赤道印度洋—太平洋地区海气系统的齿轮式耦合和ENSO事件 I.资料分析

利用历史观测数据,研究了印度洋海表温度（ＳＳＴ）的季节变化特征,证实赤道印度洋和东太平洋ＳＳＴ年际变化有显著的正相关,指出这种正相关是由于沿赤道印度洋上空纬向季风环流和太平洋上空Ｗａｌｋｅｒ环流之间显著的耦合造成的。这两个异常的纬向环流圈之间的耦合形式看起来很象是存在于赤道印度洋和太平洋上空的一对齿轮（简写为ＧＩＰ）,当一个作顺时向变化时,另一个则作反时向变化。文中还证明ＥＮＳＯ事件与ＧＩＰ的年际异常存在很好的对应关系,暖事件时ＧＩＰ为反向运转;冷事件时ＧＩＰ为正向运转;异常的ＧＩＰ的啮合点位于印尼群岛附近。对８０年代以来的ＥＮＳＯ事件的分析表明,每次事件前期异常的ＧＩＰ的啮合点首先出现在印度洋上空,然后逐渐传入太平洋,引起ＧＩＰ东侧的大气纬向风ｕ和ＳＳＴ同时发生异常变化。当这种风场和ＳＳＴ的异常变化发展东传到达赤道中东太平洋时,导致ＥＮＳＯ事件最终出现。本文由此指出印度洋上空纬向环流的异常可以通过印度洋和太平洋上空大气系统的齿轮式耦合去影响赤道中东太平洋的海－气相互作用并触发ＥＮＳＯ事件发生。     

2003年夏季淮河流域梅雨期西太平洋副高结构和活动特征及动力机制分析

通过资料分析和诊断, 揭示了在2003年6～7月淮河流域暴雨期间, 西太平洋副高相对偏北并且呈现南北变化相对稳定、东西变化明显的特征; 强劲而稳定少动的中纬度西风急流使得西太平洋副高难以北抬, 从而造成了淮河流域降雨带的稳定少动. 同时, 分析表明每一次雨锋的出现伴有高层南亚高压的东伸, 并诱发500 hPa西太平洋副高西伸至我国沿海, 导致淮河流域多雨, 江南干旱高温.分析还发现高、低空副热带高压影响天气系统发展的如下机制: (1) 沿30°N东伸的高层南亚高压脊在东部30°N以北地区引起辐散和上升, 在30°N以南地区引起辐合和下沉; (2) 江南高层的辐合下沉气流在中低空的辐散增强了局地的负涡度, 诱发西太平洋副高西伸; (3) 沿增强了的西太平洋副高西北侧的偏西南气流在30°N以北辐合, 增强了局地的上升运动, 为暴雨的产生创造了大尺度的背景流场; (4) 副高西北侧的暴雨加强了低空的南风和高层的北风, 从而使高层东伸的南亚高压和低层西伸的西太平洋副高在我国东部稳定维持.     

冬季青藏高原大气热状况分析Ⅱ：年际变化

通过诊断3套再分析资料的非绝热加热场,研究冬季青藏高原上空大气的热力特征.结果表明,与夏季为强热源的特征不同,冬季高原上空不是欧亚大陆上最强的冷源中心.冬季高原上空整体是偏弱的冷源,在高原西侧及东南地区上空甚至出现非绝热加热正值区,这一分析对以往研究提出的高原是冷源的特性给出了修正.各种非绝热加热分量的诊断表明,冬季高原上空这种总的非绝热加热分布主要是由于高原主体的长波辐射冷却较周边地区弱,以及西侧至东南地区凝结潜热释放造成的.为了说明再分析的非绝热加热资料对冬季高原上空大气的这种热力特征描述的可信性,文中还利用了地表辐射能量、TRMM及PREC/L降水、垂直速度等资料进一步辅助分析,证实了由于高原位势较高造成大气整层温度偏低,向外长波辐射偏少,以及高原地势的隆起造成局地较强的上升运动,高原西侧至东南角降水大值区潜热偏大,最终造成高原上空总非绝热加热负值偏小.最后理想高原隆起的水球试验结果说明,冬季,高原的存在减弱了陆地上空的冷却效应,因而其上为弱冷源,再次证实了资料分析的结果.     

东亚季风指数及其与大尺度热力环流年际变化关系

将东西向海平面气压差与低纬度高、低层纬向风切变相结合 ,定义了东亚季风指数 ,该季风指数较好地反映了东亚冬、夏季风变化。其中 ,夏季风指数年际异常对西太平洋副热带高压南北位置变化和长江中下游旱涝具有较强的反映能力。分析表明 :东亚夏季风年际变化与印度洋 -西太平洋上空反 Walker环流及夏季越赤道南北半球间的季风环流呈显著正相关关系。在强、弱异常东亚夏季风年份 ,异常的 Walker环流在西太平洋上的辐合 (辐散 )中心在垂直方向不重合 ,高层 ( 2 0 0 h Pa)速度势与东亚夏季风显著相关区域位于西北太平洋上 ,该异常环流的高层的辐合 (辐散 )通过改变低层空气质量而影响夏季 50 0 h Pa西北太平洋副热带高压。采用 SVD分析进一步发现 :与海温耦合的异常 Walker环流在西太平洋上空的上升支表现出南北半球关于赤道非对称结构 ,亚澳季风区受该异常 Walker环流控制。因而 ,东亚季风与热带海气相互作用可直接通过这种纬向非对称的 Walker环流发生联系。     

非绝热条件下的波流相互作用与大气能量循环

在传统的波与流相互作用理论的基础上, 推导了准地转框架下包含非绝热效应的E-P通量, 证明了由Eliassen和Palm导得的波动能量关系与由Lorenz导得的大气能量循环关系的一致性. 大尺度定常波的波动能量传播过程实质上是大气能量循环过程的一部分, 大气中的平均流能量向波动能量的转换就是局地波能通量散度的全球质量积分, 也即是局地波动能源的全球积分.利用NCEP/NCAR资料对北半球各纬带不同季节大气波动能源和E-P通量的诊断分析表明传统的绝热条件下的E-P通量仅能表征冬季的波能输送情况, 其他季节必须要考虑非绝热加热的影响.     

冷暖事件对大气能量循环和纬向平均环流影响的模拟研究

利用中国科学院大气物理研究所大气科学与地球流体力学数值模拟国家重点实验室新发展的GOALS 5全球海 陆 气耦合模式研究了暖事件 (ElNi no)和冷事件 (LaNina)对大气能量循环和纬向平均环流的影响 ,并用观测资料进行了对比分析。结果表明 :对于纬向平均资料来说 ,冷、暖事件在热带和副热带地区的大气环流相关量的反相变化特征非常清晰 ,中高纬度地区并不明显。此外 ,还发现 ,暖事件时定常涡动的经向热通量的变化是北半球对流层热带外地区温度异常的主要原因 ,而瞬变波的影响则起抵消作用。冷事件时定常波和瞬变波相互抵消的局地特征也依然存在 ,但瞬变波的影响有所增强。     

大气平衡态的动力特征——Ⅰ:多平衡态的共面和非共面性质

本文设计了一个有地形、强迫源和摩擦耗散的球面正压低阶模型来研究大气平衡态的动力特征。在相空间中,存在各平衡态共存的非线性作用曲面、角动量平面和强迫耗散球面。多平衡态的共面特征反映着大气运动的全局行为。指出大气运动的非线性特征只为多平衡态的存在提供可能性,但不提供必然性。动能和位涡拟能的分析表明,不同平衡态处在不同的能级,具有不同的拟能态,在相空间上位于不同的能量球面上。了解各态间的动力差异有助于理解大气运动向定常态收敛和产生振荡的物理原因。这将在第Ⅱ部份深入讨论。     

Earth System Model FGOALS-s2: Coupling a dynamic global vegetation and terrestrial carbon model with the physical climate system model

Earth System Models （ESMs） are fundamental tools for understanding climate-carbon feedback. An ESM version of the Flexible Global Ocean-Atmosphere-Land System model （FGOALS） was recently developed within the IPCC AR5 Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 （CMIP5） modeling framework, and we describe the development of this model through the coupling of a dynamic global vegetation and terrestrial carbon model with FGOALS-s2. The performance of the coupled model is evaluated as follows. The simulated global total terrestrial gross primary production （GPP） is 124.4 PgC yr-I and net pri- mary production （NPP） is 50.9 PgC yr-1. The entire terrestrial carbon pools contain about 2009.9 PgC, comprising 628.2 PgC and 1381.6 PgC in vegetation and soil pools, respectively. Spatially, in the tropics, the seasonal cycle of NPP and net ecosystem production （NEP） exhibits a dipole mode across the equator due to migration of the monsoon rainbelt, while the seasonal cycle is not so significant in Leaf Area Index （LAI）. In the subtropics, especially in the East Asian monsoon region, the seasonal cycle is obvious due to changes in temperature and precipitation from boreal winter to summer. Vegetation productivity in the northern mid-high latitudes is too low, possibly due to low soil moisture there. On the interannual timescale, the terrestrial ecosystem shows a strong response to ENSO. The model- simulated Nifio3.4 index and total terrestrial NEP are both characterized by a broad spectral peak in the range of 2-7 years. Further analysis indicates their correlation coefficient reaches -0.7 when NEP lags the Nifio3.4 index for about 1-2 months.     

青藏高原地表位涡密度强迫对2008年1月中国南方降水过程的影响Ⅰ:资料分析

位涡外部源汇是驱动大气环流的原动力。文中详细介绍了地表位涡制造和位涡密度强迫的联系,讨论了不同坐标系中位涡密度方程的特点及其在应用中应当注意的问题。还以2008年初南方低温雨雪冰冻灾害为例,探讨了青藏高原地表位涡密度强迫及东传对下游地区对流性天气发生的影响,拟由此揭示青藏高原位涡密度强迫激发中国东部激烈天气发生的一种新机制。伴随着青藏高原地表正位涡密度的东传,下游地区对流层中高层出现纬向正绝对涡度平流,气旋性环流增强,从而促使低空南风发展,为南方地区提供充沛的水汽条件。另外,南风的增强有利于低空经向负绝对涡度平流的加强,从而使南方地区高、低空形成绝对涡度平流随高度增大的大尺度环流背景,有利于上升运动的发展。上升运动的加强又促进低空南风气流的增强,使高、低空绝对涡度平流随高度增大的环流背景进一步增强,最终导致降水的产生。      

1982-1983年冬季厄尔尼诺期间大气环流异常的诊断分析

本文利用ECMWF的逐日资料,对比分析了1982年12月和1980年12月的平均大气环流情况,结论是:1982—1983年El Nino事件对全球大气环流有重大影响。(1)El Nino事件不仅使Hadley环流得到加强,而且使所有经圈环流都有所加强;(2)El Nino事件使两个半球(特别是北半球)的中纬度西风加强,使对流层低层及中纬度200hPa附近的温度升高,中纬度的对流层低层有弱的降温;(3)El Nino事件使大气湿度明显增加,但在北半球副热带地区除近地面层外湿度都明显减小。 同大气环流基本状态的异常相应,El Nino事件也导致了大气中动量、热量和水汽输送的明显异常。这些物理量输送的异常不仅同平均环流的异常有关,而且扰动(特别是行星尺度的扰动)对此也有着重要贡献。