热带大气季节内振荡对流发生过程与传播特征研究

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本文首先对1982-2001年期间非洲和西印度洋上发生、具有显著东传特征的强Madden-Julian振荡(MJO)事件的对流发生过程进行分析研究。把具有相同前期信号特征和物理过程的个例归为一类,分析每种类型的共性和类型间的差异。其次,为了更好的验证和进行细致的分析,利用了欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的热带对流年(YOTC)数据和最近的再分析(ERA-Interim)两套资料研究了YOTC期间(1998-2010年)冬季两个备受关注的MJO个例的对流发生过程。最后,近年来Mathews(2008)定义的原生(primary)成为MJO研究热点问题,围绕这个问题展开了对1982-2001年期间夏冬过渡期间第一个原生MJO个例的生成过程的研究,并探索了它之前发生的局地准静止ISO正负位相的生成机制。另外,对于原生MJO和局地准静止ISO对流的传播特征以及引发原因进行了分析。论文的主要结论如下:  (1)通过检验在赤道西印度洋上发生的30个持续东传的强MJO事件的前期信号特征和发生过程,把这些事件分成三种类型:对于类型Ⅰ,MJO发生的特征是边界层(PBL)水汽超前,大约超前7天。诊断季节内低层绝对湿度方程表明,增湿过程主要是由MJO流平流平均湿度引起,这种MJO流是位于赤道东印度洋上、由前期MJO受抑制位相加热引起的罗斯贝波的一部分。对于类型Ⅱ,MJO的发生特征是对流层低层上升运动超前,大约超前4天。季节内低层温度方程的诊断表明,MJO对流发生前正异常水平温度平流触发了低层上升运动。更进一步的诊断表明,水平暖平流主要是由赤道东风异常平流背景平均温度引起。对于类型Ⅲ,局地低层并没有显著的前期水汽和上升运动异常信号,而中纬度罗斯贝波能量累积可以单独作用于MJO对流发生。  (2)对2009-2010年YOTC期间冬季MJO个例对流发生过程的研究结果表明:MJO1和MJO2个例都属于连续事件。MJO1对流发生前的主要前期信号为对流层上层的上升运动超前,另外,在低层边界层的水汽和上升运动也超前。其中,高层超前的上升运动主要是由于之前的MJO沿赤道环航一圈传到西赤道印度洋上的异常辐散引起。MJO1事件水汽超前期间的前一阶段,低层水汽来源是由水平水汽平流作用的,水汽超前期间的后一个阶段,低层水汽来源是由垂直平流引起的。MJO2事件主要前期信号是低层的水汽超前,整个超前期间低层水汽增加主要是由于水平水汽平流引起,水平水汽平流是由平均风场平流季节内水汽贡献,而季节内水汽分布是由于季节内风场平流平均水汽造成,此季节内异常风场是由于位于中印度洋上的季节内正OLR异常遵循Gill模型强迫的。  (3)对1982-2001年期间夏季到冬季过渡期间、印度洋上由局地准静止ISO对流负位相向MJO正位相转变事件的研究结果表明:8个是由局地准静止ISO对流负位相向MJO正位相转变。这种转变发生日期在每年的10月中旬。准静止ISO对流负位相向原生MJO正位相转变过程中,赤道中印度洋上正OLR异常逐渐减弱,此时,在正OLR异常的南侧出现负OLR异常并逐渐增强向赤道两侧扩展;对流层整层的负水汽异常逐渐减弱,在边界层出现正水汽异常,这个低层的水汽异常出现的时间在负OLR异常出现之前。之后,正水汽异常逐渐发展加强穿透整个对流层。  (4)对夏冬过渡期间印度洋上局地准静止ISO负(正)位相向正(负)位相转换机制的研究结果表明:其中负(正)位相随时间,原来的位置由正(负)位相代替,交替进行。具体的物理过程为,负(正)位相在低层赤道印度洋伴随着异常的东(西)风(GILL模型)环流结构,这种异常的东(西)风把高(低)温度和水汽向西(东)平流,产生正(负)水汽平流和正(负)温度平流,可以使低层水汽累积(减少)并产生上升(下沉)运动异常,两者共同作用,低层产生上升(下沉)运动异常逐渐发展,最后整层对流(下沉)运动发生。简而言之,印度洋上局地准静止ISO正负位相及相伴随的低层环流异常,从发生发展到衰弱的过程中,就为其下一个位相发生在边界层提供了有利条件。  (5)原生MJO东传而局地准静止ISO对流不东传的原因分析表明,原生MJO在其传播的东侧边界层水汽倾向是正的,水汽的增加主要是正垂直平流抵消负水平平流和负-Q2/L项引起的。而局地准静止ISO对流在其东侧边界层水汽倾向是负的,由于正垂直平流和负-Q2/L项相抵消,水汽的减少主要是由水平平流造成的。两者的差别在于垂直平流和-Q2/L项相差大小。原生MJO对流右侧为正OLR异常区,对应着异常的大尺度下沉,大气比较干,低层上升运动带上来的水汽,用来增湿干的大气,凝结释放潜热少,因此,大气中的水汽含量是增多的趋势。准静止ISO对流右侧在诊断区域内主要为负OLR异常,对应大尺度上升,大气比较湿,此时,对流层低层上升运动带上来的水汽,水汽变成液态水多,凝结释放潜热多,大气中的水汽含量减少趋势。
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