长江中下游地区冬季极端降水事件与天气尺度瞬变波活动的可能联系

利用ERA40、NCEP/NCAR逐日再分析资料和长江中下游地区85站逐日降水资料,从大气内部天气尺度瞬变波的角度对长江中下游地区极端降水事件进行了成因分析。研究发现瞬变波活动与极端降水的发生关系密切;冬季在两支急流并存的欧亚大陆上空存在南北两支瞬变波活跃带。南支瞬变波在冬季极端降水频发、少发年存在较明显的差异。总体而言,极端降水频发年,瞬变波活动活跃,欧亚大陆上空的瞬变波持续时间长、传播连续、强度偏强;极端降水少发年,则反之。从逐日变化来看,南支瞬变波的强度和能量传播过程与极端降水的发生频次均具有一定的对应关系。北支瞬变波的传播及瞬变波对水汽的输送和极端降水的发生也有一定促进作用。这些结果均表明,冬季极端降水的发生与天气尺度瞬变波的活动联系紧密,天气尺度瞬变波的异常活动及传播可能是极端降水发生的重要条件,研究可为极端降水的成因研究提供新的思路。

定常波和瞬变波在亚洲季风区大气水分循环中的作用

利用欧洲中心ＥＣＭＷＦ１０ａ逐日资料，对定常波和瞬变波在亚洲季风区大气水分循环中的作用进行了计算分析。结果表明，瞬变涡动总把水汽从高水汽含量区送到低水汽含量区，实现与平均环流相反的输送，维持了热带地区和中高纬地区水汽的平衡。夏季定常涡动输送的经向分量是将水汽从热带向副热带输送的主要机制，而瞬变涡动输送的经向分量则是把水汽从副热带输送到中高纬的主要机制。由于季风经圈环流的存在，使得亚洲季风区的热带地区为重要的水汽源区，而其副热带和中纬度地区是水汽汇区，这与同纬度其它地区相反。

强厄尔尼诺事件下2016年1月中国南方超级寒潮的动力学机制：瞬变波对大气长波异常的调制

本文采用Plumb三维波活动通量和局地Eliassen-Palm通量诊断方法,利用欧洲中期天气预报中心的逐日再分析资料ERA-Interim,分析了超强厄尔尼诺背景下2016年1月下旬中国南方超级寒潮的动力学机制:瞬变波对大气长波异常的调制。前期2015年12月的北大西洋海表热通量正异常,有助于后期大西洋阻塞形势的维持。大气长波能量沿大圆路径从大西洋阻高经乌拉尔地区向东亚中低纬度传播并在此辐合,导致了乌拉尔阻高和华北横槽的经向结构,更多强冷空气聚集在异常偏南的纬向槽线附近。寒潮爆发前夕,2支瞬变波列活跃在亚欧大陆。北支瞬变波列调制了北方的大气长波,使横槽转竖;南支瞬变波列协同调控了南方的大气长波,使南支印缅槽减弱;两者共同作用,促使冷平流大举南下,直达华南沿海,南方寒潮发生。

瞬变波活动与江淮地区夏季旱涝的关系

利用1951—2000年中国160站逐月降水量资料划分了江淮地区夏季旱涝年。通过对旱涝年500 hPa高度距平场的合成分析发现:多雨年鄂霍茨克海阻塞高压稳定维持,少雨年鄂霍茨克海附近的高压脊减弱。为了了解江淮地区旱涝年500 hPa中高纬环流形势异常的原因,计算了E lias-sen-Palm通量,结果表明多雨年瞬变波对平均气流的强迫作用使经、纬向风异常分布有利于鄂霍茨克海阻塞形势的维持,冷空气向南输送增强,江淮地区降水偏多;少雨年瞬变波对平均气流的强迫作用使鄂霍茨克海高压脊减弱,冷空气向南输送减弱,江淮地区降水偏少。

瞬变波动力强迫对初夏至盛夏东亚高空西风急流变化的影响

利用NCEP/NCAR逐日再分析资料,探讨了瞬变波动力强迫作用对初夏至盛夏急流北跳和急流中心西移的影响。结果表明,瞬变波的动力强迫作用有利于急流北跳的发生,但不利于急流中心西移的发生。通过分析年际尺度上初夏至盛夏急流变化的早晚与瞬变波异常的关系发现,对于急流北跳发生的早晚,瞬变波异常的动力强迫作用为正反馈作用;对于中心西移发生的早晚,瞬变波异常的动力强迫作用则为负反馈作用。可见,瞬变波的动力强迫作用对初夏至盛夏急流变化及其发生早晚具有重要影响,但对急流北跳和急流中心西移的作用显著不同。

天气尺度瞬变波滤波方案比较分析

利用观测资料,分别使用Batterworth带通滤波器和31点低通滤波器滤出天气尺度瞬变波,计算其方差分布后进行分析。结果表明,31点低通滤波器的滤波效果优于Batterworth带通滤波器,并且在厄尔尼诺年和反厄尔尼诺年效果更为显著。此外,在分别使用两种滤波器的情况下进一步分析、比较对时间序列直接滤波和剔除纬向平均的时间序列再滤波的结果,发现纬向对称部分的瞬变扰动对瞬变波的影响非常小,几乎可以忽略不计。

汉江流域盛夏暴雨与天气尺度瞬变波EP通量的可能联系

利用1980—2015年ERA-5全球再分析资料,对汉中地区典型暴雨发生前纬向风场变化及天气尺度瞬变波活动(Eliassen-Palm通量特征)进行分析。结果表明:瞬变波Eliassen-Palm(EP)通量特征分析为汉江流域暴雨潜势预报提供一个有利的参考指标;暴雨发生前,33°N附近200 h Pa有纬向风减速中心,对应200 hPa为EP通量辐散区,这种垂直分布模型是暴雨前期的有利形势,随着纬向风减速趋势加快,EP通量辐散区扩展并加强,有利于暴雨的发生;与8月相比,7月暴雨强度更强,暴雨范围更广,纬向风变化更明显,200 hPa的EP通量辐散更强。若简单地将盛夏暴雨整体进行研究,会影响对不同月份瞬变波活动及大气环流变化趋势的诊断,造成诊断偏差且难以准确反映瞬变波与暴雨的联系。因此在讨论盛夏季天气尺度瞬变波与对流层环流的相互作用时,应按月份讨论。

FGGE年大气环流的谱能量学和瞬变波的时间谱

根据GFDL的FGGE观测资料的分析,给出了FGGE整年的大气环流谱能量学。能量变量的年变化很大,南北半球季节特征也有明显的差别。并研究了500和100hPa上瞬变波的时间谱。在气旋尺度扰动中,差不多整个斜压转换是由瞬变波完成的。

天气尺度瞬变波的结构特征

文中利用1980-2018年NCEP/NCAR的位势高度场再分析资料,以滤波后的位势高度均方差计算表征瞬变强度,选取多层位势高度,对北半球四季的天气尺度瞬变波结构进行了分析和比较,尤其对北太平洋风暴轴进行了重点研究。结果表明,天气尺度瞬变波在对流层300hPa上最强,夏季平流层也存在瞬变波的大值中心。风暴轴的强度在冬季较强,呈明显的纬向拉伸带状分布特征。北太平洋风暴轴冬季位置偏南,夏季偏北。

中国冬季极端低温事件与天气尺度瞬变波的可能联系

利用NECP／NCAR再分析资料和中国743站逐日气温资料，从大气内部天气尺度瞬变波的角度对中国冬季极端低温进行了成因分析，发现瞬变波活动与极端低温的发生密切相关．首先，典型年的研究表明，1967年冬季较强的西风急流为瞬变波的传播提供了良好的通道，欧亚大陆上空有两列强而稳定的天气尺度瞬变波，我国地处这两列波的下游，受其影响较为明显，极端低温发生频繁，且上游瞬变波的整体强度及波列到达位置与极端低温的强度、发生区域一致；2006年西风急流较弱，相应的瞬变波路径短，强度较小，地处下游的我国极端低温发生较少．其次，就长期变化而言，西风急流与极端低温发生频次的年代际变化较为吻合，而瞬变波传播路径在20世纪80年代前后有年代际的改变，进一步研究发现1959～1979年和1986～2006年关键区瞬变波强度与极端低温频次的年际变化基本一致；且较频发、较少发的年份瞬变波各要素的合成场分别与1967和2006年相一致．这些结果均表明，极端低温的发生与天气尺度瞬变波活动关系密切，天气尺度瞬变波传播、发展可能是极端低温发生的重要条件，该研究为极端低温事件成因研究提供了新的视角．

瞬变涡扰动法在极端天气事件预报中的应用

实际天气图上的系统由多尺度波和多尺度涡组成。Rossby对天气预报的重大贡献是提出了大气长波。全球数值天气预报谱模式把观测大气变量分解成了若干尺度的数学波,而没有天气尺度的涡。大气变量物理分解可得到逐日气候波、行星尺度的瞬变波和天气尺度的瞬变涡。实际的天气变化是由逐日气候波、行星尺度瞬变波和天气尺度瞬变涡的叠加或相互作用形成的。与极端天气事件直接有关的是那些瞬变涡,因此极端天气事件的预报可用瞬变涡扰动法。

变形的经向环流变化方程及其在诊断阻塞高压形成中的应用

本文推导出可以用来讨论大尺度扰动强迫对平均经圈环流作用的变形平均经圈环流变化方程，并利用此方程对北半球冬季４次阻塞高压的形成进行了诊断分析。分析结果表明：由于波动对经圈环流的强迫作用，使高压脊的西部南风加强，而东部北风加强，从而有利于阻塞高压的形成。文中还分别分析了瞬变波及其低频瞬变波部分在阻塞高压形成中对经圈环流的强迫作用，并讨论了低频瞬变波强迫在太平洋和大西洋地区阻塞高压形成的地域差别。

波包传播诊断的理论基础和计算方法

文中提出了一种新的利用实际观测资料研究波包传播的诊断方法 (WPD) 。

波包传播特征与西太平洋副热带高压移动的关系

利用波包传播诊断方法,研究高频波波包传播特征与瞬变波和副热带高压北进南退的关系。波包传播的初步特征为冬季波包传播生命史长,一般为7—10 d,传播速度为2—10 m/s,中心强度可超过0.4,在中高纬度地区传播路径一般为先向东南移,后向东北移;夏季比冬季的生命史短,中心强度也弱,传播路径与冬季相同。热带地区的波包传播路径先向西南,后向北移。一般波包强中心增强时,有利于槽发展,当强中心明显减弱时,有利于槽的衰减。当波包强中心持续地叠加在脊上时,脊将减弱。副热带高压的明显北跳常与南海特征区(0°—20°N,100°—120°E)持续5 d及以上的无波包强中心活动有关,并且在2次季节性北跳之后,又持续5 d以上出现波包强中心;副热带高压南移过程都与持续5 d及以上的南亚区域波包强中心、台风强中心或温带波包强中心活动有关。

我国前冬和后冬的划分及其气温的年际变异

基于我国762站均一化逐日平均和逐日最低气温数据集,对我国年最低气温的概率密度分布的分析表明,我国年最低气温的概率密度呈现清晰的双峰分布特征。进一步考察其原因发现东亚冬季风盛行期间我国年最低气温的分布具有显著的地域性差异,以冬季气候态气温的0℃为界大致可以分为两种气候区。综合不同气候区内年最低气温所在日期的概率密度分布的结果,将11月16日至次年1月15日划分为前冬,次年1月16日至3月15日划分为后冬。在此基础上,通过依赖于季节的经验正交函数分解方法分析了近56年我国前冬和后冬气温在年际变异上的特征,并进一步利用NCEP/NCAR全球日平均再分析资料通过合成分析的方法研究了其对应的大气定常波和瞬变波特征。结果表明:年际变化时间尺度上,我国前冬和后冬气温演变仍表现为前、后冬同相演变和反相演变这两个主要模态。同相演变模态环流异常的空间形态在前冬和后冬较为一致,并随着前冬向后冬的推移其环流异常的强度在不断加强;反相演变模态则对应了环流异常在前冬和后冬的相反变化,且其环流异常的空间形态在前冬和后冬有较大不同。对大气波动特征的分析表明,瞬变波的动力和热力的强迫作用以及定常波能量向下游的频散对北大西洋至欧亚大陆上定常波列的维持和发展具有重要作用。同相演变模态中,北大西洋上的波列将能量从北美向欧洲地区传播,加强了后冬欧洲地区的高压异常,该中心在后冬向下游的能量频散显著增强,形成了一个自欧洲经喀拉海以东至贝加尔湖附近的定常波列,大气瞬变波所引起的动力和热力强迫对该波列位于欧洲和贝加尔湖地区的大气活动中心的维持和发展具有正的贡献。反相演变模态中前冬的波动特征与同相演变模态后冬基本一致,而后冬则表现为从北大西洋中部向格陵兰岛传播,并进一步向东经乌拉尔山附近传向青藏高原北部的波列,风暴轴移动所引起的大气瞬变波的动力和热力强迫对该波列位于北大西洋地区南侧的中心有维持作用。

大中尺度波流相互作用理论的研究

介绍了作者所在课题组在瞬变波与纬向平均流的相互作用 ,重力波上传破碎对平均流拖曳的参数化问题 ,低频波能量频散的广义波射线理论和与地形有关的波流相互作用的理论及应用问题研究方面取得的进展。

北极海冰对2008年1月乌拉尔高压异常的影响

2008年1月我国南方发生了大范围的雨雪冰冻灾害天气,造成此次灾害的一个重要原因是乌拉尔高压异常的长期维持,而作为下垫面的海洋,2007/2008冬季环北欧海海冰异常偏少。观测资料合成分析表明,乌拉尔山地区出现高压异常与巴伦支海和喀拉海的海冰偏少存在密切对应关系。利用大气环流模式试验研究了(90°W^60°E)区域海冰异常对大气的影响,模拟结果显示海冰对乌拉尔高压异常有正的贡献,线性模式诊断表明天气尺度瞬变波是海冰影响乌拉尔高压异常的一种重要机制。

基于物联网的燃气管网泄漏检测系统研究

根据城市公共安全管理的需求,设计并实现了一种基于物联网的燃气管网泄漏检测系统。采用高精度压电式动态压力传感器、无线传感器网络和GPS模块实现泄漏瞬变压力波信号的实时同步采集。为保证数据远程传输的实时性和可靠性,采用4G模块MC7710和STM32F405RG微处理器完成了4G网关的设计。远程数据中心采用基于互功率谱相位的广义互相关时延估计方法对现场信号分析和处理,实现了管网中燃气泄漏点的定位。实验结果表明,该系统数据传输稳定可靠,泄漏定位准确度高,能够满足燃气管网泄漏检测的需要。

Calculation and application of full-wave airborne transient electromagnetic data in electromagnetic detection

Airborne electromagnetic transient method enjoys the advantages of high-efficiency and the high resolution of electromagnetic anomalies,especially suitable for mining detection around goaf areas and deep exploration of minerals.In this paper,we calculated the full-wave airborne transient electromagnetic data,according to the result of numerical research,the advantage of switch-off time response in electromagnetic detection was proofed via experiments.Firstly,based on the full-wave airborne transient electromagnetic system developed by Jilin University(JLU-ATEMI),we proposed a method to compute the full-waveform electromagnetic(EM)data of 3D model using the FDTD approach and convolution algorithm,and verify the calculation by the response of homogenous half-space.Then,through comparison of switch-off-time response and off-time response,we studied the effect of ramp time on anomaly detection.Finally,we arranged two experimental electromagnetic detection,the results indicated that the switch-off-time response can reveal the shallow target more effectively,and the full-waveform airborne electromagnetic system is an effective technique for shallow target detection.