南大氣候動(dòng)力學(xué)試題2011試卷答案

1、氣候動(dòng)力學(xué)試題 2011.4姓名 學(xué)號(hào) 成績(jī)_1. 名詞解釋(每小題5分，共20分)（1） 氣候動(dòng)力學(xué)的目標(biāo)氣候動(dòng)力學(xué)的主要任務(wù)和目標(biāo)是了解異常氣候的變化規(guī)律和形成機(jī)制，并對(duì)異常氣候做出較為可靠的預(yù)測(cè)。（2） 氣候可預(yù)報(bào)性對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)的可能程度（空間范圍、時(shí)效）。主要有三種：第一類可預(yù)報(bào)性：為氣候系統(tǒng)自然變化的預(yù)報(bào)（時(shí)間尺度從天氣尺度可預(yù)報(bào)性的幾周極限一直延伸到冰期）第二類可預(yù)報(bào)性：為強(qiáng)迫、敏感性的預(yù)報(bào)（為氣候變化對(duì)邊界條件、大氣成分、模式參數(shù)化及模式參數(shù)等強(qiáng)迫變化的響應(yīng)或敏感性的預(yù)報(bào)）第三類可預(yù)報(bào)性：即確定論的可預(yù)報(bào)性，與短期或中期天氣預(yù)報(bào)有關(guān)即與數(shù)天前或一周前對(duì)大氣的瞬時(shí)狀態(tài)做出的預(yù)報(bào)有

2、關(guān)的可預(yù)報(bào)性。（3） 蒸發(fā)風(fēng)反饋Emanuel和Neelin（1987）提出了熱帶大氣季節(jié)內(nèi)振蕩的蒸發(fā)風(fēng)反饋機(jī)制：赤道附近平均為東風(fēng)，但對(duì)流凝結(jié)加熱的作用將在對(duì)流層低層的對(duì)流區(qū)的東西部分別強(qiáng)迫出東、西風(fēng)響應(yīng)場(chǎng)，造成蒸發(fā)和加熱的東西不對(duì)稱性，熱源東部的加熱強(qiáng)于西部，對(duì)流發(fā)展更為有利，反饋過(guò)程有利于對(duì)流區(qū)的東移。同時(shí)，大氣中對(duì)流加熱的增強(qiáng)又進(jìn)一步加強(qiáng)了熱源東部的Kelvin波和東風(fēng)響應(yīng)。這種機(jī)制對(duì)于在對(duì)流活動(dòng)相對(duì)較弱的東太平洋冷水區(qū)維持3060d振蕩及其東傳有重要的意義。（4） 水汽反饋2. 什么是變率突變？如何檢測(cè)氣候變化的變率突變？（10分）變率突變兩個(gè)氣候狀態(tài)或階段的平均值并無(wú)明顯差異，但其

3、變率有明顯的不同，這樣兩類氣候狀態(tài)間的急劇變化就稱為變率突變。包括兩種情況，一是振幅有明顯差異的突變，一是頻率有明顯差異的突變。3. 下式為地形強(qiáng)迫Rossby波的頻率，請(qǐng)分析在什么情況下會(huì)出現(xiàn)Rossby波的不穩(wěn)定。（15分） 在一定條件下，地形強(qiáng)迫Rossby波可以出現(xiàn)不穩(wěn)定，從而可以激發(fā)產(chǎn)生一定的大氣擾動(dòng) 在高緯度地區(qū)，地形強(qiáng)迫的緯向1-2波擾動(dòng)容易形成30-60d低頻振蕩； 而在中高緯地區(qū)，地形強(qiáng)迫的緯向2-3波擾動(dòng)容易形成30-60d低頻振蕩。 因此，地形強(qiáng)迫Rossby波的不穩(wěn)定可能是中高緯度大氣30-60d低頻振蕩的重要激發(fā)機(jī)制之一 4. 什么是EP通量？試?yán)肊P通量散度說(shuō)明波

4、對(duì)平均氣流的作用。(15分)EP通量 ：表示擾動(dòng)動(dòng)量和擾動(dòng)熱量對(duì)擾動(dòng)位渦貢獻(xiàn)的相對(duì)重要性 EP通量散度可認(rèn)為是平均環(huán)流變化的源或強(qiáng)迫，在無(wú)外強(qiáng)迫源的情況下，若EP通量散度等于零，那么基本氣流不隨時(shí)間變化，這就是所謂基本氣流無(wú)加速定理。相反若，則有，即EP通量幅散，西風(fēng)基本氣流將加速；若有，則有，即EP通量輻合，基本西風(fēng)氣流要減速。因此，EP通量散度能很好的反映平均流場(chǎng)的變化情況。EP通量散度是波動(dòng)的動(dòng)量通量和熱量通量場(chǎng)的綜合特征，EP通量散度對(duì)平均基本流場(chǎng)的影響，也就是波動(dòng)通過(guò)動(dòng)量通量和熱量通量而影響基本氣流的表現(xiàn)。5. 請(qǐng)用下面擾動(dòng)動(dòng)能方程解釋擾動(dòng)動(dòng)能K發(fā)生變化的原因。（10分） 由公式可以

5、明顯看到，擾動(dòng)能量的變化不僅同基本氣流的經(jīng)向分布（右端第二項(xiàng)），還同基本氣流的緯向不均勻有關(guān)（右端第一項(xiàng)）。前者同動(dòng)量的經(jīng)向輸送直接相關(guān)，相當(dāng)于經(jīng)典正壓不穩(wěn)定性；后者表明了基本氣流的緯向梯度及擾動(dòng)渦旋形狀的影響，在合流區(qū)，緯向伸展渦旋將消耗擾動(dòng)動(dòng)能；而在分流區(qū)，緯向伸展渦旋將從基本氣流取得能量。冬季的氣候平均表明，在北太平洋和北大西洋的中部地區(qū)往往是分流區(qū)，擾動(dòng)常常在那里獲得能量而發(fā)展，并構(gòu)成一定的波列結(jié)構(gòu)。6. 試用時(shí)滯振子理論解釋ENSO循環(huán)。（15分）通過(guò)赤道海洋波動(dòng)的傳播，東部海溫變化就會(huì)產(chǎn)生一種暖冷或冷暖的振蕩，其中冷態(tài)或暖態(tài)的發(fā)展機(jī)理是基于海氣耦合不穩(wěn)定，而冷態(tài)或暖態(tài)的恢復(fù)機(jī)理則是

6、西邊界波反射產(chǎn)生的延遲效應(yīng)。這種延遲效應(yīng)產(chǎn)生的海表面溫度振蕩與物理上的“延遲振子”相似，因此命名。信風(fēng)異常（減弱）異常的暖性Kelvin波，并向東傳播海氣耦合，這種Kelvin波在東傳過(guò)程中得到加強(qiáng)El Nino現(xiàn)象 同時(shí)海氣耦合激發(fā)出一種向西傳播的冷性Rossby波 在西岸反射而成為冷性Kelvin波 若這時(shí)信風(fēng)出現(xiàn)異常，這種Kelvin波在西太平洋持續(xù)產(chǎn)生和東傳 通過(guò)海氣耦合不穩(wěn)定而增幅 La Nina現(xiàn)象7. 由熱量方程，試由該方程給出一個(gè)簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)動(dòng)力模式，并說(shuō)明隨機(jī)強(qiáng)迫是如何產(chǎn)生的。（15分）首先把描述瞬時(shí)變量的方程轉(zhuǎn)換為描寫10年平均變量的支配方程，定義：8.其中=10年，一撇表示

7、瞬時(shí)值和氣候平均值的偏差，即偏差量高于10年的所有頻率影響。選擇10年是由于在這種時(shí)間尺度觀測(cè)到的自然變化性相對(duì)最小。10年平均就使得這種振蕩相對(duì)來(lái)講是很慢的變化和在平均時(shí)段內(nèi)是準(zhǔn)線性的，在這平均時(shí)段內(nèi)將存在許多高頻變化，因此作了第一近似后，我們得到如下方程：對(duì)于任意時(shí)刻，有：因?yàn)樵谌魏螘r(shí)間步長(zhǎng)下，隨機(jī)項(xiàng)的振幅和同量級(jí)，但當(dāng)增加時(shí)，它減小，從而增加了信噪比，所以R1是一個(gè)隨機(jī)擾動(dòng)隨時(shí)間的變化。引入?yún)?shù)化后根據(jù)擴(kuò)散近似 我們得到是誤差項(xiàng)，它包含有系統(tǒng)誤差部分和隨機(jī)誤差部分R2, R2是方程參數(shù)化過(guò)程產(chǎn)生的誤差。當(dāng)我們參數(shù)化應(yīng)力項(xiàng)和在中引進(jìn)應(yīng)力項(xiàng)的時(shí)候，另一個(gè)隨機(jī)“強(qiáng)迫”源必須引入：因此，在參數(shù)化以后，可以寫成如下形式：分別表示了造成隨機(jī)強(qiáng)迫的三個(gè)原因，即：1.隨機(jī)擾動(dòng)隨時(shí)間的變化2.方程參數(shù)化過(guò)程產(chǎn)生的誤差3.外界強(qiáng)迫追加入到系統(tǒng)中，由于外界強(qiáng)迫中的非周期性波動(dòng)產(chǎn)生系統(tǒng)中的隨機(jī)強(qiáng)迫。為了求解偏微分方程組，必須利用截?cái)嗾归_或是使用差分方程，由(7)式我們可以推