东亚降水格局:季风与瞬变涡动的竞争

利用再分析资料ERA-40计算了东亚气候平均对流层水汽输送(MT)、平均气流水汽输送(MMT)、瞬变涡动水汽输送(EMT)及其散度,并同降水场进行比较分析.结果表明,季节平均水汽散度场同东亚降水分布型存在一定的配置关系,水汽辐合区对应于降水大值区,辐散区降水较少.东亚大部分地区MMT散度大于EMT,但符号相反,即MMT是MT的主要部分,决定了后者散度空间分布特征.夏季风期间,东亚MMT表示季风水汽输送,其大尺度辐合区对应于季风降水区,辐散区覆盖了西北内陆干旱区.中高纬EMT四季均为恒定向北的水汽输送,是内陆干旱区和非夏季风控制区降水水汽的主要供给者.从夏到冬EMT水汽辐合区扩大,MMT辐合区缩小,后者的散度决定了东亚干湿气候区分布.因而季风与瞬变涡动竞争形成东亚独特的降水格局.这些特征的揭示为东亚区域气候形成与变异机理研究提供了新思路.1 998年夏季案例分析表明,长江、松花江和嫩江发生流域性洪涝灾害主要是大尺度夏季风水汽输送异常辐合造成,瞬变涡动贡献不大.

高频瞬变涡动反馈强迫对东亚/太平洋事件演变过程的作用

本文通过位势倾向方程研究了高频瞬变涡动反馈强迫(TEFF)对东亚/太平洋型在低频时间尺度上(8天以上)的演变过程(EAP事件)的影响。一个重要的发现是,无论正位相还是负位相的EAP事件,在对流层中低层上,TEFF对其中、高纬度两个异常中心的演变均起着重要的作用。尤其是高纬度中心,在对流层中层,TEFF异常在盛期前可解释其增强部分的50%左右;盛期之后则起着减缓其减弱的作用。TEFF异常可分解为由高频涡动热量通量的辐合辐散引起的TEFFheat异常和高频涡动涡度通量引起的TEFFvor异常。两者在对流层上层相互抵消、下层相互叠加,导致TEFF异常在对流层上层(低层)的作用要弱(强)于对流层中层。就TEFFheat和TEFFvor的相对贡献而言,正位相的EAP事件中,TEFFvor的贡献较大;但在负位相EAP事件中,TEFFheat的贡献则增大至与TEFFvor相当的程度。这种TEFFheat作用在负事件中的增强可能是与贝加尔湖以东地区对流层低层上斜压性的加强有关。

瞬变涡动强迫对大气环流的作用

以吴国雄的北半球长波谱模式为基础,用数值模拟的方法,初步探讨了瞬变涡动强迫对形成大气环流的特定结构所起的作用。通过分析得到,瞬变涡动强迫对纬向平均气流的强度、位置以及定常波的温、压结构有着明显的作用。

东北冷涡环流及其动力学特征

主要总结了东北冷涡形成和维持的动力学原因:(1)大兴安岭/小兴安岭的地形以及临海的水汽条件有利于东北地区移动性冷涡系统的形成和发展。(2)与欧亚大陆阻塞型环流相联系的准纬向低频Rossby波活动将其波能量直接频散到东北地区,形成冷涡环流。(3)源自东北亚阻塞型环流以及副热带异常环流的Rossby波均可经向传播到东北地区,有利于东北冷涡环流的维持(尤其在仲夏和晚夏)。(4)与相邻阻塞型环流有关的对流层中低层冷空气活动可强迫出东北地区局地上传Rossby波,致使冷涡环流形成和维持。(5)来自东北地区上游的瞬变天气扰动与下游异常环流型相互匹配,形成有效的瞬变涡动强迫作用,使冷涡环流持续维持。(6)负位相西太平洋(WP)遥相关型是东北冷涡活动的下游背景环流型,其盛行是东北冷涡环流反复出现和持续维持的一个重要原因。

冬季南极涛动对欧亚大陆地表气温的影响

基于1962~2011年NCEP/NCAR逐日再分析资料,本文研究了北半球冬季南极涛动(Antarctic Oscillation,AAO)对欧亚大陆地表气温的影响及其物理过程。线性回归结果表明,在扣除冬季ENSO信号后,1月AAO与2月欧亚大陆地表气温呈显著正相关关系。当1月AAO处于正位相时,东南太平洋出现显著的位势高度正异常,这对应着南半球副热带高压的增强。该高度正异常在空间上从南半球向北扩展至北半球东太平洋地区,在时间上可一直持续到2月,它在南北半球相互作用过程中起重要作用。2月,北半球东太平洋高度正异常随高度向北倾斜,在对流层上层位于美国西南侧,该位置对应着北大西洋风暴轴入口处。进一步的相关分析表明,美国西南侧的高度正异常与地中海西北侧的瞬变波活动显著正相关,进而对应着斯堪的纳维亚半岛地区的高度负异常的形成。该负异常通过向下游频散波能量,引起贝加尔湖西侧高度正异常,形成典型的负位相斯堪的纳维亚环流型。该环流型对应60°N附近的西风异常,抑制了北侧冷空气南下,进而引起欧亚大陆地表气温正异常,反之亦然。

北半球冬季大气环流低频异常变化特征的研究

本文使用观测的北半球冬季逐年月平均500hPa高度场资料序列,对5种低规变化模态对应的正指数和负指数环流异常的持续性和稳定性特征进行了统计分析和动力学诊断,发现对不同指数的低频变化模态其持续性和稳定性的特征不同,它们之间有内在的动力学关系。最后讨论了这些结果对长期天气预报的意义。

大气低频变化研究评述

七十年代以来,随着全球观测资料的日益增多,许多研究工作者对大气环流在各种时间和空间尺度上的变化进行了系统的研究,使早期的关于大气环流的许多认识得到了丰富.其中特别受到众多注意的一个进展就是对大气低频变化(Low Frequency Va-riability,下简称LFV)的研究.

GOALS模式中大气能量循环的诊断分析与不同版本计算结果的比较研究

利用大气能量循环框图,对比分析中国科学院大气物理研究所大气科学与地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG/IAP)全球海陆气耦合系统模式(GOALS)两个版本(GOALS-2和GOALS-4),以及观测的全球平均大气能量循环的主要特征,并从能量循环贮蓄和转换项的纬向平均贡献去解释全球积分值改善和转坏的原因,以及诊断分析参数化方案变化后产生的影响。结果表明:模式的两个版本基本上能正确地模拟出全球能量循环的主要特征。旧版本GOALS-2能较好模拟全球积分值,常常是不同符号局地误差的相互抵消结果。新版本GOALS-4中某种局地过程的改善在一些情况下导致了全球积分值的转坏。引入辐射日变化参数化方案可能对能量循环各参数的局地贡献有着明显的影响。如纬向平均有效位能向瞬变涡动有效位能的斜压转换率、瞬变涡动有效位能向瞬变涡动动能的斜压转换率以及定常涡动动能的局地贡献有明显改善。南极地区不合实际的上升运动,是模拟的纬向平均有效位能与纬向平均动能之间的转换项全球积分值为负数的主要原因。

LASG1991年年会介绍

中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学国家重点实验室(LASG)1991年学术年会,于1992年1月10日至13日在北京中关村大气物理研究所举行.会议报告了30多篇论文,其中50%以上是关于大气和海洋数值模拟方面的. 一地球流体动力学会议报告中有两篇论文是关于非线性稳定性及其判据的.文中首先回顾了流体力学中稳定性理论的发展过程,特别强调了非线性不稳定性理论的发展及现状。

中高层大气环流模式的初步评估与敏感性分析

提高大气环流模式的模式顶层高度对中高层大气(如平流层准两年振荡)的准确模拟至关重要.本研究将IAP大气环流模型(IAP-AGCM)延伸至中层大气顶(~0.01 hPa,~80 km)并提高垂直方向分辨率(91层),发展了一个中高层大气环流模型(IAP-AGCML91).结果表明,与低层模式相比,该中高层大气模式在整体上显著减小了平流层尤其是上平流层的冷偏差.研究发现这种改善与两种机制有关:与低层模式相比,高层模式模拟的短波加热更大,极区平流层附近的经向涡动热通量更大.上述结果表明,垂直分辨率和模式顶层高度对IAP-AGCML91的气候模拟有重要影响.

阻塞过程与环流持续异常

当大西洋上的天气系统受到具有急流分支(一支通过英国北部,另一支通过英国南部)为特征的阻塞型式阻挡其正常发展时,联合王国经常出现极端的天气.夏季,这种形势可导致持续一段时期的晴好天气(如1976年);冬季,一般会伴随出现严冬(如1986年2月).月时间尺度天气的可预报性很可能主要依赖于维持并稳定这种阻塞型式的物理机制.因此,最近在阻塞动力学方面的研究已进行了重大努力,提出了一些新理论.本文对这些新发展进行了检验.

全球天气试验十年之后的回顾

在FGGE期间(1979年),全球大气探测达到前所未有的程度,对这些探测资料的分析,为我们提供了大气运动最完整的图象,FGGE还大大推动了数值模拟和数值预报的发展,十年之后回顾一下我们对大气环流的认识和评述一下大尺度数值天气预报的现状,这是一个很好的机会。

近60年新疆降水趋势与波动机制分析

用小波多尺度分析和回归等方法研究了近60年新疆降水记录的波动与趋势特征,结果发现21世纪头十年降水亦然保持增加趋势,但春、夏降水已呈弱的非线性下降趋势,秋、冬季节降水增加趋势明显.这可能与气候暖化的季节不均匀性有关.年降水量的振荡与北大西洋涛动(NAO)关系密切,二者约80%的方差都集中在年际尺度和多年代尺度成分两个带上,年际变化之间呈显著负相关关系.NAO的多年代尺度成分位相超前降水10年左右,而大西洋海温的多年代尺度涛动与之相差5年,后者与降水的关联更为密切."极差"分析表明,对应于NAO的极端正或负位相事件,下游的降水和水汽环境明显不同.在NAO极端负位相年,中亚和新疆降水都明显增加,来自欧洲南部的水汽输送和中纬度瞬变涡动水汽输送均偏强,中亚大气可降水量上升,冷空气路径偏西,瞬变天气系统易得到西南水汽输送带的配合,水汽辐合增强,有利于新疆和中亚的降水.反之,西风带水汽输送偏弱,天气过程偏少,降水量偏小,易发生干旱.因此,NAO的异常是新疆和中亚降水年际波动的主要原因之一.

20世纪后30年中国西北西部降水年代际变化机理分析

在全球气候变暖背景下1980年代中期中国西北西部气候发生了年代际突变,降水明显增加且主要是极端降水的贡献.本文用欧洲中期预报中心再分析资料ERA-40计算了瞬变涡动、环流、水汽输送及其散度等的年代际变化并进行了分解分析.结果表明,1987年后大气环流年代际变化形成"东高西低"环流背景场,西风带向该区的水汽输送增加,水汽辐合增强,其中主要是定常波水汽输送的贡献,其结果是造成该区及周边空气水汽含量上升,有利于降水或极端降水的增加.夏季该区瞬变涡动增强且造成水汽辐合,增加了降水天气出现的频率;冬季瞬变涡动减弱,天气过程减少,说明降雪增加的原因应该是空气水汽含量增加,导致降雪强度增加.因此该区降水的增加即有中高纬度大气变暖变湿的贡献,也有瞬变涡动的动力作用.未来西北西部降水的趋势主要取决于瞬变涡动与大气水汽含量变化的竞争.