双重平衡态与乌拉尔山环流异常的机理
发布时间：2021-09-02 08:46
大气环流相对于其多年平均状态的偏差,称为大气环流异常。东亚地区常常发生的诸如极端低温、大范围暖冬、连续性暴雨等异常天气和气候事件,其重要前兆和直接原因之一就是乌拉尔山地区反复出现的持续性的环流正异常和负异常。研究乌拉尔山地区反复出现的持续性环流正、负异常的发生机理,对提高东亚地区大范围异常天气和气候事件的预测水平具有重要意义。目前,人们习惯于将乌拉尔山环流持续性正、负异常,视为大气环流对不同强迫因子的不同响应。然而,这种观点并不能对环流正、负异常的机理给出很好的解释。本文将尝试从多平衡态理论的非线性动力学角度来解释乌拉尔山环流正、负异常的机理。传统的多平衡态理论是与高指数、低指数环流两种平衡态相关联的,阻塞高压被视为一种接近共振状态的低指数平衡态。乌拉尔山环流持续性正、负异常,通常分别对应于乌拉尔山阻塞高压、切断低压。乌拉尔山环流正、负异常的形成具有明显的局地性,且正、负异常事件的发生频数大致相当。对于乌拉尔山环流正、负异常的这些特征,传统的多平衡态理论并不能给出合理的解释。因此,有必要发展出新的多平衡态理论来解释乌拉尔山环流正、负异常的机理。前人用来研究多平衡态理论的简化模式普遍都是...
【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：155 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
欧亚中高纬地形高度分布图
绝对多数的位置，于是，一般情况下，小球实时的水平位置坐标，都可以视为平均位置与小偏差的叠加（“平均态与小扰动的叠加”）。如果没有槽壁的摩擦和空气阻力，初始时刻在凹槽内滚动的小球，将循环来回滚动，永远不会停下来。这种情况下，虽然小球也频繁出现在槽底位置，但它是周期性出现于槽底，小球已经不可能静止在槽底，也不可能在槽底滞留较长时间。所以，槽底位置能成为“平衡态”位置的前提：必须存在能量的耗散。“周期性出现”属于极限环吸引子的范畴。“反复出现且具有准定常性”才属于平衡态吸引子的范畴。图1.2（a）在凹槽内滚动的小球和（c）小球在不同水平位置的出现频数示意图。（b）在由3个小槽组成的大凹槽内滚动的小球和（d）小球在不同水平位置的出现频数示意图。如果平衡态位置不止一个，就可以泛称为“多平衡态”。如图1.2b所示，由3个小槽组成的轴对称的大凹槽。凹槽内存在3个稳定的平衡态位置，即3个槽底，位置最低的为O点，槽底A点和D点高度相同，且高于O点。而B点和C点为两个凸点，它们是不稳定的位置。B、C两凸点之间的小凹槽，属于平衡态O点的吸引域范围。也就是说，初始在O点附近滚动的小球，只要它不越过B点和C点，小球最终都能返回到平衡态O点。一旦小球越过B点或C点，就进入到平衡态A点或D点的吸引域，不能再返回平衡态O点了。不稳定的B、C两凸点是三个稳定平衡态的吸引域范围的边界。三个平衡态之间相互转换的条件，就是外界扰动是否迫使小球的瞬时位置越过了不稳定的B、C两凸点。
杂谩叭?胶馓?Ｐ汀?来解释：乌拉尔山环流的多年平均状态，即正常态应当是一个中间平衡态，而持续正、负异常环流则是关于中间平衡态对称的双平衡态。至于第5条特征“正、负异常的环流场都具有相当正压的垂直结构”，应当与大气内部动力过程有关。再来解释非线性动力学中的另一个重要概念——分岔。分岔是指当系统的控制参量不断改变时，引发系统状态和稳定性的突然改变（也叫分叉、分支、分歧）。简言之，分岔的本质是系统旧稳态失稳，并产生新的稳态。下面以通俗的语言来介绍超临界叉式分岔，以便读者理解分岔的概念。图1.3（a）竖直放置的弹性杆的受迫弯曲问题。在轴向压力F作用下，弹性杆弯曲的幅度以弹性杆在水平方向上投影的长度x来表示。（b）超临界叉式分岔的原理示意图：轴向压力F与弯曲幅度x之间的关系。“Stable”表示稳定平衡态，以实线表示，“unstable”表示不稳定平衡态，以虚线表示。欧拉杆（Eulerrod）的弯曲问题（Timoshenko和Gere，1961）是超临界叉式分岔的经典案例。如图1.3a所示，对一个竖直放置的弹性杆不断施加轴向压力F，轴向压力F与弹性杆弯曲幅度x之间的关系如1.3b所示（刘式适等，1996；Dijkstra，2013）。当轴向压力F比较小时，弹性杆可以保持直立的状态（此时x=0），不发生形变，这是一种稳定的平衡态。当轴向压力F超过临界值时，弹性杆将发生弹性形变，或者向左弯曲（此时x<0），或者向右弯曲（此时x>0）。向左弯曲或者向右弯曲都是稳定的平衡态，弹性杆可以长时间保持这样的弯曲状态。但此时直立状态是不稳定的平衡态（类似于前文中的凸点B、C），即数学上
【参考文献】：
期刊论文
[1]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[J]. 李刚,马继望,梁湘三. 气象学报. 2020(01)
[2]北半球冬季各阻塞系统对大范围极端温度异常的单独和协同影响[J]. 李亚飞,任荣彩. 大气科学. 2019(06)
[3]Simple Metrics for Representing East Asian Winter Monsoon Variability:Urals Blocking and Western Pacific Teleconnection Patterns[J]. Hoffman H.N.CHEUNG,Wen ZHOU. Advances in Atmospheric Sciences. 2016(06)
[4]Where were the monsoon regions and arid zones in Asia prior to the Tibetan Plateau uplift?[J]. Xiaodong Liu,Qingchun Guo,Zhengtang Guo,Zhi-Yong Yin,Buwen Dong,Robin Smith. National Science Review. 2015(04)
[5]中亚低涡研究若干进展及问题[J]. 杨莲梅,张云惠,秦贺. 沙漠与绿洲气象. 2015(05)
[6]Tibetan Plateau climate dynamics: recent research progress and outlook[J]. Guoxiong Wu,Anmin Duan,Yimin Liu,Jiangyu Mao,Rongcai Ren,Qing Bao,Bian He,Boqi Liu,Wenting Hu. National Science Review. 2015(01)
[7]一次中亚低涡中期过程的能量学特征[J]. 杨莲梅,张庆云. 气象学报. 2014(01)
[8]The East Asian winter monsoon:re-amplification in the mid-2000s[J]. Lin Wang,Wen Chen. Chinese Science Bulletin. 2014(04)
[9]亚欧中纬度关键区正位势高度距平场配置与中国冬季区域性极端低温事件的联系[J]. 龚志强,王晓娟,任福民,封国林. 大气科学. 2013(06)
[10]我国持续性重大天气异常成因与预报方法研究回顾与未来展望[J]. 翟盘茂,倪允琪,陈阳. 地球科学进展. 2013(11)
本文编号：3378710
【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：155 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
欧亚中高纬地形高度分布图
绝对多数的位置，于是，一般情况下，小球实时的水平位置坐标，都可以视为平均位置与小偏差的叠加（“平均态与小扰动的叠加”）。如果没有槽壁的摩擦和空气阻力，初始时刻在凹槽内滚动的小球，将循环来回滚动，永远不会停下来。这种情况下，虽然小球也频繁出现在槽底位置，但它是周期性出现于槽底，小球已经不可能静止在槽底，也不可能在槽底滞留较长时间。所以，槽底位置能成为“平衡态”位置的前提：必须存在能量的耗散。“周期性出现”属于极限环吸引子的范畴。“反复出现且具有准定常性”才属于平衡态吸引子的范畴。图1.2（a）在凹槽内滚动的小球和（c）小球在不同水平位置的出现频数示意图。（b）在由3个小槽组成的大凹槽内滚动的小球和（d）小球在不同水平位置的出现频数示意图。如果平衡态位置不止一个，就可以泛称为“多平衡态”。如图1.2b所示，由3个小槽组成的轴对称的大凹槽。凹槽内存在3个稳定的平衡态位置，即3个槽底，位置最低的为O点，槽底A点和D点高度相同，且高于O点。而B点和C点为两个凸点，它们是不稳定的位置。B、C两凸点之间的小凹槽，属于平衡态O点的吸引域范围。也就是说，初始在O点附近滚动的小球，只要它不越过B点和C点，小球最终都能返回到平衡态O点。一旦小球越过B点或C点，就进入到平衡态A点或D点的吸引域，不能再返回平衡态O点了。不稳定的B、C两凸点是三个稳定平衡态的吸引域范围的边界。三个平衡态之间相互转换的条件，就是外界扰动是否迫使小球的瞬时位置越过了不稳定的B、C两凸点。
杂谩叭?胶馓?Ｐ汀?来解释：乌拉尔山环流的多年平均状态，即正常态应当是一个中间平衡态，而持续正、负异常环流则是关于中间平衡态对称的双平衡态。至于第5条特征“正、负异常的环流场都具有相当正压的垂直结构”，应当与大气内部动力过程有关。再来解释非线性动力学中的另一个重要概念——分岔。分岔是指当系统的控制参量不断改变时，引发系统状态和稳定性的突然改变（也叫分叉、分支、分歧）。简言之，分岔的本质是系统旧稳态失稳，并产生新的稳态。下面以通俗的语言来介绍超临界叉式分岔，以便读者理解分岔的概念。图1.3（a）竖直放置的弹性杆的受迫弯曲问题。在轴向压力F作用下，弹性杆弯曲的幅度以弹性杆在水平方向上投影的长度x来表示。（b）超临界叉式分岔的原理示意图：轴向压力F与弯曲幅度x之间的关系。“Stable”表示稳定平衡态，以实线表示，“unstable”表示不稳定平衡态，以虚线表示。欧拉杆（Eulerrod）的弯曲问题（Timoshenko和Gere，1961）是超临界叉式分岔的经典案例。如图1.3a所示，对一个竖直放置的弹性杆不断施加轴向压力F，轴向压力F与弹性杆弯曲幅度x之间的关系如1.3b所示（刘式适等，1996；Dijkstra，2013）。当轴向压力F比较小时，弹性杆可以保持直立的状态（此时x=0），不发生形变，这是一种稳定的平衡态。当轴向压力F超过临界值时，弹性杆将发生弹性形变，或者向左弯曲（此时x<0），或者向右弯曲（此时x>0）。向左弯曲或者向右弯曲都是稳定的平衡态，弹性杆可以长时间保持这样的弯曲状态。但此时直立状态是不稳定的平衡态（类似于前文中的凸点B、C），即数学上
【参考文献】：
期刊论文
[1]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[J]. 李刚,马继望,梁湘三. 气象学报. 2020(01)
[2]北半球冬季各阻塞系统对大范围极端温度异常的单独和协同影响[J]. 李亚飞,任荣彩. 大气科学. 2019(06)
[3]Simple Metrics for Representing East Asian Winter Monsoon Variability:Urals Blocking and Western Pacific Teleconnection Patterns[J]. Hoffman H.N.CHEUNG,Wen ZHOU. Advances in Atmospheric Sciences. 2016(06)
[4]Where were the monsoon regions and arid zones in Asia prior to the Tibetan Plateau uplift?[J]. Xiaodong Liu,Qingchun Guo,Zhengtang Guo,Zhi-Yong Yin,Buwen Dong,Robin Smith. National Science Review. 2015(04)
[5]中亚低涡研究若干进展及问题[J]. 杨莲梅,张云惠,秦贺. 沙漠与绿洲气象. 2015(05)
[6]Tibetan Plateau climate dynamics: recent research progress and outlook[J]. Guoxiong Wu,Anmin Duan,Yimin Liu,Jiangyu Mao,Rongcai Ren,Qing Bao,Bian He,Boqi Liu,Wenting Hu. National Science Review. 2015(01)
[7]一次中亚低涡中期过程的能量学特征[J]. 杨莲梅,张庆云. 气象学报. 2014(01)
[8]The East Asian winter monsoon:re-amplification in the mid-2000s[J]. Lin Wang,Wen Chen. Chinese Science Bulletin. 2014(04)
[9]亚欧中纬度关键区正位势高度距平场配置与中国冬季区域性极端低温事件的联系[J]. 龚志强,王晓娟,任福民,封国林. 大气科学. 2013(06)
[10]我国持续性重大天气异常成因与预报方法研究回顾与未来展望[J]. 翟盘茂,倪允琪,陈阳. 地球科学进展. 2013(11)
本文编号：3378710
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