大气斜压性与入海江淮气旋发展的个例研究

在详细分析 1 990年、1 993年 6月两个东海气旋入海发展的大尺度环境条件的基础上 ,利用倾斜涡度发展理论 (SVD)建立了风垂直切变与垂直涡度的联系 ,并进行了分析和验证 .结果表明 :在气旋入东海发展初期 ,其所在区域风垂直切变的增强有利于气旋发展 .另外 ,对高空急流与气旋发展的关系进行了探讨 ,伴随气旋发展高空西风急流强度有所增强 ,在气旋整个生命期中气旋位置有从高空急流入口区的南侧向出口区的北侧移动的趋势 .

Global trends of tropopause folds in recent decades

对流层顶折卷是平流层-对流层物质交换的主要机制.本研究采用三维标记方法,利用1979-2020年间的ERA5再分析数据,分析了对流层顶折卷的时空变化特征及机理.研究结果表明,全球对流层顶折卷的多年变化趋势存在明显的季节性和区域性差异.总体上,对流层顶折卷呈增加趋势,其中北半球的春季,夏季和冬季,对流层顶折卷主要沿副热带急流区呈现明显增加的趋势.进一步分析表明,对流层顶折卷发生频率的增加与大气斜压性增大导致的锋生增强有关,而经向位温梯度的增大使得次级环流增强,也可能促进了对流层顶折卷活动的增多.

2006年6月北大西洋上热带风暴Alberto变性后爆发性发展机理分析

本文利用欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)的ERA5客观再分析资料、气象卫星合作研究所(Cooperative Institute for Meteorological Satellite Studies,CIMSS)提供的红外卫星云图资料,对2006年6月14~20日发生在北大西洋上的一个爆发性气旋进行分析。该气旋由热带风暴阿尔贝托(Tropical Storm Alberto)变性后发展而来,是2000—2016年的17个夏季(6、7和8月)发生在北大西洋上的中心气压加深率最大的爆发性气旋个例。该气旋的演变过程可划分为初始、发展、成熟和衰亡四个阶段。本文旨在分析气旋演变过程中的云系特点、气旋爆发前后的高低空环流形势和高低空相互作用。分析显示,低层强烈的温度平流导致的大气斜压性是利于气旋发展的重要环境条件;500 hPa槽前的正涡度平流可为气旋发展提供动力强迫;高层异常PV的下传对气旋发展有促进作用;潜热释放(Q2/CP)主要位于对流层的中低层,这有利于气旋发展。利用Zwack-Okossi方程进行诊断分析发现,在该气旋发展过程中绝对涡度平流项和非绝热项的贡献为正,且非绝热加热对气旋快速发展的贡献最大,而温度平流项和绝热项对气旋发展起阻碍作用。

秋季ENSO与IOD对东亚副热带西风急流的协同影响

利用美国国家环境预测中心/国家大气研究中心1979-2020年的再分析资料、Ni?o3.4、印度洋偶极子(IOD)和副热带西风急流(SWJ)指数,研究秋季厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)和IOD对SWJ的协同影响及其机理.秋季SWJ强度、位置与ENSO和IOD存在显著相关,急流强度指数与Ni?o3.4和IOD指数的相关系数分别为-0.32和-0.31;急流轴指数与Ni?o3.4和IOD指数的相关系数分别为-0.75和-0.34,即当ENSO和IOD位于正(负)位相时,SWJ减弱(加强),急流位置偏南(北).ENSO和IOD事件对SWJ具有协同影响,表现为ENSO和IOD暖位相或冷位相会同时发生,且ENSO和IOD暖事件或冷事件共同发生时对SWJ的影响较其单独作用有放大效应,即当ENSO和IOD正(负)位相共同发生时,SWJ减弱(增强)幅度更大.ENSO和IOD事件可通过大气斜压性和Hadley环流影响SWJ.当ENSO和IOD正事件共同发生时,200~500 hPa处的经向气温梯度出现负异常,纬向风速随高度增加增大得更慢,使SWJ减弱;Hadley环流在不同ENSO和IOD事件协同影响下也有所不同,相较于ENSO和IOD处于正位相,当La Ni?a和IOD负位相共同发生时,Hadley环流上升支的强度更强且上升位置更高,携带更多地球角动量进入SWJ,使急流加强.

2004年11月南大洋上一对气旋的结构分析

利用各种观测资料,包括美国国家环境预报中心发行的FNL(Final Analysis)资料和GOES-9(Geostationary Operational Environmental Satellite)红外卫星云图资料,对2004年11月15日至25日中国"雪龙"号南极科学考察船穿越南半球西风带时对其影响最大的一对气旋M和N进行了研究.首先对天气背景进行了介绍,并利用FNL资料和卫星云图对气旋对的演变过程进行了描述,最后对这对气旋的垂直结构进行了分析,发现气旋M具有明显的暖心结构,斜压性较弱,而气旋N有不太明显的暖心结构,在其上空有明显的螺旋云团,斜压性较强.

2008年初武汉冰雪天气过程特征研究

利用实况观测资料和NCEP再分析资料对2008年初武汉市4次冰雪天气过程特征进行分析。结果表明:700—850hPa的逆温与850 hPa以下层次的冷垫是该区降雪发生与维持的有利条件,700 hPa切变线偏在850 hPa切变线北方,风的垂直切变表明大气具有明显的斜压性,较高层次强大的西南气流在较低层次冷垫上输送大量暖湿空气。本区18日20时—19日20时暴雪发生时有较强的上升运动和较大的西南水汽输送与水汽辐合,最大西南水汽输送与水汽辐合的层次比一般暴雨过程要高,高层惯性不稳定、中层对流不稳定等均为暴雪发生的有利条件。

冬季东亚-西太平洋西风急流基本结构及其异常的诊断分析

利用ECMWF再分析资料ERA40中的逐月风场和温度场资料,对冬季位于东亚-西太平洋上空的西风急流(WJS)基本结构和异常特征进行了分析。结果表明,一年当中最为强盛的冬季200 hPa WJS主体稳定地分布于东亚至西太平洋上空,向上向下均迅速减小。在对流层中高层,从东亚沿海到太平洋上空的西风系统较为深厚,低层对应着显著的大气斜压区。通过对东亚-西太平洋地区冬季200 hPa纬向风异常的EOF分解得到三种异常空间分布型,第一模态的中纬度西风异常主要发生于日界线以东的中东太平洋上空,第二、三模态则分别对应WJS主体发生增强/减弱和位置的北/南移动。WJS的这三种空间异常形态与中纬度低层大气斜压性的三种异常分布型相对应。通过对冬季WJS长期趋势的初步分析发现,近二十年来,洋面上空西风急流有增强趋势,这是由于急流轴南侧洋面上空大气存在显著增暖趋势、而急流轴北侧洋面上空却有变冷的趋势所造成的。

北半球冬季阻塞环流与NAO之间的关系

首先根据Oman关于北大西洋涛动(NAO)指数冬季平均值的年际变化挑选出强NAO年,然后利用NCEP/NCAR逐日再分析资料,分析了在强NAO年北半球冬季阻塞发生频率和生命期的统计特征,最后通过对强NAO年大气斜压性进行冬季气候平均,合成得到了三个区域(北大西洋、欧洲和北太平洋)对流层平均大气斜压性随纬度的分布情况。结果发现:北大西洋在NAO负位相时下游阻塞发生频率更高,持续时间更长;NAO正位相则有利于欧洲长生命阻塞的发生和维持;北太平洋阻塞在NAO负位相发生频率明显更高,在NAO正位相阻塞的平均持续时间更长。大气斜压性随纬度的分布与阻塞的发生有较好的对应关系,过强的大气斜压性会抑制阻塞的发生。

北半球冬季高空西风急流环路“闭合-断开”的年际振荡及其影响机制

本文利用1979—2018年的200hPa纬向风月数据,从北半球高空急流轴的纬度-频率分布出发,定义了高空西风急流环路(High Jet Circuit,HJC)和HJC活动区。研究结果表明,冬季北半球HJC为环绕地球中纬度一圈的窄而强的风速带,在大西洋上空不闭合,类似于环路中的“开关”。其年际变化表现为HJC“闭合-断开”振荡,当振荡为闭合(断开)位相时,大西洋上空HJC“开关”的左(右)两支急流分别南(北)移和减弱(增强),同时HJC在欧亚大陆略南(北)移,在太平洋增强(减弱)。HJC的“闭合-断开”年际振荡受厄尔尼诺型海温以及高纬欧亚大陆和格陵兰岛东西偶极子型热力异常强迫的影响。厄尔尼诺(拉尼娜)型海温异常通过激发太平洋-北美型大气遥相关异常环流及影响天气尺度瞬变涡,使HJC在太平洋上空增强(减弱),HJC“开关”的左支急流南(北)移,使HJC“开关”趋于闭合(断开)。格陵兰岛和欧亚大陆北部的正-负(负-正)异常加热分布与北大西洋涛动(NAO)负(正)位相时北极地区的异常反气旋(气旋)环流造成的冷暖平流异常有关,而NAO负(正)位相的中纬度异常环流通过影响西风急流南压(北抬),使HJC“开关”趋于闭合(断开)。这两种机制的共同影响形成了北半球HJC“闭合-断开”的年际振荡。

陆面热力异常与东亚夏季中纬度气旋年代际变化的联系

基于欧洲中期预报中心的再分析数据ERA-interim,利用统计学方法分析了1979—2013年期间东亚中纬度地区气旋生成频率和陆面热力异常的年代际变化及两者的可能联系。结果表明,东亚中纬度地区存在气旋活动频繁的气旋源地,该地区的温带气旋生成频率具有明显的年代际变化,1990年之前气旋生成频率偏多,1990s至今偏少,而且东亚中纬度地区陆面热力异常的变化有明显的年代际增暖信号;进一步的分析发现,东亚夏季中纬度气旋活动的年代际变化与陆面异常异常之间存在密切的联系,东亚中纬度地区陆面年代际增暖,是引起温度气旋活动年代际减弱的一个重要原因。由于陆面增暖的非均匀性,在50°N以北存在一个影响中纬度气旋生成频率的关键区,关键区陆面的年代际异常增暖,导致气旋源地温度经向梯度减弱,大气斜压性随之减弱,从而使得气旋生成频率年代际减少。

南半球风暴轴对冬夏季中纬度海温异常的响应特征

利用HadISST(Hadley Centre Global Sea Ice and Sea Surface Temperature)和20CRv2(Twentieth-Century Reanalysis dataset version 2)数据集,对1951—2000年南半球中纬度海表面温度(Sea Surface Temperature;SST)进行了经验正交函数分解(EOF),结合回归分析方法,分析了南半球风暴轴对冬夏季中纬度海温异常的响应特征。结果表明:南半球夏季SST第一模态表现为三极子型,南大西洋、南印度洋和南太平洋的SST暖异常能够使对流层低层涡动活动增强,体现在850 hPa涡动热量极向热通量增加,其最大值出现在南太平洋西部。南半球冬季SST第一模态表现为在南大西洋、南印度洋分布暖异常,在南太平洋中西部出现弱偶极子型SST异常,分别能够在局地增强和减弱对流层低层涡动活动,体现在增强和减弱,其大值区出现在南印度洋。进一步对大气斜压性和斜压能量转换的诊断结果表明,上述中纬度海温异常的存在能导致对流层低层出现一致性的斜压增强(减弱),进而加强(削弱)大气涡动活动。

北太平洋风暴轴对黑潮延伸体系统变异的响应及其能量转换机制

西北太平洋纬向扰动海温经验正交函数(EOF)分解第一和第三模态、第二和第四模态分别代表同期黑潮延伸体和亲潮强弱的配置关系,将两者的典型位相合成,可以分别得到延伸体收缩和扩张状态时的典型模态海温,本文以此及气候态海温作为初始海温强迫场,利用CESM1.2.0模式,讨论了延伸体的系统变异对北太平洋风暴轴的影响及其在不同能量转换过程的主要影响机制,结果表明,延伸体收缩状态下,北太平洋风暴轴强度整体加强,而扩张模态下强度减弱。空间分布上,收缩模态下,风暴轴主要体现为经向方向的变化,中心及其以北强度加强,中心以南减弱;扩张状态下,则主要表现为纬向方向的差异,中心及以西强度减弱明显,中心以东有所增强。对能量转换的诊断分析表明,正压能量转换过程对涡动动能的变化贡献很小,且在风暴轴中心附近,其作用主要为消耗涡动动能,延伸体收缩状态下其消耗作用增强,而扩张状态下消耗作用减弱,这一差异主要是由于不同海温异常强迫下瞬变涡旋的形变不同造成;斜压有效位能释放比正压能量转换大一个量级以上,该过程几乎全部通过基流的经向温度梯度和经向涡动热量输送的相互作用完成,在这一过程中大气斜压性(经向温度梯度)起了关键性作用,大气斜压性异常、基流经向温度梯度异常、斜压有效位能释放异常与风暴轴异常的空间分布均具有较好的对应关系,该过程可能也是延伸体海温异常影响北太平洋风暴轴的主要物理过程;涡动有效位能需要进一步转换为涡动动能才能产生瞬变涡旋运动,涡动有效位能释放的量级与斜压有效位能的释放相当,但数值要小,这一过程通过冷暖空气的上升下沉运动完成,延伸体异常模态下,扰动垂直速度和扰动温度的负相关性的变化与涡动有效位能向涡动动能转换的变化也有较好的对应关系。

边界层低空急流导致北京PM_(2.5)迅速下降及其形成机制的个例分析

2015年3月17日18：00-23：00北京地区的PM2.5质量浓度快速下降,在此期间并未出现与冷空气活动相伴的强偏北风.本研究分析了导致空气质量迅速改善的原因,结果表明边界层急流起着关键的作用.随着边界层内偏南风速增大,大气的通风量增大,污染物浓度降低.急流发展也加大了边界层内水平风的垂直切变,从而导致湍流增强和混合层增厚.此外,3月17日20：00在混合层顶附近出现气旋性地转涡度,Ekman抽吸的方向为垂直向上,于是底层的污染物就被带到高空并随强劲的西南风输送到下游.边界层急流的发展与惯性振荡和大气的斜压性有关.