海陆纬向非均匀热力结构与跨赤道气流和温带西风急流分布的关系

用数值模拟方法,研究海陆热力结构季节变化对经圈环流、南北半球西风轴以及急流中心的影响。数值试验得到如下结果:(1)海陆纬向非均匀加热结构不仅有利于跨赤道气流的加强,而且形成跨赤道气流高、低层反向特征;(2)海陆纬向非均匀结构使模拟到的北半球西风急流更接近实况。说明南北半球海陆热力强迫不仅是全球跨赤道气流通道形成的重要原因,而且影响北半球西风急流的强度和分布。      

“六月突变”中的波纬相互作用

本文应用EP理论及其诊断方法对1982年初夏北半球大气环流季节性突变过程中扰动和纬向气流相互作用的动力机制进行了分析和讨论,指出副热带急流的北跳与中纬度扰动能量向副热带对流层顶的增强输送紧密相关,而这种输送的方向是受纬向气流结构制约着的;但在此期间,纬向气流变化对扰动输送的响应十分迅速显著,就环流的突变性来讲,扰动的强迫作用是关键的。     

高原上空纬向环流的季节突变现象

利用1951—2012年NCEP/NCAR全球2.5 °×2.5 °日平均再分析风场及温度场资料,分析高原季风区纬向环流的季节突变现象,并探讨季节突变的主要成因。结果表明：(1) 由冬季环流型向夏季环流型转变时,纬向环流表现为零速度线突然北跳,东风带持续加强北进,西风急流突然消失;反之亦然。(2) 600 hPa零速度线指数可作为纬向环流冬夏转换的判据。20 °N为临界值,零线于20 °N以北,高原上空为夏季环流型,20 °N以南则为冬季环流型。冬夏转换的突变时间分别为31候和59候。(3) 纬向环流季节突变的主要原因是高原的热力作用,随着6月高原加热增强,高原及其南部上升气流增强,形成了高原至低纬地区的季风环流圈,使得高原南部东风气流加强,迫使西风急流北退,完成了冬季环流型向夏季环流型的转变。10月高原加热作用减弱,高原至低纬地区的Hadley环流重新出现,西风急流逐渐增强,纬向环流转变为冬季环流型。     

关于西风急流在强迫扰动中作用的数值试验

本文利用非线性水波方程谱模式模拟了不同基本气流对低纬和中纬地区涡源扰动的强迫响应，进而讨论西风急流在大尺度流场强迫扰动中的作用。试验分析表明，中纬度西风急流对来自低纬的扰动波列有增哟的阻 阻滞的作用，并能影响强迫扰动的波数和路径。在存在西风急流的情况下，基本气流对低纬扰源的响应比对中纬扰源的响应要强得多。     

夏季东亚高空副热带西风急流季节内异常的环流特征及前兆信号

位于东亚中纬度上空的东亚高空副热带西风急流是东亚季风环流系统中的重要成员,我国夏季降水雨带的季节内变化受东亚高空副热带西风急流位置季节内异常变化影响。根据1979~2008年中国降水资料、NCEP/NCAR再分析资料以及NOAA ERSST V3月平均海表温度资料,利用统计分析和物理量诊断方法对夏季东亚高空副热带西风急流位置季节内异常的东亚大气环流特征及外强迫信号的物理过程进行了探讨。研究指出:6月东亚高空副热带西风急流位置异常主要受欧亚大陆中高纬东传的Rossby波列位相变化影响,春季北大西洋海温异常是欧亚大陆中高纬度Rossby波列位相变化的最显著的外强迫信号;7月东亚高空副热带西风急流位置异常主要受西太平洋热带向副热带传播的Rossby波列位相变化影响,春季西太平洋热带海温异常是西太平洋热带向副热带传播的Rossby波列位相变化的最显著的外强迫信号;8月东亚高空副热带西风急流位置异常主要受南亚大陆向东亚大陆热带、副热带传播的Rossby波列位相变化影响,春季印度洋海温异常是南亚大陆向东亚大陆热带、副热带传播的Rossby波列位相变化的最显著的外强迫信号。     

冬季黑潮暖流区加热异常对东亚副热带西风急流影响的数值研究

通过对大气环流格点模式GAMIL性能的检验表明, 模式较好地再现了东亚地区大气环流型态、高空西风急流变化及表面加热场的季节变化。在此基础上, 设计敏感性试验研究了冬季西太平洋黑潮暖流关键区加热异常对高空西风急流影响, 数值试验结果表明冬季西太平洋黑潮暖流区加热正异常将引起东亚大槽偏东, 大陆冷高压、阿留申低压及位于低纬太平洋上的西太平洋副高均有所增强, 从而导致了冬季风环流加强。相应地, 东北太平洋上出现了明显的气旋差值环流, 而在中高纬大陆海洋交界地区出现反气旋式差值环流; 同时, 西风急流区南侧的低纬地区位势高度及温度场为正异常, 而北侧的中高纬地区为负异常, 这种分布将使得急流区经向气压梯度和南北温差加大, 导致急流的增强。模式结果分别从热力适应理论及热成风的角度验证了黑潮暖流区表面加热异常对急流的影响机理。     

青藏高原对不同纬向环流动力扰动的数值试验

本文采用σ坐标的三层初始方程模式,用数值试验方法,模拟了青藏高原对四种纬向基本气流的动力扰动:正压均—西风,正压急流型气流,斜压气流和夏季纬向平均气流。实验结果有助于认识青藏高原对东亚大气环流的动力作用。     

地形对大尺度环流的影响

本文用一个能量和角动量守恒的全球正压谱模式定性地分析了地形对大尺度环流的影响。分别做了四大类型的试验，得出一些有益的结论。结果表明：地形能使越过它的气流在其驻地及其下游产生低值系统；地形引起的扰动有同时向极地和向下游传播的现象，而且也向赤道传播；当赤道有西风通道时，北半球的扰动会向南半球传播；中高纬的急流有阻挡扰动向高纬发展的作用，在急流轴以北扰动发生转向。同时表明：地形引起的扰动不仅与地形的形状、初始场有关，而且与地形所在的位置也有关，处在中高纬地形的作用远大于处在低纬的；中高纬的地形，尤其是青藏高原对低纬大气环流有明显的影响。     

东亚副热带西风急流季节变化特征及其热力影响机制探讨

利用1961—2000年NCEP/NCAR月平均再分析资料对东亚副热带西风急流强度和位置的季节变化进行了分析,指出急流位置季节变化不仅有明显的南北向移动,6—7月还存在东西方向的突变特征,同时急流轴在北进过程中具有东西向的不一致性,急流中心强度的变化超前于位置的南北移动。在此基础上,采用动态追随急流中心移动的方法,探讨东亚副热带西风急流季节变化的热力影响机制,发现东亚副热带西风急流强度变化及位置移动与对流层中上层气温南北差异的分布结构有很好的对应关系,这说明急流的季节演变是对辐射季节变化及由于东亚特殊的海陆分布和青藏高原大地形影响而造成纬向不均匀加热的响应。从各热量输送项与急流的关系来看,从冬半年到夏半年的增暖时段,急流中心南北温差减小,急流减弱北进;从夏半年到冬半年的降温时段,急流中心南北温差增大,急流加强南退。热量平流输送的经向差异是造成急流中心南北温差的主要原因,急流跟随热量平流输送最大经向梯度中心位置南北移动。非绝热加热对急流中心的东西移动有引导作用,青藏高原春夏季对对流层中上层强大的加热作用是导致6—7月急流中心位置西移突变的原因。     

东西风廓线特征与大气运动平衡态定常波的相关关系及共振条件的研究

本文采用简化数学模型探讨了东、西风廓线特征与外源强迫下大气环流平衡态定常波结构的相关关系。文中采用实际观测资料研究了西风廓线特征与大气环流型季节特征之间的联系。研究表明,西风廓线冬、夏季节差异与中、高纬度西风槽“冬三夏四”波数差气候特征有关,且低纬强东风切变可作为赤道东风波周期振荡成因之一。冬夏西风廓线季节特征可导致大地形强迫效应、海陆加热因子影响作用的显著季节差异。研究还揭示了大气环流型优势波转换的基流特征影响效应,并导出了流场与纬向加热强迫源共振状态的西风廓线特征函数与临界曲线。     

季风背景流场及跨赤道气流相关因子的探讨

本文采用数值试验方法、研究了冬季风和夏季风背景流场及跨赤道气流的相关因子。试验结果表明,西风带的分布与南北半球行星尺度锋区及赤道高温带的季节性经向位移相关。西风急流位置发生改变,可使基流与大地形强迫作用的非线性动力效应变化,导致大气运动趋向于不同背景流场的平衡态,形成了冬季风、夏季风的环流型以及跨赤道气流的季节特征。      

模式大气对于大尺度地形动力强迫作用的非线性响应

本文与文献[1]相对应,利用一个非线性初始方程谱模式,研究了中、高纬度理想化的大尺度地形以及北半球实际地形的动力强迫作用对于冬季行星尺度的大气定常波的影响。计算结果证实,根据线性模式的数值试验结果所做的定性分析在非线性情形下仍然是成立的,同时,非线性扰动流场也与线性流场有明显的差异,在纬向平场基本气流相对较弱的地区或垂直层次上差异尤为显著。数值试验表明,北半球实际地形强迫的大尺度扰动,在对流层低层以及对流层上部的中、高纬均主要表现出纬向波数为2的行星波,但是在对流层上部的低纬地区3波分量比较明显。中、高纬的大地形动力强迫作用,对于低纬太平洋高空的反气旋和气旋环流的形成有重要的贡献。      

东亚西风急流变化与热带对流加热关系的研究

应用OLR资料和高空格点资料,研究了东亚地区西风急流及其附近的纬向西风与热带地区对流加热场的关系。结果表明西风急流中心的季节变化是和热带加热场的季节变化紧密的联系在一起的。东亚地区的纬向西风强度的年变化与热带加热场的同期及前期状况也密切相关,这种关系可以作为预测我国江淮地区夏季梅雨的一个强信号。     

东亚—北太平洋大气环流和瞬变扰动的年代际变化

用NCEP/NCAR再分析资料,分析了东亚—北太平洋大气环流、大气斜压性和天气尺度瞬变扰动活动的年代际变化特征。东亚—北太平洋地区低层大气温度和比湿及高层的西风急流都存在明显的年代际变化。西风年代际异常与大气斜压性年代际异常之间有密切联系。夏季北太平洋北部到西伯利亚高原上空的天气尺度瞬变扰动活动年代际增强,但夏季低层瞬变热力和瞬变水汽强迫的年代际异常对北太平洋中纬度低层平均温度和比湿年代际异常的作用并不显著。冬季,西太平洋西风急流年代际增强与急流下方大气斜压性年代际增加相一致,使该地区瞬变扰动年代际增强,增强的瞬变扰动将更多能量传送给西风气流,巩固了西风急流的年代际异常。年代际尺度上冬季异常的瞬变热力强迫和瞬变水汽强迫对低层大气温度和比湿异常有显著的削弱作用。     

地形和非绝热加热共同强迫的流型突变

本文用低谱模式,研究了地形和非绝热加热共同强迫的准地转气流的突变。在一定的参数集合,随着外部热力强迫参数的渐变,激发出了谱系数与西风急流位置的突变。 与单纯非绝热加热强迫的情况相比,地形引入后,改变了流型多平衡态的参数范围和流型突变的参数临界点的位置,并使平衡态流型的经向度加大。由夏至冬转换期间突然建立的南支急流的形态也更为接近观测事实。     

转向台风活动在东亚秋季环流变化中的应用

本文利用FGGE资料(1979年)和ECMWF资料(1980—1983年),从天气学 动力学、能量学上对转向台风活动在东亚秋季环流变化中的作用进行诊断分析。结果表明: 转向台风对于东亚秋季环流的季节性调整有一定影响。它的热力作用可以导致纬向环流减弱,经向环流加强,并在高空西风急流北侧附近产生较强的E-P通量辐合,使西风急流不能维持在原地而迅速向南移动。结果,转向台风活动前后,南北热量交换加强,有助于引导极地冷空气季节性地向南推进。在能量场上,转向台风活动时期,东亚区域的涡旋能量增加,纬向能量减少或增长不快;台风活动结束后,纬向能量皆有很大增长。这表明,转向台风活动是中、低纬地区进行能量交换的一种形式。     

东亚副热带西风急流与地表加热场的耦合变化特征

利用NCEP/NCAR月平均再分析资料，采用奇异值分解方法分析200 hPa纬向风场与东亚地表加热场的空间耦合变化特征，揭示影响东亚副热带西风急流位置及强度变化的加热关键区域。研究结果表明，冬季西太平洋黑潮暖流区是表面感热、潜热通量场的大值区，其加热强度主要影响东亚副热带西风急流的强度变化，当加热增强（减弱）时，急流加强（减弱）。热带和副热带地区地表加热的反相变化对应纬向风的整体一致变化，且影响关键区在热带地区， 这种耦合分布型主要体现为年代际的变化特征。夏季，海陆感热加热差异主要影响中低纬纬向风的变化，而影响急流位置南北移动的加热关键区位于阿拉伯海及印度半岛北部，这种加热分布体现感热的局地性变化，可能与高原大地形分布有关。由于夏季降水的不均匀性，潜热加热与200 hPa纬向风场的耦合关系较为复杂。通过分析加热异常年的环流形势差异发现，对流层中上层经向温差对地表加热场异常变化的响应是导致高层纬向风变化的原因，这种地面加热变化导致高层温度场及流场的响应可通过热力适应理论得到较好的解释。     

高空急流区内纬向基本气流加速与EP通量的关系

采用多时间尺度方法, 并假设纬向基本气流是正压的, 在不引入剩余环流的情况下, 推导出纬向基本气流局地变化与一种新形式Eliassen-Palm通量之间的关系, 这种Eliassen-Palm通量关系在形式上比较简单, 而且物理意义明确, 适合诊断分析高空急流区内纬向基本气流的加速与减速.理论分析表明, 正压纬向基本气流的局地变化由新形式Eliassen-Palm通量散度决定.作者利用该Eliassen-Palm通量关系对2002年12月一次寒潮过程中200 hPa等压面上纬向基本气流的发展演变进行了诊断分析.诊断结果表明, 在200 hPa纬向基本气流急流区内, 新形式Eliassen-Palm通量散度是影响纬向基本气流发展演变的重要因子, 并且纬向基本气流的加速与减速主要是由新形式Eliassen-Palm通量中扰动动量的经向输送造成的.     

亚洲西风急流纬向非均匀性变化成因及其对东亚夏季气候的影响

利用美国NOAA（National Oceanic and Atmospheric Administration）的CMAP（Climate Prediction Center (CPC) Merged Analysis of Precipitation）月平均降水资料、NCEP/DOE（National Centers for Environmental Prediction/Design of Experiments）II的月平均再分析资料和中国气象局国家信息中心提供的中国160站逐月降水和平均气温资料,通过定义一个亚洲急流纬向非均匀性指数（I_Aja）,分析了1979～2019年夏季亚洲西风急流纬向非均匀性的年际变化特征,揭示了夏季亚洲急流纬向非均匀性变化异常的成因及其对东亚夏季降水和气温的影响。结果表明:夏季亚洲西风急流纬向非均匀性具有显著的年际变化特征,并存在6～8年和2年左右的振荡周期。当急流纬向非均匀性典型偏强（弱）年,东亚东部地区从低纬到高纬,降水异常主要呈现出偏多—偏少—偏多（偏少—偏多—偏少）的经向分布;气温则在中国西部地区和日本北部偏高（低）,贝加尔湖地区偏低（高）。引起夏季亚洲急流纬向非均匀性异常的可能原因如下:由大气非绝热加热异常而引起的热带和中纬度地区辐合/辐散运动造成的涡度源强迫,和来自西风带中波扰动能量的注入,两者共同作用形成并维持了与急流纬向非均匀性强弱变化相联系的异常环流,从而使亚洲急流东、西段强度差异增强（减弱）,进而有利于急流纬向非均匀性异常偏强（偏弱）。而上述西风带中波扰动能量的东传可能与北大西洋海表面温度异常有关。这对于深刻理解夏季亚洲急流纬向非均匀性异常的形成机理提供了有用的线索。     

青藏高原大气热力异常对西风急流的影响

本文基于NCEP/NCAR月平均再分析资料,分析了对流层上层200 hPa纬向西风的时空变化特征,并通过EOF分解得到一个表征西风急流位置的指数(Westerly Jet Position Index,WJPI);同时基于对流层中上层(500～200 hPa)温度纬向偏差,构建了一个描述青藏高原(简称高原)大气热力特征的指标(Plateau Atmosphere Heating Index,PAHI),定量分析了该指数与西风急流位置的关系。结果表明:由冬到夏西风急流轴不断北抬西伸,风速逐渐减小;各季西风急流轴均处于西风变率的小值区,表明各季急流均轴的位置较稳定。各季PAHI与200 hPa纬向风的显著正相关区均分布在高原北侧,即高原PAHI增强时,其北侧西风增强,南侧西风减弱,对流层上层西风急流北移;各季WJPI与PAHI之间均存在显著相关,表明PAHI异常对西风急流位置的变化有重要作用。