热带海洋与中低纬大气相互作用的信息传输特征分析

基于传递熵概念和方法定义气象场的信息源特征度、信息汇特征度和信息传输平衡特征度.使用海表温度和高度场资料计算海气相互作用过程中的信息传递.侧重分析赤道中东太平洋(20?S-20?N,170?E-100?W)与热带地区、北半球和南半球中高纬度地区大气之间的信息传递,给出信息传递的区域和全球分布特征;并提取海表温度指数和高度场指数分析赤道中东太平洋与大气信息传递特征的季节变化和年代际变化.研究结果表明,海洋信息源主要分布在热带地区,大气信息汇主要分布在中纬度地区,从热带地区到中纬度地区,海洋对大气的强迫作用在减弱,而大气对海洋的强迫作用在增强;不同区域不同层次的高度场对赤道中东太平洋海表温度有着不同的响应,热带中东太平洋上空高度场最大延迟为4个月.欧亚大陆中部上空和北美大陆上空高度场均随时间延迟呈现波动性变化:欧亚大陆中部上空高度场随时间延迟呈现增强的趋势,而北美大陆上空高度场随时间延迟呈现减弱的趋势.海表温度指数对热带中东太平洋上空850 hPa和欧亚大陆中部上空500 hPa高度场指数的传递熵以2000 s最弱,而海表温度指数对北美大陆上空700 hPa高度场指数的传递熵以2000 s最强.表明不同年代际背景下不同区域大气对赤道中东太平洋海表温度异常的响应是不同的.然而不同季节的响应却十分相似:冬季最强,秋季次之,春季再次,夏季最弱.     

东亚区域大气长程相关性

运用去趋势涨落分析方法分别研究NCEP/NCAR再分析资料中的高度场和温度场,揭示了东亚区域高度场和温度场的标度指数分布特征.结果表明高度场和温度场都具有长程相关性,且二者空间分布特征总体匹配.对同一层格点资料而言,低纬度地区标度指数较大,长程相关性较好;中高纬度地区标度指数较小,长程相关性较差,呈现比较明显的纬向分布特征.不同层格点资料的标度指数分布有所区别,具体表现为高度场资料随层数的增加,其平均标度指数值呈增长趋势且纬向分布特征更为明显;在高度场中下层青藏高原地区标度指数明显大于同纬度其他区域.温度场资料随层数的增加平均标度指数先减小再增大,也具有一定的纬向分布特征.总体而言,高度场长程相关性的标度指数值要高于温度场.分季节研究表明,高度场和温度场也具有较好的长程相关性,冬季标度指数高于其他季节,为利用冬季信息制作夏季汛期预报提供了一定的理论依据. 关键词： 高度场 温度场 长程相关性 去趋势涨落分析     

中国冬季区域性极端低温事件分类及其与气候指数极端性的联系

基于区域性极端低温事件客观识别技术, 对1951–2010年中国冬季的区域性极端低温事件进行客观识别. 根据事件的空间分布特征, 将综合指数前60位的事件划分为全国型、东部型、东北-华北型、华北-华南型、北方型和西北-华南型六类; 通过分析不同区域类型低温事件形成的环流背景场验证了分类的有效性. 在此基础上, 以1971年1月21日开始的典型事件为例, 分析了事件对应的海温场、高度场和风场的异常, 确定与区域性极端低温事件联系较密切的可能气候因子, 进而分析不同类型事件与各气候指数异常的对应关系. 总体而言, 赤道中东太平洋海温指数异常偏小、北太平洋涛动指数异常偏小、北极涛动指数异常偏小和冬季风异常偏强时, 发生区域性极端低温事件的概率较高; 且这四种指数的历年冬季平均值达到15%(或85%)极端阈值的年份中, 发生区域性极端低温事件的百分率分别达到80.0%, 77.8%, 60.0%和62.5%, 从而为区域性极端低温事件的诊断和预测研究等提供了一定的参考. 关键词： 区域性极端低温事件 空间分类 气候指数 极端     

基于2013年8月中国中东部地区持续高温的延伸期稳定分量提取及改进研究

基于2013年8月中国中东部地区持续高温及其减弱过程, 利用美国国家环境预报中心/美国国家大气研究中心逐日平均的500 hPa高度场、风场再分析资料和美国国家海洋和大气管理局的海温重建扩展资料进行分析, 通过前期海温强迫相似年的选取方法以及带通滤波和经验正交函数分解等方法提取出10–30 d的稳定分量, 并通过对稳定分量的诊断分析探究了这次持续高温及其减弱过程的维持机制. 研究发现: 通过选取与个例前期海温强迫最相似的30年来代替常规的气候态30 年(1981–2010 年), 所提取的气候态稳定分量所占的比重变化不大, 稍有减弱, 而异常型稳定分量占的比重显著性提高, 且其所刻画的影响异常事件的天气系统强度及稳定性明显提高, 能够更加清晰地显示延伸期天气过程的维持机制. 这表明在提取稳定分量时考虑前期的海温强迫作用是非常有必要的. 同时, 通过对延伸期稳定分量的分析, 表明此次持续高温及减退过程主要受到北极涛动、亚洲大陆中高纬纬向环流形势和西太平洋副热带高压(西太副高)强度、位置的共同影响.     

基于POD方法的湍流大尺度信息提取与分析

本文用正交分解(POD)方法对径向旋转方通道内直接数值模拟得到的湍流数据进行处理得到了湍流大尺度结构和POD模态的能量分布。对于不同的工况,文中均采用了200个具有相同时间间隔的湍流瞬时主流速度场作为样本。为研究浮升力对湍流大尺度结构的影响及POD模态的能量分布,对四个不同格拉晓芙数Gr_τ下的主流速度场进行了POD处理和分析。结果表明:湍流大尺度结构主要集中在通道的非稳定壁面(y=0)附近和侧壁面附近,随着格拉晓芙数的增加湍动能分布于更多的模态中。     

黄土高原中部秋季干湿的年际和年代际环流异常特征及与海温的多尺度相关性研究

黄土高原地区作为气候敏感区和生态脆弱区地表干 湿状况的年际和年代际变化特征十分明显. 但以往主要是针对夏季进行分析, 而对黄土高原秋季干湿变化规律及大气环流机理的认识非常有限. 本文基于中国589站最近50 a (1961–2010年)月降水和气温月平均资料、NCEP/NCAR提供的再分析资料以及NOAA提供的海表温度(Sea Surface Temperature, SST) 资料, 运用带通/低通滤波、小波分析、EOF/REOF和回归分析等方法, 在对中国秋季干湿时空演化分类的基础上, 通过研究秋季黄土高原中部干湿演变周期、大气环流特征及与海温的多尺度相关关系, 以揭示影响黄土高原中部秋季干湿变化的物理机理, 并确定影响该区域干湿状况的前兆信号. 小波功率谱分析表明, 黄土高原中部秋季干湿指数存在准4 a和准8 a的周期, 1970–1990年准8 a尺度周期振荡尤为明显. 年际(周期≤ 8 a) 尺度上偏湿年的大气环流特征是, 欧亚大陆中高纬呈“双阻型”, 200 hPa西风急流显著北移, 日本海-鄂霍茨克海受反气旋控制, 其底部的偏东水汽输送带将水汽输入研究区. 年代际(周期 > 8 a)尺度上偏湿年的大气环流特征是, 东亚大陆为一致的低值系统; 200 hPa东亚副热带西风急流减弱北移, 研究区主要水汽来源由经孟加拉湾在中南半岛转向的南风水汽输送及中纬度的西风水汽输送组成. 整个序列上, Nino3区SST指数(Nino3I)超前5个月与秋季干湿指数已呈显著的负相关关系, 而孟加拉湾–中国南海SST指数(BayI)则超前3个月与干湿指数呈现显著的负相关关系. 年际尺度上, 秋季Nino3I, BayI均与秋季干湿指数存在显著相关(准4 a, 4–6 a), 而年代际尺度上, 只有BayI与秋季干湿指数存在显著相关性(准10 a). 黄土高原中部秋季干湿的年际和年代际周期的确定、大气环流异常特征的认识及与海温的多尺度相关关系的建立, 不仅揭示了影响该区域干湿变化的物理机理, 也为干旱气候预测提供了重要的前兆信号. 关键词： 黄土高原中部 干湿特征 海表温度 小波分析     

轿车车室内温度场和速度场的数值模拟北大核心

数值模拟了汽车车室内的温度场和速度场,忽略太阳辐射,采用RNG模型,近壁面用壁面函数法进行处理,分析了不同的送风速度,送风温度,出口压力对汽车室内温度场和速度场分布的影响,对车室内的温度场和速度场的均匀性做出评价并对其优化。结果表明在车室后排空间添加一个送风口,可以有效地改善车室内温度场和速度场分布的均匀性,温度场均匀性提高了36.5%,速度场均匀性提高了45.2%。     

轿车车室内温度场和速度场的数值模拟

数值模拟了汽车车室内的温度场和速度场,忽略太阳辐射,采用RNG模型,近壁面用壁面函数法进行处理,分析了不同的送风速度,送风温度,出口压力对汽车室内温度场和速度场分布的影响,对车室内的温度场和速度场的均匀性做出评价并对其优化。结果表明在车室后排空间添加一个送风口,可以有效地改善车室内温度场和速度场分布的均匀性,温度场均匀性提高了36.5%,速度场均匀性提高了45.2%。     

大雷诺数下方柱绕流PIV试验及数值模拟

基于风洞试验利用粒子图像测速技术(PIV)研究了大雷诺数(Re=3.42×10~4)下方柱绕流流场,并应用本征正交分解(POD)法分解PIV瞬态速度场,获得了方柱尾流的低阶模态和重构流场结果,研究方柱绕流的流动机理.采用γ-Re_θ和k-ωSST两种湍流模型研究了大雷诺数下方柱尾流的速度分布以及湍动能变化。风洞PIV试验可准确的观测方柱尾流脉动流场,基于POD方法得到的前6阶模态占总能量的78.7%,前6阶模态即可较准确重构流场并捕获流场的主要特征。通过对比,γ-Re_θ模型是较优的湍流模型,可较好地得到尾流的湍动能及其变化规律。     

基于POD模态分解的液环泵瞬态气液两相流分析

针对液环泵内气液两相流动的复杂时空规律,采用本征正交分解(POD)方法对其瞬态气液两相流场进行特征分解,分析其相态场、速度场的空间基模态特征及模态系数的时域特征,建立非定常流场降阶模型,并对流场进行预测分析.结果表明POD方法可实现对液环泵内复杂流场的时空解耦分析,相态场及速度场的各阶模态系数在时域内的变化能够反映各阶...     

A study of the early warning signals of abrupt change in the Pacific decadal oscillation

In recent years, the phenomenon of a critical slowing down has demonstrated its major potential in discovering whether a complex dynamic system tends to abruptly change at critical points. This research on the Pacific decadal oscillation(PDO) index has been made on the basis of the critical slowing down principle in order to analyze its early warning signal of abrupt change. The chaotic characteristics of the PDO index sequence at different times are determined by using the largest Lyapunov exponent(LLE). The relationship between the regional sea surface temperature(SST) background field and the early warning signal of the PDO abrupt change is further studied through calculating the variance of the SST in the PDO region and the spatial distribution of the autocorrelation coefficient, thereby providing the experimental foundation for the extensive application of the method of the critical slowing down phenomenon. Our results show that the phenomenon of critical slowing down, such as the increase of the variance and autocorrelation coefficient, will continue for six years before the abrupt change of the PDO index. This phenomenon of the critical slowing down can be regarded as one of the early warning signals of an abrupt change. Through calculating the LLE of the PDO index during different times, it is also found that the strongest chaotic characteristics of the system occurred between 1971 and 1975 in the early stages of an abrupt change(1976), and the system was at the stage of a critical slowing down, which proves the reliability of the early warning signal of abrupt change discovered in 1970 from the mechanism. In addition, the variance of the SST,along with the spatial distribution of the autocorrelation coefficient in the corresponding PDO region, also demonstrates the corresponding relationship between the change of the background field of the SST and the change of the PDO.     

20世纪90年代末东亚夏季降水年代际变化及其成因初探

基于1983—2011年月总降水量、环流和海温的再分析资料,给出了20世纪90年代末东亚夏季降水的年代际调整的区域特征,及其对应的大气环流内部过程和可能的海温外强迫的年代际变化.研究结果表明,在20世纪90年代末期东亚北部夏季降水比东亚南部夏季降水由湿向干的表现更为明显,东亚南部地区夏季降水则是在20世纪90年代初和21世纪初发生年代际的转折.此外,东亚地区夏季的500 h Pa高度场、850 h Pa风场、U200风场、水汽输送场和东亚太平洋遥相关型指数和东亚夏季风指数等在20世纪90年代末期也表现出明显的年代际变化特征.进而从大气内部过程的角度验证了20世纪90年代末东亚夏季降水发生的年代际调整.与此同时,北太平洋和西太平洋海表温度表现出由偏低向偏高的转变,这可能是导致20世纪90年代末期东亚夏季气候年代际变化的重要外部成因之一.     

东亚北部地区气温的冬季-冬季再现特征研究

对东亚北部(40—50°N,100—130°E)区域1953—2012年大气温度的冬季-夏季-次年冬季(简称冬季-冬季)的季节变化特征进行了初步研究.结果表明:2008年以来,该区域的气温从低层至高层(1000—400 h Pa)连续三年出现冬季偏冷-夏季偏暖-次年冬季偏冷的典型特征,20世纪50—60年代亦有类似情况;而20世纪90年代则出现了与此相反的冬季偏暖-夏季偏冷-次年冬季偏暖的变化特征.将这种典型的气温季节变化特征定义为一种新的变化机理:冬季-冬季再现(WWR).根据1953—2012年的历年变化情况将这60年划分为四种不同的类型:负(正)冬季-冬季再现(negative/positive WWR)型和负(正)冬季-冬季非再现(negative/positive non-WWR)型.其中,气温表现为WWR型的年份共计23年,出现概率近40%,并且该WWR特征是相对独立于El Nio-南方涛动指数的变化而存在的.对不同类型年份的位势高度场、垂直速度场及其850 h Pa风场进行的合成分析表明:对于WWR型,高层(500 h Pa)至低层(1000 h Pa)的大气内部动力过程具有与气温相匹配的冬季-冬季的再现特征;而non-WWR型则没有出现类似的特征,从而在一定程度验证了WWR存在的可能性.WWR的提出为进一步开展当前全球增暖背景下冬季低温事件的频发提供了一个新的思路.     

Optical magnetoelectric effect in a submicron patterned magnet

The optical magnetoelectric effect, which is a nonreciprocal directional dichroic response, has been demonstrated in a submicron patterned magnet by monitoring the diffracted visible or near-infrared light intensity. An artificial magnetic superstructure is composed of chevron shaped ">" islands made of the ferromagnetic permalloy Ni(80)Fe(20) with a pitch of 1 microm on silicon substrate, in which both space inversion and time reversal symmetry are broken simultaneously. On the basis of the light-polarization angle and magnetic field H dependence, and also comparing the results with the those of the submicron square patterns, we show that the optical magnetoelectric effect emerges as the finite change (approximately 10(-3) at room temperature in H of 500 Oe) of the diffracted intensity.     

Statistical techniques analysis of SST and SLP in the Persian Gulf

Thirty-four years of data (1967-2000) are used to investigate the variability pattern relevant to air-sea interaction in the Persian Gulf. The patterns are derived using statistical techniques, such as empirical orthogonal function (EOF) and singular value decomposition (SVD). Statistical analysis methods are applied to determine the coupled modes of variability of monthly sea surface temperature (SST) and sea level pressure (SLP). The significant of the air-sea interaction is found by a strong resemblance between EOF and SVD eigenvectors and expansion coefficients of SST and SLP. We find that the four leading EOF patterns of SST together account for 99.8% of the total monthly SST variance and 94.4% of the SLP variance. The zero contour in the first SST EOF identified the front which separates the Persian Gulf cyclonic gyres.The SVD modes provide more information on the coupling between the fields than the modes obtained by EOF methods. Lagged correlation analysis between SVD1(SLP) and SVD1(SST) indicates that the coupling is strongest when SLP leads SST by −12, −6, 6 and 12 months. Therefore, the first mode of the SVD analysis seems to depict an air-to-sea forcing, in which the sea response to the atmospheric changes appears with an semiannual and interannual time lag.The two leading SVD modes of variability of the coupled SST and SLP fields account for 99.6% of the total variance. The main patterns of both variables of variability of both variables independently provide considerable information on the coupling, but only one of the two variables dominates each of the two first coupled modes.The first coupled mode of variability between the SST and atmospheric pressure can be described as a strengthening and weakening of the cyclonic gyres, which seems to force fluctuations in a north-south dipole structure in the SST by Ekman upwelling which is a wind-related process. The atmospheric forcing of the SST changes is detectable in the sea with a lag of 1 and 6 months.     

全球温度场信息熵的时空特征分析

本文基于信息熵理论定义气象要素信息熵,并运用其分析全球温度场在不同时空尺度上偏离气候态(1971—2000)的不确定性. 研究结果表明:1)温度场气候态信息熵(CE)具有明显的纬向分布特征,总体表现为温度场CE由低纬度地区向中高纬度地区递增,且海陆差异显著,可以较好地区分各个气候带;其垂直变化,在低纬度地区表现为随高度的升高而增加,但在中高纬度地区则以300hPa为界呈准对称分布,在此高度之上其值随高度升高而增加,之下则相反,这一特征在高纬度地区更为明显.2)温度场月信息熵(ME)的季节性差异显著,总体表 关键词： 信息熵 温度场 可预测性     

斜压二层模式框架下的准地转理论及其应用

准地转理论是短期天气预报的理论基础.针对中纬度大尺度运动得到的准地转运动方程组是准地转理论的核心.在斜压二层模式框架下,由准地转运动方程组得出的准地转位势倾向方程和准地转垂直运动方程,可以更为明确地解释高空和地面天气系统的移动和发展.结果显示:500 hPa高空槽的移动取决于本层的涡度平流,500 hPa高空槽的发展取决于本层的涡度平流和250与750h Pa层的微差温度平流;地面气旋系统的移动和发展取决于500hPa的正温度平流,250与750 hPa层的微差涡度平流.由实际天气过程对上述应用进行的分析表明,在斜压二层模式框架下得到的准地转位势倾向方程及准地转垂直运动方程,可以更好地确定中纬度天气尺度斜压发展系统的特征,并有助于对天气系统发展客观规律的了解和对数值预报产品内含的物理依据的认识.     

基于遗传优化的西太平洋副高异常活动年份的动力预报模型反演

基于2000–2010年NECR/NECP的500 hPa位势场资料, 用EOF时空分解方法和动力模型重构思想, 通过遗传算法的全局优化搜索和并行计算途径, 开展了500 hPa位势场动力预报模型反演, 建立了刻画副高活动的非线性动力预报模型, 实现了副高活动的中长期预报. 模型预报试验表明, 该模型对副高的中长期活动, 尤其是异常活动能够较好地描述和预报, 进而为副高等复杂天气系统的预报探索了新的方法思路. 关键词： 副热带高压 500 hPa位势场 动力模型反演 遗传算法