连续谱重力波参数化模拟赤道准两年振荡

在以往参数化格式的基础上, 同时考虑重力波的饱和破碎和临界层吸收过程, 通过引入重力波动量流谱分布密度函数, 真正实现连续谱重力波的参数化, 从而进一步完善重力波的参数化模式. 以实验观测值为基础, 选取大气背景参数和波特征参数, 结合行星波和重力波参数化后的驱动力, 能模拟出更接近实际观测的赤道准两年振荡. 数值计算结果表明, 重力波和行星波的驱动力大小随风场结构变化而变化, 在振荡的某些阶段, 重力波的贡献可以和行星波相比拟. 稳定的振荡形成后, 其振幅、周期和风场结构等特征受背景大气的扩散效应及重力波动量流的谱分布的影响, 与初始背景风场无关. 而且, 对于任意非零的初始背景风场, 在两种波的共同作用下, 都能形成稳定的准两年振荡.     

积云参数化方案的发展和改进及其在季节气候预测模式中的应用

在研究英国气象局的Gregory积云参数化方案特征的基础上, 根据我国区域降水的特点, 发展和改进了Gregory积云参数化方案. 首先, 在总体云群模式中, 直接考虑了低层大尺度辐合对积云对流的影响, 即在云模式中, 加入了有组织的卷入和卷出; 其次, 调整了积云对流初始的质量通并考虑了过冷水存在对饱和水汽压的影响; 最后, 调整了向下拖曳气流的强度. 在改进Gregory积云参数化方案后, 对我国近年来典型年份的夏季降水进行了预报实验, 结果表明: 发展和改进后的Gregory方案能较好地模拟出我国的降水形势, 取得了较好的预报效果.     

北大西洋涛动活动中心空间位移年际年代际变化

利用Twentieth Century Reanalysis(V2)月平均再分析资料, 通过对冬季平均海平面气压(SLP)距平场上北大西洋涛动(NAO)活动中心空间位置的直接确认, 建立4 个NAO 空间位移指数反映NAO 活动中心空间位移特征, 发现NAO 南北活动中心的经向位移趋势与纬向位移表现非常一致, 表现为NAO 活动中心往往沿着西南-东北方向移动. 多窗谱分析显示, NAO 空间位移指数的周期主要集中在2~6 年, 与NAO 指数的高频变化存在共同的2~3 年的振荡周期.在年代际变化上, NAO 指数与NAO 空间位移指数有显著的正相关关系. 但在年际变化上,NAO 指数与NAO 北活动中心纬向位移的关系却并不显著. NAO 指数与NAO 活动中心年际变化的联系很可能是通过天气尺度的Rossby 波破碎(RWB)产生作用的, 在NAO正(负)位相阶段,伴随着反气旋性波破碎(气旋性波破碎)事件, NAO活动中心偏北(南), 且NAO南活动中心偏东(西), 而NAO 北活动中心在纬向上没有发生明显偏移. 虽然北大西洋地区平均纬向风强度与NAO 空间位移指数存在显著的正相关关系, 但这很可能只是NAO 指数对NAO 活动中心空间位移影响的外在表现.     

规则波在岛礁地形上传播变化特性的试验

通过物理模型试验研究了规则波在陡峭珊瑚礁地形上的传播、变形和破碎变化特性.试验研究了在深水波和有限水深波作用下,礁坪上波浪增水高度与礁坪上淹没水深和入射波参数等的变化规律.试验结果表明,当礁坪上淹没水深较小时,波浪在礁面上发生破碎,礁坪上平均水面增高值较大,在本试验范围内,最大增水值接近0.40H_0.当礁坪上淹没水深较大时,波浪在礁坪上发生破碎,礁坪上最大增水值不到0.10H_0.文中将本试验结果与Gourlay,Nelson和Jensen等人的试验结果进行了比较,分析了各试验结果的差异及其原因,解释了礁坪上波浪增水高度随周期的变化关系,并建议了Gourlay提出的波浪增水计算公式中的波能耗散系数取值范围.     

重力波对中层顶区O_3及OH分布的影响

利用考虑了光化-动力耦合的重力波模式就重力波对大气化学成分分布的影响进行了计算, 着重研究了重力波通过非线性化学反应对大气化学成分分布的影响这一新的机制, 以O3和OH为例进行了计算. 研究表明, 重力波在传播过程中主要通过非线性化学反应引起中层顶区大气化学成分分布的变化, 其贡献可以超过湍流扩散和重力波引起的非线性输运.     

梅雨期EAP事件的中期演变特征与中高纬Rossby波活动

揭示了梅雨期EAP(东亚/太平洋)事件的中期演变特征和中高纬Rossby波活动对它的作用. 正负EAP事件的形成过程并不是简单的反位相演变过程. 在对流层上层, Rossby波能量在欧亚大陆中高纬地区及亚洲急流区向下游频散, 形成EAP事件中高纬度2个异常中心的基本形态. 在这一层, Rossby波能量也从中纬度异常中心向高纬度异常中心经向传播. 在对流层中低层, 热带西太平洋暖池区对流活动异常可形成EAP事件的副热带异常中心, Rossby波能量从这一中心的北界向北频散, 有利于中纬度异常中心的维持和加强. Rossby波能量在对流层上层西风带背景环流中准纬向频散和在对流层中低层东亚夏季风环流中准经向频散, 其对应的异常环流在东亚沿岸地区相互作用和相互锁定, 形成正负EAP事件盛期的典型特征.     

微气流作用下多孔表面液滴动态润湿行为

基于对附加动量力场调控液滴润湿行为特性的创新性思考,通过可视化实验,利用多孔材料表面配合辅助微气流作用的形式,探索了液滴在多孔材料表面的动态润湿行为特性,鉴别了微气流作用下液滴在多孔材料表面的3种不同动态润湿模式,发现了液滴在微气流作用下的类超疏水悬浮状态.在此基础上,针对具有典型意义的液滴完整浸润模式,结合对多孔材料表面液滴受力模式与受力机理的分析,探讨了不同微气流条件下液滴表观接触角、体积以及底部润湿面积等动态润湿参数与润湿时间之间的依变规律.     

改善月动力延伸预报水平的一种新途径

从数值模式普遍存在的一个重要预报误差源—— 纬向平均环流入手, 提出了一种改进月动力延伸预报的新途径. 首先, 应用重构相空间理论和非线性时空序列预测方法, 在大量历史资料的基础上构建纬圈平均环流(纬向平均高度场)月尺度逐候非线性动力学区域预报模型; 然后将非线性动力预报和数值模式动力预报结合起来, 即将非线性预报结果转化为模式需要的预报量, 再在模式积分过程中实施过程订正. 试验结果表明, 这种方法不仅有效减少了模式的系统性预报误差, 而且通过波流非线性相互作用, 使部分波分量的预报得到了较明显的改善.     

重力波对中层顶区O3及OH分布的影响

利用考虑了光化-动力耦合的重力波模式就重力波对大气化学成分分布的影响进行了计算,着重研究了重力波通过非性性化学反应对大气化学成分分布的影响这一新的机制,以O3和OH为例进行了计算。研究表明,重力波在传播过程中主要通过非线性化学反应引起中层顶区大气化学成分分布的变化,其贡献可能超过湍流扩散和重力波引起的非线性输运。     

南半球对流层上层纬向风与东亚夏季风环流

研究了南半球对流层上层纬向风和东亚夏季风在年际变化尺度上的关系, 用150百帕60°S和30°S之间的纬向平均的纬向风差值(ISH)可以很好地代表南半球纬向风的年际变化. 结果发现: ISH和东亚夏季风环流在年际变化尺度上有非常显著的负相关关系. 研究揭示: 从南半球到热带区域的纬向风的径向遥相关型(主体在东半球)可能是这种关系的主要内在原因. 通过这种遥相关型使得风场和气压场发生改变从而影响东亚夏季风环流; 另外, 与ISH相关连的欧亚大陆区的异常遥相关波列也是一个重要的机制. 而且ISH和东亚夏季风环流的关系有同时性, 也有非同时性. 因此这种关系的存在一定意义上也具有预测价值.     

全球有限区数值预报模式动力框架的试验验证

全球有限区通用数值预报模式是21世纪数值预报模式的发展趋势, 为此“十五”期间中国气象局发展了一个GRAPES(global/regional assimilation and prediction system)全球有限区多尺度非静力数值预报模式. 为了验证GRAPES模式方案设计的科学性、程序编写的正确性, 针对模式的特点设计了一套完整的理想试验方案来对GRAPES动力模式的性能进行检验, 包括用于检验中尺度模式的密度流和三维地形波试验; 用于检验近极地半拉格朗日上游点和极区离散方案正确性的越极地气流试验等. 密度流试验显示模式框架对精细尺度的非线性流及其瞬变特征有较强的模拟能力; 三维地形波试验说明GRAPES模式动力框架能够较好地模拟气流过山时重力内波的水平与垂直传播. 而越极地气流试验验证了模式对极地半拉格朗日上游点及近极地的离散处理是正确的. 实际个例试验表明, GRAPES全球模式对影响中国夏季的大尺度环流形势有较好的预报能力.     

夏季极区中层顶光化诱发重力波不稳定研究

探讨了中、高层大气中光化加热及冷却产生的非绝热过程对重力波传播的影响,建立了考虑非绝热过程线性重力波模式,计算了重力波不稳定区域以及波的增长率,并与纯动力学绝热重力波理论进行了对比研究,计算在中层顶附近,光化过程造成重力波存在不稳定区而且不稳定随着温度的下降而增强,经的温度、高度特征与观测结果比较一大致,因而光化诱恨重力波不稳定有可能是夏季中层顶附近的重要机制。     

青藏高原与低纬度地区大气环流的一些关系

青藏高原是全球最高的大高原,是影响全球大气环流的重要因子之一。尤其是夏季高原上空的青藏高压不仅影响北半球流场,而且与南半球流场直接相关。文献[1,2]把青藏高压看作对流层上层的大尺度阻塞高压,对于低纬度纬向气流是巨大的障碍。最近我们进一步研究了夏季青藏高原在低纬地区突出的加热效应,讨论了青藏高原对全球低纬地区平均经圈环流的影响,还研究了拉萨和南、北半球低纬遥远地区一些台站200毫巴高度变化趋势的相关。     

印度洋海温偶极子型振荡与热带太平洋之间的对流层遥相关模态及相应的机制解释

利用GISST和NECP/NCAR再分析数据, 研究了印度洋海温偶极子型振荡(Indian Ocean Dipole, IOD)和太平洋之间在对流层上的遥相关模态并对其进行了机制解释. 通过对IOD变化指数时间序列和整个南半球对流层重力位势异常场之间的相关分析, 首先给出了遥相关的空间模态, 结果显示: 在热带太平洋上空的对流层存在明显和IOD变化密切联系的遥相关作用中心; 该中心和热带印度洋之间由一列明显的大气遥相关波列结构连接起来, 该波列结构从热带印度洋出发, 向东南方向发展进入澳大利亚和太平洋的亚热带海域, 最终到达热带太平洋. 其次, 利用行星波能量传播理论对两者之间的遥相关进行了机制解释, 发现从热带印度洋出发的纬向波数为1~3的大气行星波的能量传播路径和遥相关波列路径定性相符. 另外, 对大气行星波在半球尺度上能量传播的时间尺度分析结果表明, 它和太平洋对流层异常对IOD的响应时间尺度是一致的. 因此我们得到这样的结论: 大气行星波的能量传播是热带印度洋海温偶极子型振荡和热带太平洋之间对流层遥相关的一种可能的联系方式.     

破碎区水体掺气特征及空隙率分布规律

为了解破碎区水体掺气过程中空隙率的分布及其与波浪要素之间的关系,基于波浪水槽实验,通过高速摄像机和气泡测量系统分别记录了卷破波作用下破碎区内水体掺气过程和空隙率时空分布,着重分析了影响空隙率分布的主要因素.实验结果表明:空隙率的分布与水深、波浪特征指标以及与破碎点的距离有关;讨论了空隙率的时均分布特征,引入C_0和k_1两个经验参数建立了其函数关系表达式,并通过实验数据进行拟合反推得到参数k_1与波高成反比、C_0是波陡、相对水深、无量纲水平位置的函数.基于拟合公式分析了各要素与空隙率之间的关系,得到本实验条件下水面处最大的空隙率接近20%,气泡最大穿透深度接近静水面下5cm;破碎区域内空隙率随水深的增加呈e指数的函数关系衰减.研究结果能较好地用于预测破碎区空隙率的分布,为深入研究波浪破碎作用下气泡输运机制提供参考.     

钠层分布对重力波传播响应的线性理论

利用线性化的光化-动力耦合的重力波模式就重力波对中层顶区钠层分布的影响进行了计算, 模式中包括了背景光化学和钠层光化学反应. 着重研究并给出了钠层混合比对重力波传播响应的振幅和相位分布. 计算表明, 钠原子对重力波响应的最敏感区域在钠层的下部. 并且, 在钠层下部, 钠原子混合比波动与温度波动同相位, 而在其上部, 与温度波动反相位.     

行星尺度纬圈平均风扰动的传播与南北极涛动

全球大气变量可以物理分解为纬圈和时间平均的气候对称部分、时间平均的气候非对称部分、行星尺度纬圈平均的瞬时对称扰动和天气尺度瞬时非对称扰动.本文分析了对流层顶行星尺度经、纬向风扰动在季节内和年际尺度上的变化,及其与厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)、北极涛动(AO)和南极涛动(AAO)之间的关系.结果表明,来自热带对流层顶的年际行星尺度纬向风扰动与赤道ENSO循环有联系,并通过异常的经圈环流传播到副热带、中纬度和极锋对流层顶.来自热带对流层顶的季节内(40~60 d)行星尺度纬向风扰动也可以通过异常的经圈环流向赤道外传播到副热带和中纬度.来自两半球极地对流层顶的大气季节内行星尺度纬向风扰动可以向高纬度传播.AO和AAO是这些行星尺度环流扰动在中高纬度传播与叠加的结果.     

北极涛动比南极涛动纬向对称性更好

Fan (2007)最近从年际变化的角度研究了南极涛动的纬向不对称性问题. 利用观测和再分析资料以及海气耦合模式的模拟试验研究了北极涛动的纬向不对称性. 结果表明: 北极涛动同样存在纬向不对称性, 然而, 北极涛动的纬向不对称性显著地弱于南极涛动. 这出乎意料, 因为北半球海陆分布的纬向不对称性远远比南半球大. 进一步的分析表明: 1959~1998年北极涛动的东西两个半球的分量之间相关系数为0.54, 远大于南极涛动的东西两个半球分量之间的相关系数(0.23). 研究提出, ENSO可能是造成南极涛动和北极涛动的纬向不对称性差异的原因. 分析与南方涛动相关联的海平面气压场可以发现: 在北半球中高纬区的纬向不对称性要显著地弱于南半球的情况, 从而导致北极涛动的纬向不对称性要显著小于南极涛动. 利用一个海气耦合模式进行了敏感性试验, 初步研究了热带海气耦合作用对北极涛动纬向不对称性的影响.     

20世纪90年代末中国东部夏季降水和环流的年代际变化特征及其内动力成因

观测资料分析表明, 中国东部夏季降水在20世纪90年代末发生了年代际突变, 在1999～2010年期间降水异常从以往的经向三极子型分布变成了经向偶极子分布, 形成了“南涝北旱”(除长江沿岸地区)的特征; 中国东部这次降水的年代际突变与东亚上空对流层环流及散度、垂直运动以及整层水汽输送散度的经向偶极子型年代际异常分布相对应. 并且, 本文还从大气内动力和热力过程讨论了1999～2010年期间东亚地区上空夏季对流层中、上层纬向气流和经向气流异常对中国东部夏季降水年代际突变的影响, 其结果表明, 由于在此时期东亚上空副热带急流北移减弱, 使得东亚上空纬向气流异常形成经向偶极子型. 这一方面使得东亚对流层上层沿副热带急流传播的“丝绸之路(Silk Road)”型、沿东亚经向传播的东亚/太平洋(EAP)型和沿极锋急流传播的欧亚(EU)型遥相关波列发生异常, 从而引起中国北方为下沉运动异常, 而南方为上升运动异常; 另一方面造成了中国东部对流层中层北方有冷平流异常, 而南方有暖平流异常, 这也引起了中国北方有下沉运动异常, 而南方有上升运动异常, 因而在1999～2010年期间夏季中国形成南涝北旱的降水异常.     

密度分层流体中不同长径比拖曳潜体激发内波特性实验

在具有连续密度跃层的分层流体中,针对3种不同长径比拖曳潜体激发内波的运动学与动力学特性进行了系列实验.从拖曳潜体产生扰动密度场的动态时间序列测量结果入手,表明体积效应激发内波属于一种相对于拖曳潜体定常的多模态Lee波结构,而尾迹效应激发主控内波为相对于拖曳潜体非定常的拟Lee波结构,这是一类由湍流尾迹中大尺度相干结构作为移动源激发的内波结构.研究表明,在Lee波与拟Lee波之间存在一个与长径比近似为线性关系的临界转捩Froude数Frc,而且转捩后拟Lee波相关速度相应Froude数近似为一个常数0.8.研究进一步表明,存在一个与长径比近似为线性关系的Froude数Frp,当FrFrc时,拟Lee波为主控内波,无因次内波峰-峰幅值随Fr增大近似线性增大,而且长径比的影响可以忽略,其中Fr为拖曳潜体特征直径Froude数.