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。     

2018年夏季辽宁异常高温干旱的环流特征及成因

利用NCEP/NCAR逐日再分析资料和辽宁省53站逐日降水量及日平均气温资料,采用诊断分析方法,研究了2018年夏季辽宁异常高温干旱的环流特征及成因。结果表明：2018年夏季辽宁发生了1962年以来最严重的高温干旱事件。辽宁地区上空受相当正压结构的异常反气旋性环流控制,是异常高温干旱发生的局地环流成因;异常反气旋性环流南侧存在一个异常气旋性环流,阻挡了孟加拉湾和南海地区西南暖湿气流向辽宁地区输送,不利于辽宁地区产生降水。南亚高压和西太副高相向运动并在辽宁地区上空重叠,是异常高温干旱发生的大尺度环流成因。EAP/PJ型和EU型遥相关是西太副高异常发展的直接原因。准定常Rossby波能量频散是导致EAP/PJ型和EU型遥相关形成与维持的根本原因之一。源自北大西洋地区的Rossby波能量,沿西风急流波导区向下游频散,使得包括辽宁在内的我国北方广大地区位势高度异常增强;同时我国东北至朝鲜半岛和日本一带存在Rossby波能量的准经向频散,同样有利于EAP/PJ型遥相关的维持与发展,使得辽宁及其附近地区上空受位势高度正距平控制。     

2010年华南前汛期持续性降水异常与准双周振荡

利用中国台站逐日降水资料以及NCEP-DOE逐日再分析资料,分析了2010年华南汛期降水异常的低频特征及大气环流的影响。结果表明,2010年华南汛期降水异常呈显著的低频振荡特征,其中前汛期以10~20天振荡（准双周振荡）为主,后汛期以20~50天振荡（季节内振荡）为主。重点讨论了准双周尺度上前汛期持续性降水异常与中高纬和热带地区大气低频振荡的关系。中高纬地区的低频环流可通过Rossby波能量沿着低频遥相关波列的频散影响华南低频环流的变化。波活动通量分析显示,西西伯利亚作为Rossby波源,其波能量沿着横跨欧亚大陆的低频遥相关波列向我国东部地区频散,引起该地扰动加强,从而引起华南低频环流及垂直运动的变化进而造成华南降水的异常。热带东印度洋的准双周振荡是影响华南前汛期降水的另一低频来源。当赤道东印度洋对流旺盛（抑制）,其上空为强上升（下沉）气流,低层辐合（辐散）高层辐散（辐合）,而华南上空盛行下沉（上升）运动,不利于（有利于）华南降水。来自中高纬和低纬的低频信号的叠加并配合低频水汽输送共同影响了华南环流异常的低频变化,从而引起华南的低频降水异常,有利于华南持续性降水异常的发生。      

2010年华南前汛期持续性降水异常与准双周振荡

利用中国台站逐日降水资料以及NCEP-DOE逐日再分析资料,分析了2010年华南汛期降水异常的低频特征及大气环流的影响。结果表明,2010年华南汛期降水异常呈显著的低频振荡特征,其中前汛期以10~20天振荡(准双周振荡)为主,后汛期以20~50天振荡(季节内振荡)为主。重点讨论了准双周尺度上前汛期持续性降水异常与中高纬和热带地区大气低频振荡的关系。中高纬地区的低频环流可通过Rossby波能量沿着低频遥相关波列的频散影响华南低频环流的变化。波活动通量分析显示,西西伯利亚作为Rossby波源,其波能量沿着横跨欧亚大陆的低频遥相关波列向我国东部地区频散,引起该地扰动加强,从而引起华南低频环流及垂直运动的变化进而造成华南降水的异常。热带东印度洋的准双周振荡是影响华南前汛期降水的另一低频来源。当赤道东印度洋对流旺盛(抑制),其上空为强上升(下沉)气流,低层辐合(辐散)高层辐散(辐合),而华南上空盛行下沉(上升)运动,不利于(有利于)华南降水。来自中高纬和低纬的低频信号的叠加并配合低频水汽输送共同影响了华南环流异常的低频变化,从而引起华南的低频降水异常,有利于华南持续性降水异常的发生。     

夏季欧亚中高纬环流持续异常事件的Rossby波传播特征

利用西风波导结构以及波作用通量, 探讨了夏季欧亚一类中高纬持续异常环流所对应的Rossby波的能量频散特征。中高纬度对流层上层存在结构较为复杂的弱波导, Rossby波能量频散过程基本上与该弱波导结构一致。Rossby波传播特征在不同时期以及两种环流型 （E型和C型) 之间存在显著差异: (1) 在梅雨前期, 与E型环流对应, Rossby波从南欧气旋式异常环流中心传播到乌拉尔山正高度异常中心, 并且波作用通量在乌拉尔山西侧辐合, 形成该地区正高度异常环流。乌拉尔山持续异常中心东侧重新激发出Rossby波, 并传播至贝加尔湖和鄂霍次克海地区, 维持对应的异常环流。与C型异常环流对应, Rossby波活动非常活跃。该型三个活动中心呈现高纬－中纬－高纬的分布特征, 这与波导结构密切相关。 (2) 在梅雨期, Rossby波的传播对两类持续异常环流的作用更加明显, 其传播路径基本上在处于极区和偏向中纬度一侧的两个“波障碍区”之间的带状西风波导区中。Rossby波从乌拉尔山活动中心向东传播, 最终形成贝加尔湖和鄂霍次克海地区的持续异常环流。在C型维持过程中则还存在另一种强迫因子。在C型中, Rossby波从乌拉尔山活动中心向中纬度传播, 并在亚洲急流中向东传播至东亚地区。 (3) 在后汛期, 在欧亚大陆上纬向“波障碍区”的增加使得Rossby波活动减弱。E型异常环流型的鄂霍次克海活动中心向东扩展到北太平洋, 但来自上游的Rossby波传播只作用于该活动中心的西北侧部分。C型中Rossby波的传播在乌拉尔山活动中心地区变弱。在夏季各个时期, E和C型持续异常环流对应着不同位相的EAP (或PJ) 型, 但并没有Rossby波从中纬度向北传播至鄂霍次克海地区的现象。     

江淮流域持续性暴雨过程前期的欧亚波列特征及其模拟研究

利用50余年的NCAR/NCEP再分析资料,对江淮流域持续性暴雨过程前期的环流特征进行了相关与合成分析。发现在过程前2—1周的对流层中高层西风带上,中西亚、中国东部沿海和白令海南侧相继有低压槽发展,呈现显著的罗斯贝波列信号特征。分析表明,正是该欧亚波列的东传和消失伴随的环流调整,导致了有利于持续性暴雨产生的稳定环流的形成。进一步采用区域数值模式检验了该波列特征对后期持续性暴雨的作用和影响过程,以1991年一次典型的江淮流域持续性暴雨过程为例,根据欧亚波列信号特征设计一组初始流场扰动,进行初值集合模拟试验。结果表明,过程强雨带及其环流背景的模拟对于初始场上欧亚波列信号区的扰动特征是相当敏感的,该初始扰动对模拟环流的后继影响,与持续性暴雨期间稳定环流特征的建立和维持确有密切关系。     

中高纬度Rossby波活动对华南前汛期EAP事件中期演变过程的影响

文中从中期过程的角度探讨了Rossby波活动在华南前汛期东亚-太平洋遥相关型事件的形成、成熟和衰减过程中的作用,并得出如下结果:(1)正负东亚-太平洋遥相关型事件的形成过程有相似之处:在对流层中上层,源自东北大西洋或欧洲的Rossby波在欧亚大陆中高纬弱波导区中不断地向下游频散,最终在东亚地区形成东亚-太平洋遥相关型事件的3个异常中心。在东亚-太平洋遥相关型事件的3个异常中心之间,Rossby波能量从高纬度向中纬度和副热带地区频散。东亚-太平洋遥相关型事件副热带异常中心的形成归因于东亚副热带急流波导的存在以及上游中高纬度地区Rossby波能量的注入。在对流层低层,Rossby波则从亚洲副热带地区向东亚中纬度地区频散。(2)东亚-太平洋遥相关型事件的3个异常中心在对流层中上层中,西太平洋副热带地区异常中心最后形成。(3)正负东亚-太平洋遥相关型事件也并不是简单的反位相演变过程:在对流层中上层,在正事件成熟阶段,斯堪的纳维亚半岛上的正异常环流基本维持了其中心强度和位置,它不断地向下游东亚地区频散能量,使正事件的持续时间较长;在负事件中,由于中高纬度盛行纬向型环流,波能量的频散较快,因而负事件成熟阶段的持续时间比正事件短。(4)在这一时期,东亚-太平洋遥相关型事件对中国长江以南地区的降水形势具有显著的影响。正(负)东亚-太平洋遥相关型事件易引起长江以南降水异常偏多(少)。     

两类春季极端低温的年代际特征与欧亚环流异常关系对比

利用中国北方501个观测站温度资料、ECMWF再分析资料及Hadley海温数据分析了华北地区春季极端低温的时空特征,并对20世纪80年代前后、21世纪两类年代际极端降温的大气环流异常特征进行对比。结果表明,21世纪极端降温的环流形势从北大西洋至欧亚大陆呈"准两波型"的结构,波长较长,稳定性较好,低温持续时间长,并且在中高纬度存在明显的波列结构;而20世纪80年代前后极端低温环流形势呈"三波型"结构,波长较短,稳定性较差,低温持续时间较短,且在中高纬度波列结构不明显。北大西洋海温在1997年有明显的转折。1997年以前格陵兰岛南面附近的北大西洋洋面能量向东频散,通过西西伯利亚关键区,激发欧亚型EU波列,加强了气旋式异常环流,有利于低温的维持和发展。可能是存在两个能量频散源地的原因,使得80年代的EU波列波长较21世纪偏短。而1997年以后格陵兰岛以东洋面为关键强迫源,能量向东频散,有利于EU的加强,贝加尔湖西南部槽加强,形成气旋式异常中心,有利于低温的维持。格陵兰岛东侧海温异常热力强迫,可激发出EU型遥相关,在其下游的欧洲大陆形成暖脊,脊向北加强,然后收缩与鄂霍茨克海高压脊直接形成大槽,致使华北地区上空气旋式异常加强,环流易稳定维持,从而使得华北地区温度加剧下降,易发生极端低温事件。该结果反映了华北地区极端低温的年代际特征及其两类极端低温环流形势异常的部分成因,从而为预测极端低温事件提取某些信号。     

中国西南地区春季降水的时空变化及其异常的环流特征

利用中国气象局国家气象信息中心整编的中国西南地区97站逐日观测资料及美国国家环境预报中心/大气研究中心(NCEP/NCAR)再分析资料,对中国西南地区1961—2013年春季降水的时空分布特征进行了分析,并研究了造成西南地区春季降水异常的环流成因。结果表明,中国西南地区春季降水的主模态呈现为全区一致型,该模态具有明显的2.5—3.5a及准5a的活动周期。对流层中低层副热带地区的异常气旋式环流波列形成的异常气流将洋面上空的水汽向中国西南内陆地区输送,暖湿气流与异常活跃的北方冷空气活动相配合,加上西南地区大气低层辐合、高层辐散而产生抽吸作用,使得当地对流层中低层出现较强的沿地形抬升的上升气流,从而有利于西南地区降水的形成,反之亦然。造成环流异常的原因除了与西南地区、热带地区的异常辐合/辐散运动造成的位涡扰动能量有关,亦与中高纬度波扰动能量下欧亚大陆下游地区的频散及辐合有关。此外,冬季1月的青藏高原地面加热场特征可作为预测后期西南地区春季降水异常变化的一个前期信号。     

夏季长江中下游地区降水持续性年(代)际变异及其与环流和Rossby波活动的联系

旱涝异常不仅与降水的频次和强度有关,在多种时间尺度上,其与降水的持续性亦存在较好的对应关系。基于1979～2013年6～7月中国东部249站点逐日降水资料及ERA-interim逐月再分析资料,研究了长江中下游地区近35年降水持续性的长期变化及其相联系的大尺度环流型和Rossby波能量频散特征。结果表明:近35年长江中下游地区降水时段平均持续时间变短而无雨时段变长,体现出了降水持续性的减弱趋势。进一步研究发现,该趋势变化与长江中下游地区在1980和1990年代持续性降水事件偏多,而在2000年以后偏少的年代际变化有关。在年代际和年际尺度上,与长江中下游地区降水持续特征变异相联系的异常环流型在我国东南部及南海地区分布较为类似,而在偏高纬度和偏低纬度地区存在较大差异。相似之处在于:在两个时间尺度上,在对流层中高层均存在显著的反气旋性环流控制我国东南部地区,而在中低层均存在由海洋向长江中下游地区的气流辐合,并在高层由长江中下游地区向海洋辐合。不同之处是:年代际尺度上,自对流层低层到高层在乌拉尔山以东及蒙古地区分别存在反气旋性环流和气旋性环流,且赤道印度洋地区的对流层中低层存在显著的气旋性环流;而在年际尺度上,由低层到高层位于贝加尔湖东、西侧均为反气旋性环流异常,但海洋性大陆的东北部,低层出现向长江中下游地区辐合的气流的源,高层则为由长江中下游地区向低纬度地区辐合的气流的汇。Rossby波扰动能量频散特征在年代际和年际尺度上亦呈现出明显的差异。年代际尺度上,中纬度地区自大西洋至蒙古地区存在一个正—负—正—负的Rossby波列,波能东传,对长江中下游地区产生影响,而在中低层,自低纬地区向长江中下游地区的波能传播相对较弱;在年际尺度上,影响长江中下游地区降水的Rossby波活动的局地性特征更为明显。在低层,波扰能量经由南海向长江中下游地区传播更明显,而在对流层高层源于贝加尔湖西侧的波扰能量传播相对较强。这些结果有助于深刻认识长江中下游地区降水的异常持续及与之相联系的洪涝灾害的形成机理。     

热源扰动对亚洲夏季风环流的影响

本文在用数值模拟方法模拟的非纬圈对称的夏季平均环流的基础上,在亚洲南部和澳大利亚地区引人热源扰动和冷源扰动,讨论这些冷热源扰动所引起的夏季风环流的改变以及流场扰动的结构和影响。     

非纬向基本气流的斜压不稳定

本文用分层两层模式研究了在一般非纬向基本气流情况下的斜压不稳定。通过比较分析,给出了基本气流对斜压不稳定的影响,结果表明,在非纬向基本气流情况下,更有利于出现斜压不稳定。 将非纬向基本气流的斜压不稳定理论用于高纬度地区的大气运动,说明了高纬度地区常见的小扰动强烈发展,是切变基本气流所驱动的一种“涡旋波”的斜压不稳定。     

春夏季青藏高原积雪对中国夏末秋初 降水的影响及其可能机制

本文首先利用最大协方差分析方法,探讨青藏高原积雪与中国降水之间的联系,发现中国夏末秋初（8～10月,简称ASO）降水与前期及同期高原积雪有着显著联系,当春夏季青藏高原西部多雪时,其后ASO中国长江及其以南地区多雨,而东部沿海的狭长区域少雨。进一步引入最大响应估计等方法,研究中国区域降水对高原积雪异常的响应及其可能的物理机制,结果表明,冬春季高原多雪异常可持续到夏季,并通过改变地表热力状况,导致ASO南亚高压减弱,同时在高、低空激发出两支波列:高层200 hPa波列沿中高纬西风急流传播,自高原经蒙古到达日本呈现明显的“负—正—负”位势高度异常传播,日本上空为气旋性异常环流;低层850 hPa波列起于高原,经孟加拉湾至中国南海,沿着西南气流传播,导致台湾附近的反气旋性异常环流,其西侧的偏南气流,将南海丰富的水汽输送至中国南部湖南、广西;而高层中心位于日本的气旋性异常环流西侧的偏北气流利于北方天气尺度扰动向南移动,它们为长江中下游及其以南地区多雨提供了有利条件。进一步计算定常波波数也表明,高层西风急流与低层西南季风气流作为波导,有利于高原上空的扰动沿着高、低空2支通道向东传播。由于东部沿海浙江、福建为正位势高度异常区,低层反气旋性异常环流则抑制了该区域的降水。     

Properties and Stability of a Meso-Scale Line-Form Disturbance

By using the 3D dynamic equations for small- and meso-scale disturbances, an investigation is performed on the heterotropic instability (including symmetric instability and traversal-type instability) of a zonal line-like disturbance moving at any angle with respect to basic flow, arriving at the following results: (1) with linear shear available, the heterotropic instability of the disturbance will occur only when flow shearing happens in the direction of the line-like disturbance movement or in the direction perpendicular to the disturbance movement, with the heterotropic instability showing the instability of the internal inertial gravity wave; (2) in the presence of second-order non-linear shear, the disturbance of the heterotropic instability includes internal inertial gravity and vortex Rossby waves. For the zonal line-form disturbance under study, the vortex Rossby wave has its source in the second-order shear of meridional basic wind speed in the flow and propagates unidirectionally with respect to the meridional basic flow. As a mesoscale heterotropic instable disturbance, the vortex Rossby wave has its origin from the second shear of the flow in the direction perpendicular to the line-form disturbance and is independent of the condition in the direction parallel to the flow; (3) for general zonal line-like disturbances, if the second-order shear happens in the meridional wind speed, i.e., the second shear of the flow in the direction perpendicular to the line-form disturbance, then the heterotropic instability of the disturbance is likely to be the instability of a mixed Rossby–internal inertial gravity wave; (4) the symmetric instability is actually the instability of the internal inertial gravity wave. The second-order shear in the flow represents an instable factor for a symmetric-type disturbance; (5) the instability of a traversal-type disturbance is the instability of the internal inertial gravity wave when the basic flow is constant or only linearly sheared. With a second or nonlinear vertical shear of the basic flow taken into account, the instability of a traversal-type disturbance may be the instability of a mixed vortex Rossby – gravity wave.     

The effect of barotropic shear on baroclinic instability Part II: The initial value problem

The effect of barotropic shear on baroclinic instability has been investigated using both a linear quasi-geostrophic β-plane channel model and a multilevel primitive equation model on the sphere when a nonmodal disturbance is used as the initial perturbation condition. The analysis of the initial value problem has demonstrated the existence of a rapid transient growth phase of the most unstable mode. The inclusion of a linear barotropic shear reduces initial rapid transient growth, although at intermediate times the transient growth rates of the sheared cases can be larger than in the unsheared case owing to downgradient eddy momentum fluxes. Certain disturbances can amplify by factors of 4.5–60 times (for the L₂ norm), or 3–30 times (for the perturbation amplitude maximum), as large as disturbances based on the linear normal modes. However, linear horizontal shear always reduces the amplification factors. The mechanism is that the shear confines the disturbance meriodionally and therefore limits the energy conversion from the zonal available potential energy to eddy energy. The effect of barotropic shear on the transient growth is not changed much in the presence of either thermal damping or Ekman pumping. Nonmodal integrations of baroclinic wave lifecycles show that the energy level reached by eddies is not very sensitive to the structure of the initial disturbance if the amplitude of the initial disturbance is small. Although in some cases the eddy kinetic energy level reached by the wave integrated from nonmodal disturbance can be 25–150% larger than the normal mode integrations, barotropic shear, characterized by large shear vorticity with small horizontal curvature, always reduces the eddy kinetic energy level reached by the wave, confirming the results of normal mode studies.     

A theoretical and numerical study of African wave disturbances

Summary Based upon linearized perturbation analysis, the initiating mechanisms for African wave disturbances were investigated. The analysis indicates that in summer over the deserts of tropical North Africa dynamic instability possessing the prominent characteristics of the wave disturbances can occur in the lower troposphere under the unique thermal conditions maintained by solar heating.The non-linear aspects of the instability and the dynamics of a developing African wave disturbance were examined using real-data forecast experiments. The prediction model was a three dimensional primitive equation model. The numerical results reveal the controlling role of the thermal structure in determining the horizontal scale of motion in West Africa. The dynamic responses to the thermal structure result in a configuration favorable for the baroclinic development of the model wave system. Findings from the modeling are in good agreement with the linear model's assessment of many basic features of the disturbances.This study also underlines the significance of radiation-dynamics interaction in the short-range limited-area numerical weather prediction. In summer, over the arid land of the southwestern United States under strong solar heating short-wave disturbances, which may share the similar origin as African waves, are often observed in the lower troposphere. Encounterring potentially unstable air mass the disturbances can trigger heavy rainfall. The indicator is that the inclusion of adequate radiation processes in regional modeling may be essential for improving the prediction of some heavy precipitation events.With 8 Figures     

维向切变流中的非线性对称不稳定

讨论了维向切变流中的非线性对称不稳定问题。中采用绝热无粘的非线性对称扰动方程组，利用多尺度摄动方法分析其不稳定波动的有限振幅特性。研究结果表明：不稳定波的有限振幅在强度上呈现出振荡趋势。无论是超临界切变情况，还是次临界切变情况，对称扰动振幅都随时间呈现出周期性的变化，振荡周期的大小不仅与基本场稳定度参数及波的特性有关，而且还与初始扰动的振幅及其增长率有关。     

东亚-太平洋型季节内演变和维持机理研究

利用850hPa的纬向风异常建立一个逐候东亚-太平洋(East Asian Pacific,EAP)型指数,研究其季节内演变特征,发现东亚-太平洋型经向波列是东亚夏季风季节内变化的主要模态.其演变过程为:扰动首先出现在北太平洋中部,并通过正压不稳定过程从基本气流中获得能量而发展,在高层罗斯贝波能量向南频散,激发热带对流异常和赤道罗斯贝波,并相互锁相,因赤道罗斯贝波受β效应影响而共同向西移动.热带对流和环流异常在菲律宾附近达到最强,此时在东亚沿岸出现经向三极型波列,此后中低纬度异常继续向西北方向移动,使降水异常在长江流域能维持较长时间.东亚-太平洋型在东亚发展和维持有以下原因:首先,菲律宾暖水上空的对流和低层环流之间存在正反馈;其次,由于海陆热力差异导致暖大陆和冷海洋之间存在特殊的纬向温度梯度和北风垂直切变,东亚-太平洋型在经向上有向北倾斜的斜压结构,能通过斜压能量转换从平均有效位能中获得能量,同时,也能从经向温度梯度的平均有效位能中获得能量.     

Topographically Forced Rossby Wave Instability and the Development of Blocking in the Atmosphere

In this paper, the linear stability of disturbance superimposed on basic state Rossby wave forced by topography is investigated, and pointed out that when a certain criterion is satisfied by the basic flow and the height of topography for the subresonance, the small disturbance may be unstable. Furthermore, we also compare the evolution of the instability disturbance with the development of blocking in the Pacific, and we suggested that the topographically forced Rossby wave instability may provide a possible mechanism for the development of blocking in the Pacific.     

低频球面正压大气行星波的频散特征及大气环流遥相关型形成的物理机制

本文研究了非均匀基本纬向流中低频球面正压大气行星波的能量频散特征,讨论了波射线,求得了波射线路径的近似方程。此外,还讨论了沿波射线波包振幅和能量的变化。所得结果可给出大气环流遥相关型水平结构形成及其演变的基本物理图象。