无基流情形下具有纬向差异的地形分布影响了大气长波结构的演变,也能强迫出大气长波调整现象。大气长波调整依赖于地形的高度和地形分布,地形越高,长波越容易出现波数的调整;地形波数越大,即地形结构复杂,越不易出现波数变化。大气长波调整还与纬度有关,纬度越高,β越小,地形强迫作用越突出,长波调整容易出现;反之,低纬度以β效应为主的线性波动不易出现波数调整。大气长波调整对波动初始波动的振幅不敏感,但依赖于波动的初始结构。此外,有基流作用时,地形强迫还是诱发定常波的重要因素,且定常波流场结构依赖于地形高度分布,与波动初始结构无关。     

南海风生冷暖涡的数值模拟

利用美国普林斯顿大学海洋模式(POM)对风应力和海岸线共同作用下的南海冷暖涡生成机制进行了数值模拟.结果表明,风应力的作用总可在其下方的海洋中激发出与风应力旋转方向相同的直接涡旋.当地球自转参数f≠0时,通过埃克曼(Ekman)抽吸作用可在南海分别产生与反气旋性和气旋性海面风应力强迫相对应的暖涡和冷涡.如果f=0,风应力激发出的直接涡旋流更强,但均为冷性涡旋.β效应使激发出的海洋涡旋东西方向的非对称性增大,并且诱生出一个与直接涡旋反向的间接涡旋,两涡间的海流和海洋西边界流均增强.文中还对上述现象的机理进行了简要讨论.     

与夏季北太平洋副热带中尺度海洋涡旋相联系的海气关系

采用高分辨率卫星和再分析资料,利用涡旋探测技术、滤波和合成分析等方法,对夏季北太平洋副热带地区中尺度海洋涡旋与大气的耦合关系进行了分析。结果表明:在日时间尺度上,海洋涡旋的海表温度（Sea SurfaceTemperature,简称SST）与海表风速之间不仅存在同位相的正相关关系,还存在反位相的负相关关系,即在涡旋这种中尺度上既存在海洋对大气的强迫,也存在大气对海洋的强迫。海表风速与SST同位相时,对暖（冷）涡来说,向上（下）的净热通量增强,云和降水增多（减少）;其海水温度异常和海流旋度较强,暖（冷）涡较为深厚,一定程度上表明了海洋对大气的强迫。海表风速与SST反位相时,对暖（冷）涡而言,当其处在正（负）位势高度异常、中低层相对湿度较小（大）、气温较高（低）的大气配置下,海表风速较小（大）;同时向下（上）净热通量增强,云和降水减少（增多）;涡旋海水温度异常和海流旋度较弱,这种暖（冷）涡较为浅薄;表明晴空（阴雨）条件下有利于暖（冷）涡的维持,一定程度上反映了大气对海洋的强迫作用。     

2003年6月30日梅雨锋大暴雨β和γ中尺度结构的双多普勒雷达反演

2003年6月下旬至7月上旬,淮河流域出现了持续强暴雨,文中使用双多普勒雷达三维风场反演技术(MUSCAT)对6月29～30日合肥和马鞍山多普勒雷达探测到的暴雨资料进行了三维风场反演,对暴雨系统的中尺度三维动力结构进行了研究。此次梅雨锋暴雨是由β中尺度辐合带和嵌在辐合带上的γ中尺度涡旋共同作用引起的,辐合带上的波动活动对降水具有重要的触发和维持作用。在强降水时段的前期,无为附近中低层的γ中尺度涡旋在东—西走向的中尺度辐合带上自西向东移动,γ涡旋的移动与主雨区的移动基本同步,γ中尺度波动是该时段暴雨的重要动力因素;与此同时,在雨带的北区,γ中尺度涡旋活动比较频繁,但基本上是局地生消;在后期,西南暖湿气流和西风辐合,形成雨带上空的β中尺度辐合带,辐合带随着降水的减弱而减弱;最后,给出了此次暴雨的三维动力结构。     

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。     

非均匀风场与急流强迫的水体涡旋动力特征模拟

通过数值模拟有限区域水气界面由强迫作用驱动形成的水体涡旋及环流动力结构特征,分析非均匀风场、水体急流、两者叠加以及环境边界和地转偏向力等因子的综合影响,探讨此类水体涡旋结构和动力特征。风应力驱动的水体涡旋尺度大,相对深厚,正涡旋具有下凹表面,负涡旋具有上凸表面。水体急流驱动的涡旋形成在急流两侧,对应急流所在深度及厚度尺度相对较小,也较浅,但流速与强度均大于风场驱动的涡旋环流。地形阻挡起着引导涡旋环流走向的作用;同时在北半球地转偏向力对急流侧向负涡旋形成和强度增强更为有利。此外正涡旋对应的辐合辐散势函数强于负涡旋,有利于正涡旋区垂直上升运动强于负涡旋中垂直下沉运动。非均匀风场及水体急流两种强迫叠加作用下,涡旋数量增加、尺度减小,底层的流场形态及强度与表层差异增大。形成的水体涡旋结构呈现多种形态：深厚的整层一致;浅薄的仅维持在上层,或上下层环流相反等。风应力驱动的涡旋以正压性为主,水体急流驱动的涡旋因急流的垂直强切变而具有强的斜压性,在正斜压动能的转换中,正压性涡旋区有斜压动能向正压动能转换,斜压性涡旋区有正压动能向斜压动能转换,均有利于这两个区域正负涡旋的维持。     

多普勒雷达风场反演技术在西南涡暴雨过程中的应用

利用多普勒天气雷达四维变分同化方法反演了2010和2013年重庆市两次西南涡内的局地强降水不同高度水平风场,分析了易发生局地强降水区域的局地环流特征。结果表明:风场反演能较准确地给出低空急流、低层辐合和局地气旋性涡旋的位置及演变情况,辐合线演变及低空急流的强度和移向对强降水有指示意义;局地气旋性涡旋越深厚,局地强降水的强度和范围越大;不同高度的气旋性涡旋耦合,可能有利于急流的加强和水汽输送。     

赤道涡旋与南海夏季风爆发

文中应用１９７９－１９９５年共１７ａ的８５０ｈＰａ风场资料和ＮＯＡＡ卫星的ＯＬＲ资料，分析了南海夏季风爆发的特征。证实南海夏季风爆发，落后于同纬度的中南半岛和菲律宾岛屿地区。但在南海的东部和西部，季风爆发几乎是同时的，具有某种驻波的特征。文中还证实，大多数年份的４，５月间在１０５°Ｅ附近有赤道涡旋形成，这个涡旋引导它上游的赤道西风或南半球西风进入南海南部，为南海的季风爆发创造有利条件。这种涡旋不活跃的年份，季风爆发往往偏晚。它们之间可能存在某种联系。４月中旬，这个涡旋的形成和１０５°Ｅ越赤道气流的初步建立是同时的。进入５月份，这支越赤道气流逐渐加强。南海夏季风的活动与这支气流可能关系密切。如果称位于１０５°Ｅ附近的赤道涡旋为东亚的爆发涡旋，它显然与南亚季风的情况有较大差别。南亚的爆发涡旋与季风爆发的关系是直接的，而在东亚，则是间接的，这也说明了东亚季风比南亚季风更具有复杂性。     

南海年际尺度海气相互作用的初探

本文分析了南海海洋大气系统短期气候变化中存在年际振荡的若干观测事实，提出了局地尺度南海海洋与低层大气相互作用的一种可能机制。针对南海表层水温距平和低层风场异常的相关，设计了一个类似与ＭｃＣｒｅａｒｙ和Ａｎｄｅｒ－ｓｏｎ（１９８４）模型的简化海气耦合模式。大气部分为随下垫面海温变化而变化的异常风应力阶梯函数与季节性风场的联合；海洋部分为非线性β－平面的约化重力模式。考虑南海海洋大气相互作用中存在的海温与低层大气风场变化之间反馈过程，耦合模式在气候积分中表现出一类约３ａ的周期性年际振荡。说明这个区域ＳＳＴ、低层大气风场年际振荡是南海海盆尺度的海气相互作用的反映，改进了关于南海ＳＳＴ年际振荡是海洋对大气应力甚低频强迫响应的认识     

涡旋流自发辐射惯性重力波的初步解析研究

平衡流(或粗略地说涡旋流)调整目前被认为是惯性重力波产生的一种新的机制并被称为自发辐射问题。基于f平面上正压模式,该文对涡旋流自发辐射惯性重力波这一问题进行了初步解析研究。首先,通过该模式讨论了慢流形和平衡流的概念并强调了平衡流的涡旋运动特征。假定Froude数F《1且Rossby数ε=O(1)(即近似为平衡流的涡旋流包括了梯度风和其他非地转成分),于是基本方程可以写为有关惯性重力波的非齐次波动方程,其非齐次项与涡旋流的非平衡性质有关,而对于严格平衡的涡旋流,非齐次项消失,故涡旋流的非平衡性实际上提供了惯性重力波的强迫源,通过找出该方程的格林函数给出了反映自发辐射的非齐次解。在远离波源的区域,该非齐次解可以展开为远场形式,包括单极、偶极和四极辐射,另一方面,在波源区域以内及其附近,解的近场形式可以看作是慢流形的近似表达式。结果表明:与涡旋流相伴随的辐合/辐散运动主要由两部分组成,即由它自发辐射出的惯性重力波以及从属于平衡流的缓慢变化的辐合/辐散运动。与Ford的匹配渐近展开方法相比较,尽管不能给出更高阶近似,但格林函数法得到的非齐次解形式,在描写自发辐射方面更具物理直观性。     

北太平洋冬季西部发展型天气尺度涡旋对平均流的影响

在中纬度北太平洋大气强斜压区,存在频繁的天气尺度涡旋活动,通过水分、动量和能量输送维持大气环流。为了进一步研究天气尺度涡旋发生发展与大尺度环流之间的联系,利用1981—2013年再分析资料,筛选出西部发展型天气尺度涡旋114个偏强日和87个偏弱日,给出了西部发展型天气尺度涡旋异常导致的动力和热力强迫的变化,同时从能量转换的角度分析了西部发展型天气尺度涡旋与平均流之间的相互作用,并探讨了其与西太平洋遥相关型的关系。结果表明:西部发展型天气尺度涡旋通过动力强迫和热力强迫影响平均流,其中动力强迫主要造成北太平洋中纬度上空的西风气流加速并向北移动;热力强迫的作用则是减弱中纬度大气斜压性。同时,强西部发展型天气尺度涡旋有利于西北太平洋上空对流层低层斜压有效位能向扰动动能的转化增大和扰动动能向平均流的转化增大,有利于中纬度地区对流层高层平均流向扰动动能的转化增大。此外,西部发展型天气尺度涡旋通过与平均流的作用,对维持西太平洋遥相关型的负位相有一定影响。     

多普勒雷达积分VAP反演技术

单多普勒雷达风场反演技术对于扩大多普勒雷达的应用范围具有重要的作用。在传统的反演技术中,VAD和VAP技术操作简单,原理清晰,具有一定的实用价值。本文在提出“按方位角均匀假定反演关系”的基础上,进一步证明VAD和VAP技术是“按方位角均匀假定反演关系”的两种特殊应用,进而把这两个方法统一起来。在此基础上,提出采用“按方位角均匀假定反演关系”进行二维风场反演的积分VAP技术(IVAP),该技术与传统VAP技术不同的是在整个选定的反演区间上进行二维风场反演,而不是仅考虑反演区间的两个端点,因此IVAP技术具有滤波性能,而且可以根据需要调整反演区间以得到满足一定平滑性并能反映中小尺度信息的风场信息。采用I-VAP技术反演时可以不对原始资料进行平滑预处理,因此使用中更为方便。当IVAP反演中积分区间为整个扫描圆周时,反演结果与VAD技术一致,而当反演时采用相邻的方位角时,反演结果与VAP技术一致。IVAP技术的频率响应函数表明:IVAP技术对于小尺度扰动具有滤波作用,而且当反演中采用的方位角区间越大时,对较短波动的滤除能力越强,得到的反演风场越平滑。理想试验采用均匀西风叠加小幅随机扰动的流场得到雷达观测径向风,对比分别使用VAP和IVAP方法,用不同的方位角区间反演的西风风速表明,IVAP方法能明显滤去随机高频扰动,而且反演采用的方位角区间越大,反演得到的西风越接近平均值。该试验表明,IVAP方法具有滤除小扰动的特性。采用IVAP方法对线性分布风场得到的雷达观测径向风反演表明,当反演采用的方位角区间较小时,反演结果能反映风场的线性分布特征,当反演的方位角区间逐渐增大时,反演结果越接近平均风场,即与VAD方法的反演结果越接近。该试验表明IVAP方法能得到较高分辨率的反演风场。     

热带气旋中β偶极涡的数值模拟

通过数值模拟来研究热带气旋中的β偶极涡环流，结果可见，在中层的偏差流场上，有清晰的β偶极涡环流，即涡旋中心以西为气旋性环流，以东为反气旋性涡旋，理论分析表明，该β偶极涡环流是由地转涡度平流造成的。