6月和10月大气环流突变的非线性机制

本文用低谱途径,研究了正压大气中环流的突变。在一定的参数集合,随着外部热力强迫的渐变,激发出了谱系数的准Cusp型突变与西风急流位置的突变,结果与6月、10月南支急流突然北跳与建立的图象相似。依赖于参数集合的变化,突变可被单稳态的渐变或多平衡态的分支所代替。环流突变的机制,是一个有多种加热强迫、有耗散、有热力动力共同作用的非线性机制。     

副热带高压北跳与月尖(CUSP)突变

观测事实表明,大气在一个广泛的时空尺度中出现各类突变现象。本文以René Thom首创的突变论为工具,通过月尖突变模型讨论了副热带高压北跳这一大气突变现象,指出控制参数的渐变如何导致现象的突变,进而解释了大气环流的“(六月)突变”现象。文中还指出,由于行星尺度副热带高压的移行发展,有时与等压面位势高度场的变化直接相联,因而副热带高压未必是作为一个系统“实体”而移行发展的。     

热力强迫下斜压大气的多平衡态与副热带高压

本文用Lorenz的湿模式,在低谱简化下得到了描述大气运动的非线性耗散系统,讨论了在热力强迫与大气环流的非线性相互作用下,湿、斜压大气在参数空间的多平衡态与副热带高压冬、夏流型的转换及其东西振荡,并与相应的干模式进行比较。结果表明:副热带高压冬、夏流型的转换是一种不连续跳跃现象,是经过流场上的快速调整重建新的流型的过程。在干模式中反映不出副热带高压中心的东西摆动,而在湿模式中,由于引入了水汽的热力效应,体现了流场与加热场的非线性相互作用,促成了副热带高压中心的东西摆动。     

季节性和非季节性外强迫引起的大气动力过程对短期气候异常变化形成作用的数值研究

本文指出在没有非季节性外强迫的25年模拟结果中,同样可以找到和外强迫异常引起的类似型类的气候异常变化,这表明季节性外强迫和非季节性外强迫引起的大气动力过程,都可以形成短期气候的异常变化,并使用两层IAP大气环流模式,对两组不同初态和不同自然气候变化子序列在同样热带海温异常条件下进行了数值试验,研究表明,模式大气中的气候异常现象是大气长期气候自然变化过程中固有的大气内部动力过程和外强迫异常所引起的动力过程的相互作用的结果;在北半球冬季,500hPa距平型的分布特征和非季节外强迫引起的动力过程所产生的异常特征比较一致,而南半球夏季,500hPa距平特征和季节性外强迫引起的动力过程所产生的距平特征比较一致。     

旋转地球上二维板对称耗散扰动的非线性不稳定性

本文用五分量的低阶截谱,研究了旋转地球上耗散系统在平均温度场强迫下,二维板对称扰动的非线性不稳定性,得出了蝴蝶型突变。对于指定的水平温度梯度值,随静力稳定度的减小,系统平衡态一般经历从静止单稳态向一定环流强度单稳态的突跳,以后又稳定在强环流的双稳态;而且不出现周期和非周期变化现象。当水平温度梯度不存在时,则只要有一定的较弱的垂直涡粘性,系统本身的非线性作用和环境的静力不稳定性,就可导致周期或非周期变化。     

湿过程对多平衡态及副热带流型的影响

本文提出一个两层,β平面,带有海陆分布的低谱准地转湿模式;模式的湿度变量为全露点温度。模式过程包含蒸发、降水以及云和水汽对辐射的作用。用该模式实施的数值试验表明,湿过程使模拟的副热带高压显著增强,流型的经向度加大。在一定的参数集合,湿模式大气可以显示出双平衡态,结果与夏半年对流上层副热带高压东部型和西部型的观测事实相似。     

El Nino海温异常对纬向平均经圈环流及大气输送特征的影响

本文用欧洲中期天气预报中心高分辨谱模式,对1982/1983 El Nino期大气环流异常的模拟指出,持续的赤道东太平洋海温距平导致热带非绝热加热和直接经圈环流间的正反馈,从而加强了Hadley环流。同时,冬半球高纬涡旋输送特征发生明显变化,使强迫反环流加强。在纬向平均意义下,El Nino海温距平在月的时间尺度上导致副热带地区变干,而热带和北极地区变暖、变湿。     

冬季低纬度热源异常对北半球大气环流影响的物理机制

本文应用球坐标系的波折射指数平方来讨论北半球的冬季低纬度强迫所产生的准定常行星波在实际基本气流中的传播规律,指出了冬季北半球低纬度热源异常将会引起北半球中高纬度大气环流的异常。本文还应用一个包括Rayleigh摩擦、Newton冷却及水平涡旋热力扩散准地转球坐标模式,来研究北半球冬季理想热源强迫所产生的扰动系统在北半球的传播情况。计算结果表明:在冬季由于热带太平洋上空热源异常,可以产生PNA型大气环流的异常。     

纬向不对称热力强迫下超长波的非线性平衡态与阻塞形势

本文采用高截断谱分解方法,得到了在纬向不对称热力强迫下超长波的非线性平衡态解。其中一类低指数近于共振特性的平衡态的流场、温度场特点及其稳定性,反映了实际阻塞形势的一些主要特征。由于平衡态是解析地求得的,还引申出一些热力强迫对阻塞形势控制作用的推论。     

海气耦合振荡非线性动力系统的平衡态研究

本文利用一个正压地形强迫准地转方程与表层海温方程联立,在大尺度洋流可用Sverdrup流近似的假设下来封闭方程组。在这样一个海气相互作用系统中,考虑了海温场加热大气及大气环流通过风生流再分布海温场的两个基本过程。在低阶截谱及多尺度方法的简化下,建立一个海气耦合系统。并对耦合系统作相空间分析,解析地求得海气系统中的两类稳定的平衡态。指出由此可以解释一些长期环流异常的特征。     

干旱地区大面积灌溉中尺度气候效应的初步研究

本文使用土壤-大气相互作用的中尺度模式研究在干旱的中纬度地区大面积灌溉对中尺度气候的调整。研究表明,在干旱地区大面积灌溉可导致由于热力强迫作用产生一个在性质上非常类似于海风环流的潮湿土壤风环流。在该环流的作用下,使该地区从干旱气候向类似于沿海气候的方向调整。文中还讨论了地转风对这个中尺度环流的影响。     

平衡态向周期态的分支和副热带流型的两类低频振荡

本文在低谱途径的非绝热项中,引进对流凝结加热参数化,用以估计湿过程对平衡态向周期态分支的影响。在一定的参数集合,牛顿加热形式的强迫下,不能激发出周期态分支;但含有对流凝结加热的非绝热强迫,却可以激发出时间尺度以2—3周为主的周期态分支。对流凝结加热并使周期态分支运动的时间尺度缩短,振幅增长加快。对流上层副热带气压分布均匀的基态失稳,可形成两种类型的低频振荡。一类是高压中心的东西振荡;另一类是高压中心强度的低频振荡。这时,高压中心位置呈准定常状态。对流凝结加热对这两类低频振荡均具有一定的影响能力。     

非绝热有限振幅超长波的演变和大气环流的中长期变化

本文用描写非绝热有限振幅超长波运动的三层模式,得到基本纬向气流弱不稳定时,超长波振幅和基本气流的演变规律。分析表明,在轴对称热力场作用下斜压不稳定的旋转地球大气系统,在通常的牛顿型加热下具有特征周期为几周到几个月的阻尼自振荡特性。牛顿型加热将导致稳定的平衡态流场出现,通常它是近于高指数的环流状态,与行星大气本身的参数和基本气流超临界垂直切变的大小有关。趋于平衡态的演变过程性质,取决于加热强弱(μ)与斜压不稳定发展率(kC_(oi))的相对大小:在一般加热下,超长波振幅演变呈衰减的振荡特性,在强加热下,演变过程表现为快变和缓变两个阶段。这些结果可以对大气环流中长期变化的一些特征给予理论上的解释。     

一个改进的太平洋环流数值模式及模拟结果

本文基于大气物理研究所海洋环流模式和太平洋大尺度环流数值模拟工作,设计了一个考虑实际海陆分布和海底地形、较高分辨率的太平洋环流数值模式(水平经纬圈方向网格距为2°×2.5°,垂直方向为不等距的8层);并且采用垂直扩散参数化方法和稳定有效的时间积分方案.在年平均大气强迫场驱动下成功地模拟出海面起伏中赤道槽、赤道脊、北赤道逆流槽和北赤道脊等分布特征;完整地模拟出与这些槽脊分布相对应的北赤道洋流、南赤道洋流和介于它们两者之间的北赤道逆流;模拟得到的黑潮和赤道潜流强度也和观测结果相当.     

强迫波、自由波和纬向气流的相互作用——Ⅰ.平衡态环流的分支

本文用二层准地转模式,建立了一个近共振强迫波和近斜压不稳定自由波的非线性相互作用模式,试图以此来研究高低指数转换和非均匀性振荡的动力学问题。在这第一部分中,首先分析临界斜压不稳定和近共振强迫共同作用的弱非线性问题。然后以Hadley环流向Rossby波分支所造成的简单周期运动开始,分析热强迫波平衡态向定常强迫波与瞬变移动性Rossby混合型态的分支,及其所造成的较为复杂的运动形态。     

阻塞高压形成机制的数值研究

本文对强迫耗散KDV方程实施数值积分。结果表明:从高指数环流转换力阻塞流型约需10天;在阻塞流型形成和维持的过程中,热力强迫与耗散、非线性平流、线性频散三者的作用同样重要,它们是形成阻塞流型的三类本质性因子。     

流场特点与热力因子对台风移行的影响

本文主要从理论上讨论了台风周围流场特点与热力因子对台风移动的影响。文中指出,当台风东缘最大南风大于(小于)西缘最大北风时,有向北(南)移动的分量;当南缘最大西风小于北缘最大东风(大于并超过一定值)时,有向西(向东)移动分量,移速大小和方向随流场型类不同而异。当两台风接近到某程度时,可相互影响而出现反时钟相对旋转运动。同时指出,台风有朝向加热较强区、层结较不稳定区方向移动的趋势,也有沿变温梯度方向移动的趋势。此外,文中还讨论了副热带高压变动对台风路径的影响。     

南亚夏季风长期变化中的突变现象及其与全球迅速增暖的同步性

本文分析了1888年以来南亚夏季风活动长期变化的主要特点,用Mann-KendallRank Statistic方法检测到本世纪20年代夏季风活动突然增强的季风气候突变现象,并且发现这一突变现象与该时期全球迅速增暖几乎是同时的,对突变时期季风区环流和海陆热状况的诊断表明,北半球增暖期间陆地增暖明显大于、早于海洋,陆地和海洋热力差异迅速加大,促使季风低压发展,季风气流中的扰动加强,是夏季风突然增强的一个直接原因.     

青藏高原对东亚大尺度低空急流的动力影响

本文应用欧洲中期预报中心的十五层σ坐标初始方程的有限区域模式,对东亚一次大尺度低空急流进行了数值预报和控制试验.48小时的预报无论是大尺度环流、低空急流轴或是中尺度大风中心都与实况十分接近.去掉全部地形(J08)及改变高原的高度和坡度(J09)的试验指出:青藏高原对于东亚环流及大尺度低空急流有十分重要的作用.去掉地形后西风带槽脊强烈发展,副热带高压西北进.季风气流在印度半岛就开始北折,构成宽约30个经距的均匀而弱的偏南风带,原低空急流不复存在。 东亚季风气流是低空急流主要的大尺度背景场及动量源.向南延伸青藏高原地形,以影响季风气流的强度和走向,就大大地改变了原低空急流的方向和强度.由于东亚季风气流在对流层低层最强,因此它比西风带偏南气流及副热带高压更对低空急流有重要的作用。     

海气耦合系统相似韵律现象的研究

本文首先利用一个相似离差形式的海气耦合模式,探讨了相似韵律现象形成的动力学机制,指出相似韵律现象的产生是由于在月平均环流季节变化的强迫下,海气系统非线性耦合相互作用造成的相似离差扰动的不均匀振荡。文中进一步利用一个全球海气耦合的动力-统计季节长期数值预报模式,对相似韵律现象进行了数值模拟和各种敏感性实验,结果不仅证实了理论分析结果,也为进一步利用该模式进行季节长期数值预报提供了依据。