位涡源汇和位涡环流及其天气气候意义

在扼要回顾地表位涡研究进展的基础上,本文介绍了复杂地形下的位涡及位涡制造的计算及近年来关于位涡源汇和位涡环流(PVC)的研究进展,侧重介绍青藏高原表层位涡的特殊性及其对天气气候的重要影响。阐明对于绝热和无摩擦大气运动,由于位涡本身的结构重组(位涡重构)可以引起垂直涡度的发展,在夏季可以激发高原涡形成,冬季使青藏高原东部成为重要的表面涡源。基于导得的包括非绝热加热作用的、与等熵面的位移相联系的垂直运动(ωID)方程,进一步阐明青藏高原制造的正位涡沿西风气流东传会引起下游地区低空气旋性涡度、偏南风、和上升运动发展,导致位涡平流随高度增加,激发极端天气气候事件发生发展。指出青藏高原地表加热和云底的潜热释放的日变化显著地影响着地表层位涡的日变化,导致青藏高原的低涡降水系统多在午后至夜间发生发展。证明与传统的青藏高原感热加热指数相比,青藏高原地表层位涡指数能够更好地刻画关于降水的季节变化,与亚洲夏季风降水相关更密切。本文还简单介绍了PVC的概念。指出由于区域边界面的PVC的辐散辐合的变化直接与区域位涡的变化相关联,为保持北半球位涡总量的相对稳定,跨赤道面上的PVC变化与地表PVC的变化必须相互补充,因此跨赤道面上的位涡环流的变化可以成为监测近地表气候变化的窗口。近赤道的海气相互作用能够直接造成沿赤道垂直面上的纬向风垂直切变的变化,激发跨赤道位涡环流异常,从而通过大气内部PVC的变化和青藏高原的调控影响北半球近地表的气候变化。结果表明位涡环流分析为建立热带和热带外大气环流变化的联系开辟了新的蹊径,有着广阔的应用前景。

江淮梅雨期持续性暴雨和极端强降水事件的位涡比较分析

基于我国气象台站观测降水数据和欧洲中期天气预报中心(ECMWF)第五代大气再分析资料(ERA5),从位势涡度(位涡)强迫垂直运动的角度,揭示了江淮梅雨期持续性暴雨和极端强降水事件的动力学机制及差异。基于改进的两种事件定义方法,识别出1979—2020年梅雨区共发生了24次持续性暴雨事件及24次极端强降水事件。事件合成分析表明,持续性暴雨事件最强雨带主要位于长江及其以南地区,而极端强降水事件最强雨带则位于长江及其以北地区。持续性暴雨事件与热带大气低频振荡密切相关,其中南亚高压偏东、西北太平洋副热带高压偏西,因而高空偏南的西风急流附近具有高值位涡的干冷空气向南和向低空入侵,在中低层与西南暖湿气流辐合并形成梅雨锋区。极端强降水事件更大程度地取决于偏北的西风急流南侧的高空辐散及位涡强迫的强冷空气。对于极端强降水事件位涡收支的定量诊断表明,在强降水达到峰值及之前,高层负的位涡倾向主要由负的垂直位涡平流所导致,而中低层正的位涡倾向则主要取决于垂直非绝热加热的位涡制造和垂直位涡平流。结合典型个例的垂直速度分解,进一步证实梅雨区上空水平位涡平流随高度增加的垂直分布激发的上升运动分量在极端强降水事件起着重要作用。

夏季南亚高压东-西振荡过程中青藏高原及周边上对流层水汽的分布和传输特征

夏季南亚高压的“双模态”分布对应着其中心位置在10~20天准双周时间尺度上的东—西振荡,对青藏高原及周边上对流层的水汽分布和传输有显著影响。本文利用夏季7~8月逐日的ERAI再分析资料,通过基于南亚高压东—西振荡指数的位相合成分析发现,当南亚高压呈青藏高原模态时,青藏高原(伊朗高原)地区上对流层水汽含量异常偏高(低),伊朗高原模态时则相反;伴随南亚高压中心位置由青藏高原向西移至伊朗高原上空,上对流层水汽含量正异常中心亦自青藏高原东侧向西逐渐传播到伊朗高原以西地区。进一步诊断表明,除了在青藏高原北侧和南侧水汽经向绝热输送异常有抵消作用外,两高原地区上对流层水汽倾向异常主要由水汽纬向绝热输送异常及其辐合辐散异常所贡献,而青藏高原地区对流活动引起的垂直非绝热输送异常在上对流层则主要与剩余项(水汽的凝结和蒸发)相抵消。因此,青藏高原(伊朗高原)上对流层为水汽含量正异常时对应着青藏高原上空的对流活动异常偏弱(强)。而南亚高压中心位置和上对流层水汽含量正异常中心自青藏高原向伊朗高原移动的过程,对应着青藏高原地区的对流活动异常和垂直向上的水汽非绝热输送异常不断增强,同时上对流层水汽凝结异常也不断增强。此外,南亚高压向西移动过程中,上对流层水汽绝热辐合(辐散)异常主要发生在其西(东)侧,这是造成水汽含量异常中心纬向传播的主要原因。

2021年7月河南极端暴雨事件的位涡诊断和精细化预报

2021年7月17~22日,河南省发生一次大范围极端暴雨事件。本文利用ERA5再分析资料,基于湿位涡和倾斜涡度发展理论对此次暴雨过程进行诊断分析,并考察高分辨率全球模式天机系统及欧洲中期天气预报中心业务预报系统对此次降水过程的预报能力。结果表明此次事件是中高—低纬系统相互作用、协同影响的结果。18~19日,来自中高纬度的高湿位涡沿倾斜的湿等熵面自对流层中高层向下入侵,降温和相对湿度增加,导致河南省西北部高涡度带的形成及对流层低层倾斜湿等熵面在河南省北部建立。20日受低纬台风的影响南风增强,沿倾斜湿等熵面的上滑运动增强,导致相对涡度迅猛发展,强降水发生。天机系统对此次强降水过程的预报能力较欧洲中期天气预报中心的业务预报系统好,能为业务部门提前发布预警信号提供科学支撑。湿位涡和倾斜涡度发展理论是暴雨的诊断及预报的有力理论基础,在再分析资料及模式预报数据中与降水强度、降水落区及雨带的移动均有很好的对应。

青藏高原影响亚洲夏季气候研究的最新进展

文中回顾了近 10a来吴国雄等在青藏高原影响亚洲夏季气候研究方面的最新进展。通过分析东西风交界面的演变证明 ,由于青藏高原的春季加热 ,亚洲季风区对流层低层冬季盛行偏东风转变为夏季偏西南风最早发生在孟加拉湾东部 ,与其相伴随的激烈对流降水出现在其东面。因此孟加拉湾东部至中印半岛西部是亚洲季风最早爆发的地区。同时也指出盛夏伊朗高原和青藏高原加热所激发的同相环流嵌套在欧亚大陆尺度的热力环流中 ,从而加强了东亚的夏季风 ,加剧了中西亚的干旱 ;并通过其所激发的波动对夏季东亚的气候格局产生重要影响。文中还比较了夏季南亚高压的伊朗模态和青藏模态性质的异同及其对亚洲夏季降水异常分布的不同影响。

青藏高原加热如何影响亚洲夏季的气候格局

从大气中的热力适应、局地尺度加热和大陆尺度加热的综合效应、高原地表的摩擦作用以及波动能源等不同角度 ,根据理论分析、资料诊断和数值模拟的结果 ,并通过与落基山和安第斯山的比较 ,回顾了青藏高原抬升加热影响亚洲气候格局的机理研究的近期进展。

副热带高压研究进展及展望

介绍了国家自然科学基金委员会九五重点项目“副热带高压形成和变异的机理”的研究成果。该项目的研究纠正了对副热带高压成因的若干传统认识,揭示了副热带高压脊线年际变化的新事实,发展了脊线这一东西风交界面的动力模型,建立了“全型涡度方程”、“热力适应”理论及“两级热力适应”模式,并通过模拟和资料诊断研究了各副热带高压单体的形成机制及其季节和年际变化,在西太平洋副热带高压变化的规律和机制的研究中得到了新的认识。

LASG全球海洋-大气-陆面系统模式(GOALS/LASG)及其模拟研究

该文扼要介绍了ＬＡＳＧ第一版本全球海洋－大气－陆面系统模式（ＧＯＡＬＳ／ＬＡＳＧ）的发展和结构，及其对气候平均态、季节变化和年际变化的模拟，以及近期发展计划．

关于亚洲夏季风爆发的动力学研究的若干近期进展

资料分析显示,与850hPa风场相比,地面风的变化能更好地表征亚洲各季风系统的特征。基于地面风的季节性反转和降水的显著变化所构建的亚洲夏季风(ASM)爆发指数和等时线图表明:亚洲热带夏季风(TASM)在5月初首先在孟加拉湾(BOB)东南部爆发后不是向西传播,而是向东经中印半岛向东推进,于5月中到达中国南海(SCS),6月初到达热带西北太平洋。印度夏季风的表面低压系统源于近赤道阿拉伯海地区,于6月初到达印度西南部喀拉拉邦,印度夏季风随之爆发。亚洲副热带夏季风(STASM)5月初在西北太平洋日本本州东南的海区发生后向西南伸展,于6月初与南海季风降水区连接,形成东北—西南向雨带,夏季风在中国东南沿海登陆,日本的"梅雨"(Baiu)开始。6月中该雨带向北到达长江流域和韩国,江淮梅雨和韩国的"梅雨"(Changma)开始。本文还回顾了亚洲热带夏季风爆发的动力学研究的若干近期进展。春季青藏高原和南亚海陆分布的联合强迫作用使海表温度(SST)在BOB中东部形成短暂但强盛的暖池,在高层南亚高压的抽吸作用下,常伴有季风爆发涡旋(MOV)发展,使冬季连续带状的副高脊线在孟加拉湾东部断裂,导致亚洲热带季风首先在BOB爆发。BOB东/西部有东/西风型垂直切变,利于激发/抑制对流活动,并增加/减少海洋向大气的表面感热加热,从而使得亚洲夏季风爆发的向西传播在BOB西海岸遇到屏障。季风爆发逐渐向东伸展引发南海和热带西太平洋夏季风相继爆发。季风降水释放的强大潜热使南亚高压发展西伸,纬向非对称位涡强迫显著增强;在阿拉伯半岛强烈的表面感热加热所诱发的中层阿拉伯反气旋的共同作用下,位于阿拉伯海近赤道的低压系统北移发展成为季风爆发涡旋,导致印度季风爆发。由此可见,历时约一个月的亚洲热带夏季风爆发的三个阶段(孟加拉湾、南海和印度季风爆发)是发生在特定的地理环境下受特定的动力—热力学规律驱动的接续过程。

影响我国短期气候异常的关键区:亚印太交汇区

围绕国家重点基础研究发展计划项目“亚印太交汇区海气相互作用及其对我国短期气候的影响”,介绍了“亚印太交汇区”(AIPO)的概念,从气候系统多圈层相互作用的角度,阐述了研究AIPO区海气相互作用的科学意义;在分析国内外海气相互作用影响气候研究发展动态的基础上,指出AIPO区是影响我国短期气候的关键区;研究AIPO区海气相互作用对我国短期气候的影响也是国民经济发展需要亟待解决的重要课题。介绍了项目拟研究的关键科学问题,指出该项目的最终研究目标为:揭示AIPO季节到年际尺度的海气相互作用特征,从而提出该关键区海气相互作用影响我国短期气候异常的理论框架,为改进东亚季风的季度—年际变化预测提供理论和方法。

青藏高原感热气泵影响亚洲夏季风的机制

本文回顾了二十年来关于青藏高原感热驱动气泵(TP-SHAP)及其影响亚洲夏季风的研究进展,并从能量(?)、位涡—加热(PV–Q)、和角动量守恒(AMC)的不同角度阐述其影响机制。指出高原斜坡上的表面感热加热改变了移向高原的大气质块的能量从而出现垂直抽吸的重要性。强调了高原加热产生的位涡强迫在近地层制造了强度大范围广的、环绕高原的气旋式环流,把丰沛的水汽从海洋输运到大陆,为季风对流降水提供充足的水汽条件。证明高原加热还通过改变其上空的温、压场的结构从而制造出高原上空近对流层顶的绝对涡度和位涡的最小值,在角动量平衡约束下,在亚洲季风区激发出与Hadley环流反向的季风经圈环流,从而为季风发生发展提供了大范围上升运动的背景。文中还对近年来有关青藏高原影响亚洲夏季风机制的讨论进行概述,并展望了未来的研究方向。

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显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外流,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盂加拉湾东部断裂,亚洲季风因而在盂加拉湾爆发。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?

溜砂坡的形成诱发因素及失稳破坏条件

通过对溜砂坡形成条件和诱发因素的分析,得出溜砂坡形成的3个必备条件是物质条件、地形条件和堆积条件;溜砂的主要诱发因素是地表水、地下水、河流冲刷、动荷载作用、风荷载作用、冻融作用、植物及人为因素。对溜砂坡砂样进行有关物理与力学试验,得出溜砂坡的粒度成分以中、粗砂和角砾为主;内摩擦角总体上是烘干状态大于天然状态,天然状态又大于饱和状态;粘聚力则呈现出天然时的大于饱和时的,而饱和时的又大于烘干时的规律。通过模型试验和理论分析,将双因素方差分析原理运用到砂粒粒径、含水量对溜砂坡天然休止角大小的影响分析中,结果说明这2种因素对溜砂坡天然休止角的影响都很大,并且含水量因素对天然休止角的影响,与砂粒粒径因素相比要大得多。运用线性回归理论对砂粒粒径、含水量、内摩擦角以及粘聚力等4个影响砂坡天然休止角的因素进行线性拟合,所得到的公式可用于天然休止角大小的估算。

定常态副热带高压与垂直运动的关系

文中利用NCEP/NCAR月平均再分析资料研究了定常条件下二维和三维空间上副热带高压与垂直运动的关系 ;比较了Hadley环流和副热带高压动力学的差异。结果显示由于地球自转 ,在副热带地区出现了最大的经向质量通量的辐合 ,导致了纬向平均副热带高压的形成。在热成风关系的制约下 ,除了在北半球夏季 ,通常副热带高压脊线随高度增加向赤道倾斜。Hadley环流的下沉支从对流层顶垂直地延伸到行星边界层。因此副热带高压脊线与该下沉支在自由大气中位置分离 ,年际变化反相 ;在行星边界层中摩擦耗散作用使两者重合 ,年际变化同相 ,但垂直运动对副热带高压的形成不起作用。三维空间上 ,沿行星边界层的副热带高压脊线处为下沉运动 ,副热带大洋东部强烈的下沉运动对应着强烈的向赤道气流。自由大气中 ,垂直下沉运动的分布与副热带高压的分布不同。大洋上副热带高压东部大气下沉 ,副热带高压西部大气上升。这一方面与等熵面的北高南低的倾斜分布在动力学上是一致的 ;另一方面还表明副热带高压的形成也与非绝热加热密切相关。总之 ,不论是在自由大气还是在边界层中 ,不能简单地把下沉运动看成是副热带高压形成的原因。

青藏高原极端天气气候变化及其环境效应

青藏高原气候变化敏感性强、幅度大,而极端天气气候变化是高原生态、环境变化的重要驱动因素。过去几十年高原气温增暖幅度明显大于全国平均值,高原绝大部分地区极端高温事件频次显著上升、极端低温事件频次显著下降,并伴随有风速和地表感热加热等气候要素的显著变化。高原极端天气气候事件以及相应的地表和大气热源变化会对高原周边区域天气气候产生重要影响。高原冬春季积雪、春季感热强度以及夏季高原低涡东移发展是东亚夏季风异常和旱涝灾害预报的重要指标,可影响到其下游地区的大气环流和中国东部的天气气候异常。为构建稳固的青藏高原生态屏障,深化对高原极端天气气候环境事件及其对周边区域气候变化影响的研究,建议国家加强高原上对流层—下平流层水汽和微量成分输送过程与机制的研究,加强高原湿地及其对周边区域气候环境变化的影响研究,以及加大投入灾害卫星监测和灾害预警系统的能力建设。

欧亚地形对不同季节大气环流影响的数值模拟研究

利用气候模式F-GOALS的大气谱分量SAMIL,设计了有、无欧亚地形的对比试验.通过分析其高度差异、流场差异、降水差异和温度差异得到欧亚地形对不同季节大气环流影响的特征.结果表明,欧亚地形对大气环流和气候的影响随季节变化而变化,基本可分为冬季型(11月～次年4月),夏季型(6～9月)及转化型(5月,10月),在中高纬高低层呈相当正压结构.冬季型高度差异以35°N和100°E为界,在北面呈西高东低,南面呈西低东高.夏季型在西太平洋地区为北高南低,在大陆上空为上正下负.850hPa流场差异场的冬季型在西太平洋北/南部为气旋式/反气旋式环流,在大陆上以'青藏高原(TP)偶极流型'为主要特征;夏季的副热带以环绕青藏高原的气旋性环流和西太平洋的反气旋环流为主要特征.地形强迫的冬半年'TP偶极型'加强了冬季西伯利亚冷空气活动,形成了江南的春雨和华南的早汛期降水.地形强迫的夏季流型形成了孟加拉湾-青藏高原中东部的强降水差异,使东亚降水向北伸展,并引起亚洲降水分布的调整.

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。

降水对热带海表温度异常的邻域响应──Ⅱ．资料分析

对最近１０年海表温（ＳＳＴ）的分析表明，东赤道太平洋（ＥＥＰ）及中赤道印度洋（ＣＥＩ）的ＳＳＴ存在显著正相关。西赤道太平洋（ＷＥＰ）及西北太平洋（ＷＮＰ）的ＳＳＴ也存在相关。流场和降水分析表明，当低空流场存在对ＥＥＰ正的ＳＳＴ异常响应时，也存在对ＣＥＩ正的ＳＳＴ异常的响应。前者位置偏东，对我国天气无直接影响；后者导致南方少雨，江淮多雨。在ＷＮＰ和ＷＥＰ海区ＳＳＴ异常的共同强迫下，我国南海及西太平洋出现低空反气旋式环流。由于其位置偏南，异常雨带位于华南，使我国华南多雨，江淮少雨。本文还用最近３８年的海温和降水资料对上述结果进行检验。资料分析证实了数值模拟的结果，即降水对热带海表温度异常的响应是一种邻域响应。

海陆分布对海气相互作用的调控和副热带高压的形成

首先回顾了近年来关于副热带高压形成和变异研究的若干动力学进展,阐明夏季副热带"四叶型"LOS-ECOD加热分布型的内涵。在此基础上研究海陆分布对海气相互作用的调控,揭示了"四叶型"加热形成的物理基础,并进一步阐明"四叶型"加热拼图及其与副热带高压形成和变异的联系。文章还回顾了关于副热带高压中短期变异的动力研究的最新进展。给出了影响中国江淮流域持续性降水的副热带高压三维结构的空间分布型;指出东西风带扰动的传播和高/低纬扰动的正压发展是影响副热带高压变异和中国夏季降水的一种可能机制,最后证明青藏高原夏季的强加热能激发纬向非对称不稳定发展,产生南亚高压的东/西部型双模态及准双周振荡。还证明初夏低纬的强对流降水/台风也能激发纬向非对称不稳定发展,影响西太平洋副热带高压异常和中国淮河流域的持续性降水。