大气动力学新进展浅述

大气动力学是用物理学和数学方法定量研究大气现象的一门学科 ,它包括天气动力学和气候动力学 ,是大气科学中一门重要的基础理论学科。大气动力学的发展 ,不但受到观测系统状况的制约 ,而且受到数学、物理学发展水平的制约 ,并随着它们的发展而发展。目前 ,阻碍大气动力学发展主要有两方面的困难 :一是与非绝热加热和摩擦相联系的相互作用过程的复杂性 ;二是非线性的纯数学困难 ,因为除了摄动法解决弱非线性以外 ,非线性的微分方程一般根本不能得到解析解[1～ 2 ] 。1　大气动力学的发展历史1 75 5年瑞士物理学家兼数学家Ｅｕｌｅｒ写出了理…     

Ekman边界层动力学的理论研究

大气边界层及其与自由大气之间的相互作用具有明显的非线性特征,而这些特征是经典Ekman理论所不能描述的,因此,发展中等复杂程度(介于完全模式与经典Ekman模型之间)的大气边界层动力学模式,简称中间模式,对人们从理论上认识大气边界层动力学过程的非线性特征具有重要意义。本文对目前最具代表性的几个中间边界层模型:地转动量近似边界层模型、Ekman动量近似边界层模型以及弱非线性边界层模型进行了总结和分析,阐述了Ekman层主要动力学特征。通过分析上述各模型的理论框架,揭示了各模型的物理意义及其在描述Ekman边界层基本动力特征上的优点和局限性,并指出尽管在细节定量描述上有差异,但各中间模型对Ekman层动力学特征的定性描述具有很好的一致性。对于这些Ekman边界层近似理论模型的进一步应用问题,主要回顾和总结了利用上述模型探讨地形边界层结构、大气锋生过程、低层锋面结构和环流以及边界层日变化、低空急流形成等动力学问题的研究,并对这些研究所揭示的Ekman层动力学特征及其对自由大气低层运动的影响进行了分析,结果表明,这些Ekman边界层近似模型可以较好地揭示大气边界层动力学特征,在大气边界层动力学及其与自由大气相互作用的研究上具有重要价值。另外,还对目前Ekman边界层理论研究中存在的问题进行了一些分析,提出了有待进一步研究的科学问题。     

大气动力学方程组的定性理论及其应用

基于完整的湿大气动力学方程组,利用无穷维动力系统的新理论和新方法,系统讨论了强迫耗散的非线性大气系统的定性理论及其应用。将完整的强迫耗散非线性湿大气动力学方程组化为Hilbert空间中一个等价的算子方程,研究了算子的性质及其物理意义,在此基础上得到湿大气系统全局吸引子的存在性定理,揭示出系统向外源的非线性适应特征,并把结果推广到有地形动力作用和非定常外源强迫的情形。同时探讨了大气方程组惯性流形的存在,大气多平衡态产生的根源以及强迫、耗散和非线性对系统解的渐近行为的影响。在理论结果的基础上,提出强迫耗散的非线性动力系统中存在三类时间边界层、方程组简化准则、分解算法的算子约束原则以及支撑吸引子基底的少数自由度的构造方法,探讨了理论在非线性发展方程差分格式的设计和计算稳定性分析、多平衡态的数值分析、数值模式延伸预报的改进、短期气候预测以及一类中尺度系统分析与预测中的应用,指出描述长期过程动力学模式的必备条件,给出初值与模式相协调的合理解释。最后,对今后的研究方向作了展望。     

非线性大气动力学的进展

总结了自新中国成立以来中国科学院大气物理研究所在非线性大气动力学领域的进展,其中主要介绍了在非线性适应过程、非线性稳定与不稳定、全局分析理论、可预报性、低阶谱方法与多平衡态动力学、非线性波动、波流相互作用、阻塞高压非线性动力学、中小尺度非线性动力学等几个方面的研究成果及最新进展.     

新书架

非线性动力学数学方法谢应齐　曹　杰　　本书是为学习、研究非线性动力学的读者编写的一本基础性教材 ,内容涉及微分方程定性理论、稳定性理论及分岔、突变、混沌、分形及奇异摄动方法等数学理论与方法。本书既是理工类高等数学内容的深化与延伸 ,又是学习、研究新的科学领域的必需。大 32开本　定价 :2 5 0 0元大气臭氧变化及其气候生态效应郭世昌　　本书全面系统地介绍了大气臭氧的相关知识 ,共分三个部分。第一部分主要介绍了大气中臭氧产生及消亡的物理化学机制、臭氧的观测方法以及臭氧在全球大气中的垂直及水平分布规律。第二部分为…     

丑纪范

1934年7月23日出生，湖南省长沙人，汉族，中共党员。1956年毕业于北京大学；1981年2月到美国麻省理工学院进修和工作(访问学者)一年；1986年在兰州大学晋升为教授，1987年任兰州大学大气科学系主任，1990年任北京气象学院院长；1993年当选为中国科学院院士。历任中国气象学会理事、常务理事，国家自然科学基金委员会地球科学部学科评审组成员。30多年来，一直从事数值天气预报和数值模拟以及气候动力学研究和教学，重点研究长期数值天气预报的基础理论和方法以及有关的大气和海洋动力学，特别是非线性动力学问题。他早期将泛函分析引入数值…     

新书架

大气科学中的非线性与复杂性丑纪范本书围绕着天气和气候何以会永不重复地发展变化 ,呈现出剧烈的突变与相对的静止的问题 ,阐述人们对大气中非线性相互作用的认识过程和现有成就。介绍了大气科学中四种研究方法 :观测研究、动力学理论研究、实验室模拟和数值模拟的由来和发展 ,各自的长处和短处 ,彼此如何取长补短 ,相互配合的情况。从哲学的视角上讨论了天气和气候的可预报和不可预报问题 ,还讨论了非线性大气动力学的成就和面临的若干问题。大 3 2开本　定价 :1 8 0 0元中国沙尘气候图集王锦贵　任国玉沙尘暴是我国北方沙漠和沙地及其周…     

第二次全国动力气象学学术会议在穗召开

中国气象学会动力气象委员会于1988年11月20日—25日在广州中山大学召开第二次全国动力气象学术会议。到会代表近90人,会议共收到论文104篇,其中一批具有国际水平的研究成果,例如:关于30—50天大气低频振荡机制的动力学研究,关于ENSO活动及影响的分析和数值模拟研究,关于经圈环流在大气环流中重要作用的研究,关于强迫耗散KdV动力学和阻塞流型形成以及波流非线性相互作     

简单海气耦合模式大气运动方程的非线性对ENSO循环模拟的影响

研究简单海气耦合模式大气运动方程非线性对ENSO循环的影响,即讨论大气运动方程的纬向非线性、经向非线性、纬向和经向非线性对ENSO循环的影响。同时,讨论了ENSO循环对大气运动方程非线性的敏感性问题。数值实验证明,大气运动方程的非线性对ENSO循环的影响明显,并且ENSO循环对大气运动方程的非线性非常敏感。因此,研究简单海气耦合模式中大气运动方程的非线性对ENSO循环的影响,对进一步理解ENSO循环的物理机制,具有一定的理论意义和实用价值。     

简单海气耦合模式大气运动方程的非线性对ENSO循环模拟的影响

研究简单海气耦合模式大气运动方程非线性对ENSO循环的影响,即讨论大气运动方程的纬向非线性、经向非线性、纬向和经向非线性对ENSO循环的影响。同时,讨论了ENSO循环对大气运动方程非线性的敏感性问题。数值实验证明,大气运动方程的非线性对ENSO循环的影响明显,并且ENSO循环对大气运动方程的非线性非常敏感。因此,研究简单海气耦合模式中大气运动方程的非线性对ENSO循环的影响,对进一步理解ENSO循环的物理机制,具有一定的理论意义和实用价值。     

正压大气中尺度半平衡和准平衡动力学模式

应用描写正压大气运动的基本方程组，分析了中尺度大气运动的物理特征，指出非平衡强迫运动是引起中尺度重要天气演变的根本原因。中尺度动力学方程组是中尺度动力学理论研究的基础，因此，结合中尺度大气运动的基本特征，依据严格的尺度分析理论和摄动理论，简化基于流体力学和热力学的大气动力学方程组使之能够恰当地描述出中尺度运动的基本特征，对于中尺度动力学的发展是极为必要的。基于非线性平衡方程所得到的半平衡和准平衡动力学模式分别与半地转和准地转模式极为相似，它们可以较精确地描述中尺度大气运动的基本特征，因而，可作为中尺度动力学研究的理论基础。将准平衡动力学模式应用于中尺度涡旋系统的研究，结论表明中尺度平衡涡旋系统主要是受梯度风控制，其流场和气压场的发展演变则由一个演化方程来描写，获得了较为理想的结果。     

地球流体力学的研究与进展

简要介绍中国科学院大气物理研究所七十多年来在理论与计算地球流体力学方面的若干研究及其新的进展.在理论地球流体力学方面,介绍了长波动力学及线性稳定性问题、弱非线性理论及行星波动力学以及用Arnold方法(能量-Casimir方法)研究大气和海洋中各种流体运动的非线性稳定性问题的成果.此外,对扰动演变、扰动和基流相互作用及热带大气动力学中的第二类不稳定条件(CISK)也作了简要的介绍.在计算地球流体力学方面,主要内容包括:用物理观点和数学分析相结合的方法阐述了造成计算紊乱和计算不稳定的机理,论证计算稳定性、算     

弱频散条件下大气运动的非线性演变过程

研究非线性过程对大气运动影响的一个常用方法是在一定条件下,将大气运动力学方程化为一些熟知的典型非线性演变方程,再利用数学中已有的结果进行讨论。Long、Redekopp等从地转涡度方程出发,证明了迭加在带状切变气流中的长的Rossby波的演变可以用著名的Kdv方程来描述。此     

泊松方程分解解法迭代参数的一种选择

在大气动力学的研究过程中,常用位涡度方程讨论大尺度天气过程的动力学特征,一般可把位涡度写成~2φ λ~(-2)φ=ω(其中φ表示流函数)。因此求位涡方程数值解的过程中,除了要解决所谓“非线性”问题之外,还要考虑椭圆型方程的数值方法。李荣凤等说     

大气污染物浓度变化的非线性特征分析

研究了大气污染物浓度变化的非线性动力学特征,首次详细考察了污染物浓度时间序列的谱分布、结构函数、自相关函数、时间变化曲线的分数维、相空间中吸引子的关联维及最大Lyapunov指数.此外,当前在国际上得到广泛应用的小波分析方法也能对揭示污染物浓度变化的非线性特征提供很好的帮助.     

天气尺度系统稳定性结构、相路特征的分岔及热源时间振荡影响问题的探讨

本文研究了有关天气系统突变的非线性因子的影响效应,指出环境大尺度基本流场的平流输送及不同尺度系统的能量转换可能对天气尺度系统异变起了重要作用;由大气扰动偏离与趋于平衡态的过程,看出扰动发展与衰减的速率与平流输送、不同尺度能量转换的非线性作用有关,还研究了扰动稳定性结构与相路特征的分岔问题和热源对扰动解的影响效应,揭示出热源时间振荡与大气扰动存在着非线性的相关,可能导致扰动的突变。     

气候大气和海洋的临界时间跨度与非线性作用结构

研究了气候海洋与大气的临界时间跨度及其非线性作用的大致结构。与预报的空间分辩率及系统的非线性强度相联系，气候大气和海洋的临界时间跨度可反映系统可预报的相对时间尺度。对于具有同样空间特征尺度的大气和海洋，海洋的最小临界时间跨度约是大气的9倍（可达数日至数十日）。一般（外源变化缓慢的）气候海洋与大气的一阶非线性越强，其临界时间跨度越小。气候海洋与大气非线性作用的大致结构是：通常与科里奥利力对流体运动的规范作用（如地转运动）有关，非线性作用随纬度增加而减弱。距平流场的切变结构及其沿经向与纬向上强度的比较直接改变气候大气和海洋的非线性作用（比如，向东的距平环流强度与经向环流强度相当时，非线性作用最强），较强的外部驱动（风应力和压弹梯度力）使非线性作用加大等等。     

湿空气动热力学理论及应用研究进展

回顾了湿空气热动力学的研究进展,对未饱和湿大气、饱和湿大气及非均匀饱和湿大气的动热力方程、能量方程、连续方程等进行了梳理,指出饱和湿空气动量方程与非均匀饱和湿空气动量方程的最大区别在于对凝结过程的处理不同。饱和湿大气中,由于大气均是饱和的,由饱和造成的水凝物可处处出现,不能区分真正发生水汽凝结的区域。而非均匀饱和湿空气中,凝结发生与相对湿度的幂次方有关(即与凝结概率函数的分布有关),在相对湿度较小的区域不会出现水汽凝结,凝结区与非凝结区可自动区别,其描述的凝结过程与实际大气更接近。同时,总结了湿大气水汽凝结饱和非均匀分布的动热力物理量在高影响天气分析中的应用,最后讨论了未来推进湿空气动力学研究需重点考虑的一个内容。     

第十三讲 热带大气动力学基础

在第一讲里已指出,热带大气动力学的研究是一项极为重要的课题。这不仅因为热带大气的运动与中高纬度地区的大气运动相比有着许多不同的特点,而且在所谓的大气“热机”中,驱动大气热机的太阳辐射能大部分为热带地区的地球大气所吸收,以后通过大气运动才由热带将能量输送给中高纬度地区,因而热带是大气热量、动量和水汽的源。因此,热带大气动力学的研究对揭露全球大气运动的规律也有重要的意义。热带大气动力学的内容极其广泛,这里只能就其基本部分作简单介绍。     

大气环流的多平衡态和阻塞流型的形成

门从七十年代末 Charney 和 Devore 提出大气环流多平衡态的概念以来,大气环流的多平衡态及其转换、周期态的形成、流型的振荡、分支与突变等问题已取得了不少结果,这是大气动力学的一个新进展,正在引起人们的日益关注。我们之所以注意上述非线性长期动力学研究的进展,是因为这些研究具有一定的应用潜力。回顾以往分析长期天气过程的历史,可以看出理论研究的重大应用价值。在六十年代末,清晰地提出了著名的观点,即长期天气过程的本质属性在于它的非绝热性。这个观点本来是从理论角度提出来