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东海黑潮上下游不同的涡动能季节变化特征及其产生机制

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海洋与湖沼 2022年第2期53卷 278-294页

作者：王思雯杨洋梁湘三赵宇慧王长友南京信息工程大学海洋科学学院江苏南京210044 复旦大学大气与海洋科学系以及大气科学研究院上海200438 上海期智研究院上海200232

用一种新的泛函工具——多尺度子空间变换(multiscale window transform,MWT),得到如实的东海涡动能分布,发现东海黑潮上下游区域的涡动能有着完全不同的季节变化特征。根据功率谱分析,东海黑潮流系可正交地重构到背景流尺度子空间(大于... 详细信息

用一种新的泛函工具——多尺度子空间变换(multiscale window transform,MWT),得到如实的东海涡动能分布,发现东海黑潮上下游区域的涡动能有着完全不同的季节变化特征。根据功率谱分析,东海黑潮流系可正交地重构到背景流尺度子空间(大于64 d)与涡旋尺度子空间(小于64 d),并用MWT得出相应子空间的能量,后者即为涡动能。结果表明,上游涡动能在8月达到峰值,冬季最弱;而下游涡动能在4月和9月存在两个峰值,冬季最弱。利用基于MWT的正则传输理论以及局地多尺度能量分析方法,发现正压不稳定和斜压不稳定是东海黑潮涡动能的主要来源,且这两个来源决定了其上下游不同的季节变化。其中上游涡动能的季节变化主要受正压不稳定路径(即背景流动能向涡动能的正则传输)控制,而下游涡动能在4月的峰值主要由斜压不稳定路径(即背景流有效位能向涡旋有效位能作正则传输并进一步转化为涡动能)决定,其在9月的峰值受到正压不稳定和斜压不稳定的共同影响。

关键词：黑潮东海多尺度子空间变换正则传输正压不稳定斜压不稳定

孟加拉湾海域背景流–中尺度涡–高频扰动之间的相互作用

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海洋学报 2022年第9期44卷 23-37页

作者：季页杨洋梁湘三南京信息工程大学海洋科学学院江苏南京210044 厦门大学海洋与地球学院福建厦门361102 复旦大学大气与海洋科学系上海200438 复旦大学IRDR极端天气气候与健康风险互联和治理国际卓越中心上海200438 南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海) 广东珠海519000

基于一套涡分辨模式数据,本文利用一种新的泛函工具—多尺度子空间变换—将孟加拉湾(BOB)海域的环流系统分解到背景流(>96 d)、中尺度(24~96 d)和高频尺度(<24 d)3个子空间,并用正则传输理论探讨了3个尺度子空间之间内在的非线性相互作... 详细信息

基于一套涡分辨模式数据,本文利用一种新的泛函工具—多尺度子空间变换—将孟加拉湾(BOB)海域的环流系统分解到背景流(>96 d)、中尺度(24~96 d)和高频尺度(子空间,并用正则传输理论探讨了3个尺度子空间之间内在的非线性相互作用。结果表明,BOB西北部边界和斯里兰卡岛东部是BOB海域多尺度相互作用最显著的区域,中部则较弱。前两个区域的背景流大多正压、斜压不稳定,动能和有效位能正则传输主要表现为正向级串;后者则以逆尺度动能级串为主。具体来说,在BOB西北部与斯里兰卡东部,中尺度涡动能(EKE)主要来源于正压能量路径(即背景流动能向EKE传输),其次来源于斜压能量路径(即背景流有效位能向中尺度有效位能传输,并进一步转换为EKE)。通过这两个能量路径得到的EKE向更高频的扰动传输能量,起到了耗散中尺度涡的作用。不同于此二者,BOB中部海域的EKE和高频尺度动能主要通过斜压路径获得,随后通过逆尺度级串将动能返还给背景流。苏门答腊岛的西北部也是中尺度和高频尺度扰动较强的海域,正压能量路径和斜压能量路径均是该海域扰动能的来源,但以斜压能量路径为主。

关键词：孟加拉湾多尺度子空间变换正则传输多尺度相互作用正压不稳定斜压不稳定

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大西洋阻塞高压上层冷中心的成因

大气科学学报 2020年第3期43卷 469-480页

作者：马继望梁湘三山东省气象台山东济南250031 南京信息工程大学大气科学学院江苏南京210044 南京信息工程大学海洋科学学院江苏南京210044

基于ERA-40再分析资料以及多尺度子空间变换和多尺度能量分析方法,探讨了大西洋阻塞高压平流层底部冷中心的形成机制,发现该冷中心形成的根本原因为16 d以下(高频尺度)和64 d以上过程(基本气流)向阻高尺度有效位能的正则传输,所获得有... 详细信息

基于ERA-40再分析资料以及多尺度子空间变换和多尺度能量分析方法,探讨了大西洋阻塞高压平流层底部冷中心的形成机制,发现该冷中心形成的根本原因为16 d以下(高频尺度)和64 d以上过程(基本气流)向阻高尺度有效位能的正则传输,所获得有效位能在阻高尺度内被输运到西北和东南侧,并转换成动能,起到使阻高强度增加或者维持的作用。这种过程在西北侧表现得尤为明显,这可能是阻高形态不断向西北侧扩展的原因。在传统的认知中,大气有效位能从大尺度向小尺度传输,但本研究发现,阻高发生时,有效位能在平流层底部的传输方向表现为从高频尺度和基本气流尺度同时向阻高尺度传输。此外,前人的研究表明,阻高发展加强之后对流层中阻高动能向有效位能转化使得阻高消亡,而本文的分析表明两种能量的转换方向在平流层底部完全相反——由有效位能向动能转换,起到了使阻高加强或维持的作用。最近的研究表明对流层顶附近的动力学对于阻高的发展和维持非常重要,上述发现增进了对这些动力学深层的了解。

关键词：阻塞高压冷中心多尺度过程多尺度子空间变换正则传输

北太平洋风暴轴“深冬抑制”现象的动力过程及其成因

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中国科学：地球科学 2019年第5期49卷 875-894页

作者：赵远冰梁湘三南京信息工程大学大气科学学院南京210044 南京信息工程大学海洋科学学院南京210044

北太平洋风暴轴存在一个"深冬抑制"现象,即它在本应最强的深冬时期却比秋末和春初时期弱.基于欧洲中心再分析资料(ERA-40),文章使用多尺度子空间变换(MWT)、基于MWT的正则传输理论与局地多尺度能量分析方法、以及特征追踪技术研究了该... 详细信息

北太平洋风暴轴存在一个"深冬抑制"现象,即它在本应最强的深冬时期却比秋末和春初时期弱.基于欧洲中心再分析资料(ERA-40),文章使用多尺度子空间变换(MWT)、基于MWT的正则传输理论与局地多尺度能量分析方法、以及特征追踪技术研究了该反常现象背后的动力过程及其成因,主要结论如下:(1)深冬抑制是由内部过程和外部过程共同造成的,它们包含斜压正则传输、非绝热做功、能量通量辐合和摩擦耗散等.(2)斜压正则传输和非绝热做功在秋季达最强,这使得风暴活动在秋末比深冬强;而在春季,能量通量辐合增强,同时摩擦耗散在整个风暴轴区域大幅度减弱,两者共同的作用使得风暴轴在斜压性很弱的春初也比深冬时期要强.(3)深冬时期斜压正则传输的减弱(相比于秋末)是由于彼时急流位置靠南,其和风暴轨迹中心(位于中高纬度地区)相距较远,急流和风暴系统之间的相互作用受到了抑制;而春季能量通量辐合的增强实际上源自从上游进入太平洋的风暴数目(强度)在春初时期的增多(增强).此外,正压正则传输在深冬抑制中的作用和具体动力过程在文中也做了详细讨论.

关键词：风暴轴深冬抑制多尺度子空间变换正则传输多尺度能量学能量通量辐合

黑潮流域内在的平均流-低频变率-中尺度涡之间的非线性相互作用

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中国科学：地球科学 2019年第3期49卷 596-610页

作者：杨洋梁湘三南京信息工程大学海洋科学学院南京210044 南京信息工程大学大气科学学院南京210044

利用一套新的泛函工具——多尺度子空间变换(MWT),以及基于MWT的局地多尺度能量分析和正则传输理论,文章将黑潮流域重构于平均流、年际低频变化和中尺度涡三个尺度子空间,并从气候态角度分析了这三者之间的能量传输和转换.结果表明台湾... 详细信息

利用一套新的泛函工具——多尺度子空间变换(MWT),以及基于MWT的局地多尺度能量分析和正则传输理论,文章将黑潮流域重构于平均流、年际低频变化和中尺度涡三个尺度子空间,并从气候态角度分析了这三者之间的能量传输和转换.结果表明台湾以东黑潮存在显著的逆尺度能量级串,平均流从年际尺度和涡旋尺度汲取动能,来自年际尺度的正向能量级串是这个区域涡旋发展和维持的一个内在的局地因素.东海黑潮海域不同尺度之间的能量传输主要表现为平均流和涡旋之间的相互作用,其中南段发生正压和斜压失稳,北段则表现为正压稳定和斜压失稳.日本南部是整个黑潮流域多尺度相互作用最为强烈的区域,该海区的黑潮不仅发生很强的正压、斜压失稳,将能量从平均流输送给涡旋,来自年际尺度的正向能量级串也是该海域涡旋能量的重要来源.同时我们发现该海域年际变化的能量主要来自平均流的正压不稳定,而非来自高频涡旋的逆尺度反馈.

关键词：黑潮多尺度子空间变换正则传输多尺度能量分析多尺度相互作用正压不稳定斜压不稳定

2008年1月中国南方低温雨雪期间异常阻塞高压事件的多尺度动力过程分析

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气象学报 2020年第1期78卷 18-32页

作者：李刚马继望梁湘三山东省气象局济南250031 山东省气象台济南250031 南京信息工程大学大气海洋动力学实验室南京210044

2008年1月,中国南方发生了罕见的低温雨雪灾害,造成这次灾害的关键系统之一是乌拉尔山以东地区的异常阻塞高压(阻高).基于NCEP再分析资料,利用新发展的多尺度子空间变换和重构分析了这一期间阻高的多尺度特征,发现其源头来自欧洲地区,... 详细信息

2008年1月,中国南方发生了罕见的低温雨雪灾害,造成这次灾害的关键系统之一是乌拉尔山以东地区的异常阻塞高压(阻高).基于NCEP再分析资料,利用新发展的多尺度子空间变换和重构分析了这一期间阻高的多尺度特征,发现其源头来自欧洲地区,强度减弱后东移,在乌拉尔山-贝加尔湖地区重新增强并得以维持相当长的时间.结果表明,两次阻高过程本质上是同一过程在不同阶段的表现.为探讨上述过程的动力学机制,利用基于多尺度子空间变换的局地多尺度能量分析方法以及正则传输理论对其进行了分析,发现此次异常阻高过程源自32d以下尺度系统的动能强迫,具体地说,能量来自32d以下尺度系统向32-128d低频尺度系统的正压正则传输,而且这种正则传输在阻高环流的东、西两侧不对称,西侧在强度上远大于东侧.分析表明,上述非对称的强迫作用由动能空间输运来平衡,平流将西侧获得的32-128d低频尺度动能向东侧输运,以此来维持阻高环流的整体稳定和均一.上述两种内部的物理过程是高压环流在东移的过程中得以重新增强并长时间维持的机制.

关键词：阻塞高压多尺度子空间变换多尺度能量正则传输动能强迫

基于局地多尺度能量涡度分析法(MS-EVA)的北半球夏季西太平洋MJO动能分析

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大气科学学报 2017年第2期40卷 224-232页

作者：卢慧超梁湘三容逸能南京信息工程大学大气科学学院江苏南京210044 泰安市气象局山东泰安271000 南京信息工程大学海洋科学学院江苏南京210044

采用局地多尺度能量涡度分析法(MS-EVA)和基于MS-EVA的局地正则传输与不稳定性理论对北半球夏季MJO的动能变化进行了诊断分析。结果表明:1)引起对流层上层和下层MJO动能变化的主要影响因素是有效位能转换和气压梯度力做功,其中有效位能... 详细信息

采用局地多尺度能量涡度分析法(MS-EVA)和基于MS-EVA的局地正则传输与不稳定性理论对北半球夏季MJO的动能变化进行了诊断分析。结果表明:1)引起对流层上层和下层MJO动能变化的主要影响因素是有效位能转换和气压梯度力做功,其中有效位能转换在对流中心以北有明显的正的大值带,是MJO的主要动能源;气压梯度力做功则主要是将从有效位能转换而来的动能在空间重新分布。2)引起对流层中下层MJO动能变化的主要因素是动能跨尺度传输作用,其中大尺度向MJO尺度的跨尺度传输在对流中心附近表现为明显的正值,因此是该高度上MJO的动能源,并受5~15°N区域上空正压不稳定制约。3)MJO与天气尺度系统间的动能传输则主要表现为MJO的动能汇,其与MJO环流场分布以及MJO对天气尺度波动动量通量的平流输送有关。

关键词： MJO(Madden-Julian Oscillation) 多尺度能量涡度分析(MS-EVA) 多尺度子空间变换正则传输 MJO动能西太平洋

2015年苏迪罗台风的生消的动力学机制及其与MJO的关系初探

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2015年苏迪罗台风的生消的动力学机制及其与MJO的关系初探

作者：汪澜南京信息工程大学

学位级别：硕士

本文运用一套新的非线性稳定性分析方法,即基于多尺度子空间变换(MWT)的多尺度能量和涡度分析方法(MS-EVA)及不稳定理论,通过对2015年的超强台风苏迪罗进行多尺度动力学分析,来初步探究苏迪罗生成、增强和衰亡的动力过程及MJO在其中的... 详细信息

本文运用一套新的非线性稳定性分析方法,即基于多尺度子空间变换(MWT)的多尺度能量和涡度分析方法(MS-EVA)及不稳定理论,通过对2015年的超强台风苏迪罗进行多尺度动力学分析,来初步探究苏迪罗生成、增强和衰亡的动力过程及MJO在其中的作用。大气原始场通过MWT分离重构到热带气旋、季节内和大尺度三个子空间上。在滤去了季节以下尺度的振荡后,整层对流层大尺度运动的正压分量对苏迪罗的活动具有最好的引导作用,这启示未来的路径预报可以建立在滤波场中进行。热带气旋子空间内,苏迪罗表现出自下向上生成并自上向下衰亡的演变规律。通过多尺度能量分析发现,大气低层的正压不稳定带来台风低层的生成和加强,动能输送和扩散作用把动能从低层向高层分布引起它的自下向上发展;高层斜压不稳定有利于高空暖核的形成,间接造成了台风的快速加强;台风登陆后,低层动能在失去不稳定环境的保护下在热带气旋尺度内流失而高层在强的正压稳定作用下,环流率先崩溃,苏迪罗从上往下衰亡。此次西移的MJO为苏迪罗传输的能量很少,它通过调整背景气流结构,来促进大尺度的动能向热带气旋尺度升尺度传输,进而引起台风的生成,但它在苏迪罗的快速增强和衰亡中作用不大。

关键词：台风苏迪罗 MJO 多尺度子空间变换多尺度能量学正/斜压不稳定

南方一次飑线过程的数值模拟及其多尺度动力学研究

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南方一次飑线过程的数值模拟及其多尺度动力学研究

作者：郭子彧南京信息工程大学

学位级别：硕士

飑线是一类强致灾性的中尺度对流系统,飑线研究因而对防灾减灾有着重大意义。然而,这一系统由于涉及大量的中小尺度过程而显得非常复杂。本研究利用Liang等人(参见Liang 2016)发展的泛函工具,即多尺度子空间变换(MWT),以及基于MWT的局... 详细信息

飑线是一类强致灾性的中尺度对流系统,飑线研究因而对防灾减灾有着重大意义。然而,这一系统由于涉及大量的中小尺度过程而显得非常复杂。本研究利用Liang等人(参见Liang 2016)发展的泛函工具,即多尺度子空间变换(MWT),以及基于MWT的局地多尺度能量和涡度分析方法(MS-EVA)和正则传输理论,对2018年春季南方发生的大面积致灾的一次典型个例进行研究,以期窥见复杂飑线动力学之一斑。首先,利用WRF模式模拟还原了这次过程的成熟阶段,模式输出包括五个变量场:温度,气压,风矢量(三维)。利用MWT对这些场做尺度分离并重构到三个尺度子空间,即背景子空间、飑线子空间、小尺度子空间,并形成背景场、飑线环流场、与湍动的对流小尺度场。MS-EVA分析结果表明,对局地而言,当成熟的飑线过境时,动能先从背景场传入小尺度场,而后再升尺度传入飑线的环流场,这与经典的由大到小的能量级串模型大为不同;飑线离开时则反之,动能先由飑线降尺度传入小尺度场,而后升尺度传入背景场。这一新发现对飑线的预报有着重要的指导作用,因为这意味着小尺度的高频过程对飑线的维持非常重要,要准确预报飑线过程,高频信息必须保留,网格必须精细。此外,本文还发现,对于飑线中高层的对流云区,飑线尺度的有效位能主要通过浮力做功作用转换为同尺度动能,再通过垂直压力作功转移到下层,使得冷池前沿风增强;在地面冷池附近,浮力做功在上升-下沉气流间正负相抵,即:对上升气流,浮力做正功,动能转向有效位能;而对后部下沉气流,浮力做负功,有效位能转向动能。这一循环起到促进动能-有效位能的交换作用,使得冷池能量达到动态平衡,并持续存在。

关键词：飑线涡流相互作用多尺度子空间变换正则传输湍流