基本气流的垂直切变对热带行星尺度大气波动的影响

通过一个赤道β平面上的绝热无摩擦的两层模式,讨论了线性垂直切变的纬向基本气流对热带行星尺度大气波动的影响。在长波近似下,当有纬向基本气流垂直切变时,可得到与东传Kelvin波和西传Rossby波对应的不稳定模态。对不稳定的Kelvin波模态,其相速受垂直切变的影响不大,而对不稳定的Rossby波模态,切变越大,西传速度越小。基本气流的垂直切变主要影响热带Rossby波。     

切变东风基流和非绝热加热对热带扰动的作用

文中用斜压模式讨论了东风水平切变基流和非绝热加热对热带扰动的影响,指出:基本气流的切变有使西传波动加速,东传波动减速的倾向;切变会造成赤道Rossby波的不稳定发展;加热激发的赤道强迫波可以是垂直传播波.      

基本流场切变对赤道长Rossby波的影响

文中应用赤道β平面近似 ,建立一个简单的斜压大气半地转模式 ,在热力学方程中引入表征基本位温场 (θ)经向分布特征的无量纲参数 σ,对线性化的扰动方程进行了频率分析 ,研究基本位温场经向非均匀分布以及基本气流垂直切变对赤道纬向超长尺度 Rossby波动的影响 ,并指出仅考虑基本气流垂直切变或者基本位温场变化的作用是不合适的。定性分析结果表明 :基本位温场经向温差必然有基本气流垂直切变与其相匹配 ,而基本气流垂直切变将导致赤道长 Rossby波动不稳定并影响其纬向传播速度     

赤道辐合带扰动的分析

一、引言赤道辐合带上大气扰动的不稳定发展与基本气流的水平切变有着十分密切的联系。早在60—70年代,就有不少学者、专家指出在一部分台风发生的过程中,是由于辐合带附近切变的不稳定造成的。由此可见,讨论赤道辐合带附近基本气流切变所导致的正压不稳定问题是有实际意义的。郭晓岚曾对     

基本气流对热带波动传播影响的数值试验

本文研究了在各种定常基本状态下大气对位于热带及中纬度地区的定常强迫源的响应。进一步证实了东风基本气流将限制热带扰动向中高纬度的传播,从而也抑制了两半球的相互作用;西风基本气流则有利于热带波动向中纬度传播,有利于中纬度扰动通过热带向另一半球传播。赤道地区基本气流随经度的变化对罗斯贝波的传播也有重大影响,波动能量将在基本气流辐合的地区累积并向中纬度发射。因此赤道西风辐合最大的地区就是热带与中纬度相互作用以及两半球相互作用最明显的地区。应用实测风场作基本气流所进行的实验表明,冬季与夏季热带波动的传播特征,两半球相互作用的状况均有明显差异。     

切变基流对赤道大气波动稳定性的作用

在赤道β平面近似条件下，使用纬向切变基流下线性化Boussinesq方程组，分析了在纬向切变基流下几种赤道大气波动的稳定性特征。研究结果表明，基本气流的水平切变对赤道大气波动起到不稳定的作用，但是对赤道大气Kelvin波的频率、稳定性以及传播的相速度并不起作用。基本气流的水平切变使得相对于基本气流向东传播的重力惯性内波相速度减慢，而使得相对于基本气流向西传播的重力惯性内波的相速度加快，却造成相对于基本气流向西传播的Rossby波相速度减慢。基本气流的水平切变对于对赤道混合Rossby-重力惯性内波的影响主要取决于纬向波数k值的范围大小。当纬向波数k值较小时，基流的水平切变使得相对于基本气流向西传播的混合Rossby-重力惯性内波相速度加快；而当纬向波数k值较大时，则使得相对于基本气流向西传播的混合Rossby-重力惯性内波相速度减慢。在半地转近似下，风速水平切变的存在，会使得波长较大（纬向波数k→0）的赤道Rossby波相对于基本气流向西传播的相速度减慢；而风速垂直切变的存在，必然会引起这种波长较大（k→0）的Rossby波出现不稳定增长，同样也会造成赤道Rossby波相对于基本气流向西传播的相速度减慢。最后通过扰动发展能量方程，说明了基本气流的水平切变和垂直切变可以为扰动的发展提供能量来源。     

热带东风气流中低压形成的非线性过程

从有水平辐合辐散的赤道β平面浅水方程出发,采用变量替换和小参数展开法,推导出了热带纬向气流作用下的非线性近似方程,给出了非线性方程孤立波解和一阶近似方程u1、v1、1的形式解.由此讨论了热带东风气流中的低压形成.结果表明:(1)在热带东风气流或热带东风弱切变气流中,可以得到低压形势结构;东风气流弱切变不影响低压纬向宽度,而对低压强度和低压中心位置有一定的影响.(2)当热带东风气流减弱时,低压中心位置偏北,低压强度增强,低压纬向宽度变大;在东风气流中,低压中心位于15～20°N之间,低压中心位置跟实际热带东风气流中低压形成位置比较一致.     

中尺度斜交不稳定的波动性质及其数值模拟

使用三维中小尺度扰动动力学方程组,讨论了一类与基本气流方向成任意夹角的纬向线状扰动的斜交不稳定问题,其主要分析结论如下:(1)在基本气流的切变为线性切变的情况下,可以发生斜交不稳定。但是发生斜交不稳定必须要求沿着线状扰动方向的基本气流存在切变或者垂直于线状扰动方向的基本气流存在切变。此时,斜交不稳定的波动性质是重力惯性内波,而不存在涡旋Rossby波。(2)对于基本气流具有非线性二阶切变的情形,此时斜交型不稳定中的扰动除了包含重力惯性内波之外,还包含了涡旋Rossby波。对于本文所讨论的纬向线状扰动来说,涡旋Rossby波产生的物理根源是基本流场的经向风速V二次切变(β*=Vzz≠0),该涡旋Rossby波相对于基本气流V0是单向传播的。在中尺度斜交不稳定中,涡旋Rossby波的产生主要是由于在与线状扰动相垂直的方向上存在基本气流的二阶切变,而与线状扰动相平行的方向上基本气流是否存在二阶切变无关。(3)对于通常讨论的纬向线状扰动的情况,在基本流场的南北风速V存在二次切变(β*=Vzz≠0)时,即与线状扰动相垂直的方向上存在基本气流的二阶切变,则斜交不稳定有可能是混合的涡旋Rossby—重力惯性内波的不稳定。最后采用WRF模式,对2006年6月的一次福建闽江暴雨过程进行了数值模拟,部分验证了上述结论。通过分析6月6日13时降水区域平均的东西方向风速U随高度变化的曲线,发现在950—100 hPa的大气中,纬向风速U随高度的变化具有二次切变,在对流层低层以及高层附近纬向风速较小,而在对流层中层400 hPa附近的纬向风速则较大。在这种情况下,平均纬向风速随高度变化的二阶导数不为零,因此激发产生沿着纬向传播的涡旋Rossby波,这对于暴雨区域中β中尺度雨团的移动起到比较重要的作用。再分析6月5日23时和6月6日13时的850 hPa以及500hPa降水区域平均纬向风随南北方向的变化,发现在6月5日23时和6月6日13时的850 hPa层次上,都显示出平均纬向风速在南北方向具有二次切变;而在这两个时次的500 hPa层次上,平均纬向风速在南北方向不具有二次切变,只具有线性切变。说明在垂直方向上,对流层低层涡旋Rossby波容易被激发产生;而在对流层中层以上,由于不具备产生涡旋Rossby波的条件,因此不容易激发产生涡旋Rossby波,波动只是具有重力惯性内波的特征。     

2008年1月末九江雨凇转大雪天气过程成因分析

对2008年1月25—29日九江市一次雨凇转大到暴雪天气过程的大气垂直结构进行了分析。结果表明,在雨凇和降雪区域中层有暖层,低层有冷层,且存在对称不稳定层结。垂直风切变明显,有利于对称不稳定能量积累和上升气流的形成。高、低空急流辐散、辐合相互垂直,引发的较强上升运动是雨雪天气得以维持的重要条件。东西风向切变使冷、暖气流在雨雪区域上空交汇,形成水平气旋性辐合,产生垂直运动,且与垂直风切变相互作用,促动上、下层动量传递,使高、低空急流维持。雨凇转大到暴雪时,暖层气温降低,垂直风切变向上增强,对称不稳定能量增大,风向切变辐合加大,上升气流和水汽输送加大。     

对流凝结加热和垂直风切变对行星波垂直传播的影响

本文从理论上分析研究了对流凝结加热和垂直风切变对大气行星波垂直传播的影响。结果表明,对流凝结加热有抑制行星波垂直传播的作用;基本气流的西风(正)垂直切变对行星波的垂直传播有利,而东风(负)切变却对行星波的垂直传播有阻碍作用。 进-步分析还发现,垂直风切变对行星波垂直传播的影响以在中高纬度地区更为显著;对流凝结加热对行星波垂直传播的影响在热带地区更值得重视。并且,垂直风切变和对流凝结加热的影响可能是使得大气中板地波导更显著的重要原因之一。      

影响2018年盛夏热带气旋群发的多尺度环流特征

以2018年盛夏一次典型的热带气旋群发(Multiple Tropical Cyclogenesis,MTC)事件为例,分析了多尺度环流(包括大尺度环流、季节内振荡及热带波动等)对MTC的影响,并探讨了MTC群发期和间歇期整层大气垂直扰动场的差异。结果表明:1)2018年盛夏西北太平洋经历了一次持续时间长达16 d有8个TC相继生成的MTC群发期和紧接着长达19 d仅1个TC生成的MTC间歇期;2)MTC群发期越赤道气流增强,季风槽加强东伸,南海和西北太平洋上空低层辐合高层辐散的环流配置有利于TC生成;3)夏季东亚-西北太平洋季节内振荡北传对MTC次季节变化具有显著的调制作用,MTC群发期(间歇期)南海和西北太平洋正好处于一次较强的季节内振荡(Intraeasonal Oscillation,ISO)北传湿(干)位相上;4)群发期内8个TC的生成皆与热带波动有关,其中5个同时受两种热带波动的影响,热带波动通过改变局地热动力状况为TC生成提供触发条件;5)多尺度环流的共同影响最终导致MTC群发期和间歇期在温压扰动场配置、垂直运动扰动和比湿扰动的垂直结构特征上表现出显著的差异,扰动分析法的应用为MTC生成的延伸期预报提供了一个新的思路。     

北半球冬季环流异常的垂直结构特征

本文对北半球100,500,700和1000hPa四层高度距平资料,应用相关分析,EOF分解和谐波分析方法,分析了北半球冬季环流异常过程中的垂直结构特征。结果表明:第一特征向量在对流层中具有明显的相当正压性结构,并且在环流异常中占有最大权重,它和半球性的天气异常有明显关系。谐波分析表明大气环流异常的正压性主要和超长波的活动有关。     

大气垂直运动方程若干问题讨论

本文对大气垂直运动方程的尺度分析和小量可否忽略重新进行了讨论，认为如同存在水平地转平衡一样，在大气垂直方向应当存在垂直地转平衡。并提出在大气垂直方向可能存在更高阶平衡：一级平衡为静力平衡，二级平衡为静力偏差和垂直柯氏力的垂直地转平衡，可能还存在第三级平衡，即垂直地转偏差和重力异常的平衡，最后，重力异常偏差的最级有可能与大气行星波垂直加速度和引潮力垂直分量已处于同一量级。     

NUMERICAL STUDY OF TROPICS-EXTRATROPICS INTERACTION

A nonlinear steady-state baroclinic primitive-equation numerical model of atmospheric forced stationarywaves is used to investigate the tropics-extratropics interactions.Newtonian cooling,Rayleigh friction andbiharmonic horizontal diffusion are included in the model.The Eliassen-Palm (EP) cross-section and three-dimensional wave activity flux,which was derived by Plumb (1985) for linear quasi-geostrophic stationarywaves on a zonal flow,are used as diagnostics for the vertical and horizontal propagation of the waves.Results of the numerical experiments and diagnostics analyses suggest that the extratropical influenceon the tropical large-scale motion is important.The mid-latitude orographic forcing,especially of the Qing-hai-Xizang Plateau,and the extratropical thermal forcing make substantial contribution to the main-tenance of the cyclonic circulation over the eastern tropical and subtropical Pacific as well as the inversecirculation over the western Pacific in the upper troposphere.In addition,the longitudinal variation ofdiabatic heating in tropics has a significant influence on the wintertime stationary waves at higher latitudes.     

热带大气运动的Rossby孤波

广东热带海洋气象研究所     

Equatorial solitary waves of tropical atmospheric motion in shear flow

Starting from the primary equations, the author derives the KdV equation which describes solitary Rossby waves in the tropical atmosphere, and indicates that, because these waves are ageostrophic, they differ from the quasigeostrophic solitary Rossby waves studied by Redekopp et al. Owing to nonlinear action, these waves are also different from traditional linear waves of the tropical atmosphere. The author believes that the stationary tropical atmospheric waves reflect the characteristics of solitary waves in that the energy does not disperse.     

全球大气温度廓线的统计特性分析

利用欧洲数值预报中心发布的第三代ERA-Interim月平均再分析资料对1979—2016年全球大气温度廓线进行统计,分别探讨了南、北半球大气温度廓线平均值和标准差随季节、纬度和海陆的时空分布特征,并与国内外常用的AFGL标准大气廓线进行了对比。研究结果表明:南、北半球各高度层温度的平均值、频数最大温度区间和最大值垂直分布均随高度先减小后增加;在大气低层,多年的温度波动较大,200 hPa处波动达到最小;不论是北半球还是南半球,大气温度平均值廓线均具有典型的纬度差异,其中低纬度季节性差异较小,中纬度次之,高纬季节性差异最大;各季节大气温度廓线的海陆差异不同,且南半球海陆差异比北半球大。大气温度标准差廓线同样存在纬度、海陆和季节分布差异。根据ECMWF再分析资料构建的温度廓线较AFGL标准大气廓线而言具有更加丰富的时空分布等细节特征,并且代表了气候变化后最新的大气温度状况。有关结果可作为现有标准大气廓线的更新和完善,为新型卫星仪器应用性能评估、辐射传输算法和大气反演方法评价和对比分析提供支持。      

FURTHER STUDIES ON EVAPORATION-WIND FEEDBACK

The results from simple dynamic studies on the evaporation-wind feedback show that the effect cannot change the nature of tropical atmospheric waves (by retarding the speed), so that the evaporation-wind feedback alone cannot be an exciting mechanism of intraseasonal oscillation in the tropical atmosphere. This is different from that of the wave-CISK mechanism. With combined effect of the cumulus convection heating and evaporation-wind feedback, the CISK-Kelvin waves and CISK-Rossby waves will develop unstably, explaining the dynamic mechanism of tropical intraseasonal oscillation in a more complete and reasonable way than the convection heating alone. Therefore, the evaporation-wind feedback is also important to the intraseasonal oscillation in the tropical atmosphere.