南海一个罗斯贝标准模态的特征与归因

南海是一个准封闭海盆,其本征值问题是理解南海动力学的重要内容。本文利用一种新的泛函工具—多尺度子空间变换,从卫星观测资料中分离得到一个南海本征模态,即罗斯贝标准模态的近似场。发现该模态的周期为6个月左右、波长近250km,在深水海盆向西传播,这与寿命为3个月左右的南海中尺度涡群体活动特征相一致。在此基础上,本文通过Liang-Kleeman信息流这一严格建立在第一性原理上的定量因果分析工具,探究南海两个最重要外部强迫,即黑潮入侵与南海季风对该罗斯贝标准模态的影响。结果表明二者与该模态均有较强因果关系,但分别影响模态的不同阶段:黑潮入侵主要影响其1/2π和3/2π位相,季风的作用则体现在3/4π位相。二者共同作用,调制该模态在近一个周期内的变化。进一步研究发现,黑潮入侵的过渡态是影响该模态的关键,这时黑潮在南海的分支与流套强度相当,有利于吕宋海峡西部形成不同极性涡旋的排列,从而影响南海内部罗斯贝标准模态。对南海季风而言,冬季风与夏季风的成熟阶段是影响该模态的重要时期,但并非整个南海的季风都发挥作用,泰国湾是季风改变南海罗斯贝标准模态的关键区域,这表明局地的强迫对激发全局模态起作用。

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。

罗斯贝和20世纪大气科学的发展

罗斯贝在大气动力学等方面开创性的工作 ,特别是引进大气波动和大气涡动等概念 ,在 2 0世纪极大地扩展了气象和海洋学家的视野 ,并为全面认识大尺度大气运动和解决天气预报问题铺平了道路 .他还为二次大战后美国大气科学教育的迅速发展做出了不可替代的贡献 .罗斯贝的学术成就和在研究、育人等方面表现出的智慧 。

斜压罗斯贝变形半径优化的误差相关尺度及其对最优插值效果的改进

利用最优插值方法进行三维温盐场重构时,如何正确估算背景场误差协方差至关重要。针对背景场误差协方差主要取决于误差相关尺度的问题,本文提出了用中国东部海域及其附近海域的最新的高分辨率气候态数据进行斜压罗斯贝变形半径优化其误差相关尺度计算的研究方案和技术途径;对比分析了均一化相关尺度方案和法国ISAS系统尺度方案,讨论了变形半径对最优插值的影响。结果表明:均一化相关尺度方案的均方根误差小于ISAS方案,但温度场过于平滑,难以刻画一些重要的物理现象;相比而言,本文提出的基于变形半径的相关尺度方案在取2倍变形半径时,不仅均方根误差在各水平层较小,且温度场能够更好地刻画四国海盆海域涡旋及黑潮影响的温度场三维结构。由于实际海洋中各层物理过程的尺度存在差异,实际应用时各层的最优尺度设置也应有所不同。

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。

罗斯贝与地球系统科学

罗斯贝(1898-1957)在20世纪气象学的爆发性发展中起了关键作用,但很少有人提及他对地球系统科学建立的贡献。文章用翔实的文献资料说明,通过他本人的直接倡导和对他学生和朋友们的间接影响,罗斯贝应当被认为是地球系统科学建立的重要奠基人之一。

苏拉威西海海面高度多频率季节内变化及其机制分析

本文利用1993-2022年卫星高度计观测数据,分析苏拉威西海海面高度多频率季节内变化信号的时空特征,利用罗斯贝标准模理论给出动力解释。谱分析显示,苏拉威西海海面高度变化存在很强的30~90 d的季节内信号,其平均功率谱密度为半年内信号平均功率谱密度的13倍。这些季节内信号具有离散、不连续的谱峰周期,其中54.0 d和64.4 d的峰值最大,分别为30~90 d信号平均谱值的28倍和23倍。罗斯贝标准模态理论分析显示,近封闭的苏拉威西深海盆存在离散的罗斯贝标准模态。卫星高度计观测的季节内变化与罗斯贝标准模态结果的二维空间结构演化、周期以及西传速度一致,罗斯贝标准模态解的叠加呈现出与海面高度变化相似的方差分布,这说明苏拉威西海海盆的固有振荡是其季节内变化特征形成的重要机制之一。

贝卡尔·罗斯贝 发现行星波 开创了全新的气象观测技术

1898年,罗斯贝出生于瑞典的斯德哥尔摩。他从小接受过良好的文化教育,聪明,好问。他对很多事物都很感兴趣,如音乐、地质、植物等。1919年,罗斯贝在聆听了皮耶克尼斯的报告“大气中的运动不连续性”之后,便决定申请做他的研究助理。之后,罗斯贝进入挪威卑尔根学院开始学习气象学,并很短的时间内就掌握了动力气象和天气预报的核心内容。

南海中尺度涡研究进展

根据维基百科的定义(https:∥en.wikipedia.org/wiki/Edd),海洋中水平直径在10~500km、持续时间由数天至数月之间的水平旋转水体通称为中尺度涡。南海中尺度涡最早发现于1956年,60a来的观测与研究表明,南海是中尺度涡多发、频发海区。南海中尺度涡研究大致经历了早期发现、将中尺度涡当作单体运动现象研究、统计分析和当作群体运动现象研究等阶段,本文概要评述南海中尺度涡研究发展史和近年最新研究进展。经过60a的观测与研究,南海中尺度涡的宏观特征,包括三维结构和运动学,已大致清楚。南海中尺度涡全年皆可发生,主要分布在水深大于1 000m的深海盆,其中吕宋海峡以西和海盆西边界最为集中,气旋式冷涡和反气旋式暖涡发生概率大致相同。南海中尺度涡海面半径大多分布在50~150km,半径随水深减小,平均水平尺度比太平洋的涡旋要小。涡旋个数逐月变化,但季节规律不明显;年际变化幅度约20%,但与ENSO无明显对应关系;年平均个数的统计结果不一,最少11个·a^(-1),最多49个·a^(-1)。南海中尺度涡旋转流场从表层一直延伸到海底,流矢量表层(100m)最大(可达40cm·s^(-1)),随水深减小,2 000m仍可达3.5~5.0cm·s^(-1),但相对涡旋中心不对称,涡轴线向西倾斜。南海中尺度涡以2.0~9.0cm·s^(-1)的速度向西传播,低速区分布在深海盆东边界和西南部分海域。海面涡度平均值在5.4×10^(-6)~20×10^(-6) s^(-1)区间,高于太平洋平均值。近期研究把南海中尺度涡视为群体运动现象,先后提出长寿涡列、驻波模态和罗斯贝标准模等新概念。关于南海中尺度涡的发生机制,前人多认为黑潮和南海局地为起源。最新观点认为以罗斯贝波和中尺度涡为表现形式的太平洋中尺度扰动直接进入南海,并与海盆固有振荡模态发生共振,从而构成太平洋起源。而南海中尺度涡耗散过程、中尺度涡与其他海洋过程的相互作用有待进一步研究。

简单的热带海气耦合波——Rossby波的相互作用

在本文中分析了当大气和海洋中未经耦合前的自由波均为Rossby模时,经相互作用后所激发出的耦合波的物理性质。结果表明,由于大气和海洋的背景状态不同,可以激发出两类不稳定耦合Rossby波。一类波要求大气的背景场是斜压的,而海洋的混合层较深,即热容量较大。这是一类弱相互作用的不稳定波。另一类要求大气的背景场趋于正压性,而海洋的混合层较浅,即热容量较小。这是一类强相互作用的不稳定波。色散关系的计算表明,这两类不稳定波产生的物理机制也不相同。文中对解不同截断模的本征值问题提出了几种数学方法,同时还进一步提出了一种使大气和海洋自由Rossby模的色散关系不受歪曲的处理方法。

夏季青藏高原低涡的切向流场及波动特征分析

从大气动力学原理出发,将高原低涡视为受热源强迫的边界层内涡旋,建立了柱坐标下满足梯度风平衡的低涡控制方程组,分析高原低涡切向流场的基本特征。在此基础上,通过求解线性化涡旋模式,得出高原低涡中各类波动的频散关系及其特征,同时定性讨论了热力作用对混合波动的影响以及混合波动与高原低涡流场特征的联系。使用中尺度数值模式WRF分别进行了两次数值模拟实验:一次是理想数值试验,对动力学流场部分的推导加以分析和验证;另一次对2006年8月14日的高原低涡过程进行了三重嵌套的数值模拟,并分析了模拟输出的高时空分辨率资料。研究认为,青藏高原低涡切向流场的特征为:在动力变性高度以下,有气旋性气流伴有辐合,且随高度升高减弱,而高层有反气旋气流伴有辐散,且随高度升高增强。高原热力和边界层作用表现在:当热源径向分布呈现中心加热的形式时,在动力变性高度之下,加热作用将使气旋式流场随时间增强,而在动力变性高度之上,会使反气旋式流场随时间增强;边界层有气旋性气流时,在动力变性高度以下,低涡切向流场加强,若边界层有反气旋性气流时,在动力变性高度以下,低涡切向流场减弱。高原低涡中同时具有产生涡旋罗斯贝波与惯性重力波的条件,热力作用随径向及其梯度的变化对这种混合波动有重要影响。

考虑β随纬度变化下的Rossby孤立波与偶极子阻塞

利用文献［４］得到的推广的β平面近似式为，研究由δ＿０项所引起的一类Ｒｏｓｓｂｙ孤立波，而不考虑基流切变和地形等因子的作用，经过计算可以发现，当经向波数为１时，这种孤立波具有显著的南低北高的偶极子阻塞结构，它主要存在于弱西风气流中，并且偶极子的能量随着纬度的增高更容易集中（即高纬偶极子结构趋于局地化），因而，尸随纬度的变化可能是中高纬度地区偶极子阻塞产生的原因之一。

大气Rossby长波理论的建立和发展

大气Rossby波的发现和大气长波理论的建立在大气科学发展过程中起着非常重要的作用,它不但对大气动力学和气候动力学研究具有里程碑式的意义,而且奠定了数值天气预报的理论基础,在某种程度上使气象学成为一门真正意义的科学。简要回顾并讨论了罗斯贝本人是如何发现Rossby波及推导出大气长波相速度公式的过程,着重分析了大气长波理论在20世纪四五十年代的主要发展过程,力图展现罗斯贝在提出大气长波理论中所表现出的高度物理直觉和对现实的抽象、建模能力。希望对当今的大气科学研究有所借鉴,对气象科研工作者有所启发。

也谈Rossby长波理论及其“悖论”

鉴于罗斯贝长波理论无辐散假定与物理学波动概念之间的矛盾,文章讨论了牵连涡度和相对涡度之间的相互转换实际上都需要通过散度才能实现。从地转适应理论的角度看,罗斯贝无辐散的假定实际上是假定地转适应过程无限快,和物理学的波动概念并不抵触。最后从流线和轨迹的区别分析了长波中散度的分布特征及其与长波移速在物理上的关联。

气象史学科建设的坚实一步——《气象科技史》评介

2015年末,屠呦呦获得诺贝尔奖让中国学术界在激动过后,有机会深入思考一些问题,例如：中国科技发展的历史遗产在世界科技舞台上的意义和作用是否要重新审视？一些其他领域类似屠呦呦挖掘的基于中国传统科学技术发展的成果是否还有待开采？这样的思考或许是让中国科技史上有可能依然沉寂的更多成果早日让世人所知的一次机会。

中纬度低频波动东移及其与下游系统的相互作用

本文在强迫耗散KDV动力学的框架内,数值地研究了依次向东移行的低槽对其下游准定常高压脊的影响.结果指出:相应于移行低槽的不同强度,存在着两类低频瞬变.一类是强度瞬变,即高压脊的位置维持准定常,高压脊的强度发生瞬变.一类是流型瞬变,即高压脊位置准定常性破坏,脊区为槽区所替代,并形成脊、槽之间的多次转换.

罗-辛假相当位温的精确计算

综合分析罗斯贝、辛普森、拉欣和桑德斯等关于空气的干绝热和湿绝热过程的研究,从定义出发,严格推出罗-辛假相当位温(θses)的精确计算公式,包含罗斯贝假相当位温(θse)与辛普森假相当位温(θss),编制出5种假相当位温变量表,对比分析了文献[12]及其计算结果与本文相应结果的差异,并分析指出差异的原因。

假相当位温的新算法及其应用

利用本站气象要素的时间演变特点,综合作出天气预报是我国气象站预报中一种常用的方法.这种用基本气象要素(P.T.e)值的演变为基本图,再适当记载天气现象的综合时间剖面图,是气象站预报的一种重要工具.但由于(P.T.e)诸要素对降水天气的反应比较复杂,使这一方法的有效应用受到一定的限制.为了提高天气预报水平。

Rossby波传播的物理机制

本文指出地转平衡条件下经向风场的交替反向变化使单纯正压Rossby波向西传播,西风场的这种交替变化,是由随着科氏参数的纬向变化而产生的微小经向气压梯度引起的.