亚——非季风区非绝热加热与夏季环流关系的诊断研究

基于热力适应理论,本文利用 ＮＣＥＰ／ ＮＣＡＲ再分析资料对撒哈拉沙漠、青藏高原和孟加拉湾地区的非绝热加热与夏季环流进行了诊断研究。在非洲撒哈拉沙漠地区,以感热输送为主的加热仅局限于近地面层,边界层以上的大气则以辐射冷却占优势。因而除了边界层内存在着浅薄的正涡度和微弱的上升运动以外,整个对流层几乎都维持负涡度并盛行下沉运动。对于青藏高原地区,强大的表面感热通量引起的垂直扩散是近地面大气加热的主要分量,与大尺度上升运动相关的凝结潜热对低层大气的加热也有一定的贡献。长波辐射造成的对流层中、上层大气的冷却则主要由深对流潜热释放来补偿。夏季高原地区总非绝热加热是正值,且最大加热率出现在边界层内。低空大气辐合产生正涡度,而中、高层大气辐散伴有较强的负涡度。因而高原盛行上升运动,最大上升运动位于近地面层。夏季孟加拉湾地区的深对流凝结潜热释放远大于长波辐的冷却作用,因而整个对流层几乎都保持较强的非绝热加热。４００ｈＰａ层附近的最大加热率引起３００－４００ｈＰａ最强的上升运动。对流层上层是负涡度区,而中、低层为正涡度区。结果还表明,垂直和水平辐散环流与大气的热源和热汇区密切相联：在高层,辐散气流从热源区流向热汇区;在低层则相     

热力适应、过流、频散和副高II.水平非均匀加热与能量频散

利用位涡方程和热力适应原理，讨论了因非绝热加热的空间不均匀性导致的大气 动力特征的变化，进一步阐明了副热带地区的深对流凝结潜热加热的垂直非均匀性使副热带高压在中低空出现在热源区以东，在高空出现在热源区以西。在此基础上，深入研究了水平非均匀加热对大气环流的影响。结果表明加热区以北，虽然非绝热加热消失，但存在加热的水平梯度在西风环流的背景下在高低层造成深厚的负涡度强迫。因而高层热源北部边界附近的西风向南偏转进入加热区，造成加热区北部边界及其以北发生次级辐散；低层热源区的南风发生反气旋偏转，汇入加热区外的西风气流中，造成低层加热区北部边界及其以北发生次级辐合。结果该区域产生了垂直上升运动及负的涡度强迫源，对应着异常强烈的反气旋环流。该负涡度强迫源还通过能量频散，在西风带中以Rossby波的形式向中高纬传播，影响中高纬地区的异常环流型。     

大气非绝热加热作用的研究进展与展望

大气非绝热加热与天气系统的发生发展有密切联系,与降水等天气过程密不可分,非绝热加热在大气运动中有着至关重要的作用。对非绝热加热的研究和理解,有助于改进数值预报模式,增强数值天气预报模式的预报能力。本文系统梳理了大气非绝热加热的基本内容,近几十年非绝热加热及其作用的研究成果,主要包括非绝热加热的概念及其表征、非绝热加热的时空分布特征、非绝热加热与季风、天气系统(如西太平洋副热带高压、热带气旋、温带气旋和急流)和降水之间的关系,以及非绝热加热在数值模式中的表征,进而指出有待于进一步研究的方面。     

七月中、低纬地区定常波动和加热场的模拟特征

本文利用P-σ混合坐标原始分程球带模式的最新版本,对七月中、低纬地区的定常波动及非绝热加热场进行了数值模拟。结果表明,模式成功地模拟出了北半球夏季对流层中波数为2的定常波动。高层波峰出现在大陆,波谷出现在海洋上,低层则相反。南半球的副热带高压带也模拟出来了。降水量的模拟也是成功的,特别是位于ITCZ中的积云对流性降水。加热场的模拟结果指出,七月份的热源区除了主要分布在北半球的几个主要大陆上,还分布在热带海洋上ITCZ所在区;其余的广大洋面则显示出冷源的性质。其中热带海洋的热源以潜热加热为主(主要分布于大气的中高层),大陆上的热源有的以感热为主(主要分布于大气的低层),有的仍以潜热加热贡献较大。海洋的冷源是由长波辐射冷却造成的。      

2022年我国夏季极端高温阶段性特征及成因北大核心CSCD

利用常规观测和自动气象站加密观测资料以及ERA5再分析资料分析2022年夏季我国大范围极端高温阶段性特征及其热动力成因,结果表明:此次极端高温存在两个不同阶段:6月高温区集中在华北黄淮地区,7—8月高温区位于四川盆地—长江中下游地区;两个阶段极端高温均发生在异常环流背景条件下,对流层上层为显著偏强的南亚高压控制区,其主导系统分别为500 hPa强烈发展的华北高压脊和异常强盛的副热带高压坝;Rossby波能量自上游向华北地区持续频散和瞬变天气扰动偏弱是华北高压脊增强和维持的主要成因,西北太平洋副热带高压南侧的大气热源增强、赤道附近热带辐合区异常偏强的上升气流在30°N副热带高压脊线附近下沉,有利于西北太平洋副热带高压的西伸加强且稳定维持。对流层低层强烈暖平流和边界层非绝热加热是华北黄淮地区高温形成的主要影响因子,高温的维持主要依靠异常强烈的非绝热加热;四川盆地—长江中下游地区高温的形成受深厚对流层内异常下沉增温和边界层内非绝热加热共同影响,高温长时间维持的影响因子除非绝热加热外,极端强盛的南亚高压控制区内异常绝热加热项(下沉增温)的贡献亦不可忽视。     

热力适应、过流、频散和副高Ⅱ．水平非均匀加热与能量频散

利用位涡方程和热力适应原理，讨论了因非绝热加热的空间不均匀性导致的大气动力特征的变化，进一步阐明了副热带地区的深对流凝结潜热加热的垂直非均匀性使副热带高压中低空出现在低源区以东，在高空出现在热源区以西。在此基础上，深入研究了水平非均匀加热对大气环流的影响。结果表明加热区以北，虽然非绝热加热消失，但存在加热的水平梯度在西风环流的背景下在高低层造成深厚的负涡度强迫。因而高层热源北部边界附近的西风向南偏转进入加热区，造成加热区北部边界及其以北发生次级辐散；低层热源区的南风发生反气旋偏转，汇入加热区外的西风气流中，造成低层加热区北部边界及其以北发生次级辐合。结果该区域产生了垂直上升运动及负的涡度强迫源，对应着异常强烈的反气旋环流。该负涡强度迫源还通过能量散射，在西风带中以Rossby波的形式向中高纬传播，影响中高纬地区的异常环流型。     

青藏高原抬升加热气候效应研究的新进展

对近4年来关于青藏高原加热影响气候的研究进行回顾.首先介绍利用位涡方程和热力适应理论,揭示;夏季高原上空低层气旋式及高层反气旋式环流结构稳定维持的动力学机理.结果表明高原加热作用造成的低层正涡源是低层气旋式环流得以稳定维持的重要原因.而边界层摩擦产生的负位涡是平衡正位涡的主要因素.高原加热还在高原上空形成负位涡,它影响着盛夏的大气环流,是青藏高原上空强大而稳定的反气旋环流得以维持的重要因素.在春夏过渡季节青藏高原非绝热加热对大气环流季节变化以及亚洲季风爆发的影响力方面,进一步确认了感热加热在过渡季节早期(5月中旬以前)环:流演变中的重要作用.青藏高原非绝热加热的时间演变引起了海陆热力差异对比的变化,使副热带高压带首先在孟加拉湾东部断裂,亚洲季风因而在孟加拉湾爆发.结果还表明,用纬向风垂直差异的时空分布能更准确地表示季节变化的区域差异.在青藏高原非绝热加热与北半球环流系统年际变化的联系方面,发现夏季青藏高原的加热强(弱)的年份,高原感热加热气泵(SHAP)高(低)效工作,使高原加热对周边地区低层暖湿空气的抽吸效应和对高层大气向周边地区的排放作用加强(减弱),高原及邻近地区的上升运动,下层辐合和上层辐散均增强(减弱),从而影响着高原和周边地区的环流以及亚洲季风区大尺度环流系统.而且高原的加热强迫还能够激发产生一支沿亚欧大陆东部海岸向东北方向传播的Rossby波列,其频散效应可影响到更远的东太平洋以至北美地区的大气环流.研究还表明,盛夏的南亚高压存在"青藏高压型"和"伊朗高压型"的双模态,它们与高原加热状态有关,且显著地与亚洲季风区的气候分布密切联系.     

春季中国西南降水与青藏高原及周边非绝热加热之间的关系

基于气象观测资料和再分析资料,从西南地区降水年际变化规律入手,运用统计学方法从时空角度分析了与其相伴随的环流型和非绝热加热的关联。结果表明,当西南地区降水偏多时,东西向异常气旋、反气旋分别位于我国长江以南地区上空以及青藏高原西南侧上空对流层中、高层,西南地区对流层高层被异常偏北风控制,低层被异常偏南风控制,中层伴有较强的异常垂直上升运动,且与异常非绝热加热源区基本重合,而青藏高原西南侧上空对流层中层为异常的垂直下沉运动,且与异常非绝热加热汇区基本重合;反之亦然。在此基础上进一步运用气候动力学方法揭示了导致西南降水异常的可能物理过程：高原西南侧爬升流的异常垂直运动通过影响南支气流向下游的水汽输送异常,进而导致西南地区非绝热加热异常,最终实现对西南地区降水的调制作用。     

东亚大气热源的气候学特征分析

利用1948~2008年共61年NCEP/NCAR再分析资料对全球的大气热源(汇)统计处理,采用经验正交函数分解方法、气候态平均分析方法,分析了东亚地区的大气热源、热汇的基本气候特征,对61年来东亚地区大气热源热汇各月,各季节的气候态分析,并从全球的大气热源、热汇剖面分析中了解了其变化规律。揭示了全球大范围的大气热源区主要分布在南亚—热带印度洋—热带太平洋的中部和西部两侧、南美洲的赤道及其南侧地区一带,并得出其变化的平均趋势;0~60°N,每10个纬度带内热源、热汇的年变化不仅与全球纬向平均的热源、热汇年变化有非常大的差异,而且亚洲,青藏高原、东亚大陆、西太平洋地区6个平均纬度带之间的差异也非常明显。     

模式大气对于非绝热加热场的线性响应

本文利用一个包含了Newton冷却、Rayleigh摩擦以及▽~4型水平扩散等耗散作用的定常、斜压、线性初始方程三维谱模式,研究了热带和中纬度理想热源以及1979年1月北半球平均非绝热加热场对于冬季行星尺度的大气定常波的影响。数值试验结果表明,热力强迫作用的重要性可以与北半球大地形的动力强迫作用相比拟。利用1979年1月平均加热场作为强迫函数计算得到的强迫扰动,主要表现为纬向波数为2的行星波,并具有明显的斜压结构。热带地区纬向非均匀热源所激发的近似地沿大园路径传播的Rossby波列,对于热带区域与中、高纬大气之间的遥相关现象提供了一种可能的解释,同时,热带外区域的加热场对于整个半球范围内定常波的维持有着更显著的贡献。     

热力强迫对越赤道气流产生和维持的作用——定性分析

从原始方程出发，应用大气运动的对称反对称性理论，就赤道地区一呈偶极子分布的反对称冷热源对越赤道气流的形成和维持作用进行了定性分析。结果表明，非绝热加热的反对称分布对越赤道气流的影响是通过诱发和维持反对称的气压场分量来实现的。即在热源上空低层形成低压，高层形成高压；在热汇上空形成相反的气压场。这样，在赤道上空高、低层就将形成与相应气压梯度方向一致的越赤道气流     

亚洲季风区大气热源汇的气候特征

用1950-2005 a共56年NCEP/NCAR再分析资料和倒算法计算了全球的大气热源、热汇,分析了亚洲季风区的大气热源、热汇的基本气候特征和年变化气候特征,主要结论包括:(1)从气候平均看,亚洲季风区的南亚-热带印度洋-热带西太平洋地区是全球范围最大的大气热源区,西太平洋暖池区是最强的热源中心.(2)在亚洲季风区,大气热源、热汇的季节差异明显.从青藏高原南侧和孟加拉湾北部到中国东部和南海地区,冬季是较强的热汇区,夏季则是强的热源区;而在北太平洋中纬度和澳大利亚北部洋面上,冬季是强热源区,夏季是弱的热源或热汇.(3)亚洲季风区中,青藏高原、东亚大陆、西太平洋地区三个经度带内热源、热汇的年变化明显不同.     

论热带大气垂直环流圈的结构和海洋加热尺度间的关系

应用本征模式的浅水运动方程,研究了热带大气中Walker环流和Hadley环流圈的垂直结构和海洋加热尺度间的关系,如热源的纬圈尺度为L,赤道Rossby变形半径为L_0,Ray-leigh摩擦和Newton冷却系数为ε,则垂直环流圈的结构依赖于加热尺度L的大小。当α(=L_0/L)>α_0(ε)时(即小尺度热源),其结果和Gill的定常解相似,即在热源中心西侧的Rossby波活动区,与Walker环流相联系的Hadley环流,是热力性的正环流。低层空气是向赤道辐合,高层空气是向极地的,并在副热带地区下沉;而在热源以东的Kelvin波活动区,经圈速度的垂直分布反过来,即低层气流是向极地的,高层气流是向赤道的。但当热源尺度变得适当大后,例如当α<α_0(ε)时,经圈环流在Rossby波和Kelvin波区的大部分地区,都是正的Hadley环流,而原来在Kelvin波区的反Hadley环流,将东移到离热源中心相当远的地区(例如超过10个赤道Rossby变形半径)。在后面这种情况下,一个大尺度的正的Hadley环流,将把大气从海洋中得到的热量或能量大量地输送到副热带或中纬度地区,使那里的大气环流发生异常性的变化。后面这一理论结果与统计事实相当符合,可以看成是对Bjerknes提出的遥相关现象的一个理论支持。     

1961—2001年青藏高原大气热源的气候特征

文中利用ECMWF逐日再分析资料,用"倒算法"计算了1961-2001年青藏高原上空热量源汇,并分析了高原上空大气热量分布的气候状况.结果表明:(1)3-9月,高原上空为热源,热源最强在6月;10-2月是热汇,热汇最强在12月.整个高原上空,全年大气热鼋状况主要表现为热源持续时间长,且热源强度较热汇要大得多.对整层热源贡献最大的因子是垂直输送项.(2)从大气加热的垂直廓线来看,热源最大值层出现的高度随季节基本没有变化,集中在600-500 hPa,但加热的强度和厚度却随季节是变化的;而热汇最大值层和强度随季节是变化的.(3)高原整层(Q1)的水平分布复杂,表现出强的区域性特征:高原热源西部变化比东部迅速,4-8月西部热源强度明显强于东部.春季,高原西部热源增强迅速,在5月出现200 W/m2中心,比东部提前1个月.7月整个高原热源开始向南减弱,西部热源至10月转为热汇,比东部又提前了1个月.(4)自1979年后,各季节高原热源变化均表现出1990年前后的气候转变信号.夏季,高原热源变率表现为南北反位相型,其他季节为高原的中部-东北部与高原东南部反位相型.     

线性准地转模型中副热带感热加热强迫的定常波

通过求取定常线性准地转位涡模式的解析解,研究了感热加热强迫所激发的副热带定常波的结构特征,讨论了基本流、牛顿冷却及地面摩擦等对定常波振幅和位相的影响。结果表明,东风时定常波在垂直方向上表现为上、下层反位相的第一斜压结构,且地面系统远强于中高层;西风时定常波呈现出向上的传播特征,在高层,随着风速增大振幅随高度的升高有增大趋势。在近地层,东风时气旋（反气旋）主体位于加热西（东）侧;西风时气旋（反气旋）主体位于加热东（西）侧,近地层以上相反。此外,发现东、西风基本流的作用具有对称特征,这与潜热加热显著不同。研究结果还表明,牛顿冷却对定常波有重要影响,基本流越弱影响越显著。在静止大气中,感热加热强迫下无斯韦尔德鲁普（Sverdrup）解,考虑牛顿冷却时,感热强迫在热源范围内的近地层和中高层分别激发出气旋式和反气旋式环流,气旋中心位于加热中心略偏西的位置。在非静止大气中,牛顿冷却项使地面系统中心向上风方向移动,东风时向东移。牛顿冷却对高、低层系统均有削弱作用。地面摩擦则明显不同,它总会使低层系统减弱,高层系统增强。     

非绝热加热对6月东北冷涡形成演变的影响及其可能机制

利用ERA-Interim再分析资料,基于等熵位涡理论,采用合成分析和动力诊断方法分析了6月东北冷涡演变过程的气候特征,探究非绝热加热对东北冷涡形成和演变的重要影响。结果表明:气候平均东北冷涡形成在中纬度对流层高层,其形成过程表现为等熵位涡"自上而下、自西向东"发展加强,其演变过程与大气非绝热加热的变化密切联系。在东北冷涡形成前,其上空的非绝热加热明显加强;而在东北冷涡形成后,局地对流层中下部非绝热加热迅速发展。可见,东亚中纬度地区的高空非绝热加热是东北冷涡形成和发展的重要因素,而东北地区对流层中部的非绝热加热则是东北冷涡减弱消亡的主要原因。     

定常条件下感热和地形影响的Rossby波

通过在非绝热准地转线性模式中引入波动形式解,并确定适当的定解条件,用正交模方法求得了感热波的波动解。结果表明由于感热加热集中于近地层附近,其波动解具有与山脉波类似的波动垂直结构,波动等位相线随高度向西倾斜,波动能量向上传播。对NCEP/NCAR资料的分析验证了理论推导结果的合理性。大尺度大气定常波随纬度和季节有明显变化。热带地区定常波主要受潜热加热影响,副热带地区大气波动常表现为地形、潜热和感热加热的综合效应,而中纬度地区大气定常波则主要由地形和感热加热决定。     

空间非均匀加热对副热带高压带形成和变异的影响Ⅰ:尺度分析

利用全型垂直涡度倾向方程,讨论了空间非均匀非绝热加热（Ｑ）对副热带高压形态变异的影响。通过简单的空间尺度分析指出,Ｑ的垂直非均匀分布比其水平非均匀分布对副热带高压带断裂成闭合中心的影响更大。在时间尺度较长时,低空的β效应和高层的涡度平流对副热带高压形态的形成有重要作用。在它们影响下,低空副热带高压出现在表面感热加热西侧、深对流凝结加热东侧;而高空副热带高压出现在表面感热加热的东侧、深对流凝结加热的西侧     

青藏高原气温的年际变率与大气环状波动模

基于1961年3月至2002年2月间青藏高原地区64个台站的地面气温观测资料和ERA40再分析数据集,研究了青藏高原上空气温的年际变率及其与大尺度环流的关系。结果表明除夏季外,高原地面气温与整个北半球副热带、极地对流层的温度和位势高度有显著的同位相变化关系,而与中高纬度对流层有显著的反位相变化关系。其中北半球副热带还有5个分别位于青藏高原、西太平洋、北美西部、大西洋中部、北非到阿拉伯半岛的活动中心。这3条环状活动带和5个副热带活动中心共同组成了一种北半球大气环状波动模,其纬向特征为异常偏强的中纬度西风气流以及热带和高纬度东风气流,并伴有中纬度大气长波槽脊的减弱;经向基本特征为异常偏强的Hadley和Ferrel环流以及副热带下沉气流和中纬度上升气流,垂直方向呈相当正压结构。当这种环状波动模处于正位相时,异常增强的绝热下沉增温效应和减弱的冷空气活动共同使得高原上空对流层中、低层气温异常偏暖。     

线性准地转模型中基本流和辐射冷却对感热加热强迫的副热带高压形态的影响

通过求取定常线性准地转位涡模式的数值解,研究了感热型垂直非均匀分布的冷、热源强迫所激发的副热带环流的结构特征,讨论了副热带背景风场和洋面辐射冷却对洋面副热带高压“三角形偏心”结构形成的重要作用。结果表明,基本流对感热加热强迫的副热带环流有重要影响,当基本流为常数时,感热加热强迫的气旋和反气旋主要集中在对流层中下层,且地面系统远强于中高层。当基本流为非常数时,其经向切变能改变气旋和反气旋中心的经向位置,使它移至0风速所在纬度附近;其垂直变化加强了中高层气旋和反气旋,中心位于对流层上层,与南亚高压的位置基本一致。研究结果还表明,在大洋东部洋面辐射冷却与副热带地区背景风场的共同作用下,形成了洋面副热带高压特有的“三角形偏心”结构。副热带高纬度的西风使感热强迫的洋面副热带高压东移,低纬度的东风使其西移,形成东北—西南走向的“平行四边形”结构,且中心位于大洋西部。大洋东部强洋面辐射冷却激发的洋面反气旋加强了大洋东部的副热带高压,使其中心东移至大洋东部,从而表现出东北—西南走向的“三角形偏心”结构。