中高纬度大气遥相关动力学及其对东亚冬季气候影响的研究进展

北半球热带外大气存在多种形态的大气遥相关。按其空间结构,可以分为两类:(1)异常中心为南北分布的偶极子型(例如北大西洋涛动、北太平洋涛动);(2)异常中心呈波列型(例如北太平洋/北美型遥相关、欧亚型遥相关)。这些遥相关活动及其变异,不仅对遥相关控制的地区,而且对与遥相关相距很远的地区的天气和气候也产生影响。研究大气遥相关的形成机理及其天气气候影响,是进行短期气候预测的基础。近十多年来北半球中高纬度的大气遥相关动力学研究取得很大进展,在此对一些主要进展进行总结,特别关注影响中国天气、气候的大气遥相关及其影响机理方面的研究进展。

1998年夏季北半球斜压波活动与长江流域洪涝灾害分析

对流层上层的斜压波、高空槽对天气的变化有重要的影响 .1998年夏季我国出现了大范围的天气异常 ,在长江流域发生了 2 0世纪第二大的全流域性洪水 .分析了 1998年夏季北半球的西风急流、风暴轴、以及对流层上层的斜压波活动与气候平均情况的异同 ,并揭示了1998年夏季北半球斜压波活动传播的主要区域、斜压波活动的持续性、斜压波向东传播的速度以及斜压波传播时所具有的明显的下游效应 .1998年夏季北半球的波包次数共有 11次 ,与夏季气候状况相比属于正常偏多 ,其中 5月和 8月的波包活动次数稍多 .但更为明显的一个特点就是在 7月中旬到 8月上旬大西洋 -欧洲的斜压波包活动比往年集中频繁 ,而且持续时间偏长 ,为造成我国异常梅雨天气和长江流域洪涝灾害的乌拉尔阻塞高压的发展和维持提供了能量支持 ,同时为长江流域以及同期我国东北的大范围降雨提供了有利的水汽输送条件 .最后分析了地面气旋生成与斜压波、高空槽之间的联系 ,指出在大多数向东发展的高空槽的槽前 。

各层北半球环形模态异常与地面大气温度的关系研究

文中研究了不同气压层的北半球环形模态异常时,与之相应的北半球地面大气温度的变化及其月际变率特征。为衡量温度变化的程度,使用偏最小二乘回归方法定义了一个新的耦合指数。该指数定义为对地面气温距平场和北半球环形模态指数做偏最小二乘回归分析的第1主分量。分析表明,该指数可以较准确地表现出北半球环形模态异常时相应的整个温度场变化程度。通过该指数序列分析和环形模态异常时地面气温合成分析,比较了处于不同气压层面的北半球环形模态异常与地面大气温度异常的不同关系。(1)不同层面的北半球环形模态异常与同时期的地面温度关系比较:1月对流层中高层的北半球环形模态异常与1月地面温度异常关系最密切,密切程度超过其他气压层的北半球环形模态异常,与2月地面温度关系较显著的是1月平流层低层的北半球环形模态异常;(2)环形模态异常与地面气温耦合关系的月际变率分析结果:1月位于对流层中高层的北半球环形模态异常与1月地面气温耦合关系最强烈,与其他各月地面气温的耦合逐月递减,4月之后变得不明显;1月平流层低层的北半球环形模态异常除了与1月气温关系密切外,还与2、3月地面气温关系密切,4月之后不明显。

强迫耗散作用下的Rossby包络孤立波及其相互作用

本文讨论了强迫和耗散对ＲＯｓｓｂｙ包络孤立波的影响，得到了在强迫和耗散共同作用下，当准共振条件和锁相条件满足时，包络孤立波从外场那里获取能量来克服耗散并形成稳定的锁相包络孤立波。本文还研究了在强迫和耗散作用下两个包络孤立波的碰撞相互作用，发现在某些参数下，两波碰撞后性质变化不大，而在另外一些参数下，碰撞后两波性质显著改变。

临界层理论研究的进展

平行切变流的临界层一般分为三类:粘性临界层、非线性临界层和非定常临界层。本文对这三种临界层理论及其最新发展作了较为详细的介绍。

大气Rossby波动力学的研究进展

Rossby波是旋转大气和海洋中的一类重要波动,在天气和气候演变中起有重要的作用。该文介绍了北半球中纬度地区的两类重要Rossby波——斜压不稳定波和准定常行星波,在最近20余年来取得的一些重要研究进展。文中涉及的主要研究领域有:斜压不稳定波包动力学、湿斜压过程对斜压不稳定波的作用、北半球风暴轴动力学、斜压波包与高影响天气的预报、准定常行星波的形成机理、准定常行星波的水平传播与能量频散、准定常行星波的垂直传播与能量频散、三维准定常行星波的传播与能量频散。

非线性Rossby波及其相互作用Ⅱ.周期波动解及其稳定性

在正压流体中,两个相互作用的非线性Rossby波满足一耦合的非线性Schr(?)dinger方程组。文献[1]研究了此方程组的包络孤立波及其碰撞相互作用解。本文对比方程组的周期波动解及其稳定性进行了研究,得到了有关稳定和不稳定的判据。

地球物理流体中的非线性Rossby波(英文)

本文利用半地转近似和运行波方法研究了地球物理流体(大气和海洋)中的非线性Rossby波,它们满足KdV方程.

北极涛动对我国冬季同期极端气温的影响研究

使用1955～2004年1月500 hPa高度场和同期我国107个测站最高和最低气温的逐月资料,计算极端气温与北极涛动指数的相关矩场,并对此相关矩场进行经验正交函数分析来研究我国最高和最低气温对北极涛动响应的年际变化。北极涛动指数定义为1月500 hPa标准化高度场经验正交函数分解所得到的第1时间函数。研究过程中对北极涛动一般年份和异常年份两种情况进行比较分析。研究发现北极涛动指数的正负极端异常年份,对我国冬季同期最高和最低气温有十分明显的影响。我国冬季最高气温响应主要表现地域是长江中下游、华北和河套地区,最低气温的响应主要表现地域是东部沿海和长江黄河上游地区。同时分析了不同年份冬季极端气温对于北极涛动响应的不同形势。

考虑β变化下的Rossby波

本文考虑了Rossby参数β随纬度的变化并引进了γ参数γ≡-dβ/dy=2Ωsin(?)/a^2.同时把β平面近似扩展为含γ参数的近似:f=f_0+β_0y-γ_0y^2/2.这就更接近实际,特特是在较高纬度地区.本文着重研究了γ参数对Rossby波的作用.研究指出:γ参数在较高纬地区有较强的作用.它可以形成纯γ参数所产生的Rossby波,并给出了在一般情况下的包含β变化的Rossby波相速公式,它在γ_0=0时退化为著名的Rossby公式.研究还指出:考虑了β的变化,即便基本气流(?)是y的线性函数也可以出现不稳定,但γ参数通常对Rossby波起稳定的作用.而且,它影响Rossby波的经向尺度和等位相线的结构,但都减缓Rossby波的增长或衰减.

Ertel位涡和非线性对称不稳定性问题

本文应用Lagrange质点理论对大气中对称运动方程进行了简化,在此基础上进一步利用分岔和突变理论分析了环境地转风为非线性分布的情况下,Ertel位涡在非线性对称不稳定中的作用,并得到了一些有意义的结果。

北半球冬季风暴轴与ENSO循环的关系及其能量平衡特征

利用欧洲中期天气预报中心的再分析资料,分析了北半球冬季对流层上层300hPa面上风暴轴与ENSO循环的关系以及风暴轴的能量平衡特征。研究表明,由于ElNio年北太平洋的哈德莱环流增强,导致北太平洋西风急流向赤道和向东伸展,进而引起了北太平洋风暴轴的增强并向赤道和向东伸展;而LaNina年事件期间情形正好相反。在北大西洋,ElNio年其西风急流中心最大值有所减小,但整个西风急流区域有所扩大并向西和向赤道伸展,相应北大西洋风暴轴强度在ElNio年也有所减弱并向西和向赤道方向伸展;LaNina事件的情形正好相反。能量分析表明,斜压转换的正值中心位于风暴轴及其上游区域。在ElNio年,北太平洋斜压转换的正值中心向赤道和向下游伸展,而北大西洋斜压转换的正值中心向赤道和向西伸展,这与北太平洋风暴轴和北大西洋风暴的变化趋势是一致的。行星尺度扰动对斜压转换的贡献比天气尺度扰动的贡献要小,而行星尺度-天气尺度扰动的相互作用项对斜压转换的贡献更小。研究还表明,能量正压转换的正中心位于风暴轴的上游,负中心位于风暴轴区域。相对于LaNina年,ElNio年北太平洋东部的正压转换负值中心偏北,北美的正值中心位置偏南,而北大西洋的负值中心强度减弱范围变小。这些变化与从LaNina年到ElNio年北太平洋和北大西洋风暴轴的变化是一致的。在能量的正压转换过程中,天气尺度扰动的贡献要大于行星尺度扰动,而行星尺度-天气尺度扰动的相互作用项的贡献更小。

GCM模式中斜压波包的动力学特征

利用时间滞后相关和波包的复分解方法 ,分析了GCM模式资料 30 0hpa的经向风扰动。计算了波包的波长、波数、相速和群速等物理量 ,揭示了波包的基本动力学特征。斜压波包的波长为数千公里 ,相速为 10m s左右。波包包络的传播速度为相速的 2～ 3倍 ,下游发展仍是斜压波包的主要特征。同时 ,斜压波包在传播过程中显示出较好的相干性 ,即波包的包络能较长时间内维持其形状不变。详细分析了波包性质的季节变化和南北半球的差异 ,并将模式资料的结果与实测资料做了比较。

一个新的Ekman泵公式在大气边界层Ekman垂直速度计算中的应用

利用GCM模式资料和Tan最新得到的具有复杂边界的层结大气边界层的Ekman泵公式 ,计算了大气边界层顶的Ekman垂直速度。结果表明 ,除青藏高原外 ,一般地区的大气边界层顶垂直速度的量级为每秒零点几厘米。在青藏高原地区 ,大气边界层顶的垂直速度可达每秒几厘米的量级 ,其分布类型在冬季和夏季显著不同 ,与该地区的盛行风系紧密相关。将新的Ekman泵公式的结果与经典的Ekman泵公式的计算结果进行比较 。

南半球夏季长生命期斜压波包的观测研究

利用Hillbert变换和NCEP/NCAR再分析资料,研究南半球夏季长生命期的斜压波包的结构和传播特征。结果表明,波包位相速度平均为11.2°/d,波包的包络传播速度(群速度)平均约为25.4°/d,群速约为相速的2.3倍。波包的位相垂直分布在波包发展阶段、成熟时期和衰减阶段是不同的。在发展阶段,波包位相在对流层低层西倾;对流层低层至高层波包位相随高度是近于垂直的;在对流层高层,其位相又开始西倾。在波包成熟阶段,在对流层低层仍然是西倾,对流层中低层以上其位相近于垂直。在波包衰减阶段,其位相在整个对流层都是近于垂直的。波包传播过程中其能量随时间变化比较复杂。有时波包呈现出一次“增长-成熟-衰减”过程,但有时却呈现出多次“增长-成熟-衰减”过程。

气象学研究的最新进展

综述了气象学的三大领域———大气动力学、数值天气预报和气候学在 2 0世纪的研究进展。在大气动力学领域 ,主要介绍了非绝热波和大气低频动力学、湍流的频散效应和大气非线性波动等方向的研究进展。在数值天气预报领域 ,回顾了它的发展历史和研究现状并预测了它的未来发展方向 ;同时也对中国数值天气预报目前使用的一些主要模式进行了介绍。在气候学领域 ,主要综述了中国气象学家对中国过去 5 0 0年和更长时间尺度上的气温变化特征和近 5 0 0年中国旱涝分布特征和演变规律以及东亚季风研究的一些新进展。

行星波的五波共振相互作用

本文将二层模式中的三波共振推广到五波共振，推得了五波共振时其振幅所满足的方程组，该方程组的解可用Ｊａｃｏｂ；椭圆函数表示。

层结切变流中的Rossby波的稳定度

Rossby波的稳定度问题是大气动力学的中心问题之一,这方面的研究工作已有很多。早期,文献[1-4,9]采用标准波型法对此问题作了开创性的研究,得到了许多重要结论。如,有关不稳定的判据,稳定波和不稳定波的结构,以及它们对维持大气环流所起的作用等。近些年来,文献[5—8]应用WKB方法和波包波作用量概念研究了缓变介质中的Rossby波的发展演变问题。

Propagation of Envelope Solitons in Baroclinic Atmosphere

The propagation of finns amplitude baroclinic wave packets in the two-layer model is investigated by using the multiple-scale method.It is shown that the propagation of the wave packets can be described by the so-called unstable nonlinear Schrodinger equation which possesses envelope soliton solutions.The speeds of the solitons are independent of their amplitudes,while the width of the solitons is directly proportional to their speeds but inversely proportional to their amplitudes.

Monthly Changes in the Influence of the Arctic Oscillation on Surface Air Temperature over China

Partial Least Squares Regression （PLSR） is used to study monthly changes in the influence of the Arctic Oscillation （AO） on spring, summer and autumn air temperature over China with the January 500 hPa geopotential height data from 1951 to 2004 and monthly temperature data from January to November at 160 stations in China. Several AO indices have been defined with the 500-hPa geopotential data and the index defined as the first principal component of the normalized geopotential data is best to be used to study the influence of the AO on SAT （surface air temperature） in China. There are three modes through which the AO in winter influences SAT in China. The influence of the AO on SAT in China changes monthly and is stronger in spring and summer than in autumn. The main influenced regions are Northeast China and the Changjiang River drainage area.