夏季青藏高原非绝热加热准双周振荡强度的年际变化及其与中国东部降水异常的联系

基于1979~2018年中国高分辨率格点降水资料、NCEP/NCAR和ERA-Interim再分析资料,分析了夏季青藏高原(简称高原)非绝热加热准双周振荡(Quasi-Biweekly Oscillation,QBWO)的主要模态(南部集中型)强度的年际变化与中国东部降水异常之间的联系,并从环流异常演变的角度进行解释。在高原QBWO年际强度偏强年,长江以南地区夏季降水异常与高原南部QBWO扰动呈显著正相关。在高原QBWO强度偏弱年,江淮地区和华南地区降水异常呈偶极型分布。进一步分析揭示,在高原QBWO强度偏强(弱)年,起源于西北太平洋地区的低纬度季节内信号主要表现为向西(西北)方向传播的特征,中高纬度准正压的季节内信号主要表现为向南(西南)方向传播的特征,且低纬度西(西北)传的信号与中高纬南(西南)传的信号共同作用引起中国不同的异常降水型。低纬度向西(西北)方向传播的QBWO信号传播至阿拉伯海(高原东南侧)后减弱消失,中高纬地区向南(西南)传播的信号与低纬度西(西北)传的信号汇合后继续向西(西北)方向传播,最终减弱消失。

近40年来青藏高原非绝热加热变化特征

利用青藏高原站点观测资料与ERA5、NCEP II、JRA55和MERRA2再分析资料,对比分析了4种再分析资料在青藏高原非绝热加热描述偏差的时空特征。结果表明:(1)4种再分析资料在青藏高原模拟的误差存在较大的空间差异性。ERA5的模拟结果与观测的最为接近,其中,ERA5再分析资料对感热的模拟比对潜热的模拟更准确。(2)ERA5再分析资料在描述青藏高原各区域感、潜热及净短、长波辐射的日变化趋势与观测的较一致,各要素全天峰值出现在12:00-15:00,但在量级上有较大差异。(3)基于青藏高原地区适用性较好的ERA5资料,近40年青藏高原感热呈西北、西南、东北部感热减小、潜热增大的总体空间变化趋势,高原净辐射年代际变化总体呈增大趋势。各季节感热和潜热平均值在空间上均呈现出从西向东减小的分布特征,而净长波辐射和净短波辐射平均值则呈现出从西向东增大的分布特征。

江淮流域持续性强降水期间西太副高位置变异与非绝热加热的关系

采用NCEP/NCAR逐日再分析资料及全国740站逐日降水资料,讨论了江淮流域持续性强降水期间西太平洋副高位置变动特征及其与非绝热加热的关系。通过个例合成研究发现:副高位置变异与强降水持续期间大气非绝热加热关系密切。强降水持续期间,副高北侧的江淮流域和西侧的孟加拉湾北部地区均存在强烈的视热源和视水汽汇。强降水发生前3 d,江淮流域Q1z开始增大,到降水发生后2 d的Q1z达到最大,尔后逐渐减小,降水结束后变化趋于平缓,此期间不利于副高北抬;此外,强降水发生前2 d,孟加拉湾北部地区Q1z开始增大,降水发生后1 d达最大,副高逐渐西伸,此后,Q1z减小,副高相应有所东退。根据全型垂直涡度倾向方程,对流层中层,江淮流域非绝热加热的垂直变化有利于副高北侧气旋性涡度增长,阻碍副高北进,有利于雨带在江淮流域维持,形成持续性降水;孟加拉湾北部地区非绝热加热的垂直变化有利于副高西侧反气旋涡度增加,可能是诱导副高西伸的原因之一。

1998年武汉大暴雨过程的切变涡度及非绝热加热垂直结构分析

文中通过比较 1 998年武汉大暴雨期间相对涡度、切变涡度和纬向切变涡度 (ζs1) ,发现ζs1中心与暴雨中心位置有更好的对应关系 ,其在时序上高空负纬向切变涡度发展要超前强降水出现约 1 d。暴雨发生前高空反气旋性涡度增强 ,且与此同时 ,低层要求有正涡度发展。暴雨发生时段对应着 Q1,Q2 的高值区 ,并具有强上升运动 ,且 Q1,Q2 两者之间存在较强的耦合。视热源中心在 45 0 h Pa,而水汽汇中心主要在 6 0 0 h Pa附近。Q1,Q2 局地变化和平流变化是反位相分布的 ,共同的作用是减小对加热的贡献。Q1中局地变化可省略 ,但 Q2 中局地变化在第2次强降水时段可达 4K/d左右 ,因此不能省略。垂直输送项在 Q1,Q2

非绝热加热对中高纬大气低频振荡的调频作用

用诊断方法和数值试验两种方法，研究了非绝热加热对中高纬大气低频振荡的调频作用。首先应用１９７９～１９８９年欧洲中心资料进行功率谱分析，得到：（１）夏季与冬季相比，波动的主周期有缩短的趋势；（２）ＥｌＮｉｎｏ事件和ＬａＮｉｎａ事件期间，冬夏两季的波动主要周期分别有缩短和变长的趋势。然后，应用强迫耗散准地转正压涡度方程的全球谱模式，考虑三个行星波准共振，积分９０ｄ，得到：（１）三个行星波之间存在很强的波－波相互作用，且每个波都存在准双周和季节内振荡；（２）外源强度越强（弱），大气低频振荡周期将缩短（延长）；（３）外源强度和位置不同，非绝热加热对中高纬大气低频振荡的调频作用也不同。上述结果与作者以前的理论分析结果相当一致。

华南持续性强降水期间低频非绝热加热对低频环流的影响

利用站点降水资料和再分析资料针对华南地区5—8月的持续性强降水过程,分析了低频异常非绝热加热的时空分布特征及其对低频大气环流的可能反馈作用。得到如下结论:5—6月和7—8月华南持续性强降水期间10—30 d低频非绝热加热的演变特征有所不同,5—6月持续性强降水发生前低频非绝热加热大值区从30°N(107°—115°E)以北向南传播发展至华南地区,而在7—8月降水前非绝热加热大值区从中国南海中部向西北方向传播,并在降水最强盛期到达华南。异常环流型控制着持续性强降水的强度和位置,从而决定异常凝结潜热的演变特征。异常凝结潜热则是通过影响涡度倾向变化而对大气环流有一个反馈作用。对于发生在华南5—6月和7—8月的这2组持续性强降水过程,当降水处于发展阶段,在低频非绝热加热作用项和低频涡度平流项的共同作用下,华南上空中层存在显著的10—30 d低频正涡度倾向变化,有利于低频气旋式环流的进一步发展。非绝热加热作用项主要由加热率的垂直梯度决定,涡度平流项则与气候背景风场有密切关系。5—6月持续性强降水期间涡度平流项位于非绝热加热项东侧,而7—8月持续性强降水期间涡度平流项位于非绝热加热项北侧。在持续性强降水的衰亡期,由于非绝热加热项和涡度平流项转为负值,华南被负涡度倾向变化控制,低频气旋式环流迅速消亡。

我国东部季风区夏季持续非绝热加热的特征分析和数值试验

首先用NCEP/NCAR再分析资料统计了我国东部季风区华南、江淮、华北的夏季持续非绝热加热情况,然后针对非绝热加热的主要贡献因子凝结潜热进行不同区域的数值试验,从而探讨了各区凝结潜热加热对大气环流的可能影响途径。所有数值试验都揭示了凝结加热可以首先在对流层中低层的加热区附近激发气旋性异常,然后异常向东北传播,并最终在中高纬地区形成正负中心相间的波列状结构,这在一定程度上体现了潜热加热能的向东向极频散过程。此外,不同个例年试验结果的差异说明了大气环流对凝结加热的最初响应情况比较复杂,很大程度上依赖于加热初始阶段的大气环流场,而呈现出与垂直环流结构相类似的异常分布是可能的响应方式之一。

非绝热加热对大气局地扰动位能的影响和机理

本文运用统计相关和奇异值分解方法,系统地考察了非绝热加热对大气局地扰动位能的影响特征和机理问题.分析结果表明,热带地区海表温度异常和扰动位能的耦合相关特征与厄尔尼诺和南方涛动变率的关系密切,扰动位能在热带外地区的耦合模态空间型呈现出与北太平洋—北美大气遥相关型极为相似的分布特征.通过进一步考察大气中视热源与扰动位能的耦合特征,发现在低纬地区仍主要反映了厄尔尼诺和南方涛动的影响机制,在热带外地区,视热源异常的耦合模态则表现出与北半球环状模类似的特点,这表明热带外地区大气的局地能量有效性与热带非绝热加热的遥强迫以及局地性热源加热强迫有着极为密切的联系.

非绝热加热对6月东北冷涡形成演变的影响及其可能机制

利用ERA-Interim再分析资料,基于等熵位涡理论,采用合成分析和动力诊断方法分析了6月东北冷涡演变过程的气候特征,探究非绝热加热对东北冷涡形成和演变的重要影响。结果表明:气候平均东北冷涡形成在中纬度对流层高层,其形成过程表现为等熵位涡"自上而下、自西向东"发展加强,其演变过程与大气非绝热加热的变化密切联系。在东北冷涡形成前,其上空的非绝热加热明显加强;而在东北冷涡形成后,局地对流层中下部非绝热加热迅速发展。可见,东亚中纬度地区的高空非绝热加热是东北冷涡形成和发展的重要因素,而东北地区对流层中部的非绝热加热则是东北冷涡减弱消亡的主要原因。

非绝热加热、湿斜压热动力耦合强迫激发辐合增长的一种机制

大气热力状态的非均匀分布及其与动力场的相互作用激发大气动力场发生变化,其事实已被许多数值模拟证实。散度作为度量大气运动辐散、辐合强度的物理量,其变化应受到大气热力状态分布及其与动力场相互作用的影响。然而,在传统的大气动力学理论框架中,并没有从理论上揭示大气热力场分布及其与动力场相互作用对散度场变化的影响。通过对热力学方程做变形处理,并与动力学方程结合,在替换平衡近似下(alternative balance),导出了显式包含非绝热加热分布与垂直风切变相互作用、斜压热动力耦合强迫影响的新型散度方程。利用该方程,重点分析了非绝热加热非均匀分布与垂直风切变相互作用对散度场变化的影响,从动力学理论上初步揭示了非绝热加热分布与垂直风切变相互作用激发大气散度场变化的物理机制。

局地水汽异常引起的非绝热加热对2016/2017年中国南方暖冬的影响

基于NCEP/NCAR再分析资料,利用气温异常的倾向方程分析2016/2017年中国华北地区(100~115°E,35~45°N)、西南地区(85~102°E,22~33°N)和南方地区(108~118°E,22~33°N)的暖冬事件。结果表明西南和华北地区的平流作用占主导地位,而2016/2017年冬季中国南方暖冬主要是非绝热加热引起的。进一步通过水汽收支平衡的分析表明,局地水汽异常对2016/2017年中国南方暖冬有重要贡献,而其中土壤的水汽贡献约占50%。可能的机制如下:大气中正的水汽异常引起辐射加热增多,导致气温升高,土壤的感热增大,土壤温度升高,潜热通量变大,从而向大气的水汽输送增多,更多的水汽将导致更高的温度。

大气非绝热加热作用的研究进展与展望

大气非绝热加热与天气系统的发生发展有密切联系,与降水等天气过程密不可分,非绝热加热在大气运动中有着至关重要的作用。对非绝热加热的研究和理解,有助于改进数值预报模式,增强数值天气预报模式的预报能力。本文系统梳理了大气非绝热加热的基本内容,近几十年非绝热加热及其作用的研究成果,主要包括非绝热加热的概念及其表征、非绝热加热的时空分布特征、非绝热加热与季风、天气系统(如西太平洋副热带高压、热带气旋、温带气旋和急流)和降水之间的关系,以及非绝热加热在数值模式中的表征,进而指出有待于进一步研究的方面。

非绝热加热对冷锋锋生过程影响的比较研究

本文利用半地转模式研究了非绝热加热对冷锋锋生过程的影响。计算结果表明，非绝热加热包括大尺度凝结潜热、积云对流加热和感热都可以在加热区诱发出附加的锋生场。从而使加热区内的锋区强度得到明显加强；三种加热都能使上升速度增大，其中大尺度凝结潜热释放可在锋前出现一条宽约２００ｋｍ的强降水带．积云对流加热可使上升运动区范围缩小或在低层出现中尺度雨带，感热加热是产生中尺度雨带的一种可能机制。计算还表明，大尺度凝结潜热对锋生过程的影响最明显。它可以影响锋生过程中所有物理量。而积云对流加热和感热加热只对位温场和垂直速度场有明显影晌。但影响程度没有大尺度凝结潜热大。

台风移动规律的研究 Ⅰ.非绝热加热与水平温度分布的影响

根据大气运动原始方程组导出一个支配台风中心移动的基本方程。方程中包括了非绝热加热、温度场分布、地形与摩擦等各种可能影响台风移动的强迫因子。对非绝热加热与水平温度分布的作用所作分析表明，非轴对称的非绝热引导作用可使台风加速、减速或转向运动；温度场上的冷区对台风有吸引作用。

非绝热加热对热带气旋非对称结构影响的数值试验

利用含非绝热加热强迫的正压涡度方程。将非绝热加热作适当的参数化处理，对初始对称结构的热带气旋作了一系列数值试验，结果表明：不仅β项、平流项在热带气旋非对称结构的形成中有重要作用，而且非绝热加热对热带气旋的非对称结构亦有重要影响，从而验证了非绝热加热是热带气旋非对称结构形成的一种可能机制的结论。

非绝热加热对热带气旋径向非均匀结构的影响

利用平面极坐标系下无摩擦有外源（非绝热加热）的正压无辐散方程，将热带气旋的物理量分解成环境场和扰动，进而求出了热带气旋扰动的行波解，并分析了风场（切向、径向）和重力位势扰动场的径向非均匀松紧结构．表明：这种松紧结构与热带气旋所在纬度的科氏参数（f）、热带气旋的强度（Ω）、热带气旋扰动的圆频率（ω）、热带气旋扰动在θ方向的角波数（m）有关，且不同要素的松紧结构不尽相同；同时还受非绝热加热（Q1）的影响，这种影响主要表现在使风场（切向、径向）呈内紧外松的非均匀分布．

结合“海棠”台风(2005)定量分析非绝热加热对湿Q矢量诊断能力的影响

湿Q矢量最大特点就是考虑了非绝热加热作用,各种湿Q矢量差异也主要表现在对非绝热加热计算处理方案的不同。因此,通过比较分析非绝热加热作用,可揭示出不同湿Q矢量之间诊断能力的差异。2005年第5号登陆台风"海棠"在7月19日08时—20日08时,给福建省东北部及浙江省造成大范围暴雨。WRF模式成功模拟出此次台风暴雨过程。文章将结合"海棠"台风(2005)登陆台风暴雨过程,利用WRF模式模拟输出的气象要素,通过计算降水场,定量分析了非绝热加热作用及其对湿Q矢量诊断能力的影响。结果表明:(1)对于仅包括大尺度凝结加热的非绝热加热作用H_1及包括了潜热加热(大尺度凝结加热和对流凝结加热)、感热加热和辐射加热的非绝热加热作用H_2来讲,局地变化项的强迫作用较垂直平流项、水平平流项的强迫作用约小1—2个量级,可以忽略不计,垂直平流项的强迫作用是主要成分,对于水平平流项来讲,尽管其强迫作用明显小于垂直平流项的强迫作用,但也明显大于局地变化项的强迫作用,考虑其将更有利于充分反映H_1、H_2的强迫作用。对于包括非均匀饱和大气中潜热加热的H_3来讲,水平平流项与垂直平流项的强迫作用相当,均为主要成分,而局地变化项的强迫作用为次要成分且不容忽视,对其考虑将有助于全面描述H_3的强迫作用。(2)非绝热加热作用H_1、H_2以及H_3强迫产生的24 h累积降水场具有相似的水平分布特征,三者强迫产生的逐时雨量随时间演变特征也非常相似,这表明水汽凝结潜热是非绝热加热作用的主要成分。(3)进一步结合模拟降水场分析表明,相对于H_1强迫产生的降水场来讲,H_2与H_3强迫产生的降水场更接近模拟结果,这揭示出包含H_2的湿Q矢量与包含H_3的湿Q矢量诊断能力相近,且对降水反映能力较包含H_1的湿Q矢量诊断能力强。(4)不同湿Q矢量各自有其自身诊断特点,根据不同研究目的的需要,可有针对性的选取相应的湿Q矢量来作为研究工具。如需要具体、细致分析水汽潜热的强迫作用,可以选用包含H_1、H_3的湿Q矢量,如仅需考虑总的湿Q矢量强迫作用,则可以直接选用包含H_2的湿矢量。

梅雨异常年大气非绝热加热场的比较分析

利用 ECMWF/WMO 客观分析格点资料,分析了多梅年和空梅年大气非绝热加热场特征。结果表明,梅雨期降水与大气非绝热加热场有密切联系,梅雨各阶段的加热场具有不同的特征,丰梅年与空梅年的加热场有显著差异。

热带大气对非绝热加热的响应及其与ENSO循环关系

通过求解赤道β平面上的线性运动方程,研究了热带大气对主要由海洋热状况异常导致的大气非绝热加热的响应,并探讨了该过程与ENSO循环的关系。结果表明,非绝热加热的直接作用及其产生的Kelvin波、Rossby短波是大气零阶的扰动位势和纬向风速变化的原因。在El Nino期间,大洋西部首先发展出正的大气位势异常。但随着海洋热状况的正异常的持续,随之在大洋西部即开始孕育和发展,导致热带太平洋海气耦合系统回归正常状态,甚至是转向La Nina的大气异常状态或系统,其标识是非绝热的异常加热所激发的大气Kelvin波的产生和东传,并伴随正位势异常的大值向东移动和大洋西部正的位势异常减弱,信风由此而增强。在La Nina的盛期,海洋热状况存在负异常(即弱于平均状态),则将有相反的过程。

全球大气季节平均热源的三维分布——非绝热加热与瞬变加热之对比

利用1958—2001年ERA40逐日大气再分析资料,使用热力学方程剩余项法计算和对比分析了全球大气季节平均非绝热加热和瞬变加热的四季气候平均三维分布。结果表明,全球大气非绝热加热主要为热带强大深厚对流性热源、中纬度浅薄热源以及副热带和高纬度的深厚性热汇,热带热源总是向夏半球偏移,但中纬度热源和高纬度热汇在冬半球偏强。全球大气瞬变加热的三维分布主要表现为:副热带热汇-中高纬度热源的南北偶极型和中纬度低层热汇-高层热源的高低层偶极型,该分布型导致瞬变热源具有从高纬度低层向中纬度高层的倾斜结构。瞬变加热与风暴路径密切相关,冬半球风暴路径的瞬变活动强,因而其瞬变热源和热汇也强,而夏半球则相对弱。瞬变加热在北半球具有位于大陆东部和大洋西部的区域性特征,而在南半球具有纬向带状分布,尤其在冷季时南太平洋瞬变热汇和热源带出现分离现象。瞬变加热在全球大部分区域对非绝热加热起减弱抵消作用,但在中纬度对流层中高层起支配性作用。因此,大气瞬变活动帮助高纬度和中纬度中高层大气获得更多的热量,从而对非绝热加热造成的大气热量进行空间上的重新分配。