论热带纬圈半地转运动的建立

文中在赤道β平面上 ,在滤掉低频 Rossby波的情况下 ,研究了纬圈半地转运动的建立。指出 ,只有当运动的纬圈尺度很大时 ,非地转风分量才能随着重力惯性波的频散而消失 ,从而建立起纬圈半地转平衡。应用位势涡度不变式 ,给出了纬圈半地转适应后物理场的解。同时指出 ,Kelvin波 (对赤道对称情况 )和混合波的 Rossby波波段 (对赤道反对称情况 )将不参与适应运动 ,它们属于发展运动中的角色。     

热力强迫对越赤道气流产生和维持的作用——定性分析

从原始方程出发，应用大气运动的对称反对称性理论，就赤道地区一呈偶极子分布的反对称冷热源对越赤道气流的形成和维持作用进行了定性分析。结果表明，非绝热加热的反对称分布对越赤道气流的影响是通过诱发和维持反对称的气压场分量来实现的。即在热源上空低层形成低压，高层形成高压；在热汇上空形成相反的气压场。这样，在赤道上空高、低层就将形成与相应气压梯度方向一致的越赤道气流     

一个分析大气谱模式的合理性的定性方法

利用对称运动和非对称运动的理论结果,如‘对称运动的不变性’,可以推得:如初始时刻运动是对称的,对于绝热无摩擦的谱模式,在时间积分过程中,总有 1.和反对称运动有关的谱系数等于零; 2.全球预报和半球预报在同一半球内处处相同; 3.和赤道对称的任意两个区域,其各自的运动彼此对称。 数值试验也证实了这些结果。 在有外力强迫的情形,如地形(或加热),如其分布是对称的,则在初始运动是对称的情况下,‘对称运动的不变性’仍然成立。但如果地形(或加热)分布是非对称的,则运动的对称性会减小,而变成非对称运动,并出现越赤道气流。这些也经过数值试验加以证实。 利用上述理论结果作为指导,可以用所设计的模式进行试验、分析,从而,确定模式设计是否合理,有关软件是否有误等。     

热带大气对非绝热加热的响应及其与ENSO循环关系

通过求解赤道β平面上的线性运动方程,研究了热带大气对主要由海洋热状况异常导致的大气非绝热加热的响应,并探讨了该过程与ENSO循环的关系。结果表明,非绝热加热的直接作用及其产生的Kelvin波、Rossby短波是大气零阶的扰动位势和纬向风速变化的原因。在El Nino期间,大洋西部首先发展出正的大气位势异常。但随着海洋热状况的正异常的持续,随之在大洋西部即开始孕育和发展,导致热带太平洋海气耦合系统回归正常状态,甚至是转向La Nina的大气异常状态或系统,其标识是非绝热的异常加热所激发的大气Kelvin波的产生和东传,并伴随正位势异常的大值向东移动和大洋西部正的位势异常减弱,信风由此而增强。在La Nina的盛期,海洋热状况存在负异常(即弱于平均状态),则将有相反的过程。     

正压过滤模式大气中的对称运动和非对称运动

把流函数分成对赤道对称和对赤道反对称的两部分,可以把正压涡度方程分离为描写大气对称运动和反对称运动的两个方程。根据它们,讨论了在全球范围内几种基本物理量,如涡度和绝对角动量等在对称和反对称情况的守恒性。还给出了这两类运动的能量收支方程和能量转换表达式。可以看出,在大气中不仅有纬圈平均动能和扰动动能之间的转换,也有对称运动产生的和反对称运动产生的动能之间的转换。 还在涡度方程中考虑地形和水平扩散的情形下,提出了大气非对称性质产生的机制。结果表明:非对称的地形分布和水平扩散系数的分布可能是导致非对称运动的原因。 最后,还对全球预报和半球预报,从物理观点作了理论比较。     

在正压过滤模式大气中地形和水平扩散对非对称运动形成的作用

利用考虑地形和水平扩散作用的正压涡度方程,在线性情况下,给出了描写对称运动和反对称运动(都是对赤道来说的)的方程和它们各自的解析解。分析这些解可以看出,不论对于对称运动或反对称运动,解都由三部份组成:一是与初始流场有关的Rossby波;一是以Rossby波波速传播的,与地形和水平扩散有关的行进波;另一是与地形和水平扩散有关的定常波。但是,如初始时刻运动是对称的,则地面拔海高度和水平扩散系数的反对称分布可以引起反对称运动,从而,引起非对称的运动。在定常情况下,则对称的流场,和地面拔海高度、水平扩散系数的对称分布有关,反对称的流场,和地面拔海高度、水平扩散系数的反对称分布有关。最后,还用数值试验,证明反对称地形可以引起反对称运动;还讨论了南北半球的相互影响的问题。     

热带对流层上部的波

从六十年代发现了赤道平流层下部行星尺度波以来,对热带波的研究产生了较大的兴趣。迄今已清楚地从平流层资料中分析出两种原型赤道波——Rossby-重力混合波和Kelvin波。早期的赤道波理论模式没有提供什么线索说明,大气赤道波生成的物理机制和以某种波占优势的物理机制。然而,现在我们已有热带波能量循环的一些观测证据。Yanai和Hayashi利用互谱分析方法,指出实测的Rossby-重力混合波是与对流层顶上波能向上通量相联系的,平流层赤道波的源地在对流层内。Nitta指出,热带西太平洋上空对流层波的涡动动能主要是由涡动有效位能转换来的,后者是由对流层上部凝结潜热释放所产生的。但是,     

El Nino事件发生对南北半球大气环流异常的对称及非对称性影响及其机理分析

利用合成分析方法,分析了1971-2003年间7个El Nino事件发生时南、北半球大气环流异常的对称与反对称特性。分析结果表明,El Nino事件发生期间,在热带地区15°S-15°N大气环流异常以对称性为主,但也有一定的反对称分量：高度场异常和纬向风异常的对称性较强,而经向风异常的反对称较强;同时在El Nino事件演变的各阶段,高度场异常和纬向风异常的变化较明显,而经向风的变化较小,高度场和风场异常在低层（700hPa）和高层（200 hPa）呈明显的反位相分布。并且,为探讨El Nino事件对南、北半球大气环流异常的非对称性影响的机理,本研究进一步利用ERA-40逐日资料,应用Hough函数分析了El Nino事件发生期间这些赤道波动的演变特征。结果表明,El Nino事件发生期间,热带地区大气环流异常对称性较强的主要原因是对称性Rossby波异常较强,而Rossby重力混合波异常对经向风场的反对称分量有重要作用;并且,研究结果还表明,在ElNino事件发生期间,热带东太平洋的海温正异常能够激发由对称性Rossby波和Kelvin波组成的Gill型环流异常。此外,分析表明Hough函数在分析热带大气波动的对称性及反对称性上具有明显的优越性。     

温度和纬圈平均西风等气象要素对赤道的对称分布和反对称分布

把任一气象要素分为对赤道对称和对赤道反对称的两部分，利用Oort等的气候资料进行分析，发现在全年中，许多气象要素，如500和1000百帕纬圈平均的高度、温度和西风等，主要呈对称分布。对称部分的绝对值和其沿经圈分布曲线的起伏，都远远大于其反对称部分的对应值。而且，对称部分的曲线起伏，除1000百帕的西风和高度不太明显外，在1—7月普遍呈减小的趋势。至于反对称部分，其变化趋势则与对称部分相反。为了解释上述现象，还对年平均的非绝热加热、摩擦和地形等进行了分析。发现地面拔海高度的反对称部分最明显。在12—2月和6—8月，净辐射、地面雷诺应力、地面（包括海洋）和大气之间的热交换（包括辐射、感热和潜热）的反对称部分也很明显，有时和对称部分相当，甚至超过；但它们在这两个季节的沿经圈分布的位相是相反的。这看来和上述气象要素中反对称部分的产生，以及对称运动维持及其随季节变化有密切关系。     

El Nio事件发生对南北半球大气环流异常的对称及非对称性影响及其机理分析

利用合成分析方法,分析了1971~2003年间7个El Nio事件发生时南、北半球大气环流异常的对称与反对称特性。分析结果表明,El Nio事件发生期间,在热带地区15°S~15°N大气环流异常以对称性为主,但也有一定的反对称分量:高度场异常和纬向风异常的对称性较强,而经向风异常的反对称较强;同时在El Nio事件演变的各阶段,高度场异常和纬向风异常的变化较明显,而经向风的变化较小,高度场和风场异常在低层(700hPa)和高层(200 hPa)呈明显的反位相分布。并且,为探讨El Nio事件对南、北半球大气环流异常的非对称性影响的机理,本研究进一步利用ERA-40逐日资料,应用Hough函数分析了El Nio事件发生期间这些赤道波动的演变特征。结果表明,El Nio事件发生期间,热带地区大气环流异常对称性较强的主要原因是对称性Rossby波异常较强,而Rossby重力混合波异常对经向风场的反对称分量有重要作用;并且,研究结果还表明,在ElNio事件发生期间,热带东太平洋的海温正异常能够激发由对称性Rossby波和Kelvin波组成的Gill型环流异常。此外,分析表明Hough函数在分析热带大气波...     

EFFECTS OF OROGRAPHY AND HORIZONTAL DIFFUSION ON THE GENERATION OF THE ASYMMETRIC MOTION IN THE BAROTROPIC FILTERED MODEL ATMOSPHERE

By utilizing the barotropic vorticity equation including effects of orography and horizontal diffusion,the linearized equations describing symmetric and antisymmetric motions and their analytic solutions are pre-sented.It can be found from the solutions that no matter what kind of motion may be,each solution consistsof three waves,namely,Rossby wave related to initial values,marching wave propagating at Rossby wavevelocity and stationary wave.The latter two are closely related to orography and horizontal diffusion.However,if the motion is symmetric at the initial instant,then the antisymmetric components of orographyand of horizontal diffusion are likely to lead to the generation of antisymmetric motion.In the steady state,the symmetric flow is connected with symmetric orography and horizontal diffusion and the antisymmetricflow with antisymmetric orography and horizontal diffusion.Further,in order to verify the above analysis,three numerical experiments have been made.The results show that antisymmetric orography can produceantisymmetric motion.Finally,the atmospheric interactions between Northern and Southern Hemispheresare discussed.     

SYMMETRIC AND ASYMMETRIC MOTIONS IN THE BAROTROPIC FILTERED MODEL ATMOSPHERE

By expressing the stream function in terms of the symmetric and the antisymmetric components with respect to the equator,the barotropic vorticity equation can be separated into two equations,one describing the behaviours of the atmospheric symmetric motion,and the other those of the atmospheric antisymmetric motion.From them,for the entire global surface at the equivalent barotropic level,the conservations of several basic quantities,such as vorticity,angular momentum etc.in the symmetric and antisymmetric cases,have been discussed.In addition,the energy budget equations and the energy conservation expressions for the two kinds of motion are given.It can be seen from them that there are not only the conversion between the zonal mean kinetic energy and the disturbed kinetic energy in the atmosphere,but also the conversion between the kinetic energy generated by the symmetric and antisymmetric motions.In the case of including orography and horizontal diffusion into the vorticity equation,a mechanism of the generation of asymmetric behaviours of the atmosphere is proposed.The results show that the asymmetric distribution of orography and that of horizontal diffusion coefficients are likely the causes leading to the asymmetric motion.Finally,a theoretical comparison between the global model and the hemispheric one from the physical point of view is made.     

NUMERICAL EXPERIMENTS IN SYMMETRIC AND ASYMMETRIC MOTIONS IN THE BAROTROPIC PRIMITIVE EQUATION MODEL ATMOSPHERE

Three numerical experiments have been carried out by using a spectral barotropic primitive equation mo-del.It is found that the results obtained are quite similar to those with the barotropic filtered model.Themain results read as follows:(1)In the case with symmetric orography or without orography,if the motion is symmetric(with re-spect to the equator,the same is true hereafter)at the initial instant,then it would be symmetric afterwards.(2)The antisymmetric orography distribution could cause antisymmetric motion,and the original sym-metric motion might become asymmetric.In order to explain the above results,it has been proved that they are theoretically valid.And it is foundthat if the motion is antisymmetric at the initial instant,then it would become asymmetric.Therefore,nopure antisymmetric motion could be maintained.     

关于正压大气对称运动和非对称运动的数值试验

利用正压原始方程谱模式进行了3个不同情况的数值试验。发现试验结果和在正压过 滤模式的情况很相似,即: 1.在无地形起伏时,如初始时刻运动是对称(来赤道来说,以下同)的,则以后运动将永 远是对称的; 2.在地形为对称时,如初始时刻运动是对称的,则以后运动仍将是对称的; 3.反对称的地形分布可以引起反对称运动,从而,使初始时刻对称的运动变为非对称运 动。 为了解释这些结果,用作者曾在正压过滤模式中用过的方法进行分析,证明它们在理论 上是成立的。还发现:如初始时刻运动是反对称的,则以后将变成非对称的,即纯粹的反对 称运动不可能维持。 Three numerical experiments have been made by using a spectral barotropic primitive equation model. It is found that the results obtained are quite similar to those with the barotropic filtered model. The main results read as follows.1. In the case of flat surface or symmetric orography, if the motion is symmetric (with respect to the equator; the same is true hereinafter) at the initial instant, then it would be symmetric forever.2. Antisymmetric orography distribution could generate antisymm     

大气对称运动和反对称运动的物理性质以及它们之间的能量转换

采用p坐标系,利用控制原始方程模式大气中对称运动和反对称运动的方程组,对其物理性质,如对称的和反对称的能量、角动量等的守恒性和它们之间的相互转换,纬圈平均的和扰动的对称和反对称运动之间的能量的相互转换进行了讨论。结果指出:(1)对全球总的绝对角动量的变化有贡献的,只能是因地形而引起的位势高度的对称部分在纬圈方向的差值和耗失力的纬向分量;(2)不同形式能量之间的相互转换除和经典的情况类似外,还有对称能量和反对称能量之间的相互转换,可以制约对称运动和反对称运动的相互影响。