线性准地转模型中副热带环流对潜热加热的定常响应 Ⅰ.基本性质及特征分析

利用线性理论模型进行解析和模拟是大气科学的重要基础研究方法之一,其简单明了,解释了如Rossby波形成等重要的环流现象。近年,有研究(Chenetal.,2001)运用定常线性准地转模型研究副热带高压的形成,在相似加热强迫下,其结果与理论研究和GCM的研究不同。本文运用该模型系统研究了由季风降水产生的潜热加热所激发的副热带定常波的结构特征,以理解其结果与GCM不一致的原因。研究表明基本流对热强迫的定常波的结构有重要的影响:(1)当基本流为东风或为零时,定常波在垂直方向上表现为第一斜压结构,波动振幅随东风的增大而减小;(2)当基本流为西风时,呈现向上的传播特征,振幅随高度的升高而增大。而且存在一个临界风速Uc(约3m/s),此时,波动振幅最强;基本流的平流作用具有非对称性,西风时平流作用远远强于东风。由此揭示了该线性模型解的本质:加热在热源区所激发的经向地转涡度输送必须能够平衡加热的位涡制造和纬向位涡平流;基本流的经向和垂直方向的变化使得气旋和反气旋中心偏向热源中心北侧,并进一步发现当基本流为夏季亚洲季风区纬向平均的纬向风场时,线性模型的解中位于中低层的反气旋中心显著抬升,而不出现在地面上,与完整的大气环流模式的结果接近。说明即使在线性模式中,洋面副高的形成也不能完全用季风潜热加热来解释;另外,静力稳定度对热强迫的副热带环流的影响也很重要,使热源的强迫作用放大。

线性准地转模型中副热带感热加热强迫的定常波

通过求取定常线性准地转位涡模式的解析解,研究了感热加热强迫所激发的副热带定常波的结构特征,讨论了基本流、牛顿冷却及地面摩擦等对定常波振幅和位相的影响。结果表明,东风时定常波在垂直方向上表现为上、下层反位相的第一斜压结构,且地面系统远强于中高层;西风时定常波呈现出向上的传播特征,在高层,随着风速增大振幅随高度的升高有增大趋势。在近地层,东风时气旋(反气旋)主体位于加热西(东)侧;西风时气旋(反气旋)主体位于加热东(西)侧,近地层以上相反。此外,发现东、西风基本流的作用具有对称特征,这与潜热加热显著不同。研究结果还表明,牛顿冷却对定常波有重要影响,基本流越弱影响越显著。在静止大气中,感热加热强迫下无斯韦尔德鲁普(Sverdrup)解,考虑牛顿冷却时,感热强迫在热源范围内的近地层和中高层分别激发出气旋式和反气旋式环流,气旋中心位于加热中心略偏西的位置。在非静止大气中,牛顿冷却项使地面系统中心向上风方向移动,东风时向东移。牛顿冷却对高、低层系统均有削弱作用。地面摩擦则明显不同,它总会使低层系统减弱,高层系统增强。