热带和中高纬地区季节内振荡的特征及其动力学诊断

使用5年低阶全球谱模式资料,对中高纬大气和热带大气季节内振荡的动力学性质和传播特征进行了诊断研究。分析发现模式再现了大气中季节内振荡在热带和中高纬地区的传播特性以及它们之间的差异。热带大气30—60天振荡在速度势场上表现为纬向—波结构和行波特性,而在散度风场上反映了赤道西太平洋—印度洋东西向偶极子型的振荡。中高纬大气30—60天振荡表现为定常波位相和振幅的变化,即波包络的传播特征。它与中高纬地区遥相关型的转换有关,通过遥相关位相和振幅的变化,不仅完成了热带和中高纬地区之间以及热带不同区域之间的能量输送,而且通过这种能量输送过程把南、北半球中高纬地区季节内振荡联系起来。      

全球大气季节内振荡的机制研究

本文利用经过滤波的1980—1988年欧洲中心资料及1980—1983年OLR滤波资料,初步分析了全球大气季节内振荡的机制,得到如下结果:全球大气的季节内振荡有内在联系。赤道区域势函数场的季节内振荡表现为行星波的东传。OLR场在60E—150W范围有东传,60W—0有明显的40—50天振荡。散度场则表现为散度中心的孤立局地振荡。在季节内时间尺度上,暖水域上OLR振荡中心与散度振荡中心相对应;冷水域上散度振荡中心则没有OLR振荡中心对应。低纬散度场的40—50天振荡与中高纬季节内振荡有很好的相关。低纬区域60E—150W与60W—0范围的OLR季节内振荡可能是南北半球中高纬大气季节内振荡的源。     

时-空二维波传播分解方法及其在季节内振荡分析中的应用

大气季节内振荡最显著的特征之一就是其复杂多变的传播特征。为了进一步分析大气季节内振荡的传播特征及其不同传播方向分量的不同作用,基于波的传播理论,对时-空谱分析进行了发展,提出了时-空二维波传播分解方法,并用理想函数验证了其正确性和可行性。结果表明:对任一时-空二维序列,采用此方法均可正确地分解得到空间上具有不同传播方向的3部分分量:前进波、后退波和驻波分量。之后,对向外长波辐射(OLR)、200和850hPa纬向风的东传、西传分量以及驻波分量分别进行联合经验正交函数(CEOF)分析。结果表明,在东传分量上,热带大气季节内振荡主要表现为纬向1波的向东传播,与对流层高、低层纬向风呈现反位相的斜压结构,和未分解的情况相比,前两个主要模态重要性的排序出现了颠倒,说明通过时-空二维波传播分解,避开了各分量之间的相互影响,进一步揭示了前两个模态的物理意义及其在季节内振荡中的重要性;在西传分量上,热带大气季节内振荡主要表现为纬向2—3波的向西传播;驻波分量主要表现出印度洋和太平洋的反位相结构。对热带地区大气季节内振荡的东、西分量的分析,深化了对热带大气季节内振荡东传、西传特征的了解,这对于热带大气季节内振荡更加准确预报及其...     

大气对南极冰异常的遥响应及其季节内振荡

运用ＩＡＰＡＧＣＭ模式证实了大气对南极冰异常的强迫遥响应是激发产生全球大气季节内振荡的重要机制,进而着重考察了候平均偏差结果的时间序列,并且通过带通滤波处理,特别分析了响应场中３０～６０ｄ低频振荡的特征及其活动。通过分析发现：大气对南极冰减退的响应是一种具有３０～６０ｄ周期的低频遥响应,并呈现出清楚的二维Ｒｏｓｓｂｙ波列特征;强迫场中的３０～６０ｄ季节内振荡具有着同实际大气中的低频振荡相类似的垂直结构和传播特征。大气响应场中３０～６０ｄ振荡能量在垂直方向上随高度的增加而增加,在纬向上表现出明显的区域性特征,即季节内振荡的最大动能区（由于ＣＩＳＫ机制）分布在大洋内;ＥＵＰ,ＰＮＡ,ＡＳＡ和ＲＳＡ波列可能是全球大气低频扰动传播的主要路径,３０～６０ｄ低频扰动在波列路径上的传播具有很大的一致性和系统性,从而使中高纬和热带地区、以及南北半球的３０～６０ｄ大气振荡相互联系起来,而且可以认为,赤道中太平洋和赤道中大西洋地区是南北半球３０～６０ｄ低频振荡间相互作用和相互联系的重要通道。     

冬季500百帕高度场的30—50天振荡的遥相关结构及其演变特征

本文利用1981年和1982年冬季的欧洲中心(ECMWF)网格点带通滤波资料,分析了北半球中高纬度和热带地区500hPa高度场的30—50天周期振荡的遥相关结构及其演变特征。发现30—50天周期振荡的分布,在中高纬度地区与主要的大气活动中心相配合,而在热带与对流活动中心相对应。振荡的相关中心呈多段大弧状的波列结构特征,中低纬振荡通过波列的能量频散联系起来。波列的纬向移动和高度场振荡的位相纬向传播的方向是一致的。     

我国九大气候区降水特性及其物理成因的研究Ⅱ——我国各区降水与环流因子的关系

利用ECMWF的格点风和位势高度场资料，对1998年夏季热带内外地区大气低频振荡特征进行了分析研究。结果表明，亚洲季风区的季节内振荡非常显著。850hPa季节内振荡纬向风的经向传播揭示出南海地区的西风振荡受南北两支西风的共同影响。与长江流域特大洪涝密切相关的大气环流系统(乌拉尔阻高和西太平洋副高)对季节内振荡有较强的响应。在欧亚范围，持续性异常环流十分活跃，大气低频波的活动与环流持续异常的形成有密切的联系，季节内振荡是高低纬环流持续异常同时发生的纽带。其低频(30—60d)遥相关型的分布同江淮洪涝年的波列结构相类似。     

大气对热带热源低频响应的数值研究

本文设计—关于基本气流线性化的二层球面模式研究大气对不同类型赤道热源的低频响应,分析了全球大气40—50天低频振荡的结构和传播特点。结果表明:全球大气对热带热源响应特征是在热带地区表现为东西向非对称的热源东侧的Kelvin响应和西侧的Rossby响应,高低层反位相;在中高纬响应是具有低频振荡的二维Rossby波列,且具有相当正压结构。低频振荡的传播特征表明热带大气对移动性热源的响应更有利于振荡的向东传播,且该振荡可以沿波列路径向中高纬度传播,然后再折向低纬。二维Rossby波列是联系着热带和中高纬度地区低频振荡的基本动力学途径。该波列的形成取决于基本气流的分布,冬半球波列振幅较大。因此本文认为40—50天低频振荡是全球尺度的现象,它是一涉及到热带对流加热、赤道Kelvin波、亦道Rossby波、二维Rossby波列以及基本气流等动力学相互作用的过程。     

北半球冬季中纬度位势高度场的季节内振荡

利用1979—2012年逐日NCEP/DOE再分析资料,分析北半球中纬度冬季(11月1日—4月30日)对流层位势高度的季节内振荡特征。结果表明:对流层上层位势高度的季节内变化强度较中下层更强,中心主要位于太平洋和大西洋上空;对流层上层位势高度场主要为1~3波的超长波形势,功率谱分析结果表明其时间序列呈现显著的季节内振荡(10~60 d)特征;10~60 d滤波的位势高度异常空间分布与原异常场一致,位势高度季节内振荡随时间主要表现为向西传播的特征,尤其表现在北太平洋上空,而亚欧大陆更为复杂一些;亚洲冬季风对北半球中纬度位势高度的季节内振荡有响应,主要表现为蒙古高压位置和强度的异常,继而对我国冬季气温产生影响。     

ENSO事件与北半球中高纬低频振荡

采用诊断方法研究了E1 Nino和La Nina事件与北半球中高纬大气低频振荡。用1950—2003年北半球中高纬逐日500hPa高度场资料进行功率谱分析得出：（1）ENSO事件对中高纬大气低频振荡有调频作用，即夏季低频振荡较弱，冬季低频振荡较强。（2）E1 Nino（La Nina）事件有使低频振荡周期缩短（延长）的趋势。（3）ENSO事件对中高纬大气低频振荡的调频作用比中低纬明显。     

7—9月500百帕高度场30—50天振荡的遥相关结构及其演变特征

利用1982、1983年7—9月的欧洲中期天气预报中心(ECMWF)网格点资料,分析了北半球中高纬度以及热带地区500百帕高度场的30—50天周期振荡的遥相关结构及其演变特征。发现30—50天周期振荡的分布,在热带与对流活动中心相对应,在中高纬地区与主要的气压活动中心相配合。振荡的相关中心分布于15—70°N之间,并成大弧状排列,具有波列的结构特征,其路径具有显著的年际变化,其弧状排列的振荡中心具有纬向移动,移动方向与高度场振荡位相的纬向移动相一致,高度场振荡的纬向移动和波列的能量频散密切相关。     

ENSO事件对中高纬大气低频振荡的调频作用

采用诊断方法研究了El Nino和La Nina事件对中高纬大气低频振荡的调频作用。应用1950—1996年北半球中高纬逐日500 hPa高度场资料进行功率谱分析得出：夏季低频振荡较弱,冬季低频振荡较强;El Nino事件有使低频振荡周期缩短的趋势,La Nina事件有使低频振荡周期延长的趋势。     

强迫二维Rossby波传播特征的数值试验

Bjerknes提出了大气对外界强迫响应的概念。大量研究已证明这一遥响应机制的存在,且大气对强迫源的遥响应及其低频活动的共同特征都表现为类似大圆路径的波列,Hoskins的理论研究揭示了这现象的实质,他把叶笃正所提出的Rossby波的频散理论推广到球面上。黄荣辉曾利用波折射指数平方与EP通量系统地研究了北半球冬夏准定常行星波的传播规律。邹晓蕾、叶笃正、吴国雄提出了中高纬的相关链、定常地形波链,并指出北美与东亚相关型的差异与两区域地形准定常波在不同纬向流中传播的差异有关。观测分析亦表明,青藏高原是大气低频振荡的强迫源,且在此区域可产生向北、向南或向东、向西传播的波列。     

副热带北太平洋大气季节内振荡时空特征的诊断研究

用时空谱分析和小波变换方法,对1958—2002年NCEP/NCAR再分析资料经、纬向风速和位势高度的年时间序列进行了波谱分析,并重点研究了北太平洋副热带区域经向风30—60天振荡(ISO)的时空特征。研究结果表明,北半球经向风与纬向风和位势高度的30—60天振荡特征迥然不同,代表风场经向低频扰动的经向风ISO在副热带和中高纬度最为活跃,而在热带地区的活动十分微弱;北半球副热带850 hPa高度场和纬向风在10—90天内(季节内)振荡的主要能量集中在纬圈波数为1、周期为30—60天的波动上,而850 hPa经向风季节内振荡的主要能量集中在纬圈波数为4—6、周期为30—60天以及70—90天的波动上,上述3个物理量30—60天振荡向西传播的能量都强于向东传播的能量。一年当中,东亚到北太平洋的副热带地区,经向风ISO在东亚—西北太平洋与东北太平洋两个区域的活动最强,且在这两个区域存在明显的季节振荡,即东北太平洋的ISO在冬季最强在夏季最弱,而东亚—西北太平洋区域的ISO在夏季最强冬季最弱。850 hPa经向风ISO的年际和年代际变化分析表明,在东亚副热带区域其活动1958—1975年较强,1976—1990年明显减弱,而1991—2000年最强;其在ENSO发生期间有较为明显的异常活动,但其强弱变化没有显著的定势,然而2—7年的带通滤波分析表明西北太平洋ISO的年际活动含有较显著的ENSO信号,9年的低通滤波分析表明,年代际时间尺度上,西北太平洋ISO的活动与ENSO循环有较为显著的反相关特征,而东北太平洋区域ISO与ENSO循环有较为显著的正相关关系。     

东亚季风区大气季节内振荡经向与纬向传播特征分析

将NECP/NCAR资料中850 hPa纬向风分量进行30～60天带通滤波, 研究东亚季风区大气季节内振荡的传播特征。分析表明, 夏季东亚季风区大气季节内振荡(ISO)的传播分为经向传播和纬向传播, 其中经向传播主要为热带地区ISO的向北传播, 纬向传播则是分别起源于印度季风区的ISO东传和起源于西太平洋海域的ISO西传。东传和西传的ISO在120°E附近汇合后增强自热带地区北传到此的ISO, 使得ISO在经向上可以继续向北传播, 其最北界可达35°N以北, 并对我国长江中下游地区夏季降水产生一定的影响。     

印度洋海温异常对中高纬大气低频振荡影响的数值试验

用数值试验的方法,应用强迫耗散准地转正压涡度方程的全球谱模式,在方程中考虑了偶（单）极子的热力强迫作用,并在三个行星波准共振的条件下,模式共积分90d,得到：在偶、单极强迫热源和基本气流强度的共同作用下,三个行星波之间存在很强的波．波相互作用,且波动振荡呈现准双周和季节内振荡。同时偶、单极强迫源及基本气流的强度变化对中高纬大气的低频振荡调制作用不同。在准共振三波流函数场随时间变化的试验结果中,进一步证实了中高纬大气存在较好的低频振荡。     

中高纬大气30—60天低频振荡的一种动力学机制

本文着重考虑非均匀基本流的正压局地不稳定性，研究中高纬低频振荡产生的动力机制。基本流是取1980年冬、夏300 hPa的位势场。结果表明正压局地不稳定性能较好地解释中高纬大气30—60 d天振荡。这似乎表明，低频振荡是大尺度大气运动和扰动相互作用的一种固有特征，而不是外源强迫的结果。本文还讨论了适于激发季节内低频振荡的基本流场。初值问题的研究发现中高纬大气30—60 d振荡呈纬向三波模态发展，与初始扰动和基本气流的冬、夏差别无关。     

30—60天大气振荡的全球特征

利用ECMWF格点资料,分析研究了大气季节内(30—60天)振荡的全球特征。30—60天振荡动能的分布表明高纬度地区要比赤道地区大得多。说明那里有较突出的30—60天振荡。中高纬度地区的30—60天振荡与热带有明显不同,垂直结构为正压模态,以纬向2—4波为主,多为向酉传播。30—60天振荡存在明显的低频遥相关,北半球主要为欧亚—太平洋(EAP)型和PNA型,南半球主要有澳洲—南非(ASA)型和环南美(RSA)型,并且在全球范围构成南北半球相互衔接的低频波列,即EAP-ASA波列和PNA-RSA波列。南北半球30—60天大气振荡有明显的相互影响,本文研究了南北半球30—60天振荡相互影响的3种主要过程。     

2002年夏季中高纬大气准双周振荡对华南降水的影响

利用JRA55大气再分析资料和TRMM卫星降水资料,分析了2002年夏季（5~8月）华南地区降水的低频振荡特征,重点揭示了对其影响显著的中高纬大气季节内振荡的环流结构及演变。小波和功率谱分析表明,2002年夏季华南降水表现为主周期为10~30 d的准双周低频振荡。典型低频降水事件及合成分析指出,准双周降水的强（弱）变化除了受低空西北太平洋副热带高压西伸进入（东移退出）南海的影响以外,还显著地依赖于中高纬地区高空大气环流的季节内振荡。在对流层高层,中高纬度地区存在一支自大西洋经欧亚大陆的气旋—反气旋相间排列的低频波列。该波列在欧亚大陆地区向东南传播,当异常反气旋和气旋分别位于青藏高原和华北上空时,这种偶极型环流之间的高空辐散场有利于华南地区上升运动的发展,因而华南降水偏强;反之,华南降水偏弱。研究还表明,低频波列南移造成了对流层异常温度平流和副热带高层异常绝对涡度的变化,使得华南地区上升与下沉运动交替出现以及相应的经向环流圈反转,从而导致华南准双周振荡干湿位相的转换。局地异常感热加热对干湿位相转换也起一定作用。时滞相关分析发现,当青藏高原地区500 hPa位势高度异常场超前于华南异常降水4 d（即位相差为1/4周期）时,二者出现显著正相关,表明青藏高原地区500 hPa位势高度异常对预测华南地区季节内降水变化有潜在的应用价值。     

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。     

青藏高原夏季高层纬向风季节内振荡特征

利用1979—2019年ECMWF提供的ERA-Interim逐日再分析资料,采用Morlet小波分析、滤波及合成分析等方法,探究了青藏高原夏季对流层高层纬向风季节内振荡（IntraSeasonal Oscillation,ISO）的主要周期及其传播特征。结果表明：青藏高原夏季高层纬向风季节内振荡的主要周期为10～30 d,其强度存在明显的年际差异。在纬向风ISO强年,振荡过程持续时间长、振幅强,ISO方差中心从对流层高层向下影响到对流层中层,表现为相当正压结构。其传播在纬向上主要表现为ISO中心从高原东部3次向东传,可达西太平洋地区;经向上分别有4次自中高纬向南传播的10～30 d ISO中心与来自低纬地区的ISO中心在高原南侧汇合,其强度在高原南侧有所加强,强振荡中心可向南传播到达低纬地区。ISO的位相演变主要表现为低频反气旋和低频气旋中心在高原东部交替出现,引起东部地区上空低频东风和低频西风的强度变化。在ISO极端活跃位相,高原东部低频西风达最强。