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张小娟, 郑飞. 2022. 全球海洋热浪的多时间尺度变化特征及气候调控因子分析[J]. 气候与环境研究, 27(1): 170−182. ZHANG Xiaojuan,ZHENG Fei. 2022. Analysis of Multi-time Scale Variation Characteristics and Climate Regulation Factors on Global Marine Heatwaves [J]. Climatic and Environmental Research (in Chinese), 27 (1): 170−182. doi:10.3878/j.issn.1006-9585.2021.21061全球海洋热浪的多时间尺度变化特征及气候调控因子分析张小娟 1, 2 郑飞11 中国科学院大气物理研究所国际气候与环境研究中心，北京 1000292 中国科学院大学，北京 100049摘 要 基于1982～2019年美国国家海洋和大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA ）日最优插值海表温度（Daily Optimum Interpolation Sea Surface Temperature V2, OISST ）观测资料和物理实验室（Physical Sciences Laboratory, PSL ）多种气候观测指数，采用最小二乘回归、高低通滤波和相关分析等统计方法，分析了全球海洋热浪（Marine Heatwaves, MHWs ）频次、持续时间、总天数和最大强度的多时间尺度演变特征及不同气候信号对其演变的调控。
研究表明，MHWs 频次在赤道西太平洋线性增长最快。
在去除全球变暖趋势后，全球平均MHWs 各属性年际和年代际变化均存在明显区域变化特征，主导区域也均受到多时间尺度气候信号的调制。
第24卷第4期2000年7月大 气 科 学Chinese Journal of Atmospheric SciencesVol.24,No.4J uly 2000热力适应、过流、频散和副高I.热力适应和过流3吴国雄 刘屹岷(中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室,北京 100029)摘 要 利用位涡性质,讨论了因非绝热加热导致的大气动力特征的变化,阐明了大气动力过程向外加热强迫适应的原理。
证明在热力适应过程中,沿着加热区的侧边界斜压位涡为负,且大于正压位涡,那里的大气出现对称不稳定。
在加热区的上空尽管非绝热加热为零,仍然存在上升、辐散、反气旋环流及冷中心,证明这是由于“过流”引起的。
通过总位涡的收支分析证明,由于边界层的摩擦作用,加热区上空多余的负位涡向外排放而成为大气中负涡度的源地。
关键词:热力适应;过流;斜压位涡;正压位涡;位涡平衡1 引言大气运动在时间和空间上都具有多尺度特征。
对于绝热无摩擦的旋转大气,不同时空尺度运动存在流场和气压场之间的互相调整。
自从罗斯贝[1,2]和奥布霍夫[3]相继提出这一“地转适应”问题以来。
我国学者对此进行了系统的研究。
叶笃正[4]首先证明对于大尺度大气运动,流场向气压场适应;对于小尺度运动则是气压场向流场适应。
曾庆存[5]证明,判定上述不同尺度适应特征的临界尺度即为Rossby变形半径。
曾庆存[6,7]还进一步证明大气运动在时间尺度上也可分为快的适应过程和慢的演变过程。
叶笃正和李麦村[8]指出各种尺度的大气运动的发展都可分为三个阶段:首先是非常迅速的适应阶段,它使不平衡的运动速度恢复平衡;第二阶段为发展阶段,大气运动中观测到的大的变化都发生在这一阶段;第三阶段为准平衡阶段,一个慢变的过程。
巢纪平[9]对于上述的多时间尺度特征给出了简单的物理解释。
叶笃正和巢纪平[10]定义了下述4个时间尺度:T1=L C-1, T2=f-10, T3=(βL)-1, T4=L V-1,其中L为准地转平衡附近的特征空间尺度,V为背景流场特征速度。
第61卷第2期2022年3月Vol.61No.2Mar.2022中山大学学报（自然科学版）（中英文）ACTA SCIENTIARUM NATURALIUM UNIVERSITATIS SUNYATSENI华南冬季区域性暴雨过程强度异常的成因分析*伍红雨1，吴遥2，郭尧31.广东省气候中心，广东广州5106412.重庆市气候中心，重庆4011473.南方电网数字电网研究院有限责任公司，广东广州510555摘要：利用1961—2018年华南192个气象观测站逐日降水资料，客观定量评估华南冬季区域性暴雨过程，确定强的冬季区域性暴雨过程和冬季暴雨强年。
利用NCEP/NCAR再分析资料，采用合成分析方法研究华南冬季暴雨强年的气候背景和强区域性暴雨过程的天气特征，其气候和天气共同的特点是：冬季在对流层高层，中南半岛、南海到华南的西风急流加强，中层东亚大槽减弱，西太平洋副热带高压加强，低层南支槽和偏南气流加强，水汽辐合加强。
差异表现在对于日尺度的华南冬季强暴雨过程，其北半球副热带异常环流波列结构非常明显，具有类似夏季北半球对流层高层的“丝绸之路遥相关型”特点，但波列中心位置在冬季较夏季明显偏南，同时华南距平异常环流更加显著，低层偏南气流风速大，水汽的辐合非常突出。
对于冬季暴雨强年，上年7~12月，赤道中东太平洋以及热带印度洋、南海的海温偏高，热带西太平洋海温偏低，有利于华南冬季暴雨的发生，超强厄尔尼诺的发生对应华南冬季暴雨偏强。
所以冬季尺度的环流和前期海温反映了华南出现区域性暴雨的大气环流和海温的气候背景，而日尺度的大气环流异常更能体现其异常的天气学特征。
关键词：区域性暴雨过程；强度；大气环流；海温；冬季；华南中图分类号：P462.4文献标志码：A文章编号：2097-0137（2022）02-0008-11On the causes of abnormal intensity ofregional winter rainstorm processes in South ChinaWU Hongyu1，WU Yao2，GUO Yao31.Climate Center of Guangdong Province，Guangzhou510641，China2.Chongqing Climate Center，Chongqing401147，China3.China Southern Power Grid Digital Grid Research Institute Co.，Ltd.，Guangzhou510555，China Abstract：Based on the daily precipitation data of192meteorological observation stations in South China during1961-2018，the regional rainstorm processes in winter in South China are evaluated objec‐tively and quantitatively，and the annual rainstorm intensity index and regional strong winter rain‐storms are determined.Based on the reanalysis of NCEP/NCAR data，combining with other methods，the climate background of the severe winter rainstorm in South China and the weather characteristics ofthe regional rainstorm processes are studied.The common characteristics of climate and weather are as follows：The westerly jet strengthens in the upper troposphere in winter in the Indo-China Peninsula and the South China Sea，the East Asian Trough weakens in the middle layer，the subtropical high overthe Western Pacific strengthens，the southern branch trough and southerly current at the lower levelDOI：10.13471/ki.acta.snus.2020D073*收稿日期：2020-12-07录用日期：2021-03-11网络首发日期：2021-05-12基金项目：国家自然科学基金（41661144019）；广东省科技计划项目（2017B020244002）；广东自然资源厅项目（GDOE［2019］A11号）；广东省气象局科技项目（GRMC2019M10）；广东省气候中心项目（QH202002）作者简介：伍红雨（1969年生），女；研究方向：气候特征、变化及机理研究；E-mail：492019784@第2期伍红雨，等：华南冬季区域性暴雨过程强度异常的成因分析strengthen，and the water vapor convergence strengthens.The difference is presented in the heavy rain process at the daily scale in South China in winter，in which the wave train structure of the northern hemisphere subtropical abnormal circulation is very obvious，similar to the‘remote correlation of silk road’in the upper troposphere of the northern hemisphere in summer circulation characteristics，but the center of oscillation is southerly in winter than it in summer.For the strong winter rainstorm year，the SST is higher in the equatorial Middle East Pacific，the tropical Indian Ocean，and the South China Sea，while it is lower in the tropical western Pacific from July to December in last year，which was conducive to the occurrence of winter rainstorm in South China.Therefore，the seasonal scale（particu‐larly in winter）circulation and early SST reflect the climate background of the regional rainstorm in South China，while the daily scale atmospheric circulation anomaly can better reflect its abnormal weather characteristics.Key words：regional rainstorm process；intensity；atmospheric circulation；SST；winter；South China随着全球气候变暖，南方冬季极端降水强度普遍增加［1］，特别是2010年以来华南冬季区域性暴雨过程频繁发生，常常危害人民生命财产安全，甚至造成严重洪涝灾害。
冯卡门大气紊流模型推导介绍大气紊流是指地球大气中的湍流现象。
冯卡门大气紊流模型是描述大气中的湍流现象的模型。
冯卡门方程冯卡门方程是描述大气紊流的微分方程组。
它包括三个方程：连续性方程、Navier-Stokes方程和状态方程。
连续性方程连续性方程描述了质量守恒的原则，可以表示为：∂ρ∂t+∇⋅(ρu)=0其中，ρ是空气密度，u是速度矢量。
Navier-Stokes方程Navier-Stokes方程描述了动量守恒的原则，可以表示为：∂u ∂t +u⋅∇u=−1ρ∇P+ν∇2u+g其中，P是压力，ν是动力粘性系数，g是重力加速度。
状态方程状态方程描述了气体物理性质与状态之间的关系，通常可以表示为：P=ρRT其中，R是气体常数，T是温度。
大气边界层大气边界层是指大气中靠近地表的一层区域，受到地表摩擦力和大气条件的影响。
在大气边界层中，湍流是主要的运动形式。
大气边界层可以分为三个不同的区域：大气表面层、颠簸层和波动层。
大气表面层大气表面层是距离地表几百米的一层区域。
在大气表面层中，湍流强度较大，主要受到地表摩擦力的影响。
这个区域的湍流可以通过冯卡门大气紊流模型来描述。
颠簸层颠簸层是距离地表几百米到几千米的一层区域。
在颠簸层中，湍流强度逐渐减弱，主要受到大气条件的影响。
波动层波动层是距离地表几千米以上的一层区域。
在波动层中，湍流强度较小，主要受到大气条件和地形等因素的影响。
大气紊流模拟方法大气紊流模拟是通过数值模拟方法来研究大气中的湍流现象。
目前常用的大气紊流模拟方法包括直接数值模拟（DNS）、大涡模拟（LES）和雷诺平均Navier-Stokes 方程模拟（RANS）等。
直接数值模拟（DNS）直接数值模拟是一种通过求解Navier-Stokes方程来模拟湍流的方法。
它可以精确地模拟湍流的细节，但需要消耗大量的计算资源。
大涡模拟（LES）大涡模拟是一种通过分解湍流流场为尺度较大的大涡和尺度较小的小涡来模拟湍流的方法。
arXiv:nlin/0204044v1 [nlin.CD] 18 Apr 2002Anomalousscalingofapassivescalaradvectedbytheturbulentvelocityfieldwithfinitecorrelationtime:Two-loopapproximation
L.Ts.Adzhemyan1,N.V.Antonov1,andJ.Honkonen21DepartmentofTheoreticalPhysics,St.PetersburgUniversity,Ulyanovskaya1,St.Petersburg—Petrodvorez,198504,Russia
2TheoryDivision,DepartmentofPhysicalSciences,P.O.Box64,FIN-00014UniversityofHelsinki,Finland
(24December2001)
TherenormalizationgroupandoperatorproductexpansionareappliedtothemodelofapassivescalarquantityadvectedbytheGaussianself-similarvelocityfieldwithfinite,andnotsmall,corre-lationtime.Theinertial-rangeenergyspectrumofthevelocityischosenintheformE(k)∝k1−2ε,andthecorrelationtimeatthewavenumberkscalesask−2+η.Inertial-rangeanomalousscalingforthestructurefunctionsandothercorrelationfunctionsemergesasaconsequenceoftheexistenceinthemodelofcompositeoperatorswithnegativescalingdimensions,identifiedwithanomalousexponents.Forη>ε,theseexponentsarethesameasintherapid-changelimitofthemodel;forη(localturnoverexponent),theanomalousexponentsarenonuniversalthroughthedependenceonadimensionlessparameter,theratioofthevelocitycorrelationtimeandthescalarturnovertime.Theuniversalityrevealsitself,however,onlyinthesecondorderoftheεexpansion,andtheexponentsarederivedtoorderO(ε2),includinganisotropiccontributions.Itisshownthat,formoderaten,theorderofthestructurefunction,andd,thespacedimensionality,finitecorrelationtimeenhancestheintermittencyincomparisonwiththebothlimits:therapid-changeandquenchedones.Thesituationchangeswhennand/ordbecomelargeenough:thecorrectiontotherapid-changelimitduetothefinitecorrelationtimeispositive(thatis,theanomalousscalingissuppressed),itismaximalforthequenchedlimitandmonotonicallydecreasesasthecorrelationtimetendstozero.
PACSnumber(s):47.27.−i,47.10.+g,05.10.Cc
I.INTRODUCTIONInrecentyears,considerableprogresshasbeenachievedintheunderstandingofintermittencyandanomalousscalingoffluidturbulence.ThecrucialroleinthesestudieswasplayedbyasimplemodelofapassivescalarquantityadvectedbyarandomGaussianfield,whiteintimeandself-similarinspace,theso-calledKraichnan’srapid-changemodel[1].There,forthefirsttimetheexistenceofanomalousscalingwasestablishedonthebasisofamicroscopicmodel[2]andthecorrespondinganomalousexponentswerecalculatedwithincontrolledapproximations[3–6]andasystematicperturbationexpansioninaformalsmallparameter[7].DetailedreviewoftherecenttheoreticalresearchonthepassivescalarproblemandthebibliographycanbefoundinRef.[8].WithintheapproachdevelopedinRefs.[3–6],nontrivialanomalousexponentsarerelatedto“zeromodes,”thatis,homogeneoussolutionsoftheclosedexactdifferentialequationssatisfiedbytheequal-timecorrelationfunctions.Inthissense,therapid-changemodelappears“exactlysolvable.”Inawidercontext,zeromodescanbeinterpretedasstatisticalconservationlawsoftheparticledynamics[9].Theconceptofstatisticalconservationlawsappearsrathergeneral,beingalsoconfirmedinnumericalsimulationsbyRefs.[10,11],wherethepassiveadvectioninthetwo-dimensionalNavier–Stokesvelocityfield[10]andashellmodelofapassivescalar[11]werestudied.Thisobservationisratherintriguingbecauseinthosemodelsnoclosedequationsforequal-timequantitiescanbederivedduetothefactthattheadvectingvelocityhasafinitecorrelationtime(forapassivefieldadvectedbyavelocitywithgivenstatistics,closedequationscanbederivedonlyfordifferent-timecorrelationfunctions,andtheyinvolveinfinitediagrammaticseries).Onemaythusconcludethatbreakingtheartificialassumptionofthetimedecorrelationofthevelocityfieldisthecrucialpoint[10,11].Animportantissuerelatedtotheeffectsofthefinitecorrelationtimeistheuniversalityoftheanomalousexponents.Itwasarguedthattheexponentsmaydependonmoredetailsofthevelocitystatisticsthanonlytheexponentsηandε[12].ThisideawassupportedinRefs.[13,14],wherethecaseofshortbutfinitecorrelationtimewasconsideredforthespecialcaseofalocalturnoverexponent.Inthosestudies,theanomalousexponentswerederivedtofirstorderinsmallcorrelationtime,withKraichnan’srapid-changemodel[13]oranalogousshellmodelforascalarfield[14]takenaszerothorderapproximations.Theexponentsobtainedappearnonuniversalthroughthedependenceonthecorrelationtime.
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