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)。

Rossby波传播特征及其对北极东北航道起始段海域天气的影响研究

北极东北航道起始段海域位于我国黄渤海,大风和强降水是可能威胁到该海域航运安全的主要灾害性天气类型。其中寒潮天气过程伴随的冷空气大风以及热带气旋、温带气旋等天气系统产生的大风、强降水等灾害性天气,对该海域航运安全造成很大影响。利用1991—2020年美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)全球逐日再分析资料,分析了北极东北航道适航期(7—10月)Rossby波沿高空急流能量传播特征及其对北极东北航道起始段海域天气的影响,特别是对强降水的影响。结果表明:(1)沿北半球副热带地区250hPa高空西风急流轴经向风表现为纬向三波型准静止的Rossby波形态;(2)高空250hPa大气准静止Rossby波波源位于地中海地区,波动在此激发并沿急流向东传播,传播过程中波动能量耗散,但波源即地中海地区能量的不断注入,使其得以维持和加强;(3)波作用通量散度指数与北极东北航道起始段海域降水量、风速相关系数绝对值达0.5以上,其中位于我国东北部至鄂霍茨克海地区的波作用通量指数与降水量和风速相关系数的绝对值均接近0.9,属于强相关,说明Rossby波沿高空急流传播时能量汇集、加强,对北极东北航道起始段海域的降水量、风速影响较大,从而可触发强降水、大风等灾害性天气;(4)当Rossby波扰动偏强时,向下游传播能量偏强,则西风急流加强,垂直上升运动增强,导致北极东北航道起始段海域降水异常偏多。

辐散风和瞬变的涡度通量的异常对定常波年际异常的强迫作用

研究了１９８２／１９８３年１２—２月对流层上层由辐散风和瞬变的涡度通量所产生的涡度源异常对定常波异常的强迫作用。结果表明，瞬变的涡度通量辐合的异常有抵消或耗散辐散风产生的涡度源异常的趋势；定常波的异常是在这两种强迫力的共同作用下维持的。同时还表明，对１９８２／１９８３年的情况，热带和赤道中东太平洋上的涡度源异常以及中纬度北太平洋上的涡度源异常都对太平洋／北美地区的大气环流异常起了重要的作用。

辐散风作用下低频Rossby波的能量传播

文中研究了热力强迫所激发的辐散风对低频Rossby波能量传播的影响 ,推导出辐散风作用下的Rossby波的频散关系和群速度表达式。理论分析表明 :如果扰动流函数与速度势的位相差α∈ (0 ,π) ,那么辐散风将减小Ross by波的圆频率 ,增大群速度的纬向分量 ,加速Rossby波在纬向方向上的传播 ;辐散风对经向群速度的影响是比较复杂的。波射线的分析表明 ,在纬向基本气流为常数的情况下 ,辐散风作用下的低频Rossby波从初始位置到反射纬度的传播路径表现为一段光滑的大弧 ;对于周期为 30d、纬向波数k =3,4的Rossby波 ,当辐散风减弱时 ,波能量经向传播距离和纬向传播距离都增大。对于k =3的Rossby波 ,当辐散风减弱时 ,Rossby波的经向传播范围增大 ,但振幅强度减小。

阻塞高压作用下的Rossby波

应用几何光学中的射线理论,研究了在阻塞高压作用下的Rossby波的频散过程。说明在Rossby波传播过程中阻塞高压所起的“屏障作用”。从而解释了Rossby波在某些阻塞高压控制的区域难以维持和传播的原因。

青藏高原热力作用下的非绝热Rossby波

从含非绝热项的准地转运动方程组出发 ,分析了青藏高原大尺度热力作用下非绝热Rossby波的一些性质 ,从理论上证明当背景西风气流为正压时 ,冬季高原冷却作用有利于Rossby波的经向传播 ,夏季高原大尺度热力作用不利于波动的经向传播。非绝热Rossby波的频率方程说明冬季高原的热力作用是中纬季节内振荡的重要激发机制。同时 ,在背景西风气流为纯斜压条件下 ,求解了高原热力作用下非绝热Rossby波的频率 ,并由频率方程说明冬季高原热力作用有利于波动向不稳定方向发展 ,而夏季高原的大尺度热力作用对波动稳定性的影响存在临界值。

广西两次罕见致灾冷空气活动过程中Rossby波作用的差异及成因

2016年1月广西出现了大范围的低温雨雪天气,多个市县出现1956年以来首次降雪观测记录,多地测站最低气温打破历史记录。在4年后的2020年1月,广西出现了当年首场区域性暴雨,此次过程具有明显的对流性质,伴有大范围的雷暴大风、短时强降水和冰雹等强对流天气。两次过程中均有冷空气活动,但在欧亚大陆上空南北两支Rossby波列的不同影响下,环流形势具有明显差异。北支波列在2016年过程中强度更强,调控了乌拉尔高压脊的发展以及横槽转竖,起到主导作用。而南支波列调控了印缅槽的减弱,使得低纬地区暖湿气流输送减弱,冷空气更易南下,使得此次过程主要以降温为主,雨雪并不明显。2020年过程则是南支Rossby波列起到了主要的调控作用,促进了南支槽的发展东移。而北支波列则起到了协同作用,促进了乌拉尔山冷槽与中东槽的发展合并,从而增强了南支扰动能量向下游的传播,进一步增强了南支槽。南支槽的增强不仅提供了动力抬升作用,还对暖湿气流的输送具有重要贡献,使得冷暖空气在广西上空交汇,导致大气对流剧烈。此外,两次过程中北大西洋Rossby波源地区具有不同的强迫背景。2016年和2020年过程中NAO分别维持负、正位相,后者在欧亚低纬地区的扰动明显强于前者,更有利于南支波列向东亚传播,促进南支槽发展。这一差异造成了两次冷空气活动过程中不同类型的灾害性天气,体现了南支波列对NAO位相差异的响应。

广西一次冷空气过程前后Rossby波作用的对比分析

基于T-N波作用通量以及NCEP/NCAR再分析资料,对比分析了2016年1月广西一次强冷空气过程前后两个阶段中大尺度环流以及Rossby波的调制作用。结果表明,冷空气活动过程前后阶段大气环流存在明显差异。第一阶段中欧亚中高纬地区阻塞形势明显,低纬度地区环流平直。第二阶段中欧亚低纬地区环流经向度增大,南支槽发展活跃;两个阶段中欧亚大陆上空均存在南北两支Rossby波列。第一阶段中北支波列调控了乌拉尔高压脊的发展以及横槽转竖,而南支波列调控了印缅槽的减弱,两者协同使冷空气更易南下。第二阶段南支波列主导了南支槽的发展东移,为该阶段降水提供了动力抬升以及水汽条件;NAO与南北两支波列的活动密切相关,NAO由负到正的位相转变是第二阶段南支波列增强的可能原因。

台风暴雨过程中位势散度波作用密度分析和预报应用研究

在位涡的基础上,考虑散度效应,把水平风矢量旋转90°后的旋度在广义位温梯度方向上的投影定义为位势散度,并把其二阶扰动量定义为位势散度波作用密度,该波作用密度代表扰动热量的扰动输送,与位势稳定度的发展演变有关.登陆台风Morakot(2009)的诊断分析表明,在台风登陆台湾岛,进入台湾海峡和登陆大陆三个阶段,波作用密度高值区与大陆和台湾降水区相重叠,扰动热量的扰动输送显著;在前两个阶段,大陆和台湾降水区波作用密度逐渐增大,扰动热量的扰动输送逐步增强;在台风登陆福建霞浦市后,大陆地区波作用密度减小,扰动热量的扰动输送减弱.在影响波作用密度局地变化的诸多物理因素中,扰动非地转风位涡项是主要强迫项.统计分析表明,波作用密度与观测降水有一定的相关性,据此发展了位势散度波作用密度降水预报方程,其本质是数值模式预报资料的动力延伸释用,预报应用表明,利用24h模式预报场计算的波作用密度降水能够较好地再现观测降水的落区,对台风Morakot引发的暴雨有一定的预报技巧.

波流相互作用与波动传播模态

波和流是大气中两种最基本的运动形式,两者之间的相互作用可以导致千变万化的天气现象。波流相互作用理论是大气动力学的基本理论之一,该理论的研究具有重要的理论价值和科学意义。波流相互作用的研究主要包括两方面:一方面是可以描述基本气流对波强迫作用的"波作用"(守恒)方程的研究,另一方面是可以描述波对基本气流反馈作用的E-P通量以及波形变、传播等理论的研究。波流相互作用的研究不仅在理论上已取得重要进展,例如,E-P通量的提出,剩余环流的引进,广义E-P通量的出现,三维E-P通量的建立,波作用守恒方程、波动突变、波流稳定性结构、波形变及其大圆路径、低频波遥相关等理论的发展,而且在实际应用上也取得丰硕成果,如科学地解释了赤道平流层东西风准两年振荡、极地平流层爆发性增温、瞬变波对阻高的维持和高空急流加速以及大气低频波遥相关等,特别是为预测行星波的传播,研究风暴轴和诊断分析实际大气中波能集中区和发散区提供了理论基础和科学方法。作者从小振幅和有限振幅扰动两方面回顾了国内外波流相互作用和低频波传播理论的研究进展,重点介绍了大尺度环流系统波流相互作用和波动传播模态的最新研究成果,提出了不同动力、热力背景下多尺度波流相互作用机理及其理论模型,建立了非线性大气动力学突变及其稳定性结构等理论。相对来说,热源强迫和地形强迫引起的波流相互作用中稳定性问题的研究一直比较薄弱,特别是关于大气水分循环过程和青藏高原等复杂大地形影响下不同尺度系统波流相互作用的研究,这也是未来波流相互作用研究的一个重要内容。

夏季沿亚洲副热带西风急流Rossby波传播及其与我国降水异常的联系

利用1960-2015年夏季(6-8月)NCEP 2.5°×2.5°全球逐日再分析资料,采用涡度源方程和Eliassen-Palm通量,对夏季沿亚洲副热带西风急流Rossby波活动的波源、能量传播及其与我国降水异常的关系进行了分析和研究。结果表明:夏季200 hPa大气准静止行星波产生的源地主要集中在地中海地区,亚洲副热带西风急流(ASWJ)中的准静止Rossby波在此激发并沿急流向东传播,东传过程中在急流轴南侧波流相互作用相对活跃。波作用通量的辐合辐散中心沿副热带西风急流交替分布,波流相互作用是ASWJ上西风强弱交替变化的动力机制。沿ASWJ交替分布的五个波作用通量辐合辐散关键区散度具有较强的关联性,表现为同一Rossby波列的不同部分,其中波源处Rossby波动能量的传播对其下游ASWJ的强弱影响最大,而急流关键区内纬向风的大小也与波作用通量散度场的强弱和分布密切相关。波源处以及位于我国青藏高原东部至黄土高原上空的波作用通量散度指数WFD-Ⅰ和WFC-Ⅱ与我国南、北方降水相关性较为显著,在WFD-Ⅰ为正异常年时,对应南方关键区降水偏多年份占比为62.5%,在WFD-Ⅰ为负异常年时,对应北方关键区降水偏多年份占比为80%;在WFC-Ⅱ为正异常年时,对应南方关键区降水偏少年份占比为66.7%,在WFC-Ⅱ为负异常年时,对应北方关键区降水偏少年份占比为81.8%。研究夏季波源处WFD-Ⅰ异常年导致我国降水异常的环流成因发现,WFD-Ⅰ为正异常年时,由上游波源地区激发的Rossby波向下游地区的能量频散偏强,位置偏南,波流相互作用导致我国南方上空高空急流加强,高低空辐散辐合配置加强,垂直上升运动增强,易造成我国南方地区降水异常偏多。WFD-Ⅰ为负异常年时,Rossby波能量的经向传播较强而纬向传播较弱,北方降水关键区受波通量辐散控制,高空西风急流加强,高低空辐散辐合配置和垂直上升运动增强,有利于我国北方地区降水的发展。

汉江流域2021年伏秋连汛降水季内差异特征及成因分析

汉江流域是中国重要的调水水源区,研究其降水特征对防涝抗旱具有重要意义。基于汉江流域62个国家气象站降水资料及美国国家环境预报中心/国家大气研究中心(National Center for Envi⁃ronmental Prediction/National Center for Atmospheric Research,NCEP/NCAR)再分析资料,通过百分位数、相关分析和T-N波作用通量,探讨了2021年伏秋(8—10月)连汛期间汉江降水的季内差异特征及其与大气环流和海温的关系。结果表明:2021年伏秋期间,汉江上游流域出现破纪录降水,极端性强、总量大。降水在伏夏和秋季两个时段均偏多,但秋季的多雨区位置更偏北。伏夏期间,北大西洋经西伯利亚向东频散的Rossby波使得欧亚上空维持“两槽两脊”,冷空气较强,同时西太平洋副热带高压(简称“副高”)强势西伸,通过西南和偏东两支通道向北输送暖湿水汽;冷暖空气在高空急流南侧对峙并辐合上升,导致降水异常偏多。秋季,北太平洋频散的Rossby波使得欧亚上空维持“两槽一脊”,冷空气较弱;副高断裂导致水汽通道偏南,高空急流北抬使冷暖空气辐合上升位置偏北,造成雨区偏北。2021年汉江流域伏夏降水异常受热带东大西洋海温正异常影响,秋季受赤道中太平洋冷海温影响。

El Nio事件发生和消亡中热带太平洋纬向风应力的动力作用 Ⅱ.模式结果分析

为了分析 ＥＩ Ｎｉｏ事件发生和消亡中热带太平洋纬向风应力的动力作用，建立一个类似于Ｚｅｂｉａｋ的简单热带海洋数值模式，在观测到的风应力异常的强迫下，模拟赤道太平洋地区 １９７１年１月至 １９９８年８月海表温度异常的变化。结果表明，模式对观测的Ｎｉｏ３区海表温度异常（ＳＳＴＡ）有很好的模拟能力。模拟和观测Ｎｉ区ＳＳＴＡ之间的相关系数可达 ０．９０。模式对 Ｅｌ Ｎｉｏ事件期间赤道太平洋海表温度异常随时间变化也有较好的模拟能力。为了分析Ｅｌ Ｎｉｏ期间ＳＳＴＡ的空间分布及其随时间变化的动力学机制，还对１９８６～１９８９年 ＥＮＳＯ循环期间赤道太平洋地区观测的 ＳＳＴＡ的传播特征及其形成机制进行了分析。模式较好地模拟出了观测到的赤道太平洋地区ＳＳＴＡ的传播特征，即从１９８６年底至１９８７年 ４月， ＳＳＴＡ具有向东传播的特征，从 １９８７年 ６月至 １９８８年 ２月具有向西传播的特征。动力学分析的结果表明，赤道中西太平洋地区的缔向风应力异常对 Ｅｌ Ｎｉｏ事件的发生和消亡具有重要作用。赤道中西太平洋地区的西风异常可强迫出东传的Ｋｅｌｖｉｎ波，这个东传的 Ｋｅｌｖｉｎ波对正 ＳＳＴＡ的东传起主要作用，当这个东传的

球面E-P通量的计算及其应用

讨论了行星波作用通量Eliassen-Palm flux(E-P通量)在球面准地转条件下的表达式,纬圈环状总质量权重的变换形式,及其在绘图分析中的应用与技巧。结合实例,通过对欧洲中心再分析资料Interim的计算绘图,说明不同形式E-P通量在实际分析时的差异及特点。

带强迫项的变系数KdV方程的多孤立波解及其应用

本文利用改进的齐次平衡法,首先得到了带强迫项的变系数KdV方程的多孤立波解,然后借助此解得到了强迫KdV方程的多孤立波解.最后作为应用例子,利用图形分析方法分析了Rossby孤立波的相互作用,指出了影响Rossby孤立波相对幅度、相位、传播方向及平衡位置的主要原因.

淮河流域夏季降水与中高纬波列结构的关系

利用NCEP/NCAR再分析资料,通过合成分析、诊断分析等方法研究了淮河流域夏季降水异常年份的大尺度环流场,并且分析了造成这种环流背景的可能原因。结果表明:西风急流在多雨年和少雨年作为波导的作用没有变化,但多雨年西风急流的位置比少雨年偏东。在中高纬地区,多雨和少雨年200 h Pa沿西风急流的定常Rossby波列结构有明显的不同。在多雨年,有一条明显的沿西风急流传播的Rossby波列结构,波源位于西欧和中亚,波汇位于里海和我国淮河流域地区,日本以东的西北太平洋也是明显的波源区;在少雨年,西欧和中亚的波源地区的波活动明显减弱,原来位于淮河流域的波汇区南压到长江以南,西北太平洋上的波活动也明显减弱。这种波列结构的不同可能是造成淮河流域夏季降水异常的一个重要原因。

表征波与流相互作用的广义E-P通量

本文给出了含有大气层结效应的、并用观测资料可直接去诊断纬向平均流加速的广义E-P通量关系。它的优点在于,即使在大气斜压性较强,瞬变扰动的热量输送随时间和空间有明显变化的情况下,波对纬向平均流的加速作用也能较好地被诊断出来。同时广义E-P通量中,自动解除了过去E-P通量中存在的病态条件及扰动位移η’的不确定性,它能较准确地用观测资料去判别。文中用实例说明了广义E-P通量能诊断出一般E-P通量所不能正确诊断出来的结果。

能量转化视角下一次引发冬季区域强对流的南支槽研究

2020年1月24—25日广西出现一次罕见区域性强对流,过程伴随近20年最大范围冰雹天气。南支槽异常发展东移是此次过程的扰动背景,提供了必要的热动力及水汽条件。基于波作用通量及多尺度能量诊断方法,利用常规观测资料、风云卫星资料、NCEP/NCAR以及ERA5再分析资料,从能量转化角度对此次引发区域强对流的南支槽过程进行研究。结果表明:整个过程中纬度和副热带西风急流均较历史同期偏强,有利于上游扰动向下游传播。欧亚大陆上空存在南北两支活跃Rossby波列。源自地中海一带的南支副热带西风急流Rossby波列对南支槽起到主要调控作用,Rossby波能量沿急流频散并在南支槽区辐合,促进了南支槽发展东移。源自北大西洋阻塞高压内部的北支Rossby波列则起到协同作用,促进了乌拉尔山冷槽发展及其与中东槽合并,从而增强了南支波列向下游的传播,进一步增强南支槽;天气尺度有效位能向天气尺度动能的转换以及由背景场向天气尺度的动能输送是南支槽天气尺度扰动发展的主要贡献项。动能的平流输送将获得的天气尺度动能在空间上再分配,维持南支槽稳定发展东移。在此背景下,天气尺度向对流尺度的降尺度动能串级是区域强对流最主要能量源,同时对流尺度有效位能向动能的稳定转换促进了中低对流层的对流扰动发生发展。

1979—2019年云贵高原夏季区域性极端日降水事件的异常环流特征

利用中国气象局国家气象信息中心整编的站点观测资料和NCEP/NCAR逐日再分析资料,对云贵高原1979—2019年夏季区域性极端日降水事件的异常环流进行了分析。云贵高原99%分位上的夏季(6—8月)极端日降水事件(以下简称降水事件)降水阈值为20.0 mm/d,在近41年里共发生了35次降水事件,其中7月上旬发生次数最多,7月下旬次之,8月中旬最少;35次降水事件中有4次为热带气旋系统影响,降水中心位于广西西南部及沿海地区,中心值超过75 mm,其余31次的降水中心主要集中在贵州中南部和广西北部,且降水中心强度明显低于热带气旋系统所带来的强度;受欧亚大陆中纬度(30~50°N)地区的纬向扰动波列和低纬地区异常垂直环流圈控制,云贵高原上空对流层中建立了深厚的异常上升运动,配合500 hPa副热带地区的异常反气旋式环流将南海和孟加拉湾的水汽输送至云贵高原并在当地沿地形辐合抬升,为云贵高原极端降水的形成提供有利的动力条件和水汽条件,同时周边地区异常冷却所带来的加热场梯度还进一步加强了云贵高原上空的气流入流,更加有利于强降水的产生和维持。此外,降水事件还与乌拉尔山至我国东北地区的低值系统活动和源自北大西洋及热带低纬地区的波扰能量传播有关。

浙江一次强雨雪过程大气环流特征及成因分析

利用1981年1月至2018年3月浙江省75个国家级气象观测站降水、雪深、气温资料,NCEP/DOE(the National Centers for Environmental Prediction/Department of Energy,NCEP/DOE)逐日再分析资料、及MJO(Madden-Julian Oscillation)指数等对2018年1月下旬浙江地区一次雨雪冰冻过程特征及其可能的影响机制进行分析。结果表明:(1)2018年1月24—28日浙江出现大范围连续雨雪天气,全省平均累计降水量36.2 mm,最大积雪深度平原10~20 cm,山区20~35 cm。雨雪冰冻期间湖州平均气温均低于0℃,较历史同期偏低4℃左右。(2)降雪期间贝加尔湖附近槽东移南下,低纬南支槽东移北抬,冷暖气流交汇于浙江上空,水汽辐合强烈,导致强降雪天气的产生。(3)强MJO事件向东发展,海洋性大陆区域海表气温升高,加强局地经向环流的同时促使暖湿气流西伸北抬,为雨雪天气的形成提供动力及水汽条件。(4)源自北大西洋的Rossby波能量与源自低纬孟加拉湾-中国南海附近的经向Rossby波能量共同堆积于东亚地区,促使负东亚太平洋(East Asia-Pacific,EAP)遥相关型维持、发展,是造成浙江地区连续降雪(雨)的重要原因。