惯性波的对流不稳定和台风形成初期阶段的物理分析

本文主要讨论在低纬度,当大气中水汽供给充分,并满足γ>γm的条件不稳定状态时所发生的热成风适应过程。这时适应过程的特点和文献[11]中所讨论的完全不同。在起始时,如果流场上的热成风涡度大于温度场的热成风涡度,当扰动的水平尺度小于适应的特征尺度L_0时,可引起惯性波的对流不稳定。这种不稳定的作用,可在较短的时间内(约24小时)造成上层是反气旋、下层是气旋和中心为暖中心的猛烈的涡旋形成。此外,本文还讨论了台风形成启动机制的动力学本质。指出:在热成风破坏方面,假如存在着造成流场上热成风涡度大于温度场热成风涡度的非热成风产生的机制,即可构成台风形成的启动机制。     

低纬斜压两层模式大气半地转适应过程

利用斜压两层模式研究了赤道平面近似下的低纬热带大气适应过程。指出低纬斜压大气适应过程主要受重力惯性内波控制。通过重力惯性内波对初始非地转能量的频散，使纬向运动达到地转平衡，而经向维持非地转运动，正压模式下称为半地转平衡，斜压模式下称为半热成风平衡。通过对垂直运动方程的求解，可知，垂直运动只与重力惯性内波相联系，其产生与初始斜压位涡度无关，而只与初始时刻的垂直运动和垂直运动倾向有关，半地转适应使运动趋向水平运动。讨论了半热成风平衡的建立及其物理机制，指出由于重力惯性内波激发出垂直运动，与垂直运动相联系的水平辐合辐散调整流场和温度场之间的关系，使温压场最终达到半热成风平衡。通过对适应过程终态的分析，指出平均温度场和切变流场之间的适应方向决定于初始非半地转扰动的尺度与斜压Ｒｏｓｓｂｙ变形半径有关的特征尺度的比值，当比值大于１时，切变流场向平均温度场适应；当比值小于１时，平均温度场向切变流场适应     

簡单斜压大气中热成风的建立和破坏(一)

本文第一部分利用两层模式討論了热成风的适应問題.如果起始非热成风流場的热成风涡度大于溫度場的热成风涡度时,促使上升运动加强,反之,促使下沉运动加强。对于250—750毫巴之間的斜压系統,适应的特征尺度L_0,是决定流場向溫度場調整,还是溫度場向流場調整的临界水平尺度。 第二部分根据溫度場和流場的平流作用,分析了非热成风产生的机制.并由热成风适应速率和破坏速率的对比,討論了准地轉运动和非地轉运动的形成。 最后,用热成风不断破坏和建立的观点和方法,分析了长波斜压不稳定发展的过程,并进一步揭示了它的物理本貭。     

中纬度平均经圈和纬圈环流维持的物理过程(一)

本文主要从分解计算的角度,讨论中纬度平均经圈环流和纬圈环流的维持,并把动量和感热的涡动输送联系起来,说明它们之间的内在联系和统一的物理机理. 大尺度涡动输送、加强和摩擦等强迫作用不断造成纬向平均环流的热成风不平衡,而热成风调整过程又不断使不平衡向平衡调整.平均经圈环流就是在这种强迫变化和调整过程的相互作用中产生的.我们引进了一个由强迫变化决定的温度场、流场的时间变率向量M.时间变率向量M的旋度在x方向的投影等于强迫作用所造成的非热成风产生率,它也等于平均经圈环流向量的旋度在x方向的投影. 当连续方程采用B     

水平非均匀对流边界层热量平衡和平流输送作用的大涡模拟

采用大涡模拟所获的数据结果，分析地面热通量沿平均风方向存在 突变的条件下对流边界层的热量平衡和平流输送作用。分析表明边界层内模拟所得结果 可以很好地满足热量平衡关系。除地面热通量项以外，平流项（包括水平平流和垂直平 流）对边界层加热率的作用可达地面热通量不均匀性差值的大小，是影响边界层内热量 平衡的最重要因子，平均速度散度项对热量平衡的作用也不可忽略，但湍流通量散度项 的作用则很小。     

再论地转流的正压不稳定

本文研究了考虑地转约束的情况下,正压不稳定的必要条件,并基于能量学和位涡动力学理论,对正压不稳定的必要条件的物理含义进行了诠释。对于满足地转平衡的基本流,瑞利—郭晓岚定理[(Rayleigh,1880)、Kuo(1949,1973)]修正为：若地转流可能出现不稳定,其位涡梯度需在某个纬度取极值。Fj?rtoft定理(Fj?rtoft, 1950)相应地成为：若地转流可能出现不稳定,需满足Q_y(位涡的经向梯度)与U-U_s(地转流速度与Q_y为零处的地转流速度之差)同号。即由原结论中的绝对涡度修正为位涡,这是地转约束也是位涡约束的结果。研究指出满足能量关系是正压不稳定可能出现的能量学要求,瑞利—郭晓岚定理是正压不稳定可能出现的位涡动力学条件,而Fj?rtoft定理则是能量学与位涡动力学两种要求的协调,能量关系、瑞利—郭晓岚定理和Fj?rtoft定理三者均须满足,正压不稳定才有可能发生。     

暖性西南低涡生成的一种可能机制

本文根据非绝热、有摩擦情况下的热成风适应原理，探讨暖性西南低涡生成的机制，并对两次暖性西南涡过程进行分析。结果表明:暖性西南低涡生成前12小时，在低涡源地附近存在较大的正值非热成风涡度，地面感热加热和暖平流对于产生正值非热成风涡度有重要贡献。由于西南低涡在生成初期为一浅薄系统,υ值较大时，L＞L0的条件可以满足，适应的结果在低层形成暖性西南低涡。     

斜压性对地转动量Ekman流的影响—理论分析

本文研究了斜压效应对地转动量Ekman流的影响。利用两变量奇异摄动方法求得了边界层中风场及顶部垂直速度的前二级一致有效渐近解析解，解中明显地反映了斜压情形地转风随高度变化（即热成风）的影响，尤其是其中一级近似解完全由热成风影响所致。在边界层顶垂直速度的解中导出了三种由斜压效应引起的Ekman抽吸新物理因子，即热成风形变、热成内涡度及热成风涡度交叉项等抽吸因子。分析表明，这些因子只在具有水平温度梯度不均匀的系统（譬如锋区）中方能出现。文中还对锋区内上述三种抽吸因子的动力特征作了具体的分析，指出在锋区这 样的强斜压系统中，此三种抽吸因子的贡献是显著的。下一文中，我们将利用本文所得理论解对斜压效应进行具体的定量计算。     

梅雨暴雨系统中的θse暖盖

本文利用一个10层中尺度湿模式，对长江流域的一次梅雨暴雨进行数值模拟。结果如下:1. 梅雨暴雨系统中有θse暖盖存在，并在降水过程中维持加强。它与美国中西部强风暴暴雨系统中的干暖盖不同，是湿暖盖。2．降水多发生在暖盖北侧或东北侧、θse水平梯度大的地区，该地区还处于850—700百帕层的位势不稳定中心和强上升区重叠处附近。3．暖盖的作用除了可抑制其下层（边界层）位势不稳定能量的随时释放外，还起到增强其上层（对流层中低层）位势不稳定度的作用，因而暖盖在暴雨过程中提供了有利于深厚积云对流发生发展的热力环境条件。4．从对热成风涡度方程的讨论可知，暴雨多出现在暖盖上层的位势不稳定中心区和强上升区附近，是由于该处的位势不稳定度及其水平分布不均匀性和上升速度及其水平分布不均匀性的互相耦合，造成热成风不平衡，引起抽气式垂直环流的发生发展，并引起重力惯性波的不稳定之故，所以暖盖还对大气不平衡状态的发展起促进作用。 5．由暖盖的个别变化方程可知，暖盖生成的决定性因子是地转热成风（Vg/p）对水汽的平流和热成风不平衡（v’/ p）引起的θse平流。因此雨区南侧低空偏南湿急流的存在对雨区暖盖的增强极为有利。     

地面热源强迫对青藏高原低涡作用的动力学分析

将一类暖性青藏高原低涡考虑为受加热和摩擦强迫作用并满足热成风平衡的轴对称涡旋系统，给定符合高原地面加热特点的加热分布函数，通过求解简化后的柱坐标系中的涡旋模式，得到了低涡对应的流函数、水平流场、水平散度场和垂直运动场的解析解，分析了地面热源对高原低涡流场结构的作用，给出了高原低涡眼壁内、外侧以及不同高度上的水平流场、水平散度场和垂直流场的结构特征，对影响低涡生成的主要因子进行了讨论。研究结果揭示了地面热源强迫对高原低涡的形成及结构特征的重要作用。     

Evolution and Frontogenesis of an Imbalanced Flow —the Influence of Vapor Distribution and Orographic Forcing

1.InttoductionIftheinitialfieldsarenotingeostrophicbalance,theadjustmentandevolutionwilloccurinthestratifiedfluid,andthefrontogenesiswilloccurundersuitableconditions.ThisaspectwasfirstinvestigatedbyRossby(1938),followedbymanyscientists(Blumen,1972;Gill,1976,1982;VanHeijst,1985;BossandThompson,1985;On,1984,1986;McWilliams,1988;Middleton,1987;Glendening,1993;BlumenandWu,1995;WuandBlumen,1995;Grimshaw1998;Blumen,1998;etc.).Intheseresearches,theenergyconversionratioy=AEk/BE,isaninterestin…     

Evolution and Frontogenesis of an Imbalanced Flow —the Influence of Vapor Distribution and Orographic Forcing

If the initial fields are not in geostrophic balance, the adjustment and evolution will occur in the stratified fluid, and the frontogenesis will occur under suitable conditions. The evolution is studied here with a nonhydrostatic fully compressible meso-scale model (Advanced Regional Prediction System, ARPS). Four cases are designed and compared: (i) control experiment; (ii) with different initial temperature gradient; (iii) with vapor distribution; (iv) with orographic forcing. The results show that: (1) there is an inertial oscillation in the evolution of the imbalanced flow with the frequency of the local Coriolis f, and with its amplitude de-creasing with time. The stationary balanced state can only be approached as it cannot be reached in the limit duration of time, The energy conversion ratio varies in the range of [0, 1 / 3]; (2) the stronger initial tempera-ture gradient can make the final energy conversion ratio higher, and vice versa; (3) suitable vapor distribu-tion is favorable for the frontogenesis. It will bring forward the time of the frontogenesis, strengthen the in-tensity of the cold front, and influence the final energy conversion ratio; (4) the orographic forcing has an ev-idently strengthening effect on the frontogenesis. The strengthening effect on the frontogenesis and the influ-ence on the final energy conversion ratio depend on the relative location of the mountain to the cold front.     

Geostrophic adjustment and frontogenesis in a continuously stratified fluid

The structure of geostrophic flows that are formed from smooth initial unbalanced data with zero or uniform potential vorticity has been investigated in the work. Using methods of the theory of complex-variable functions, a class of exact analytical solutions describing these flows has been constructed. It has been shown that if the amplitude of a smooth initial disturbance exceeds the critical one, the final state will contain discontinuities of frontal type. A closed system of equations for discontinuity surfaces determination in the final states has been formulated. This system includes the Margules formula as a condition at the jump. It has been established that geometric configurations of discontinuity surfaces have an universal character, i.e. they do not depend on the details of initial distributions. To describe the nonstationary wave-processes of adjustment, a numerical hydrostatic model and a simplified analytical model based on the linearized dynamic equations in the Lagrange variables have been proposed. It has been shown that the establishment of discontinuious geostrophic flows has a clearly defined wave character with the alternations of smooth and multivalued phases. At the initial rather short interval, these phases are repeated with the inertial period, i.e. a nonstationary oscillatory front is formed.     

Some Effects Of An Ekman Boundary-Layer Parameterization On Various Models Of Atmospheric Flow

The traditional Ekman boundary-layer parameterization is introduced into the quasigeostrophic Eady baroclinic instability model and into the deformation flow model, to couple the planetary boundary layer with the inviscid interior flow aloft. An explicit time-dependent version of this parameterization is then introduced into an unbalanced zero potential vorticity model to evaluate the initial transient response. It is noted that the adaptation of the geostrophic flow to the same parameterization is different in each of the balanced models. The characteristic flow response reflects thedifferent constraints imposed by each model. Further, the zero potential vorticity condition constrains the evolution of the baroclinic geostrophic part of the flow, which leads to an unphysical flow response when the Ekman boundary-layer parameterization is employed with this unbalanced model. The barotropic part of the flow does, however, evolve in a physically consistent manner spinning down to reflect the introduction of low momentum air pumped into the interior from the boundary layer. Moreover, the transient spin-up processis shown to have an insignificant effect on this spin-down process.     

A numerical study of geostrophic adjustment and frontogenesis

ＡＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｔｕｄｙｏｆＧｅｏｓｔｒｏｐｈｉｃＡｄｊｕｓｔｍｅｎｔａｎｄＦｒｏｎｔｏｇｅｎｅｓｉｓＭａｊｉｄＭ．ＦａｒａｈａｎｉａｎｄＷｕＲｏｎｇｓｈｅｎｇ（伍荣生）ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＡｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃＳｃｉｅｎｃｅｓ,Ｎａｎｊｉ...     

旋转流地转适应过程与能量转换规律

利用一维线性浅水模式从一个比较普遍的角度对地转适应过程中能量转换的特点进行分析。中首先考虑了两类不同的初始不平衡流的适应问题。一个是Gill所采用的质量不平衡模型，即初始场是静止的，只有水面扰动；另一个是Rossby中所考虑的动量不平衡模型，其初始不平衡流中只有风场的扰动，对这两个模型的适应过程而言，一个显的 特点就是能量转换率始终不会大于1／2或小于0，即适应过程中有位（动）能的释放和向动（位）能的转换，但释放出的能量最多只有其中的一半可以保留在最后的平衡场中。另外，本对任意初始不平衡流适应过程中的能量学特征也进行了分析，指出对于偏差场（相对于一定基本态）的动能和位能而言，上述能量转换关系依然成立。     

THE INFLUENCE OF STRATIFICATION ON FRONTOGENESIS CAUSED BY GEOSTROPHIC ADJUSTMENT

A uniform,inviscid,incompressible fluid in a two-dimensional plane(x,z)is considered.Three principles:conservation of potential vorticity,conservation of absolute momentum,andconservation of mass are used for this study.If the initial mass field and the initial wind field donot satisfy geostrophic balance,then through geostrophic adjustment under suitable conditions,the frontogenesis will finally occur.Our work points out that the initial density distribution greatlyinfluences the frontal features.If the stratification in cold air is the same as that in warm air,twofrontogeneses will occur at top and bottom boundaries respectively.If the stratification in cold airis larger than that in warm air,the frontogenesis at the bottom boundary still exists,but the otherat the top boundary disappears.This result makes us further understand the mechanism of thefrontogenesis in the real atmosphere.     

THE ADJUSTMENT OF WIND TO EKMAN FLOW WITHIN THE PLANETARY BOUNDARY LAYER

By using simple barotropic boundary layer equations with constant eddy viscosity,the analytical solution is obtained under the initial condition that the distribution of wind for a given pressure is not the well-known Ekman flow.We have found that the wind will finally adjust to the Ekman flow at a rate faster than that of geostrophic adjustment.We have also found that the thinner the boundary layer,the faster the rate of adjustment.     

边界层动力学中的Ekman动量近似

自由大气中,大气运动的基本状态是地转风,近年来发展的地转动量近似,是为了进一步研究非均匀地转流的动力学问题,然而,在边界层大气中,运动的基本状态是经典的Ekman流,所以对边界层运动来说,地转动量近似是不合适的,需作一推广。本文提出了一种所谓Ekman动量近似,它相似于自由大气中的地转动量近似,并讨论了Ekman动量近似的物理基础,对边界层的风场结构及边界屋顶部的垂直速度也作了详细分析。     

四层模式热成风适应

本文用四层模式分析了热成风适应。在适应过程中将发生四种波速不同的惯性波来调节流场和温度场的关系。它们的前阵面的速度分别为306米/秒,114米/秒,36.2米/秒,19.2米/秒。层次愈高,快速惯性波的作用愈大;惯性外波在750毫巴以下才有它的重要性。 计算指出:大气中辐合辐散以及垂直运动在垂直方向上互相迭置的现象,是一定条件下热成风适应的结果。本文计算了各种情况的初始条件下温度场和气压场的相互调整。例如375毫巴上单纯非地转风的流场的反气旋涡旋,适应后可建立起对流层暖性、平流层是冷性的高压系统。将初始非热成风的暖温度中心,放在对流层下层和放在对流层中层适应后的结果将不一样。前者只能在对流层下层形成一浅薄的热低压,而后者可在对流层上层建立起一个强大的反气旋,甚至一直影响到平流层。最后,结合气旋发展时所产生的非热成风的特点,讨论了它们的适应。