2000/2001年冬季北欧异常流型形成机理及其对我国北方天气的影响

从Rossby波能量的频散和瞬变斜压扰动的正压反馈角度,探讨了2000/2001年冬季盛行的斯堪的纳维亚环流型(正位相)的维持机理,并讨论了其对我国北方地区天气气候的影响。该环流型上游部分,即北大西洋和斯堪的纳维亚半岛的两个活动中心主要由瞬变斜压扰动的正压反馈所形成,部分由Rossby波能量频散所维持。而下游部分,即贝加尔湖附近的气旋式环流异常主要由Rossby波能量从上游频散所形成和维持。与该环流型对应,冷空气在西、中西伯利亚堆积,并在其南侧的西风气流区中平流,使得我国华北部分地区和东北地区比常年冷。该环流型导致新疆北部地区、内蒙古东部及东北地区降雪量显著增强。大西洋急流的东伸及对应斜压扰动的显著加强是预报北疆和内蒙古东部及东北地区多雪的一个重要前兆因子。     

亚洲季风区纬圈剖面内准40天周期振荡的环流结构及其演变

本文利用1979年FGGE LevelⅢb资料研究了30°E—150°W范围内赤道和15°N纬带两个剖面内的准40天周期振荡的环流和温度场结构,讨论了它们的变化及其与亚洲地区季风活跃和中断的关系。发现有以下结果:(1)亚洲季风槽内的上升气流不仅构成了强大的经向季风环流圈,同时在其两侧也形成了东、西向(纬偏异常)环流圈,并受到准40天周期扰动的显著影响。季风槽两侧的热力学结构显著不同。(2)15°N纬带上60°E以西的北非和沙特阿拉伯上空的下沉(上升)区域向东扩展至南海—菲律宾地区导致其东面(西面)的高(低)层东(西)风动量下(上)传,使得季风中断(活跃),引起130°E以西地区低层西风和其东面太平洋上空的高层东风发生相互作用。向东传播的正(负)温度扰动与强的上升(下沉)运动相结合使得这一地区成为准40天周期振动的能量源地。(3)在赤道剖面上,扰动风场的位相向东向上传播,准40天周期的扰动动能向扰动位能转换,西风动量向下传播,其动力学特性与开尔文波有明显的不同。      

热带对流层上空东风带扰动影响西太平洋副热带高压的个例分析

利用NCEP/NCAR1000—10hPa2.5°×2.5°日平均和每日4次再分析资料,分析了2003年6月19—25日热带对流层上空东风带扰动对西太平洋副热带高压东西向进退的影响。结果表明:热带对流层上空东风带扰动从对流层中低层伸展到50hPa高度附近,在200hPa上表现最为明显,在热力场上表现出“上暖强,下冷弱”的垂直分布特征。当西太平洋副热带高压南/北侧的东/西风带上的扰动在相向运动中抵达同一经度上时,对应于西太平洋副热带高压的异常东退。垂直涡度方程的诊断分析表明:在东风带扰动附近,涡度倾向效应贯穿于对流层整层到50hPa高度上,在200hPa高度附近表现最显著,当高层东风带扰动东/西侧的负/正变涡增强时,当东/西风带扰动在相向移动过程中,它们涡度倾向正值区在130°E南北打通时,西太平洋副热带高压出现突然东撤。涡度方程分析还表明,对于涡度倾向变化的贡献中,水平涡度平流的贡献最大、β效应的贡献最小;当东风带扰动附近的水平涡度平流和β效应增强时、且由β效应所引起的东/西风带扰动中的南、北风分量在130°E附近南北同相迭加出现“正压发展”时,有显著的正涡度增长,对应于西太平洋副热带高压的东撤。     

印度洋海温年际异常与热带夏季季节内振荡的关系及其数值模拟研究

利用观测分析资料和SINTEX-F海气耦合长时间(70年)数值模拟结果,分析了印度洋海温年际异常与热带夏季季节内振荡(BSISO)各种传播模态之间关系及其物理过程。结果表明,印度洋海温年际异常与热带BSISO关系密切,当印度洋为正(负)偶极子情况,中东印度洋北传BSISO减弱(加强);当印度洋为正(负)海盆异常(BWA)情况,印度洋西太平洋赤道地区(40°E -180°)东传BSISO加强(减弱)。印度洋海温年际变化通过大气环流背景场和BSISO结构影响热带BSISO不同传播模态强度的年际变化。在负(正)偶极子年夏季,由于对流层大气垂直东风切变加强(减弱),对流扰动北侧的正压涡度、边界层水汽辐合加强更明显(不明显),导致形成BSISO较强(弱)的经向不对称结构,因此北传BSISO偏强(减弱)。印度洋BWA模态通过影响赤道西风背景以及海气界面热力交换,导致赤道东传BSISO强度产生变化。在正BWA年夏季,赤道地区西风较明显,当季节内振荡叠加在这种西风背景下,扰动中心的东侧(西侧)风速减弱(加强)更明显,海面蒸发及蒸发潜热减弱(加强)更明显,导致扰动中心的东侧(西侧)海温升高(降低)幅度更大,从而使边界层产生辐合(辐散)更强、水汽更多(少),因此赤道东传BSISO偏强;而在负BWA年,赤道地区西风背景减弱,以上物理过程受削弱使赤道东传BSISO偏弱。     

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。     

雷州半岛海风环流的数值研究

利用1984年N1月—1985年2月和1985年5—8月的欧洲中期预报中心格点资料,计算了北半球低频(40—50)天扰动动能和正压动能的分布以及时间平均气流与低频扰动的相互作用.发现高空低频扰动动能的高值区与西风急流的纬向非对称性和经向切变关系密切。在西风急流的出口区,特别是东亚西风急流的出口区,时间平均气流向低频扰动输送动能,这些地区的低频正压性也最强.亚洲季风区低频正压动能较小。提出可以用低频正压动能与低频动能的比值作为低频扰动的“结构参数”,“结构参数”为0.5的等值线可作为区分热带地区低频振荡与中高纬地区低频振荡的特征线.     

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。     

变形场锋生条件下斜压锋区上对称波包的发展

文中用 WKBJ方法讨论了叠加在 Hoskins- Bretherton( 1 972 )变形场锋生模型背景上对称斜压波包的发展问题。在锋区斜压气流对称稳定的条件下 ( F2 N2 - M2 =q>0 ) ,大尺度变形场强迫、锋生环流的作用及锋生过程引起的稳定度参数 ( F2 ,N2 ,M2 )的个别变化也会对对称扰动的发展产生作用 ,变形场锋生和锋区环流的上升支下方有利于对称扰动发展 ,而锋区附近非地转垂直切变和稳定度参数的变化对扰动的影响则与对称扰动的结构有关。     

用线性模式分析形成相当正压性的物理因子

用两层的线性准地转模式讨论了形成大气环流异常的相当正压性的物理因子。指出大气扰动的水平尺度、β效应和热成风，即平均西风在垂直方向上的梯度，是形成相当正压性的三个最主要的因子。另外还讨论了相当正压性所造成的对流层中层的流函数和厚度场的同相关系。最后指出了线性模式的缺陷。     

南海夏季风爆发前后扰动演变及其数值研究

以球面正压涡度方程为数学模型，建立了线性和非线性的数值积分模式，通过在模式中设置不同的基本流场和初始扰动场，研究基流和初始场对扰动发展的作用，揭示在球面正压大气中扰动发展的动力学机制。数值试验结果表明:在线性模式中，扰动的移动和发展与基流的分布有着很密切的关系，基流影响着扰动纬向传播的速度和方向； 在非线性模式中，当基流稳定时，扰动的移动以及传播与线性模式的结果相同，但与线性情况的最大区别在于，此时扰动能量的增长存在上限。同时发现，扰动的发展既依赖于基本气流的分布，也依赖初始扰动的结构；南海夏季风爆发前后的基本流场是正压不稳定的，且这种不稳定在季风爆发时达到最强，这可以成为季风爆发的动力学解释。     

最敏感扰动的演变与夏季乌拉尔地区的持续性异常环流

通过数值实验对初始扰动不稳定发展建立异常环流型的过程进行了分析。选择了东亚夏季风异常的１９９１年和１９８５年两个典型年份的平均环流作为基流,以共轭敏感性分析得到的最敏感扰动作为初始扰动,分析其在不同的环流背景下的发展情况。结果说明,１９９１年欧亚地区的基流不稳定性较强,且初始扰动结构有利扰动发展,因而通过能量频散在乌拉尔地区激发扰动并强烈发展,建立起阻塞形势。而１９８５年的扰动在乌拉尔地区形成正涡度距平,不利于阻高的建立。从而导致１９９１年和１９８５年夏季乌拉尔地区几乎相反的异常环流。一系列对比实验说明,异常环流型的建立,不仅依靠能量的频散,更依靠扰动通过正压不稳定过程从基流吸收能量而发展。它既有赖于基流自身的不稳定,又取决于初始扰动的结构以及相对于基流的位置。基流选择了具有特定结构的初始扰动型,只要在有利位置上给予扰动,就能够激发出扰动波列,建立强的持续异常环流型。不论初始波列的位相在一定范围内如何改变,扰动总是倾向于在基流的特定不稳定区域发展。     

季风槽中热带气旋生成初期扰动的扰动动能收支分析

热带气旋总是发生在天气尺度扰动中,本文利用NCEP/NCAR提供的FNL资料,选取了2004年8月11日—9月10日期间季风槽中5个热带气旋生成初期扰动,通过计算动能收支分析这些初期扰动的发展。其中4个热带气旋都是生成在向西北方向传播的天气尺度波列的气旋性环流中,气旋性环流可以和呈东北—西南方向倾斜西传的MRG波的逆时针环流耦合。动能收支计算表明,初期扰动动能在热带气旋生成前12~72 h不断增加,扰动位势通量的辐合对扰动动能增长起了主要作用。在季风槽东端的合流区时,能量聚集项有重要作用,随着扰动移入季风槽内,低频纬向风切变项成为能量增加的一个重要来源。Sarika生成于季风槽西撤阶段,非线性作用项对扰动发展起了关键作用。     

相当正压Rossby波和斜压Rossby波相互转换的分析

利用由两层准地转模式简化的低谱模式，得知相当正压结构Ｒｒｏｓｓｂｙ波为平衡态，讨论了具有相当正压结构的Ｒｏｓｓｂｙ波存在所需条件；并以定常Ｒｏｓｓｂｙ波（相当正压结构）为基态，导出反映高低层Ｒｏｓｓｂｙ波位相变化的振荡方程，指出高低层位相差的变化与垂直切交流的扰动、平均层上流函数和热成风流函数波动部分振幅扰动（Ａ’和Ｂ’）的关系，说明相当正压结构和斜医结构的Ｒｏｓｓｂｙ波是相互转换的。     

两层正压涡旋稳定性问题分析

本文从柱坐标中线性化的两层均质流体的正压原始方程组出发，从广义能量的角度，研究了该模型中涡旋波的稳定性问题，发现此时不仅可存在广义正压不稳定和超高速不稳定，当上下层扰动厚度场反相时还有新的不稳定类型发生。     

东风扰动的动力不稳定度

本文用二层模式根据中低纬流场特点和科利奥里参数随纬度改变的性质得出东风扰动的波长较短,约2400公里。     

“0812”关中盛夏突发性暴雨中尺度特征分析

基于WRF模式多普勒雷达同化预报、1 °×1 °的NCEP再分析资料、云图TBB和本地加密观测资料,对2014年8月12日关中地区突发性暴雨过程（“0812”暴雨）进行诊断分析。结果表明:同化C波段雷达资料能有效提升WRF对此次突发性暴雨的预报能力。受中高层北部冷空气侵入和低层冷式切变南压的影响,在“0812”暴雨期间,关中的北部和东部的地面切变辐合线附近先后出现了南北向和东西向的中β尺度重力波,波动持续约4 h、波长约60 km。当北部波动向南传播发展与东部波动合并之后,重力波快速消散,强降水结束。暴雨发生前,波动区的垂直上升速度、雨水含量中心强度和发展高度均迅速达到最大,陕北地区对流层中上部的正湿位涡显著向南下滑至关中上空,出现了有利于中尺度波动发展的湿位涡波列结构,暴雨中心近地层的正湿位涡和垂直梯度异常增大。200 hPa高空急流区南侧、关中西部垂直风切变显著增大及其东移南压为中尺度波动快速发展、传播提供了能量。500 hPa内蒙古中部天气尺度横槽发展东移、引导中低层偏北路冷空气南压,是突发性暴雨的直接影响系统。850 hPa的比湿突增为暴雨提供了热力、水汽条件。近地层显著东南风、不稳定扰动增大和地面切变线是暴雨的有利动力、触发条件;在地面切变线西端附近,3 h变压场出现显著中尺度波动特征。“0812”暴雨与典型盛夏暴雨差异明显:西太平洋副热带高压远离大陆、东南沿海无台风活动,关中低层出现西北路水汽输送,强降雨区周边700 hPa以上深厚位势稳定层结、近地层不稳定层结垂直叠置有利于重力波动发展传播,中尺度对流云团高度低,雷达强降水回波主要位于低层西北风和东北风之间的冷式切变区。      

正压大气中长波的演变

本文研究正压大气中非均匀气流(特别是非平直基流)上扰动的演变过程,对[1]进行了推广,对迭加于超长波基流之上的长波扰动和迭加于超长波或长波基流之上的中、短波的扰动的演变特性进行了统一的处理。结果表明:当小槽、小脊的波长变长时,其振幅(能量)增大,扰动发展;波长变短时,振幅变小,扰动衰减。当小扰动已经发展成长波的时候,或者当我们一般地研究长波的演变过程的时候,则上述规律更为明显,即长波发展时,波长变长更为明显;长波衰减时,波长变短也更为明显。利用这些结果,可以解释大气中槽、脊发展时总是伴随着扰动加宽,而槽、脊收缩时,波长很快减小。其次,扰动发展与否完全由扰动的结构所决定,其中主要是由扰动轴线的方向及其与基流的相对位置所决定。北半球发展型扰动的轴线是:在急流以北呈东北—西南向,急流南呈西北—东南向;而衰减型的轴线是:急流北呈西北—东南向,急流南呈东北—西南向。这些结论和角动量传送理论结果以及天气实际都是符合的。     

两层正压流体涡旋中螺旋波的不稳定

利用线性化的两层正压原始方程模型，对有水平和垂直切变基流的圆形涡旋中螺旋波的不稳定作了研究。结果表明，当基流失稳时，涡旋中不稳定扰动的厚度场、速度场在上、下两层都具有明显的螺旋结构，下层的螺旋结构要较上层复杂。基流垂直切变越大则越易失稳。失稳时上、下层扰动的配置接近反位相，故该螺旋波结构相应于斜压模。此时螺旋波上的扰动中心在切向是逆基流传播的，在径向则基本没有传播，而螺旋臂的整体运动缓慢。失稳的螺旋波其散度场要较涡度场明显，物理量的配置也大体符合重力惯性波的情况，故可认为其是重力惯性波的不稳定所致。本模型中该螺旋波的形态与实际热带气旋中的螺旋云(雨)带很相象。     

东亚寒潮活动对下游爆发性气旋生成的影响

本文研究了东亚寒潮过程与下游爆发性气旋之间的关系。通过对一个强寒潮过程及随后在西北太平洋上爆发性气旋生成的个例分析发现,寒潮过程相伴随的大环流调整给下游气旋猛烈发展提供了极好的背景条件。当超长波槽与长波槽耦合加深时,槽前气旋迅速发展。大槽的加深使高空急流不断加速,大风区向低层扩展。出口区的次级环流也随着急流的加强而加强,它促使北侧低层气旋发展。对93次爆发性气旋作统计分析进一步证实了上述结论。绝大多数过程皆伴有上游的强冷高压活动。高压中心越强相应的爆发气旋也越强,甚至可以发生连续的爆发。绝大多数爆发性气旋发生在超长波槽前,强高空急流出口区的向极侧。     

线性和非线性横波型不稳定的数值研究

本文应用一个准二维的非线性非静力数值模式研究了线性和非线性横波型不稳定的中尺度模态的发展、演变和结构特征。结果表明：Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ数对横波型不稳定的发展和演变有影响。Ｒｉ数越小,不稳定增长越快,且增长率最大的波的波长就越短。非线性横波型不稳定在其发展初期,可以用线性理论作很好的近似;随着不稳定的进一步发展,扰动增强,非线性作用增强,其扰动结构与线性情况相比发生了很大变化,扰动结构最后演变成以顺时针环流为主的结构。