低纬大气Kelvin波和Rossby波的非线性相互作用

利用多重尺度摄动法,对低纬大气Kelvin波和Rossby波的波包演变进行了分析,得到两波的非线性相互作用方程为耦合的非线性复系数Landau方程组。数值计算表明两波相遇将使波振幅变化,波宽变窄;两波非线性相互作用可能是低纬强烈天气突然爆发的原因之一。

简单的热带海气耦合波——Rossby和Kelvin波的相互作用

本文分析了当大气和海洋中未经耦合前的自由波分别为Kelvin波和Rossby波,经相互作用后所产生的耦合波的性质。结果表明,不管大气的自由波为Kelvin波或Rossby波,而海洋的自由波为Rossby波或Kelvin波,经相互作用后的耦合波可以分成两类。一类耦合波的色散关系接近自由的Kelvin波;另一类则由不同经圈模的Rossby波经相互作用后的耦合波。这两类波都具有不稳定性。文中讨论了耦合波的传播和不稳定的物理机制,并指出这类不稳定的热带耦合波,对研究ENSO事件中的某些现象有一定的参考意义。

分层热带海洋模式中的Rossby波和Kelvin波——初始混合层深度异常与大气热力强迫激发波动

利用一个两层半的热带海洋模式，采用数值实验的方法研究了热带海洋对于初始海洋混合层深度异常和大气季节内时间尺度热力强迫激发产生的Ｒｏｓｓｂｙ波和Ｋｅｌｖｉｎ波。研究表明，初始海洋混合层深度异常和大气热力强迫，可以在两层半热带海洋模式中激发产生东向传播具有Ｋｅｌｖｉｎ波性质的波动和具有Ｒｏｓｓｂｙ波性质的波动。热力强迫激发产生海洋Ｒｏｓｓｂｙ波和Ｋｅｌｖｉｎ波所需时间长于初始海洋混合层深度异常和大气季节内动力强迫激发产生两波所需时间，与大气季节内动力强迫激发的Ｒｏｓｓｂｙ波相比，初始深度异常与大气热力强迫激发产生Ｒｏｓｓｂｙ波具有不同的热力性质。

CISK-Kelvin波、CISK-Rossby波和低频振荡

本文应用描写低纬大气运动的一个斜压半地转的wave-CISK模式,讨论了由CISK机制激发的Kelvin波和Rossby波,即所谓的CISK-Kelvin波和CISK-Rossby波。分析表明:wave-CISK机制对于大气低频振荡起重要的作用。

CMIP6-WACCM模式对北半球反气旋型Rossby波破碎趋势的预估

利用CMIP6中的CESM2-WACCM模式逐日资料,预估未来2020—2099年SSP2-4.5、SSP3-7.0和SSP5-8.5三种不同排放情景下北半球对流层顶附近反气旋型Rossby波破碎(Anticyclonic Rossby Wave Breaking,AWB)的空间分布、发生频率、水平尺度、对称结构及其长期趋势。总体而言,未来四个季节AWB都在北太平洋和北大西洋有高频区。夏季北太平洋高频区发生频数显著多于北大西洋高频区,其他三季相反。两高频区在三种不同情景下,AWB物质经向输送通常以对称输送为主,但北太平洋区内冬、春、秋三季在SSP2-4.5情景下AWB物质向极净输送,北大西洋区内夏季在SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下AWB物质向赤道净输送。未来的长期趋势显示,两高频区内各季节的AWB发生频数、水平尺度和物质向极输送主要呈减小(减少)趋势,且温室气体排放量越大,减小趋势越显著。在SSP5-8.5情景下,北太平洋夏季AWB总面积变化趋势为-365.5个1°×1°标准经纬度网格/10 a,该变化由区域内AWB平均尺度减小(-2.7个标准化网格/10 a)和发生频率减少(-1.9个/10 a)共同导致;该区域的向极输送率变化率为-0.0165/10 a。北大西洋秋季AWB发生频数变化率为-2.3个/10 a,导致其总面积则以-440.4个标准化网格/10 a的速度减小。

夏季欧亚中高纬环流持续异常事件的Rossby波传播特征

利用西风波导结构以及波作用通量,探讨了夏季欧亚一类中高纬持续异常环流所对应的Rossby波的能量频散特征。中高纬度对流层上层存在结构较为复杂的弱波导,Rossby波能量频散过程基本上与该弱波导结构一致。Rossby波传播特征在不同时期以及两种环流型(E型和C型)之间存在显著差异:(1)在梅雨前期,与E型环流对应,Rossby波从南欧气旋式异常环流中心传播到乌拉尔山正高度异常中心,并且波作用通量在乌拉尔山西侧辐合,形成该地区正高度异常环流。乌拉尔山持续异常中心东侧重新激发出Rossby波,并传播至贝加尔湖和鄂霍次克海地区,维持对应的异常环流。与C型异常环流对应,Rossby波活动非常活跃。该型三个活动中心呈现高纬-中纬-高纬的分布特征,这与波导结构密切相关。(2)在梅雨期,Rossby波的传播对两类持续异常环流的作用更加明显,其传播路径基本上在处于极区和偏向中纬度一侧的两个"波障碍区"之间的带状西风波导区中。Rossby波从乌拉尔山活动中心向东传播,最终形成贝加尔湖和鄂霍次克海地区的持续异常环流。在C型维持过程中则还存在另一种强迫因子。在C型中,Rossby波从乌拉尔山活动中心向中纬度传播,并在亚洲急流中向东传播至东亚地区。(3)在后汛期,在欧亚大陆上纬向"波障碍区"的增加使得Rossby波活动减弱。E型异常环流型的鄂霍次克海活动中心向东扩展到北太平洋,但来自上游的Rossby波传播只作用于该活动中心的西北侧部分。C型中Rossby波的传播在乌拉尔山活动中心地区变弱。在夏季各个时期,E和C型持续异常环流对应着不同位相的EAP(或PJ)型,但并没有Rossby波从中纬度向北传播至鄂霍次克海地区的现象。

中高纬Rossby波活动对盛夏东亚/太平洋事件中期演变过程的影响

在中期时间尺度上探讨了Rossby波活动对盛夏东亚太平洋(EAP)事件的影响。正负EAP事件的形成过程不是简单的反位相过程,但这一时期的气候平均流波导结构决定了两者在Rossby波能量频散特征上有许多相似之处。在对流层中上层,源自上游东北大西洋或东欧平原的Rossby波能量经巴尔喀什湖附近向东北方向频散,它对东北亚异常中心的形成和维持起重要作用。由于盛夏东亚急流位置偏北,我国华北-东北地区成为波导区,Rossby波能量从贝加尔湖附近向该波导区频散,形成了EAP事件的东亚中纬度异常中心。在EAP事件的三个异常中心中,东北亚异常中心最先形成,西太平洋副热带异常中心则最后出现。在对流层上下层波导结构有明显差异,它导致了Rossby波能量在东亚沿岸中高纬地区的反向经向传播特征。在负事件的对流层低层,西太平洋副热带异常中心和中纬度两个异常中心间的经向Rossby波链接较为明显。在东亚地区,盛夏月平均尺度上EAP型的Rossby能量频散特征与中期EAP事件基本一致。

热带西太平洋海温距平与Rossby波传播对1993和1994年东亚夏季风异常影响的差异

利用NCEP／NCAR再分析资料、Hadley中心海温资料与降水资料，分析了1993和1994年东亚夏季风异常的天气气候特征以及大气环流的差异。分析结果表明：1993年东亚夏季风弱，副热带西风急流和副热带高压位置偏南，来自于孟加拉湾和南海的水汽仅输送到35°N以南地区。东亚地区出现低温凉夏天气。1994年东亚夏季风强，副热带西风急流和副热带高压位置偏北，7～8月副高持续偏强并控制日本，水汽可以输送到45°N以北的较高纬度，东亚发生破纪录的热浪干旱。对1993和1994年东亚夏季风异常物理过程差异的研究发现，副热带西风急流中静止Rossby波的传播和热带西太平洋暖池海温距平激发出来的PJ型遥相关波列作用的叠加引起1994和1993年东亚夏季风异常差异。

切变基本纬向流中非线性赤道Rossby长波

为了解决观测和理论研究中的一些问题以及更好地了解热带大气动力学 ,有必要进一步研究基本气流的变化对大气中赤道Rossby波动的影响 .本文研究分析基本气流对赤道Rossby长波的影响 ,利用一个简单赤道 β平面浅水模式和摄动法 ,研究纬向基本气流切变中非线性赤道Rossby波 ,推导出在切变基本纬向流中赤道Rossby长波振幅演变所满足的非线性KdV方程并得到其孤立波解 .分析表明 ,孤立波存在的必要条件是基本气流有切变 ,而且基流切变不能太强 ,否则将产生正压不稳定 .

β中尺度暴雨系统发生发展的一种可能物理机制 I.涡旋Rossby波的相速度

使用纬向基流下横波型扰动的Boussinesq近似方程组,分析了这种沿着基本气流方向传播的中尺度扰动发生不稳定时,大尺度背景流场在垂直方向上的各种分布特征。在大气层结比较稳定的情况下,如果基本气流在低层和高层较大(有可能存在低空急流和高空急流),此时产生的β中尺度不稳定扰动相对于基流向东传播,甚至于快速向东传播。基本气流在垂直方向上的风速切变对于中尺度横波型的扰动起着不稳定的作用。如果考虑基流的二次切变,可以得到涡旋Rossby波的相速度表达式,涡旋Rossby波相对于基本气流是单向传播的。涡旋Rossby波产生的物理根源是基本流场的风速二次切变,亦即基本流场y方向的平均涡度在空间z方向上的不均匀所致。涡旋Rossby波的相速度与纬向波数也有关,它的能量是频散的,其在纬向x方向也存在群速度。在基本流场的风速存在二次切变时,横波型不稳定可能是混合的涡旋Rossby重力波的不稳定;而在基本流场的风速仅仅存在线性切变,不存在二次切变时,横波型扰动的不稳定则是重力惯性波的不稳定。

β中尺度暴雨系统发生发展的一种可能物理机制 II.涡旋Rossby波的形成

使用二维中尺度横波型扰动的动力学方程组,探讨了该扰动的各种物理量场分布特征以及能量来源。结果表明,这种横波型的天气系统中扰动气压p′和扰动涡度ζ′在水平x方向上处于同位相或者反位相,扰动散度D′和扰动垂直速度w′在水平x方向上也处于同位相或者反位相,而扰动涡度ζ′与扰动散度D′在x方向上传播的位相相差π/2,只不过它们在垂直方向z上的分布结构有所不同。局地区域扰动发展的总能量来源主要是来自于平均场的有效位能和平均场的基流动能。最后,利用横波型扰动的总涡度守恒方程对涡旋Rossby波形成的物理机制做出了解释,并且提出了梅雨锋暴雨中β中尺度暴雨系统发生发展的一种可能物理过程。采用中尺度MM5模式的数值试验结果,也得到了与动力学理论上相一致的结论。

Rossby波的下游效应引发我国高影响天气的分析

对近几年和历史上著名的深槽型暴雨及台风暴雨的分析表明,欧亚高空急流中Rossby波能量频散而产生的下游发展效应,对东亚高空槽的形成与发展、登陆台风的路径与长生命史有重要的影响。如果沿急流传播的Rossby波能量使110°E附近形成深厚的低压系统或使原有西风槽发展加深,天气尺度强迫产生强上升运动则非常有利于中国东部出现暴雨过程。而当欧亚中高纬Rossby波活动的下游效应导致在40°N附近东亚地区对流层中、高层形成闭合高压,同时有西太平洋台风或热带风暴登陆中国,受大尺度环流场引导气流的影响,台风往往取西行或西北行路径。如果同时来自海上的季风涌强烈,将延长台风环流系统的生命史,产生大范围致洪暴雨。目前业务上使用的全球数值预报模式对Rossby波列的下游发展效应有一定的中期预报能力,建议在日常业务预报中关注亚洲高空急流中Rossby波能量传播过程中大形势的突变与调整。Hovmller图分析方法,是分析Rossby波列下游发展效应的一个简单、直观和有效的工具,可应用于日常业务预报分析中。

冬半年南支西风中Rossby波传播及其与南支槽形成的关系

利用1948—2005年的10月—次年5月NCEP/NCAR再分析资料对西风急流中Rossby波的传播及其与冬半年副热带南支西风槽形成的关系进行研究,结果表明:冬半年亚洲副热带西风急流下方存在3个南支波动,分别位于阿拉伯海、孟加拉湾和我国华南地区,其中孟加拉湾南支槽变率最小,是半永久性低压槽;从北非、阿拉伯海到孟加拉湾的"-+-"遥相关波列表明南支槽与北非槽呈正相关,与阿拉伯海槽呈反相关。在西风波动从北非东传到孟加拉湾的过程中,往往会在阿拉伯海有所停顿,这种由西向东的传播过程约20d一次,具有明显的低频振荡特征;源自北非的定常Rossby波能量沿着急流波导传播到孟加拉湾,可能是南支槽明显增幅的一个主要机制;另外,从青藏高原东西两侧南下的冷空气活动也是南支槽加深发展的一个重要因素。

一种新水平网格的Rossby波计算特性

提出了一个新的水平跳点网格(LE网格),这种网格将h放置在格点上,u,v同时放置在x方向和y方向格点中间.并采用一种推导频散关系的通用方法,研究在该LE网格上与Arakawa A-E网格上描述Rossby波产生误差的情况,分可分辨和不可分辨两种情况.采用二阶中央差或四阶紧致差分格式从频率和群速度两个方面进行对比分析,结果表明不论在可分辨或不可分辨情况下,还是采用二阶中央差或四阶紧致差分格式,在频率和群速度两方面,LE网格在描述Rossby波产生的误差均较Arakawa A-E网格要小,同时也表明不论在可分辨还是不可分辨的情况下,采用高精度的四阶紧致差分格式,LE网格和Arakawa A_E网格在描述Rossby波时产生的频率误差和x、y方向群速度误差并非必然减少.

水平网格对Rossby波的影响

文中从描述准地转、β平面近似下的Rossby波方程组出发,在Arakawa A-E网格和Z网格上,分可分辨和不可分辨两种情况,从频率和群速方面讨论了这6种网格的计算频散性。结果表明:在可分辨的惰况下,Z,D,C网格比其它网格对Rossby波产生的歪曲都要小;而在不可分辨的情况下,这6种网格的描述能力都比较差。

第一斜压Rossby波在大洋传播中的调整

利用全球气候平均态的1°×1°的温度、盐度资料,根据Sturm-Liouville本征值理论,得到全球1°×1°的第一斜压Rossby变形半径λ1。根据层结流体中线性自由Rossby波理论,可知第一斜压Rossby波位相速度为βλ21,故由全球各个大洋海盆的宽度可得到第一斜压Rossby波在各大洋海盆中从东边界传到西边界的时间。由于第一斜压Rossby波在高纬海区传播非常慢,而南极绕极海区又是最宽的海盆,所以第一斜压Rossby波在此海区的调整时间最长。在简单的线性自由Rossby波理论下,南极绕极通道是全球Rossby波调整的控制海区。

强迫二维Rossby波传播特征的数值试验

Bjerknes提出了大气对外界强迫响应的概念。大量研究已证明这一遥响应机制的存在,且大气对强迫源的遥响应及其低频活动的共同特征都表现为类似大圆路径的波列,Hoskins的理论研究揭示了这现象的实质,他把叶笃正所提出的Rossby波的频散理论推广到球面上。黄荣辉曾利用波折射指数平方与EP通量系统地研究了北半球冬夏准定常行星波的传播规律。邹晓蕾、叶笃正、吴国雄提出了中高纬的相关链、定常地形波链,并指出北美与东亚相关型的差异与两区域地形准定常波在不同纬向流中传播的差异有关。观测分析亦表明,青藏高原是大气低频振荡的强迫源,且在此区域可产生向北、向南或向东、向西传播的波列。

大气动力学中三种Rossby波作用通量的特征差异和适用性比较

大气动力学诊断Rossby波的传播时,通常用波作用通量来表示。常用的三种波作用通量分别为Plumb波作用通量,T-N波作用通量和局地E-P通量。本文详细讨论了这三种方法的特征差异,并结合2016年1月的一次寒潮事件,比较了三种方法在该事件中的适用性。结果表明:1)Plumb波作用通量的纬向分量较大而经向分量较小,适用于振幅较小的纬向均匀的西风带Rossby长波的诊断。2)T-N波作用通量是对Plumb波作用通量的改进,经向分量得以增强,能更好地描述纬向非均匀气流中的较大振幅的西风带Rossby长波扰动。T-N波作用通量计算时,背景场取多年平均的当月气候场较合适,能更好地反映当前季节内的Rossby波传播异常。3)局地E-P通量可以诊断一段时间内天气尺度瞬变波对背景场(定常波)总的调控作用,但无法直接反映Rossby长波的逐时演变(T-N波或Plumb波作用通量则可以)。

考虑β变化下的Rossby波

本文考虑了Rossby参数β随纬度的变化并引进了γ参数γ≡-dβ/dy=2Ωsin(?)/a^2.同时把β平面近似扩展为含γ参数的近似:f=f_0+β_0y-γ_0y^2/2.这就更接近实际,特特是在较高纬度地区.本文着重研究了γ参数对Rossby波的作用.研究指出:γ参数在较高纬地区有较强的作用.它可以形成纯γ参数所产生的Rossby波,并给出了在一般情况下的包含β变化的Rossby波相速公式,它在γ_0=0时退化为著名的Rossby公式.研究还指出:考虑了β的变化,即便基本气流(?)是y的线性函数也可以出现不稳定,但γ参数通常对Rossby波起稳定的作用.而且,它影响Rossby波的经向尺度和等位相线的结构,但都减缓Rossby波的增长或衰减.

夏季长江中下游地区降水持续性年(代)际变异及其与环流和Rossby波活动的联系

旱涝异常不仅与降水的频次和强度有关,在多种时间尺度上,其与降水的持续性亦存在较好的对应关系。基于1979~2013年6~7月中国东部249站点逐日降水资料及ERA-interim逐月再分析资料,研究了长江中下游地区近35年降水持续性的长期变化及其相联系的大尺度环流型和Rossby波能量频散特征。结果表明：近35年长江中下游地区降水时段平均持续时间变短而无雨时段变长,体现出了降水持续性的减弱趋势。进一步研究发现,该趋势变化与长江中下游地区在1980和1990年代持续性降水事件偏多,而在2000年以后偏少的年代际变化有关。在年代际和年际尺度上,与长江中下游地区降水持续特征变异相联系的异常环流型在我国东南部及南海地区分布较为类似,而在偏高纬度和偏低纬度地区存在较大差异。相似之处在于：在两个时间尺度上,在对流层中高层均存在显著的反气旋性环流控制我国东南部地区,而在中低层均存在由海洋向长江中下游地区的气流辐合,并在高层由长江中下游地区向海洋辐合。不同之处是：年代际尺度上,自对流层低层到高层在乌拉尔山以东及蒙古地区分别存在反气旋性环流和气旋性环流,且赤道印度洋地区的对流层中低层存在显著的气旋性环流;而在年际尺度上,由低层到高层位于贝加尔湖东、西侧均为反气旋性环流异常,但海洋性大陆的东北部,低层出现向长江中下游地区辐合的气流的源,高层则为由长江中下游地区向低纬度地区辐合的气流的汇。Rossby波扰动能量频散特征在年代际和年际尺度上亦呈现出明显的差异。年代际尺度上,中纬度地区自大西洋至蒙古地区存在一个正—负—正—负的Rossby波列,波能东传,对长江中下游地区产生影响,而在中低层,自低纬地区向长江中下游地区的波能传播相对较弱;在年际尺度上,影响长江中下游地区降水的Rossby波活动的局地性特征更为明显。在低层,波扰能量经由南海向长江中下游地区传播更明显,而在对流层高层源于贝加尔湖西侧的波扰能量传播相对较强。这些结果有助于深刻认识长江中下游地区降水的异常持续及与之相联系的洪涝灾害的形成机理。