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 。

β平面上斜压波热力结构特性的实验研究

首次用转环实验模拟方法研究了β效应对斜压波热力结构的影响：发现β效应有抑制流动的水平混合和垂直混合的作用，使流动趋于正压；β平面上急流随高度降低而减弱，在急流的内外两侧各有一个无量纲温度值分布的突跃区，它们的空间结构与大气环流中的极锋锋区和北极锋锋区的结构相似．

径向温度梯度对β平面上斜压波热力结构影响的实验研究

本文用转环实验模拟方法研究了径向温度梯度对 β平面上斜压波热力结构的影响。结果表明在转速相同的条件下 ,三波态流动对应的径向温度梯度比四波态流动的大 ;在三波态下 ,冷流团势力强 ,急流向暖区推进 ,无量纲温度值跃变区深厚 ,流动表现为静力稳定 ;而在四波态下 ,冷流团势力减弱 ,急流向冷区收缩 ,无量纲温度值跃变区被抬升 ,低层表现为多小尺度运动。

纯斜压基流上斜压波的发展和锋生过程

利用地转动量近似和水平坐标变换建立的三维半地转方程,讨论了具有均匀位涡的基态流上非线性斜压扰动的发展和锋面的形成过程。计算结果表明,对于纯斜压流,斜压波的发展既取决于初始扰动,也与基流的垂直切变有关,垂直切变越大,斜压波增长越快。不同的基流.扰动有不同的增长率。对于某个确定的基流,斜压波在各个时刻的特性仅取决于初始扰动。斜压扰动发展到一定程度,形成大的风速和等温线密集区,即产生锋。

边界层摩擦和地形对斜压波不稳定性的影响

本文用新的边界层顶垂直速度参数化方案研究了当地形和边界层摩擦同时存在时二者对Eady波不稳定性的影响,得到了边界层层结、地面粗糙度、地形坡度的影响,还研究了摩擦和地形对一般化Eady波不稳定性的影响。

旋转流体斜压波三维温度结构实验研究

实验研究了负径向温度梯度下转坏系统中斜压流体的对流运动，获得了该系统中旋转流体斜压波的一般特征，通过对斜压波温度场多层次细网格测量，得到了斜压波三维温度结构和表面波状急流的温度分布，并就波－波转换的不稳定性问题作了初步分析．

夏季东亚副热带西风急流高频斜压波波包分布特征

利用1960—2015年NCEP全球再分析日平均资料和我国2426站20时日降水量资料,采用Morlet小波分析方法和波包传播诊断分析方法,研究了夏季(6—8月)东亚副热带西风急流的窄带信号和高频斜压波波包分布特征及其与夏季我国东部典型雨季的对应关系。结果表明:(1)滤除30d尺度以上变化后的夏季多年平均EASJ表现为显著的3～7d高频窄带信号,该频域涵盖了华南汛期2～4和5～7d、江淮梅雨季5～7d以及7月下旬至8月北方暴雨的2～4和6～8d的高频窄带信号,反映了夏季窄带信号的阶段性变化及其与我国东部典型雨季的对应关系。(2)与东亚副热带西风急流相对应的3～7d高频斜压波波包大值带呈准纬向分布,代表强扰动区域,即急流带超地转强西风切变的动力不稳定区;波包低值区与南亚高压相对应,代表弱扰动区域,即弱风均压稳定区。进一步分析江淮梅雨季高频斜压波波包的分布特征表明,分别位于中纬度和高纬度的两条5～7d高频斜压波波包带和高值区与影响江淮梅雨降水的斜压能量频散波导和关键区高能值有很好的对应关系。(3)与副热带西风急流相对应的位于40°～55°N的3～7d高频斜压波波包带活动主要表现为经向位移和强度变化,其经向位移呈现先南落后北抬再波动的特征,强度表现为逐渐减弱而后加强的变化趋势。高频斜压波波包纬向分布变化以纬向风中心值位置突变为转折点分为两个阶段,表现出明显不同的波包分布特征。第一阶段有两个波包大值区,分别为黑海至里海地区和我国东北至日本岛地区;第二阶段有三个波包大值区,分别为黑海至里海地区、巴尔喀什湖西侧以及我国东北至日本岛地区,其中巴尔喀什湖西侧3～7d高频斜压波波包扰动对我国东部降水有重要贡献。

地表拖曳对斜压波地面锋生的影响

利用三维非静力中尺度数值模式MM5模拟了干湿大气条件中纬度典型斜压波及其锋面系统的生成与演变过程,重点讨论地表拖曳对干、湿大气中地面锋结构、锋生过程的影响作用.研究结果表明,在干大气中,地表拖曳力对地面锋锋生具有双向作用,一方面是锋消作用,主要体现在地表拖曳力减慢地面锋锋生、地面斜压波系统发展;另一方面,地表拖曳力导致强的非地转流形成,从而延长了冷锋锋生过程维持时间,有利于冷锋强度增大.同时地表拖曳力可以造成边界层内锋面近乎垂直于地面,导致锋前垂直运动增强,这些结果进一步推广了谈哲敏和伍荣生的理论结果.在湿大气中,地表拖曳过程对锋面雨带分布有重要的影响作用,地表拖曳力可减缓对流上升,从而导致地表能量的耗散减缓.当大气低层湿度较小时,对流不是很强,地表拖曳力可减缓地表水汽、能量的迅速耗散,且在锋后边界层中产生摩擦辐合上升区,这些上升区可逐渐东移到冷锋前,补偿了锋前上升带的强度,有利于冷锋降水的维持.当大气低层湿度场很强时,对流发展比较旺盛,此时地表拖曳对低层水汽与能量的束缚作用相对较弱,相应地表拖曳对锋面及其降水系统影响较小.

斜压大气波动准共振与中高纬低频振荡

从准地转两层模式出发，可能产生两种情况准共振：（１）纯正压波；（２）两个斜压波和一个正压波。本文对（２）求得准共振三波振幅的解析解和波能量变化周期的近似式。此近似式和数值计算结果两者都表明，斜压情况能量变化周期比正压情况更容易趋于准共振频率偏离Δω自身周期，从物理上指出，波的位相与波振幅之间存在着一个反馈机制，由正压波与斜压波之间的慢变相差引起的动能与有效位能的互相转换，形成了正压波和斜压波交替增强和减弱的低频振荡，其振荡周期与上述近似式一致。当Δω～（０．１－０．０２）。（ωｊ）时，平均能量周期为１２－４３ｄ，而当Δω＝０时，平均周期为３６６ｄ．因此，频率偏离Δω出现仍可能是产生料压大气中高纬低频振荡的一种新的重要机制。

第一斜压Rossby波在大洋传播中的调整

利用全球气候平均态的1°×1°的温度、盐度资料,根据Sturm-Liouville本征值理论,得到全球1°×1°的第一斜压Rossby变形半径λ1。根据层结流体中线性自由Rossby波理论,可知第一斜压Rossby波位相速度为βλ21,故由全球各个大洋海盆的宽度可得到第一斜压Rossby波在各大洋海盆中从东边界传到西边界的时间。由于第一斜压Rossby波在高纬海区传播非常慢,而南极绕极海区又是最宽的海盆,所以第一斜压Rossby波在此海区的调整时间最长。在简单的线性自由Rossby波理论下,南极绕极通道是全球Rossby波调整的控制海区。

斜压气流中波包的演变及其对外压不稳定波的激发

把斜压气流中的短波槽看成波包，并把波包作为准地转模式的初值进行研究，发现波包的结构对其演变有重要影响，初始阶段急流轴下面向西倾斜的波包能够获得较快的发展，而向东倾斜的波包则是衰减的，这与ＷＫＢＪ方法得出的结论［１］是一致的，但是无论西倾还是东倾的波包，除了其自身随时间的演变外，还会激发出斜压不稳定波动，而且随着扰动的发展，不稳定斜压波会逐步在扰动中占主导地位。由此可以解释某些中纬度气旋的发生发展问题。

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。

渤海夏季第一斜压罗斯贝变形半径的计算与分析

利用渤海2006年夏季大面观测的CTD温盐资料,分别运用WKB近似和数值方法计算了渤海夏季第一斜压罗斯贝变形半径和第一斜压重力波相速度。结果显示,两种不同算法得出的斜压罗斯贝变形半径和斜压重力波相速度的分布格局相似,与渤海等深线分布大体一致。数值解法下,在北戴河和长兴岛附近海域,斜压罗斯贝变形半径较大,最大为4.72km,对应的斜压重力波相速度最大为0.44m/s;在莱州湾海域,斜压罗斯贝变形半径较小,最大仅为1.76km,对应的斜压重力波相速度最大为0.16m/s;在渤海中部斜压罗斯贝变形半径和斜压重力波相速度的等值线发生明显弯曲,在靠近渤海海峡内侧出现一个极小值,而与之对应在渤海中部以西出现一个极大值,导致变形半径的等值线呈NE-SW向倾斜的"S"状。渤海夏季第一斜压罗斯贝变形半径在WKB近似下的结果较低于数值解法求出的结果,这主要是因为,WKB近似依赖于浮性频率对水深的积分,适用于浮性频率垂向变化较弱的情况,渤海夏季浮性频率垂向变化较大,WKB近似得出的结果误差较大。

蛙跳格式的替代方案及其在大气环流模式中的应用

蛙跳（Leapfrog）时间差分格式采用Asselin-Robert时间滤波方案去除计算解能够降低原始方程组的时间差分格式的计算精度，采用二阶Runge-Kutta格式构造欧拉前差方案可弥补蛙跳格式的不足。即在不存在计算解的条件下去除滤波影响，更大程度保持方程组的计算准确性。作者基于NCAR CAM3．0（Community Atmosphere Model 3．0）完善的软件平台，将原模式的三时间层蛙跳时间差分方案修改为两时间层二阶Runge-Kutta时间差分格式，对与重力波有关项使用中央差隐式处理，以此构建半隐式大气环流谱模式。通过斜压波实验比较不同格式在保持初值稳定性上的表现，从而发现，二阶Runge-Kutta方案能够更好的保证方案的初值稳定性。同时在纬向对称平衡场中加入扰动的情况下，二阶Runge-Kutta方案模拟的斜压波动发展演变的特征具有良好的收敛性，对波动发展的描述能力更强。存在这种优势的可能原因可归结为格式自身的优势和摆脱了时间滤波的负面影响，通过加入不同滤波系数的比较实验可以看到，滤波的平滑作用对模式结果的影响显著，但格式自身的优势也是改进模拟结果的主要因素。通过非绝热条件下20年（1980-1999年）气候态全模式模拟考察模式在气候模拟中的表现，结果表明，此方案在长期的气候模拟中同样可降低预报变量及诊断变量的模拟误差，具有更好的模拟能力。

旋转系统流动现象实验研究的某些进展

转台实验是研究旋转系统流体力学的重要手段之一,本文综述了旋转系统中某些流动现象实验研究的进展,涉及到β效应对正压流和斜压流影响的实验研究以及平底旋转环（f平面）内斜压波实验研究,热对流涡旋的转盘实验研究,简述了β效应对波动流影响的某些观点。

大气环流指数低频振荡机制的流体物理实验研究

使用旋转的环形水槽,用热力驱动的斜压流体作模拟实验,研究地形对斜压波流动状态的影响。使用对称分布的双峰正弦波地形,测量流体中层的流场,计算流函数并作谐波分析,对比无地形及有地形强迫的大尺度流动状态。实验表明,大尺度地形的作用是,对斜压波在时间和空间进行调制,使流动在时间和空间变得不均匀,使斜压波产生127转台旋转周期的振荡。量纲分析表明,这一周期相当于地球自转的26d。这使我们认为,大气环流指数的低频振荡的原因,可能是由于近似对称分布的亚洲及美洲山系大尺度地形的作用,造成大气动量随时间的变化,即对大气流动在时间和空间进行调制造成的。

二阶Adams-Bashforth格式的垂直敏感性分析

蛙跳(leapfrog)时间差分格式采用Asselin-Robert时间滤波方案去除计算解能够降低原始方程组的时间差分格式的计算精度,采用二阶Adams-Bashforth格式构造的欧拉前差方案可弥补蛙跳格式的不足,即:在不存在计算解的条件下去除滤波的影响,更大程度的保持方程组的计算准确性。本文基于NCAR CAM3.0(Community Atmosphere Model 3.0)完善的软件平台,将原模式的三时间层蛙跳时间差分方案修改为两时间层二阶Adams-Bashforth时间差分格式,对与重力波有关项使用中央差隐式处理,以此构建半隐式大气环流谱模式。利用动力检验的方法探讨模式对垂直分辨率的敏感性,从而寻找模式在较小计算代价下提高计算效果的可能。通过斜压波实验发现,提高垂直分辨率使模式具有更强的斜压波模拟能力,其模拟效果甚至已经与提高水平分辨率的效果相当,可以作为一种弥补模式运算效率不足的可行方案。

静力与非静力平衡模式动力框架对比

以WRF模式为例,从定性和定量两个方面分别对静力和非静力平衡模式动力框架进行了对比分析。结果表明:大气动力学过程中的非静力平衡特征信息可以由一个控制其打开和关闭状态的开关性变量来予以表示。该变量主要影响大气垂直运动,水平运动受其影响较小,且随着模式分辨率逐步提高,其影响更加显著。因此,可以将复杂耗时的非静力平衡特征信息整合问题转化为开关变量的数学建模问题,从而为解决上述问题开辟了一条可能的新路径。

北太平洋海表面高度的年际变化及其机制

利用15年(1993～2007年)月平均的海表面高度(SSH)异常资料,分析了北太平洋海表面高度的年际变化的时空结构,并研究了热通量和风应力两个因子对其的强迫作用.结果表明,北太平洋年际时间尺度SSH变化的大值区在黑潮延伸区和西太平洋暖池区.EOF分解第一模态的空间结构沿纬向呈带状分布,第二模态为沿经向呈带状分布.热通量强迫作用在中纬度的东北太平洋可以解释SSH年际变化40%以上.风应力对SSH的作用包括正压和斜压两个方面.正压Sverdrup平衡模型模拟的SSH年际变化较弱,仅能解释高纬度副极地环流西部的20%～40%.由大尺度风应力强迫的第一阶斜压Rossby波模型可以解释热带地区的20%～60%,中纬度中部的20%～40%,以及阿拉斯加环流东部和副极地环流西部的20%～60%.风应力强迫的一阶斜压Rossby波模型对SSH的强迫机理又可分为局地风应力强迫和西传Rossby波作用.其中,风应力的局地强迫作用(Ekman抽吸)在东北太平洋、白令海以及热带中部有显著的预报技巧,可以解释SSH年际变异的40%以上.Rossby波的传播作用在中纬度海域的副热带环流中西部和夏威夷岛以东起着重要作用,可解释20%～60%.

南海罗斯贝变形半径的地理及季节变化

根据南海 1°× 1°网格的标准层季节平均温、盐度资料 ,在未引入Boussinesq近似条件下 ,采用改进的Thompson Haskell算法求解线性化斜压海洋水平大尺度波的垂直结构方程 (重力内波方程 ) ,从而得到了南海各网格点的第一斜压重力波相速度和相应的罗斯贝变形半径 ,并探讨其地理分布和季节变化特征 ,以期有助于南海环流和中尺度涡旋以及有关海洋侧边界效应的研究。