热带斜压大气的适应运动和发展运动

研究了热带斜压大气中的适应运动和发展运动 .当以重力惯性波为特征的适应过程基本完成后 ,运动进入缓变的发展或演变阶段 .发展运动可以是纬圈半地转平衡的 (即长波近似的Gill模式 ) ,也可以是经圈半地转平衡的 (短波近似 ) .分析了这两种半地转发展模式的特点后 ,提出了低频近似的发展模式 .在低频动力系统中 ,包括了除重力惯性波外 ,由Mastuno指出的所有热带基本运动 ,即Kelvin波、Rossby波和混合波中的Rossby短波 .因此 ,这个模式能反映热带运动更多的动力学行为 .     

热带扰动在大尺度经圈中的行为

在赤道β平面上经圈流的背景流场内,利用等值浅水模式来分析波动的不稳定性.结果显示,在经圈半地转假设下,扰动信号通过变性的Rossby波来传递.对于大洋西部,由于向极地方向经圈流的引入,赤道对称的扰动模态对所有的波数k都是不稳定的.对于大洋东部的向赤道流,对赤道对称的扰动却是稳定的.由于一般来讲,扰动倾向于对赤道对称,因此西边界的向极流,如黑潮,比东边界的向赤道流,如加尼福尼亚洋流,更易因扰动的不稳定而产生涡旋.     

北半球大气遥相关型与区域尺度大气扰动

北极涛动(AO)、北大西洋涛动(NAO)和太平洋-北美型(PNA)等北半球大气遥相关型,可以用大气位势高度的物理分解扰动分量解释.结果发现,AO反映的是北极地区行星尺度纬圈平均扰动分量的变化,PNA与持续性天气尺度扰动分量相联系,NAO是行星尺度纬圈平均扰动与天气尺度扰动共同作用的结果.对行星尺度纬圈平均扰动分量和天气尺度扰动分量用旋转经验正交函数(REOF)展开,不但可以证实人们已经命名的区域性大气涛动,还新发现了北极地区的两对偶极涛动、欧亚涛动(EAO)和"大西洋-欧亚型"(AEA)波列.这些涛动连接了相邻地区的异常天气和异常气候.     

多层准地转基本流的扰动发展与非线性稳定性

进一步考察了初值与模式中参数共同扰动的情形 ;在初始扰动场仅依赖于初始扰动位势涡度、初始扰动边界速度环量与扰动参数的条件下 ,给出了扰动能量、扰动位涡拟能精确的显式估计 ;并在Lyapunov意义下广义非线性稳定性概念的基础上 ,得到了对应于Arnold第二定理的非线性稳定性判据。     

强迫和惯性不稳定对流发展在印度夏季风爆发过程中的作用

利用NCEP/NCAR R1再分析资料,分析了阿拉伯海上空对流层低层惯性不稳定现象对印度夏季风爆发过程的影响,揭示了纬向地转动量的纬向平流在惯性不稳定中的重要作用.研究表明,在印度夏季风爆发过程中,由于强烈的跨赤道气压梯度,对流层低层的绝对涡度零线(η=0)在阿拉伯海南部上空自赤道向北推进,从而在北半球近赤道区域形成负绝对涡度区,该区域表现出明显的自由惯性不稳定.在摩擦作用下,当气流自南向北通过这一区域时,在绝对涡度零线北侧出现低层辐合中心,有利于低纬度对流发展.然而这种经典的惯性不稳定对流只出现在近赤道地区,对印度季风爆发的直接影响不明显.另一方面在η=0线北侧海平面低压中心南部,尽管该区域大气处于惯性稳定状态,低空西风气流的发展造成明显的纬向地转动量的纬向平流.理论和诊断分析表明,该纬向地转动量平流与南北方向海陆热力差异沿着纬圈非均匀分布密切相关,它引起低空辐合中心出现在印度大陆西南海岸低空急流附近及其北侧,为印度夏季风爆发提供有利的低空环流条件.说明春末夏初阿拉伯海地区低层对流的发展除了受摩擦惯性不稳定影响外,更受到海陆热力差异纬向分布不均匀的强烈影响.此外,在印度夏季风爆发前,对流层高层的南亚高压东伸发展,将中纬度高位涡输送到阿拉伯海上空,形成局地"喇叭口"状流场,产生明显的高空抽吸作用,为夏季风的爆发推进提供了有利的高空背景条件.当其与南北海陆热力对比的纬向差异所强迫的低空辐合中心在印度大陆西南海岸附近垂直耦合引起大气斜压不稳定发展时,激发了印度夏季风爆发.     

风驱动下f-平面准地转三维海洋环流的形成及总质量守恒的应用

将理想化的南中国海海盆在垂直方向上划分为Ekman层、惯性层和摩擦层. Ekman层中的运动由大气风应力驱动,其底部的扰动压力将作为其下惯性层中运动的上边界条件. 惯性层中的运动是由f 平面三维非线性方程在准地转近似下位势涡度守恒控制,由此得到控制惯性层中运动关于扰动压力的三维椭圆型方程. 在惯性层以下考虑到深层的海盆水平尺度很小,由此引进带有底部摩擦的线性控制方程,方程的边界条件为惯性层和摩擦层交界面上的扰动压力连续,沿海盆边界假定海水与相邻的固壁间无热量交换,由此设在海盆边界上扰动温度为零. 在此基础上分别利用惯性层和摩擦层中的椭圆型控制方程计算了相应层次上冬、夏季的扰动压力和准地转流. 结果表明冬季各层上以气旋式环流为主,且随深度的增加流速减小;夏季各层上以反气旋式环流为主,流速也随深度增加而减小. 这在一定程度上和观测事实相符.     

Rossby波的螺旋斑图

应用描写大气大尺度运动的准地转方程组，求得了大气Rossby波的三维定常流场以及相应的位温场、涡度场和散度场，其中的三维流场构成了物理空间的一个非线性自治动力系统. 研究表明，Rossby波具有     

台风暴雨过程中位势散度波作用密度分析和预报应用研究

在位涡的基础上,考虑散度效应,把水平风矢量旋转90°后的旋度在广义位温梯度方向上的投影定义为位势散度,并把其二阶扰动量定义为位势散度波作用密度,该波作用密度代表扰动热量的扰动输送,与位势稳定度的发展演变有关.登陆台风Morakot(2009)的诊断分析表明,在台风登陆台湾岛,进入台湾海峡和登陆大陆三个阶段,波作用密度高值区与大陆和台湾降水区相重叠,扰动热量的扰动输送显著;在前两个阶段,大陆和台湾降水区波作用密度逐渐增大,扰动热量的扰动输送逐步增强;在台风登陆福建霞浦市后,大陆地区波作用密度减小,扰动热量的扰动输送减弱.在影响波作用密度局地变化的诸多物理因素中,扰动非地转风位涡项是主要强迫项.统计分析表明,波作用密度与观测降水有一定的相关性,据此发展了位势散度波作用密度降水预报方程,其本质是数值模式预报资料的动力延伸释用,预报应用表明,利用24 h模式预报场计算的波作用密度降水能够较好地再现观测降水的落区,对台风Morakot引发的暴雨有一定的预报技巧.     

非对称型强飓风中的准平衡流特征分析Ⅱ:波动结构

利用非对称波分量分解和小波分析的方法,对准平衡动力模型下非对称强飓风内中尺度波动的空间结构和时间序列特征进行分析.结果表明,平衡流场中1波扰动占主要地位且具有涡旋Rossby波的典型结构特征,准平衡流各波数下扰动的空间分布反映了中尺度波动的混合性质;模式大气和准平衡垂直运动的全局功率谱中,超过信度检验的强波动信号中不仅包含分别表征重力波和涡旋Rossby波的高频和低频波动信号,还存在表征具有物理性质不可分特性的混合涡旋Rossby-重力波的中频波动.混合波的出现建立了不同频段波动之间的能量交换通道,其信号的变化对飓风系统的强弱变化具有一定的指示作用.非平衡垂直运动的波动强信号则主要集中在高频和低频区域,反映了在飓风强度变化情况下,与高频重力波有关的快波调整过程所引起的垂直扰动的振荡和传播.强垂直风切变对飓风内中尺度波动的切向和径向传播具有重要影响,当环境垂直风切变很强时,准平衡1波扰动在径向和切向方向上均呈"驻波"形态,随着环境垂直风切变的减弱,1波扰动以混合波波速逆基本气流传播.     

南极绕极流及经圈翻转流的双平衡态理论

利用非线性惯性理论研究南极绕极流及其经圈环流.模型分为上下两层,上层为Ekman层,主要由海表风应力驱动;下层为温跃层,其运动由理想流体的非线性方程控制.通过确定普适函数的形式求得温跃层中惯性模型的解.计算结果表明,在上层条件不变的情况下,温跃层存在两个平衡态解.平衡态1的流函数分布较为平滑,经圈环流深度较浅,纬圈流强度较小;平衡态2的流函数会出现不连续的状况,经圈环流可达2000m深,纬圈流的强度要比平衡态1大.两个平衡态中纬圈流在温跃层中均存在一个大值区.理论结果特别是平衡态2的结果与资料较为接近.     

全球大气环流的三型分解理论

文章回顾了近年来发展的全球大气环流的三型分解理论,主要包括全球大气环流三型分解模型及全球大尺度水平型环流、经圈型环流和纬圈型环流的动力学方程组理论.与传统二维环流分解方法的对比表明:全球大气环流三型分解将垂直涡度中由水平涡旋运动与辐合辐散运动引起的垂直涡度分量有效地分解开来,也将垂直速度中的经向垂直环流与纬向垂直环流分量分解开来,为研究辐合辐散过程对垂直涡度场的演变作用及局地垂直环流的准确描述问题提供了新的方法.全球大气环流的三型分解是一种基于实际大气运动特征的三维环流分解方法,其分解后的水平型、经圈型以及纬圈型环流可分别看作是中高纬度Rossby波及低纬度Hadley和Walker环流在全球的推广.因此,新的环流分解模型及其动力学方程组为中高纬度大气环流与低纬度大气环流之间的相互作用问题研究以及全球变暖背景下大尺度环流异常演变的物理机制问题研究提供了新的理论与方法.     

旋转流体中的二维惯性重力波-涡相互作用

本文利用f-平面浅水模型讨论了二维情况下快速惯性重力波与平衡涡旋之间的相互作用问题.当快速的惯性重力波传入涡旋区域后,波－涡之间发生了相互作用,涡旋可被加深,涡旋区域的风场等可以出现非对称分布,当惯性重力波全部传出涡旋区域并远离之后,涡旋恢复到其初始状态,但此时惯性重力波可以出现非对称结构,这与一维情况不同.在波－涡发生相互作用过程中,其物理量变化的最大区域分布基本与波动传播方向一致,在波动进入或移出涡旋时,相对应存在两个最大物理量变化区域,此外,相互作用导致的物理量的最大变化与波动结构、强度、传播方向以及涡旋特性有关.非线性条件下的波－涡相互作用要强于线性过程.     

热带大洋对纬向和经向风应力的联合响应

考虑了经向风应力和纬向风应力联合作用下热带大洋的响应问题.结果表明,只有一阶的经向风应力或具有辐合辐散的经向风应力才对最后的速度场和位势场造成影响.零阶的扰动温跃层和纬圈流受风应力的直接驱动和Kelvin波、Rossby短波的影响,而Rossby短波由经向风应力直接造成;二阶模则受风应力的直接驱动和Rossby短波的作用,同时经向风应力也产生了附加的Rossby短波.另外,在西边界处存在很强的暖水补充到赤道的现象,经向风应力有使暖水向赤道输送的作用,而西风应力使西边界处的暖水向东输送.     

论不同模式大气中的静力适应过程

为了研究大气静力平衡适应过程的本质,利用波动理论和能量转换角度,分别对完全可压缩的等温大气模型、滞弹近似下的等温大气模型和层结中性大气模型进行研究比较.结果表明：大气静力平衡适应过程的本质是声波和混合声重力波对扰动能量的频散过程,滞弹近似模型和层结中性模型均不能完全描述此适应过程;在波动假设下,此三类大气模型中扰动物理量之间的偏振关系同波动的性质有关,气团的运动方程均为椭圆方程,声波和混合声重力波对气团运动的作用差异较显著.
大气静力平衡适应过程中扰动能量以有效势能、有效弹性势能、动能或波动能量的形式存在并相互转换;扰动有效势能与其他形式能量之间的转换与混合声重力波或者重力内波有关,扰动有效弹性势能与其他形式能量之间的转换与声波有关.在完全可压缩的等温大气模型中,扰动有效势能增加1个单位,其中69.9%来自扰动垂直动能,其余30.1%来自扰动有效弹性势能.     

天气尺度扰动流场对区域暴雨的指示能力

观测的大气流场可以物理分解为气候流场、行星尺度纬圈平均扰动流场和天气尺度扰动流场.低层大气的天气尺度扰动流场中的切变线、南方气旋、北方气旋、冷锋槽线、西南涡暖切变线、热带气旋、倒槽切变线、东风波切变线等对区域暴雨具有指示意义.扰动流场中的环流系统更适合天气分析的原理.中国的暴雨带多为扰动辐合线两侧气流对峙的结果.观测流场中,暴雨带出现在低空急流的左侧,是因为气候流场掩盖或削弱了天气尺度扰动流场的作用.对切变线暴雨,天气尺度扰动流场有99%的诊断能力,而原始流场只有66%的指示能力.     

北极地区低平流层惯性重力波的观测研究

南极地区重力波活动有大量报道,相对而言,北极地区重力波的研究还很少.本文利用极区Ny-Alesund站点（78.9°N,11.9°E）无线电探空仪从2012年4月1日到2017年3月31日共5年的观测数据,统计分析了北极地区低平流层惯性重力波的特征.观测显示,月平均纬向风在20 km以下盛行东向风,再随着高度增加,逐渐呈现出半年振荡现象.对流层顶高度在5~13 km范围内变化,其月平均高度显示出年循环,最高出现在夏季,约为10 km,最低出现在冬季,约为8.5 km.对流层和低平流层月平均温度都显示出明显的年周期变化,这与中低纬度观测结果有所不同.结合Lomb-Scargle谱分析和矢端曲线方法,估算了准单色惯性重力波参数.个例研究表明,低平流层惯性重力波呈现出远离源区的自由传播性质.统计结果显示,惯性重力波的水平和垂直波长分别集中在50~450 km和1~4 km范围内,本征频率集中在1~2.5倍惯性频率间,这些值都比中低纬度观测值稍小.垂直方向本征相速度主要集中在-0.3~0 m·s^-1,而纬向和经向本征相速度集中在-40~40 m·s^-1之间.在5年的观测中,大约91.5%的惯性重力波向上传播.在冬季和早春,由于极地平流层极涡活动,激发出向下传播的惯性重力波,因此,向下传播的比例上升到相应月份的20%左右.由于低层大气盛行的东向风的滤波效应,低平流层大部分惯性重力波向西传播.波能量呈现出明显的年周期变化,最大值在冬季、最小值在夏季,与北半球中低纬度观测结果一致,表明北半球重力波活动普遍冬季强、夏季弱.     

印度洋经圈环流的结构及其与风应力的耦合关系

利用惯性理论计算了印度洋经圈环流的结构,并分析风应力与经圈环流的耦合关系．结果表明,惯性理论能够较好地表征经圈环流的特点——副热带环流圈与跨赤道环流圈,北印度洋经圈环流会随着季风的季节性反向而翻转．风应力异常和经向流函函数异常可以分解为夏季风模态、冬季风模态及异常模态．当异常呈现冬夏季风期间环流的结构特征时,经圈环流与风应力的同时相关最大;在异常模态时,二者的关系较为复杂．通过20°S和赤道断面的输送均表现为多时间尺度变化的特征,主要的周期集中在年际和年代际尺度上．     

热源激发重力波特征以及波流作用的数值模拟研究

本文在二维等温可压大气中引入了一个随时间和空间变化的热源扰动,分别以静止风和中纬1月份月平均向东的纬向风急流为背景,对不同背景下热源激发的重力波的传播详细过程及其特性进行了数值模拟研究.热源激发出来的重力波在初始阶段有很宽的频谱范围,随后由于重力波的传播效应,水平波长和垂直波长分布范围随时间都有所减小.顺风传播的重力波...     

青藏高原上空UTLS区域一次地形重力波过程中的物质上传

利用美国航空航天局MERRA(Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications)再分析资料和MODIS(Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer)卫星资料以及欧洲气象中心ECMWF-Interim(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)再分析资料,分析了发生于青藏高原北侧上空的一次地形重力波事件,并使用中尺度预报模式WRF-ARW.V3.0(Weather Research and Forecasting model,V3.0)对其进行了数值模拟.在此基础上,诊断分析了此次地形重力波在UTLS(Upper Troposphere and Lower Stratosphere)区域造成的物质和能量垂直传输特征.分析结果表明这一中尺度地形重力波信号的水平波长约为600km,与地形扰动水平尺度接近,重力波在对流层中传播的垂直波长约为3km,在垂直方向上随着高度的增加呈现出由东向西倾斜的结构特征.此次地形重力波上传进入平流层并在150hPa附近破碎,波破碎后动量通量在短时间内发生了强烈的衰减,重力波携带的能量在破碎高度附近释放.重力波破碎的同时垂直方向湍流混合变得异常强烈,湍流交换系数可在短时间内增加到背景值的8倍以上,剧烈湍流混合过程导致了对流层上层的空气进入平流层,使下平流层空气出现了位势涡度和臭氧的低值区,在浮力频率的垂直剖面中也可以看到由于地形重力波过程造成的平流层下层浮力频率异常低值区.     

纬向非均匀基流对大气长波调整的作用

大气长波的发展和演变影响着大气的可预报性,并对提高天气预报和气候预测水平有重要的意义.在影响大气长波演变的因子中,除波与波非线性相互作用外,基流的作用也非常重要.本文利用非均匀基本场下Rossby波运动方程,通过数值求解,分析了基本场结构和初始场对Rossby波演变的影响,揭示了纬向非均匀基本场对长波调整的作用.研究结果表明:基流纬向非均匀时,线性Rossby波也会出现长波调整现象,基流随纬向变化是长波发生调整的又一个重要机制;大气长波调整对波动的初始振幅不敏感,但基本场振幅影响着长波调整能否出现和出现的时间;基本场纬向平均西风基流的大小除影响波动传播的速度和方向外,还影响长波调整出现的时间和规律;长波调整的出现还与基本场和初始场的结构有关,不同基本场时,波动是否发生调整、向高波数还是向低波数调整都决定于基本场结构,相同基本场时,不同初始结构的波动也有着不同的演变过程.