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1998年  第22卷  第4期

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论大气运动的多时态特征——适应、发展和准定常演变
叶笃正, 巢纪平
1998, 22(4): 385-398. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1998.04.01
摘要:
对中国气象学家在地转适应和运动多时态特征方面的研究作了概要性总结。其中主要介绍在风、压场的地转适应以及适应过程完成后,尚可区别出以Rossby波频散为特征的发展过程,和以平流过程为特征的准定常演变过程。文中指出,运动的多时态特征是由于动力系统中存在多种物理过程造成,因此在小尺度、中尺度以及热带大尺度运动中都存在适应、发展和准定常演变过程。文中进而指出,这种多时态特征也存在于海气耦合的气候系统中,以及更复杂的气候系统中,也即带有一定的普遍性。
亚洲冬夏季风对ENSO事件的响应
陶诗言, 张庆云
1998, 22(4): 399-407. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1998.04.02
摘要:
根据NCEP/NCAR_1980~1995年的再分析资料,分析了1980年以来5个El Ni?o和La Ni?a年冬、春和夏季200、500和850 hPa合成高度场、风场、流函数场及温度场。发现在冬季El Ni?o(La Ni?a)年亚洲上空的环流型不利(有利)于寒潮向南爆发,导致亚洲冬季风和大洋洲夏季风弱(强)。在El Ni?o(La Ni?a)年冬季华南和青藏高原降水或降雪量为正(负)距平,这使得在晚春和初夏南亚的加热慢(快),导致夏季海陆的热力对比小(大),因而出现弱(强)夏季风。我们还发现强El Ni?o年冬季,在印度洋-亚洲上空出现类似于东太平洋-北美上空的PNA遥相关,我们称之为印度洋-亚洲遥相关型(IA),引起亚洲冬夏季风年际变化的物理过程都是由IA遥相关型引起的。
一个可供现代数学分析研究的气候动力学模型
曾庆存
1998, 22(4): 408-417. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1998.04.03
摘要:
针对以往大气动力学方程和气候动力学方程数学研究所使用模式的不足之处,本文作了改进,使数学模型更接近于实际情况。这些包括,(1)取大气上界气压为零,而非某个正的(小)常数;(2)消除了整层无辐散近似,从而使地面气压为直接的预报量,但在地面气压预报方程中加入了水平湍流扩散项(平滑);(3)对大气运动的内热源的辐射传输过程和水汽相变过程作了合理的处理,而非看作已知的外强迫,用适当的方法可以用解析函数较好地逼近这些过程。另外还提出合理的边界条件。我们的目的是要证明这样提出的初—边值问题的解的存在性,以后还可研究其基本性质和长期行为。
中国地区大气气溶胶辐射强迫及区域气候效应的数值模拟
周秀骥, 李维亮, 罗云峰
1998, 22(4): 418-427. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1998.04.04
摘要:
利用太阳直接辐射日总量和日照时数等多年观测资料,反演了中国地区大气气溶胶0.75 μm光学厚度的年、月平均值,分析了我国大气气溶胶状况的时空分布特征。据此,在中国区域气候模式中考虑气溶胶的辐射影响,模拟中国地区气溶胶直接辐射强迫的大小及气候响应的季节变化特征。计算结果表明: 我国大气气溶胶光学厚度多年平均分布状况是以四川盆地为大值中心向四周减少;长江中下游武汉附近和南疆盆地为另两个大值中心;青藏高原为气溶胶低值区;我国绝大部分地区春季气溶胶光学厚度值最大,各地气溶胶光学厚度最小值出现的季节则有所不同。气溶胶辐射强迫介于-5.3~-13 W/m2之间;辐射强迫具有春、夏季大,秋、冬季小,冬季南方偏大,夏季北方偏大的特征。气溶胶辐射强迫的分布与其光学厚度的分布基本一致。由于气溶胶的影响,中国大陆地区地面气温均有所下降,四川盆地到长江中下游地区以及青藏高原北侧到河套地区降温最为明显,分别可达-0.4℃和-0.5℃。气候响应具有明显的季节特征。地面气温的变化除与辐射强迫的大小有关外,还受大气环流的影响。
赤道不同海域对信风张弛的响应特征——对El Ni?o研究的启示
巢纪平, 张丽
1998, 22(4): 428-442. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1998.04.05
摘要:
当均匀的纬圈风应力作用于赤道海洋时,在东、西边界附近由于平衡的物理过程不同,其响应特征也不同。当盛吹一个方向的风时,例如东风,东边界的温跃层会变浅(冷水),而西边界的温跃层变深。当东风吹了t0时间而改吹西风时,无论东边界的温跃层还是西边界的温跃层都要持续到2t0时间后,才改变其发展方向。这表明边界上的物理场带有长的“惯性”或长的“记忆”。但西边界信号向东传播的速度比东边界向西传播的速度要快,且振幅也大,从这个意义上讲,El Ni?o事件先兆从西边界附近出现后,能迅速影响到西、中太平洋,也即西边界附近更易成为 El Ni?o事件的源地,特别是强的El Ni?o事件。
大气动力学方程组的定性理论及其应用
李建平, 丑纪范
1998, 22(4): 443-453. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1998.04.06
摘要:
基于完整的湿大气动力学方程组,利用无穷维动力系统的新理论和新方法,系统讨论了强迫耗散的非线性大气系统的定性理论及其应用。将完整的强迫耗散非线性湿大气动力学方程组化为Hilbert空间中一个等价的算子方程,研究了算子的性质及其物理意义,在此基础上得到湿大气系统全局吸引子的存在性定理,揭示出系统向外源的非线性适应特征,并把结果推广到有地形动力作用和非定常外源强迫的情形。同时探讨了大气方程组惯性流形的存在,大气多平衡态产生的根源以及强迫、耗散和非线性对系统解的渐近行为的影响。在理论结果的基础上,提出强迫耗散的非线性动力系统中存在三类时间边界层、方程组简化准则、分解算法的算子约束原则以及支撑吸引子基底的少数自由度的构造方法,探讨了理论在非线性发展方程差分格式的设计和计算稳定性分析、多平衡态的数值分析、数值模式延伸预报的改进、短期气候预测以及一类中尺度系统分析与预测中的应用,指出描述长期过程动力学模式的必备条件,给出初值与模式相协调的合理解释。最后,对今后的研究方向作了展望。
大气输送的环境背景场
任阵海, 苏福庆
1998, 22(4): 454-459. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1998.04.07
摘要:
根据环境管理和控制观点提出大气环境质量属于资源。欲解决在哪些地方开发环境资源有可能得到最大和最长久的持续发展,在哪些地方是开发利用和环境保护相结合的地区,采用环境背景场研究是比较适宜的途径。为此,提出大气环境背景场的网络矩阵输送模型并利用我国大量历史资料制作出全年各季我国大气输送的环境背景场图。根据这些成果对我国各类输送型输送计算方法及各地区大气输送的环境资源背景场的影响进行了分析。
夏季东亚季风区水汽输送特征及其与南亚季风区水汽输送的差别
黄荣辉, 张振洲, 黄刚, 任保华
1998, 22(4): 460-469. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1998.04.08
摘要:
利用ECMWF所分析的1980~1989年每日各层的水汽和风场资料分析了东亚季风区夏季风的水汽输送特征,并与印度季风区夏季水汽输送进行比较。分析结果表明了东亚季风区夏季水汽输送特征明显不同于印度季风区夏季水汽输送,东亚季风区夏季水汽输送经向输送要大于纬向输送,而印度季风区夏季水汽输送则以纬向输送为主。分析结果还表明东亚季风区由于夏季水汽分布是南边大、北边小,偏南季风气流所引起的水汽平流是湿平流。因此,水汽的辐合主要由季风气流所引起的水汽平流所造成,而印度季风区季风气流所引起的水汽平流是干平流,它利于水汽输送的辐散,水汽的辐合主要是由于风场的辐合所造成。
赤道印度洋—太平洋地区海气系统的齿轮式耦合和ENSO事件
吴国雄, 孟文
1998, 22(4): 470-480. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1998.04.09
摘要:
利用历史观测数据,研究了印度洋海表温度(SST)的季节变化特征,证实赤道印度洋和东太平洋SST年际变化有显著的正相关,指出这种正相关是由于沿赤道印度洋上空纬向季风环流和太平洋上空Walker环流之间显著的耦合造成的。这两个异常的纬向环流圈之间的耦合形式看起来很象是存在于赤道印度洋和太平洋上空的一对齿轮(简写为GIP),当一个作顺时向变化时,另一个则作反时向变化。文中还证明ENSO事件与GIP的年际异常存在很好的对应关系,暖事件时GIP为反向运转;冷事件时GIP为正向运转;异常的GIP的啮合点位于印尼群岛附近。对80年代以来的ENSO事件的分析表明,每次事件前期异常的GIP的啮合点首先出现在印度洋上空,然后逐渐传入太平洋,引起GIP东侧的大气纬向风#Au#a和SST同时发生异常变化。当这种风场和SST的异常变化发展东传到达赤道中东太平洋时,导致ENSO事件最终出现。本文由此指出印度洋上空纬向环流的异常可以通过印度洋和太平洋上空大气系统的齿轮式耦合去影响赤道中东太平洋的海-气相互作用并触发ENSO事件发生。
异常东亚冬季风激发ENSO的数值模拟研究
李崇银, 穆明权
1998, 22(4): 481-490. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1998.04.10
摘要:
利用中国科学院大气物理研究所发展的热带太平洋环流模式(OGCM)和海-气耦合模式(CGCM)分别就冬半年东亚冬季风异常对赤道太平洋的作用进行了数值模拟研究。结果清楚地表明,无论在 OGCM 中还是在 CGCM 中,持续的冬季风强异常将引起赤道中东太平洋海表水温(SST)的明显正异常,其分布类似观测到的El Ni?o事件;而持续的冬季风弱异常将引起赤道中东太平洋SST的明显负异常,其分布十分类似观测到的La Ni?a事件。因此,数值模拟进一步证实了我们过去从资料诊断和理论分析中得到的结论,即东亚冬季风异常是激发产生 ENSO 的重要机制。对模式资料的分析还清楚表明,异常东亚冬季风将激发异常海洋Kelvin波和使热带大气季节内振荡出现强异常,它们是激发ENSO的重要物理因素,这与观测资料的分析结果相一致。
EAWM流型域——一种与东亚冬季风异常相联的海-气耦合流型域
纪立人, 布和朝鲁, 孙淑清
1998, 22(4): 491-502. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1998.04.11
摘要:
提出海-气耦合流型域的概念,并探讨了与东亚冬季风异常有关的耦合流型域——EAWM 流型域。本文得出如下结果: 利用ECMWF分析资料10年的冬半年500 hPa高度场和同期COADS资料SST场,在SVD分析和聚类分析的基础上确定了三个海-气耦合流型域。第一个和第二个耦合流型域以ENSO事件冷暖位相与北太平洋/北美区的正负位相PNA型之间的关系为主要特征。第三个耦合流型域,即EAWM流型域则以强东亚冬季风环流型以及类似于La Ni?a事件冷暖分布却有明显区别的SSTA型为主要特征。数值试验结果表明,EAWM流型域的SSTA型,作为强迫,有利于东亚冬季风活动的加强并导致对应的大气型。数值试验同样证实,与强东亚冬季风活动相联系的EAWM流型域的大气型,作为强迫,可以导致该耦合流型域海温异常型的形成和维持。EAWM流型域的SSTA型和大气型间的这种双向相互作用导致正反馈过程,从而展示了该耦合流型域形成的主要特征,即以强东亚冬季风活动衔接的热带海-气相互作用以及热带内外大气相互作用。
中尺度动力学与暴雨等灾害性天气预测理论的研究
赵思雄
1998, 22(4): 503-510. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1998.04.12
摘要:
我国科学工作者对中小尺度天气动力学的研究一直给予高度重视,同时注意灾害性天气预测理论的发展。本文介绍了近年来中国科学院大气物理研究所在这方面的部分主要研究结果,并对今后的工作提出了一些看法。
冬季北太平洋海表热通量异常和海气相互作用——基于一个全球海气耦合模式长期积分的诊断分析
张学洪, 俞永强, 刘辉
1998, 22(4): 511-521. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1998.04.13
摘要:
利用一个全球海气耦合模式长期积分所给出的资料,分析了冬季北太平洋海表湍流热通量(潜热和感热)异常及其对海表温度(SST)异常的影响,并比较了海表热通量诸分量和海洋内部的动力学过程对SST变化的相对重要性。结果表明,冬季热带外海洋上的湍流热通量是影响SST的主要因子,但在北太平洋中部海水的平流作用也不可忽视。冬季热带外海洋向大气释放的潜热和感热通量与SST倾向(而不是SST本身)之间存在着显著的相关,这同Cayan和Reynolds等利用COADS资料和NCEP资料同化模式分析的结果是一致的。模式诊断的结果支持这样一种看法:和热带海洋不同,冬季热带外海洋上的海气相互作用主要地表现为大气对海洋的强迫作用,而不是相反。模式给出的SST倾向的第一个EOF分量及其与海平面气压场的相关特征同Wallace等从观测资料分析所得到的结果是一致的;进一步的分析表明:在冬季北太平洋的大部分区域(特别是西太平洋),大尺度大气环流异常在很大程度上决定着SST的异常,而这种决定作用正是通过它对湍流热通量的强烈影响来实现的。
区域气候模式对中国东部季风雨带演变的模拟
符淙斌, 魏和林, 陈明, 苏炳凯, 赵鸣, 郑维忠
1998, 22(4): 522-534. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1998.04.14
摘要:
本文给出了应用区域气候模式对中国东部夏季雨带演变过程模拟的主要结果。模拟试验分别对正常季风年(1979)和湿季风年(1991)(均由观测场驱动)以及连续3年(全球大气环流模式驱动)的夏季降水场进行,并同观测场进行了比较。结果表明,模式基本上能抓住夏季雨带的主要位置和它的演变特征,与实况相比明显优于全球模式的结果。但模拟的雨带具体位置并不总是与观测值十分吻合,有些旬(或候)差别比较大,模拟的降水量与观测值的相关系数最大仅0.40左右。以上结果表明,为正确模拟东亚季风雨带的演变还需要对决定区域气候的主要物理过程在参数化方面作进一步的改进。
热带气旋运动的动力学研究进展
王斌, RussellL.Elsberry, 王玉清, 吴立广
1998, 22(4): 535-547. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1998.04.15
摘要:
热带气旋运动是由各种形式的外部强迫、内部过程及其相互作用所决定的。特别是环境气流与气旋环流以及β效应之间的相互作用可以产生次级的非对称气流,使热带气旋偏离大尺度环境气流的引导。这种偏差,被称为广义的β漂移。本文讨论了控制β漂移的物理因子和物理过程,尤其是涡旋结构与环境气流切变对它的影响,以及β漂移在热带气旋路径预报上的应用。另外,还总结了双台风相互作用、热带气旋摆动和与下垫面强迫有关的物理过程的影响。
各种非绝热物理过程在中尺度模式中的作用
张大林
1998, 22(4): 548-561. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1998.04.16
摘要:
随着中尺度模式水平分辨率的不断提高,考虑加入尽可能合理的各种非绝热物理过程极为重要。如积云参数化需包括湿下沉气流、中上层的云卷出和非降水性浅对流。显式云物理方案需同时加入含有水相和冰相的预报方程,以计入水负荷、凝结蒸发、冻结融化和凝华升华的影响。本文首先从实测角度介绍上述物理过程在产生中β尺度环流结构的作用,然后通过一些敏感性数值试验来阐述它们如何帮助成功模拟不同的中尺度对流系统。这些物理过程的相对作用取决于网格距大小或可分辨尺度垂直运动的强度。当网格距在20~50 km之间,本文特别强调积云参数化和显式云物理方案的同时使用。最后对各种非绝热物理过程的耦合以及中尺度模式的局限性作了适当讨论。
论大洋环流的能量平衡
黄瑞新
1998, 22(4): 562-574. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1998.04.17
摘要:
驱动大洋环流的能源和能汇包括潮汐,海表大气压力脉动,风应力,海表加热和冷却,海表淡水通量,以及海底地热。即使用未来最快的计算机也不可能把湍流的细节算出来,因而次网格尺度过程参数化总是不可避免的,所以大洋环流理论和数值模式的理论框架必须建立在次网格过程参数化的基础上。特别需要指出的是这种理论框架必须有“外来”的机械能源来维持在层结海洋中的混合过程。这种所谓的“外来”能源事实上并非是外来的,它是能量由海盆尺度到小尺度串级的结果。在一个基于次网格尺度过程参数化的模式中,这部分能量在表面上看来就是外来的。最重要的一点是系统所能提供给混合所需要的能量的多少是控制海洋环流强弱的关键因素。因此,能量守恒应当作为大洋环流模式的重要约束之一。
一个植被模式的检验和它在陆气相互作用中的应用
薛永康, 曾凡荣, AdamC.Schlosser, SamonJ.Allen
1998, 22(4): 575-599. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1998.04.18
摘要:
简要介绍了一个植被模式(Simplified Simple Biosphere Model)的发展过程及其在气候研究中的作用。许多观测资料被用来检验和标定这个模式。文中着重介绍了俄罗斯土壤湿度资料和非洲的HAPEX-Sahel观测资料如何帮助我们改进模式和对陆面过程的机制的认识,对观测误差的影响也作了讨论。在地气相互作用中,着重讨论了东亚地气作用的特征。在文中介绍的两个东亚地区的试验中,尽管地面的异常被假设在东亚的两个不同的地区,但都对夏季风传输途径上的降水有很大影响。最后用一个区域模式对陆面模式在预测试验中的应用作了简介。初步的结果显示,这将是一个有很大发展潜力的新领域。
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 I. 资料诊断和理论分析
张人禾, 黄荣辉
1998, 22(4): 587-599. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1998.04.19
摘要:
通过资料分析,研究了发生在热带西太平洋海表面西风或东风应力异常与El Ni?o事件的关系。分析结果表明,对应着El Ni?o事件从发生到消亡的过程,热带西太平洋纬向风应力存在着从西风应力异常到东风应力异常的变化,并且在这个过程中,西风应力异常向东传,东风应力异常紧接其后也向东传。本文还根据观测资料的分析结果建立了理想风应力,并利用简单热带海洋模式,对热带西太平洋纬向风应力异常及其东传在ENSO循环中的作用进行了动力学分析,指出了它们在El Ni?o事件发生和消亡中起着重要的作用。西风应力异常通过激发出海洋中东传的暖Kelvin波及其在大洋东边界反射产生的暖Rossby波、以及西风应力异常本身东传到赤道东太平洋,引起正的海洋混合层扰动厚度异常,导致了El Ni?o事件的发生;而异常东风应力则通过激发出东传的冷Kelvin波及其在大洋东边界反射产生的冷Rossby波、以及东风应力异常本身东传到赤道东太平洋,引起负的海洋混合层扰动厚度异常,导致了El Ni?o事件的消亡。对于热带西太平洋上风应力异常的形式是东部为异常西风应力而其西部为异常东风应力,并且它们同时向东传时,则大洋东部混合层厚度对异常风应力的响应随异常东风和西风应力的强度不同而不同,它们强度的相对大小对El Ni?o的持续时间具有重要的作用。
稻田甲烷排放及产生、转化、输送机理
王明星, 李晶, 郑循华
1998, 22(4): 600-612. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1998.04.20
摘要:
通过对中国五大水稻产区稻田甲烷排放的多年观测实验,描述了稻田甲烷排放的时空变化规律及特征并分析研究了其形成机理。稻田甲烷排放的日变化有四种类型,甲烷的传输效率是日变化形成的主要因素。稻田甲烷土壤中排放率的季节变化型式在不同的地区是不同的,这取决于气温变化、水稻品种、施肥及水管理等不同因素。甲烷产生主要发生在稻田土壤耕作还原层(2~20 cm),氧化主要发生在水土交界面的氧化层和根部氧化膜,并受多种因子的影响。土壤中的甲烷通过三个路径向大气排放,不同时期三个路径在甲烷传输中的相对重要性不同。施用化肥和沼渣肥可以降低土壤中甲烷的产生和排放,而有机肥会增加土壤中甲烷的产生和排放。中国的稻田每年向大气中排放9.67~12.66百万吨甲烷,全球稻田甲烷的总排放量约为35~56 Tg/a。
由地基遥感资料确定大气边界层特征
洪钟祥, 钱敏伟, 胡非
1998, 22(4): 613-624. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1998.04.21
摘要:
中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室拥有用于边界层垂直结构探测的相控阵声雷达(PA2)、低层大气廓线仪(LAP-3000)以及无线电声雷达(RASS)。本文研究如何利用这些设备获取的遥感观测资料,确定边界层湍流热通量的垂直分布、地面热通量以及边界层高度等问题。
东亚地区黄沙长距离输送模式设计
黄美元, 王自发
1998, 22(4): 625-637. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1998.04.22
摘要:
在比较国内外相关起沙机制模型的基础上,结合中国北方大量气象台站的有关起沙过程的观测资料,提出了一个适合我国北方的用于黄沙输送模拟与预报的新的起沙机制模型。采用此起沙模型,通过对黄沙输送过程中的干沉降过程、降水清除过程的参数化处理,建立了适合东亚地区的分谱的黄沙输送模式。模式考虑了黄沙的分谱机理及可能的微物理过程。通过与实测资料的对比,表明模式可以较好地模拟黄沙的输送过程。
卫星对地观测中大气与地表辐射贡献的参数化
吕达仁, 段民征
1998, 22(4): 638-648. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1998.04.23
摘要:
卫星对地观测定量遥感地表与大气特性是当前地球科学与应用研究的关键手段之一。在定量遥感中区分大气和地表在地-气系统对空间散射辐射中各自的贡献与作用是关键的一步。这一问题的核心是基于辐射传输方程的数值计算建立起适合应用于遥感反演中分离大气与地表贡献的参数化表达式。本文对特定的气溶胶气候类型和可见/近红外波段建立起定量的表达形式,并对表达式的物理含义和拟合精度进行了分析。最后讨论了其应用的可行性和进一步的工作。
用于空间对地遥感的一个参数化辐射传输计算模式
邱金桓
1998, 22(4): 649-658. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1998.04.24
摘要:
一个足够精度的参数化向上亮度模式对空间对地遥感的大气订正应用是很有意义的。依据向上天空亮度对大气散射相函数、光学厚度、太阳天顶角、空间方位和天顶角等有关参数的依赖特性,基于大量的天空亮度数值模拟计算资料,本文发展了一个关于向上天空亮度的参数化模式。39440组的数值模拟对比资料表明,在气溶胶光学厚度#Aτt≤1,太阳天顶角小于72°,μ≤0.432 (天顶角小于65°)以及无云的条件下,由现在的参数化的模式所计算的向上亮度的误差一般小于6%。地表反射率越大,参数化模式的精度越高。参数化模式的精度一般随着光学厚度和太阳天顶角的增大而变差。
大气辐射计算的吸收系数分布模式
石广玉
1998, 22(4): 659-676. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1998.04.25
摘要:
全面论述了大气辐射计算中的吸收系数分布(#FKk#FS分布)模式,包括均匀路径的#FKk#FS分布模式以及非均匀路径的相关#FKk#FS分布模式。重点是利用吸收系数重排计算大气吸收气体分布函数和相关#FKk#FS分布函数的方法。某些结果系作者第一次公开发表。