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能量是大气运动的驱动力,气候变化背景下,区域天气气候的演变受到关注,对区域的能量收支和转化问题的研究具有重要的理论和现实意义。虽然人们对能量有效性进行了大量的研究,取得了很多有价值的结果,但仍有许多问题尚未解决,特别是局地的能量有效性问题,尚需要深入的研究。因此,本文围绕局地不同高度上的能量有效性问题,提出了分层扰动位能的概念,利用局地能量控制方程,研究了能量的分布及收支特征,并应用到南海夏季风的年际和季节内变化的能量分析。首先,利用NCEP/NCAR资料,定义了冬季扰动位能在热带和副热带之间的涛动指数ITS,分析了ITS对应的大气环流异常及其气候影响;其次,在考察能量的垂直结构时,提出了分层扰动位能理论,研究了分层扰动位能的时空分布特征,并利用分层扰动位能来预测南海夏季风的强度,探讨了其影响机制;最后,推导了分层扰动位能和动能的控制方程,利用资料计算了能量方程中各项的分布特征,研究了南海夏季风季节内中断、活跃过程的能量收支特征。本文主要结论如下:
1.冬季扰动位能涛动ITS与大气环流、ENSO的联系。北半球冬季,热带(0-15°N)与副热带(25°N-40°N)之间扰动位能存在在反向变化关系,定义了反映热带和副热带扰动位能涛动的指数ITS。ITS与大气环流异常有密切的联系,在扰动位能指数ITS大值年,Hadley环流在热带地区(15°N以南)偏强,在副热带地区偏弱,中纬度的Ferrel环流偏弱,在热带地区动能为负异常、副热带地区动能为正异常。前期秋季ENSO信号的异常对冬季扰动位能指数ITS有显著的影响,ENSO信号对低纬度地区的动能异常也有明显的影响,扰动位能指数ITS可能在其中起到桥梁的作用。
2.冬季扰动位能涛动ITS对地表温度和降水的影响。扰动位能指数ITS影响大范围地区的降水和温度异常,在扰动位能指数ITS高指数年,在中国东南-日本东南海洋、东北太平洋-北美-大西洋的副热带地区、阿拉伯半岛及东非地区,降水偏多,在赤道南美、南非地区,降水偏少;在热带南美大陆、热带非洲大陆、澳大利亚以及中纬度北美大陆的地表温度偏高,墨西哥及墨西哥湾地表温度偏低。
3.分层扰动位能(LPPE)的概念及其时空分布特征。多年平均850hPaLPPE1,在热带地区为正,在高纬度地区为负,500hPa的分布与低层分布类似,纬向分布更明显,200hPa LPPE1在北美高纬度地区为正值,在西北太平洋的正值区与低纬度的正值区连成一片,总体表现出低纬正值、高纬负值的特征,100hPa及高层LPPE1的分布特征为,热带地区为负,高纬度为正。LPPE1在冬季半球的分布与年平均的分布相似,在北半球夏季大陆一般会出现正的极大值。南海季风区动能和LPPE的季节变化呈现反位相的特征。
4.分层扰动位能预测南海夏季风的强度。强(弱)南海夏季风年,前期春季850hPa LPPE1呈现出亚洲东部大陆正(负)异常、北印度洋及南海区域负(正)异常的偶极型分布,该偶极型分布可以作为SCSSM强度的一个预报因子。LPPE1影响SCSSM的可能机制:春季赤道印度洋、西太平洋SST的负(正)异常对应春季、夏季分层扰动位能LPPE1的南负北正(南正北负)偶极型分布,夏季LPPE1的偶极型分布与SCSSM区域动能的一致增大(减小)是两者耦合模态的主宰模态,SCSSM区域动能的一致型分布表现为夏季SCSSM区域的西风异常增强(减弱),SCSSM增强(减弱)。
5.分层扰动位能和动能的控制方程及各项的时空变化特征。大气低层(850hPa)年平均结果显示,在赤道辐合带、大部分季风区(除阿拉伯海外)、风暴轴地区是LPPE1的源区,副热带大洋东部以及高纬度地区是LPPE1的汇区,除西北太平洋外,强源和汇(GL)的中心与LPPE1的纬向偏差场的脊、槽分布对应较好。随着季节变化,LPPE1和产生项(GL)有向夏半球移动的特点。LPPE1和KE的转化项(CK)是连接KE和LPPE1的纽带,CK取决于垂直速度和大气稳定度,在暖(冷)空气上升(下沉)时,转化项为正,LPPE1向KE转化能量。大气低层(850 hPa)年平均结果显示,在赤道辐合带以及大部分季风区(除阿拉伯海、孟加拉湾外),CK有较大的正值分布,在北半球风暴轴和南半球西风带,CK也是连续分布的正值。CK的季节演变特点表现为正CK向夏半球大陆移动。
6.南海夏季风季节内活动的能量收支和转化特征。在大气低层(850 hPa),南海夏季风活动各相位的能量特征是,在南海夏季风中断相位,转化项(CK)较小,与边界的能量输入大致相当,在南海夏季风恢复、活跃相位,CK增大,在南海夏季风活跃相位,CK约为边界能量输入的2～3倍,CK是决定南海夏季风恢复、活跃的关键的因素。在强弱南海夏季风年,KE的收支特征相似。在南海夏季风中断、衰减相位,LPPE1随时间减小,主要由垂直运动引起的温度分布调整引起,在南海夏季风活跃相位,LPPE1随时间增大,主要由能量输送和加热项引起。在大气低层(850 hPa),转化项(CK)较大时,一般对应南海夏季风的活跃相位,以南海夏季风恢复相位的转化项为阈值,探讨了南海夏季风活跃的条件,当LPPE1为夏季平均值时,南海区域平均的上升速度大于临界速度时,有利于南海夏季风由中断相位向活跃相位的转变。