大气环流研究存在的若干问题

1973年斯塔尔(V.P.Starr)在《Tellus》第25卷第1期上发表了《对大气环流研究进展的若干评述》一文。对地球大气环流研究的发展作了概述,叙述了有关这方面的想法和研究,并强调了观测研究的必要性。最后对未来气象理论和观测研究提出了若干问题,现摘译如下,供参考。     

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2016年2月是我国现代大气科学奠基人之一、国际著名气象学家——叶笃正先生的百年诞辰.为纪念叶笃正先生对我国和国际大气科学和全球气候变化研究发展的重大贡献,我们特此出版《叶笃正先生百年诞辰纪念专刊》. 叶笃正先生的一生是为现代大气科学和全球气候变化研究努力奋斗的一生.他在国际上首先创立了大气长波的频散理论和东亚大气环流理论,不仅为大气动力学理论的发展做出了卓越贡献,而且为天气预报和短期气候预测奠定了理论基础;他提出大气运动适应过程的尺度理论,推动了大气中大尺度环流动力学的深入研究,开辟了中、小尺度环流系统动力学研究的新途径;他在国际上率先提出了青藏高原对亚洲季风(特别是东亚季风)产生和变异的热力和动力作用,从而奠定了青藏高原气象学基础,开辟了青藏高原气象研究之路.     

序言

正2016年2月是我国现代大气科学奠基人之一、国际著名气象学家——叶笃正先生的百年诞辰。为纪念叶笃正先生对我国和国际大气科学和全球气候变化研究发展的重大贡献,我们特此出版《叶笃正先生百年诞辰纪念专刊》。叶笃正先生的一生是为现代大气科学和全球气候变化研究努力奋斗的一生。他在国际上首先创立了大气长波的频散理论和东亚大气环流理论,不仅为大气动力学理论的发展做出了卓越贡献,而且为天气预报和短期气候预测奠定了理论基础;他提出大气运动适应过     

长波、超长波特征与暴雨的关系

通过对暴雨出现候前第2—3候500hPa候平均图上的大气环流长波、超长波特点,进行人工归类分析,归纳出5种较大样本暴雨征兆型环流形势,并具体论述了各种环流的形势特点及其与暴雨间的对应规律。     

长波不稳定发展的传播与大气环流的季节变化的关系

本文指出,大气环流的明显的季节变化(如入梅、出梅和冬季环流的建立等),是通过一次长波斜压不稳定发展向下游传播的中期过程来具体实现的。     

浙江区域性暴雨过程的能谱特征及其中期预报

一次区域性暴雨过程从酝酿到发生,其环流背景发生调整转换,整个过程以超长波与长波在中、低纬一致西退、及超长波衰减、长波增值为特征。与此同时,表征大气能量变化与相互转换的能谱也有一次相应的调整变化过程。本文试从浙江区域性暴雨中期过程中的经向与纬向扰动动能以及扰动动能与平均动能转换率的变化特征,分析其与暴雨的关系,并获得暴雨过程中期预报的依据。     

浙江区域性暴雨过程的纬圈谱特征及其中期预报

暴雨的成因相当复杂。一次区域性暴雨从酝酿到发生的整个过程,实质上是大气低层水汽输送,幅合上升导致对流不稳定能量释放的过程。低层大气运动与一定的大气环流背景相关联,因此,大气环流的调整转换往往是暴雨发生的先兆。这些先兆可以成为暴雨中期预报的着眼点。本文试用谐谱天气分析的方法,从大气环流的谐波参数谱变化分析大气超长波及长波演变与浙江暴雨过程的关系,并进一步寻求暴雨过程中期预报的依据。     

秉承笃正精神,开创气象先河——纪念叶笃正先生百年诞辰

《大气科学》于1976年创刊,自创刊以来,得到叶笃正先生的大力支持。创刊之初,叶先生在第一卷就发表了两篇论文,而且一直到2009年还以90多岁的高龄发表论文,论文涉及大气环流理论、青藏高原、全球变化等众多领域,为《大气科学》发展做出了巨大的贡献。值此叶先生100周年诞辰之际,本刊特邀请中国科学院学部工作局生命地学办公室龚剑明、薛淮老师撰写纪念文章,以此缅怀叶先生。     

长波物理机制经典论断新探

本文通过对经典罗斯贝长波理论,斜压大气环流实验室模拟研究成果的重新归纳与分析,以及相应于上述理论和实验系统的简化数学物理模型的分析与比较,揭示出在大尺度旋转斜压自由流体系统中,β效应的存在与否,虽然可以修正波动的性质,但不影响波解结构与波动振幅演变方程的同构性质;发现β效应也不足以解释冬3夏4天气事实,而且也不足以描写冬夏波型转换机理;同时还发现在均匀旋转斜压流体系统中,存在一个可以解释冬夏波型现象的斜压非线性波长波型确定与转换机制. 本工作建议,关于大气长波本质上就是罗斯贝波,形成大气长波的物理机制是β效应的经典论断,有必要重新考察.本文认为,形成大气长波的物理机制是与地球大气南北温差相关联的斜压非线性效应.     

大气超长波的垂直传播

一、引言大气运动从时间上来说是多频的,从空间上来说是多尺度的。人们从天气分析的实践中,已经发现超长波是一种不同于大气长波的波动,它的活动与中长期的大气环流有着密切的关系。对于大气超长波的动力学性质,许多气象工作者有过研究,并取得了显著的进展。但他们大都限于采用“分层模式”来研究的,其优点是能反映出大气基本气流的斜压性对超长波动力学性质的影响,但对大气超长波本身的垂直结构却未能很好地反映出来。本文则采用无热源和无地形的线性 Burger 模式,先给出大气超长波的垂直结构方程,然后讨论超长波的垂直传播条件。     

春夏季节过渡期间北半球500百帕能量变化的波谱分析和研究

本文利用1972-1982年5月初-7月底春夏季节过渡期间北半球500百帕高度资料计算有关能量谱、角动量输送谱和扰动动能向平均动能转换率谱,分析了大气环流由春到夏季节过渡期间能量谱变化特征及过渡前后特征差异,并揭示了它们与初夏中期主要天气过程-梅雨天气过程的关系。结果表明由春到夏季节过渡前后,对流层中层扰动动能谱和大气波能密度均有显著变化,大气波能密度值有个急剧减弱过程,经向扰动动能集中的波数由超长波向长波转移,55、45、35°N角动量输送平均辐散也有明显转折,这些是春夏二种不同流型在能量学上的基本差异点。对流层中层扰动动能向平均动能转换率谱在季节过渡前后也有显著不同:过渡前高纬强于中纬;而过渡后中纬转换明显增强,并大大超过高纬。大气环流由春到夏的季节过渡,一般由一次或二次长波急剧发展来完成。在大型环流转变上对应为一次副热带高压明显北跳加强及西风带迅速北撒减弱,在天气表现形式上江淮流域对应为梅雨这种大型天气过程的出现。      

海洋环流也参与调节气候变化

<正>大多数对气候变化的关注集中在释放到大气中的温室气体含量,而美国罗格斯大学的研究人员发现,海洋环流对调节地球气候起着同样重要的作用。该研究发表在最新一期《科学》杂志上。研究人员认为,在270万年前,地球北半球的冷却和大陆冰川的积聚与海洋环流的变化一致,大西洋深处的二氧化碳和热量被从北到南输送到太平洋中释放。研究人员认为,海洋输送系统变化的同时,北半球冰川体积扩张,以及海平面大幅下降。     

中国华南春季季风及其与大尺度环流特征的关系

定义了中国华南春季季风，并用NCEP／NCAR再分析资料研究了春季风的气候特征以及春季风降水和大尺度环流在年际变化上的关系。结果表明，从降水和大气环流的变化来看，华南春季风在气候上发生于4月和5月；与华南春季风相联系的大气环流特征与夏季风和冬季风所对应的大气环流特征完全不同。华南春季风降水的年际变化主要与太平洋北部的异常环流相关联，而这种异常环流又与亚洲北部的西风急流和极地涡旋有联系；华南春季风降水的年际变化还与太平洋的海表温度异常有关；而亚洲热带大气环流的年际变化与华南春季风降水的变化关系不大。     

瞬时经圈环流与西风带环流变化的关系

用一九七六年冬半年八个个例,对纬圈平均非热成风,瞬时经圈环流和西风带环流变化的关系进行了个例分析和统计分析。指出。当纬圈平均非热成风产生率为较大的负值时,出现逆瞬时经圈环流,并有利于长波的阻尼和纬向环流的维持或加强;反之,当为正值时,出现正瞬时经圈环流,并有利于长波的发展和纬向环流的减弱或崩溃。对于上述关系,本文还从物理上进行了初步的讨论。     

关于《大气环流的若干基本问题》

本文简要回顾了《大气环流的若干基本问题》的主要内容.以书中部分内容为例,通过和近期大气环流理论的进展相联系,指出叶笃正和朱抱真在书中表达的主要观点,如对大型涡旋在经圈环流中的第一性作用及其作为联系大气环流各主要成员和物理量输送中心环节的认识,对大型涡旋涡度输送在急流形成和维持中作用的强调,以及对大气环流成员和过程的内在统一性的认识等等,能为后来的理论进展所证实,或者和后来的理论互为补充.两位作者对大气环流物理本质和整体图像的深刻理解对大气环流理论的进一步发展以及理解气候变化的基本动力学依然具有现实的意义.     

斜压不稳定理论的发展历程分析

斜压不稳定理论是中高纬度地区天气尺度扰动生成和发展的机制,是继长波理论之后大气动力学上的又一重大进展,对现代天气预报具有重要的指导意义。按照斜压不稳定理论发展的时间脉络,阐述了赵九章、查尼和伊迪在斜压不稳定方面开展的研究工作,分析了3位科学家各自的研究特点及历史贡献。赵九章1946年发表在《Journal of Meteorology》上的论文,最早提出了"斜压不稳定"这一概念,给出了不稳定的临界波长,并阐述了在不稳定扰动情况下能量的转换,以及不稳定波对大气环流带来的可能影响,尽管得出的不稳定临界波长与观测差别较大,但其对波-流相互作用的讨论在当时是超前的。查尼于1947年采用滤波和尺度分析等方法,将大气扰动方程简化为一个可以求解的系统,推导出大气稳定状态的判据,建立了斜压不稳定理论,其结果与实况比较接近;并据此把准地转模式成功应用于数值天气预报实践中,促使数值天气预报获得首次成功。1949年,伊迪在查尼研究工作的基础上通过合理的简化方法,得到了更为简洁的模型。最后,通过对比他们的研究思路,重点分析了赵九章未能使得斜压不稳定理论提前一年建立的原因:由于其研究思路始终局限在大气水平运动上,忽略了斜压系统发展中散度项的贡献,因而未能抓住天气系统发生、发展的本质,致使其最终与斜压不稳定理论的成功建立失之交臂,其论文本身存在的一些亮点也因此被后人忽视。      

长波曲线演变图在中期降水预报中的应用

春末夏初,当乌拉尔山、贝加尔湖、鄂霍次克海、青藏高原等地区的环流形势,演变成为某种特定的类型时,常常导致我国大部分地区出现一次较大的降水过程。因此,寻找表征上述地区环流形势演变的工具,对中期降水预报是有帮助的。章淹用波谱分析方法计算出的超长波和长波合成波形势图,比通常的天气图简明清晰,大型环流相当光滑。相对于气旋、反气旋等短波系统来说,槽脊的波长与振幅比较大,而位置、强度的逐日变化比较小,环流形势的演变相对稳定。毕慕莹将500毫巴上实际大气的波动分解为超长波及长波,用超长波、长波的时间分布图,更形象、直观     

青藏高原在影响行星环流反馈机制中的作用

一些时间以来,人们认为,青藏高原对于产生行星长波具有很大的作用,这种长波与洛矶山脉形成的类似波动发生谐振,一起形成了在高空月平均气压形势图上观测到的熟悉的准静止罗斯贝波型。这种波动在旋转圆筒流体实验中也能产生。作为第一近似位势涡度守恒原理可说明这些大山脉在形成行星波中的作用。 在青藏高原地区,对流型的季节强迫作用是很强的。许多作者指出,在春季融雪之后,高原加热地表的作用特别显著,可启动副热带高压带向北移动和夏季风发展。这些环流以后在很大程度上是靠潜热释放来维持的。 最近研究提出青藏高原也可能被包含在以一种重要方式控制大气环流年际变化的反馈机制中。陈烈庭的看法值得注意,他认为高原上雪盖可能为地—气系统提供一种“存储器”,以此使中国上空的夏季环流在多雪盖冬季后的情况不同于少雪盖冬季后的情况。从中华人民共和国进行的工作看来,这些环流的差异对南亚和东亚大多数地区的季风天气型带来显著的影响。 我们自己的研究提出,这种在青藏高原上观测到的冬季和来年夏季环流之间的“存储器”,可能是包括南半球环流特征和海气关系等在内的复杂反馈机制系统中的一部分。从少台风年和多台风年对比研究表明,它们分别与少雪年和多雪年后的夏季在青藏高原上空的环流变化相似。这些变化似乎影响到太平洋、印度洋甚至非洲的广大区域。有迹象表明,调整沃克环流强部的“南方涛动”与用来说明某些观测到的环流变化的“遥相关”有关系。从这个结论可以推测,由赤道也可能由湿带的海湿异常所表示的海气相互作用以及西藏高原的热力作用都与青藏高原上观测到的雪盖年际变化、台风频率以及其它环流特征有关系。 近年来论述甚多的有关青藏高原对亚洲上空大气环流年际变化的影响,仅仅是秘鲁海岸的爱厄尼诺问题和萨赫勒地区干旱等大气反馈机制中的一种重要表现。如果我们能深入理解上述各种现象的机制,将会使我们对某些地区的国民经济有显著影响的天气现象作出较为成功的长期预报。     

夏季东亚大气环流的研究

夏季东亚大气环流的研究，一直是我国气象科学研究的重要课题之一。本文对东亚大气环流季节性转换、东亚大气环流的主要活动中心和青藏高原对东亚大气环流的作用等的研究进展，从观测事实、理论与模拟及其应用等方面进行了简单的评述。最后对今后夏季东亚大气环流研究的发展，提出了某些建议。     

应用球谐函数展开预报天气周期转换

由于天气周期的转换是大尺度,大范围大气环流演变和调整的组成部分和结果,所以本文应用球谐函数展开方法,研究了北半球500毫巴超长波振幅的时变特征和超长波的调整过程。结果发现天气周期的转换与0～4波的合成波槽脊的前期变化有着密切的关系,可以作为天气周期转换预报的信息。