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。     

湿大气方程组解的渐近性质

研究无穷维Ｈｉｌｂｅｒｔ空间中,湿大气运动系统解的长期行为,在导得了湿大气运动方程是Ｈｉｌｂｅｒｔ空间中一个非常特殊的算子方程之后,利用算子的性质讨论了全局吸收集和全局吸引子的存在性,揭示出系统解的渐近行为表现在吸引子的结构上及系统向非绝热加热的非线性适应过程。最后指出了几个简化方程组与原方程组在解的长期行为上的根本不同,从而给出长期天气或气候研究中简化方程组必须遵循的原则。     

大气中一类非线性方程的非线性波解及周期的近似计算法

大气中许多模式可化为Ｆ＇＇＝ＡＦ／Ｆ＋Ｂ（ＡＢ≠０）一类非线性常微分方程。利用常微分方程定性理论说明了该方程存在非线性波解，讨论了其周期的计算问题，并求得了波解及其周期的近似表达式。     

大气中的三维非线性惯性重力内波

本文从三维非线性大气动力学方程组出发,在“相路法”的基础上,利用线性变换法,将非线性的三维问题化为非线性的二维问题,把非线性项在方程平衡点附近按泰勒(Taylor)级数展开到三阶,并且求解了非线性二维方程组,从而得到了三维非线性惯性重力内波的显式解析解。分析指出:对于非线性项取二阶,其解是由余弦波和椭圆余弦波叠加而成的。对于三阶情况,三维非线性的惯性重力内波满足变形的考特威—德佛里斯(MKDV)方程,在一定的条件下,其解由两个孤立波叠加而成。另外,还求出一个准确的隐式解。文中还分别讨论了各种解的动力学性质。     

非线性波 波相互作用对准２０ａ气候年代际振荡的影响

从简单海气耦合相互作用的非线性方程组出发,导出描述大气和海洋运动的无量纲准地转涡度方程．对准地转涡度方程引入双时间尺度后,在准共振条件Ｋ１＋Ｋ２＋Ｋ３ ＝０和ω１ ＋ω２ ＋ω３ ＝Δω下,求得大气和海洋波－波非线性相互作用的２组耦合方程,其中大气耦合方程中含有海洋强迫作用项．由这２个耦合方程组求得大气和海洋波动能量变化周期的近似解．结果表明：在考虑非线性效应的情况下,由波动共振引起的大气和海洋波动能量变化在中纬地区具有准２０ａ的周期,说明非线性效应对海气耦合也具有调制作用,从而确定准２０ａ气候年代际振荡形成的新机理．     

水汽方程弱解的适定性研究及其在数值求解中的应用

利用Hilbert空间的Lions定理，对于在第一类边值问题，证明了水汽方程弱解的存在性和唯一性，并且利用弱解，指出了设计有限元方法的思路。     

学术交流

《天气数值预报中使用过去资料的问题》,原载《中国科学》1974年11月第6期,兰州大学气象专业丑纪范所作。文内提到从微分方程只是近似的描述了大气中的物理过程的观点出发,提出了在数值天气预报中使用历史资料来考虑场演变的时间连续性问题。通过将微分方程定解问题变为等价的泛函极值问题——变分问题的途径,推广了微分方程的解的概念,引进了新型“广义解”,其本质在于在一个扩大了的较原来微分方程所考虑的函数类要广泛的函数类中来寻找解答,从而使方程的解考虑了历史资料。作者利用希尔伯特空间的理论,     

一个半线性耦合抛物型方程组爆破解的速率估计

考虑一个方程和非线性边界条件耦合的半线性抛物型方程组,运用Scaling方法、Green函数、Schauder估计等方法,研究该方程组解的爆破速率,并给出非线性反应项和吸收项对爆破速率的影响。     

广义解析函数关于区域边界摄动的稳定性

讨论广义解析函数关于区域边界曲线摄动的稳定性,把它化为一类Fred-holm积分方程的解一致收敛性的问题,然后利用上述Fredholm积分方程预解核性质成功地解决了问题.     

大气非线性超长波

本文从非线性大气运动方程出发,根据常微分方程的稳定性理论,指出了非线性超长波存在的条件,求得了非线性波动解,它反映了大气非线性波动的特色。本文还对此进行了一些有意义的讨论。     

半地转近似下的混合Rossby－重力椭圆余弦波

在半地转近似［１］下，利用层结大气中的涡度方程、散度方程、连续方程和绝热方程结合行波解的方法得到了关于垂直速度的单一变量方程。这是与ＫｄＶ方程相应的非线性常微分方程，可得到椭圆余弦波或弧立波。此波动的频率有两种，表明层结大气中存在着两种性质不同的非线性波动。其一是东传的惯性重力椭圆余弦波，另一是混合Ｒｏｓｓｂｙ－重力椭圆余弦波，其性质介于Ｒｏｓｓｂｙ椭圆余弦波与西传的惯性重力椭圆余弦波之间。这两种非线性波的相速不但与波数和振幅有关，而且与β因子和静力稳定度有关，即纬度越低，则传播越慢；大气越稳定，则传播越快。     

用解析的垂直正规模展开对大气数值模式进行垂直积分

本文提出了一个用大气自由振荡解析的垂直正规模为正交函数系构成一个完备的Hilbert空间,利用广义Fourier展开的概念,在垂直方向进行广义Fourier展开,对大气数值模式进行垂直积分.我们利用两组垂直正规模为正交函数系.第一组是等温大气的垂直正规模;第二组是多元大气的垂直正规模,并用变系数的一维平流方程进行试验积分,将积分结果与差分法、有限元法、Legendre多项式展开的结果进行比较.比较的标准是它们与解析解的均方根误差和相关系数.     

一类奇异边值问题三解的存在性

利用Ｌｅｇｇｅｔｔ Ｗｉｌｌｉａｍｓ不动点定理,研究了一类含有ｐ Ｌａｐｌａｃｉａｎ算子的非线性奇异边值问题３个解的存在性,获得了这类方程存在３个解的充分条件．结果表明：如果非线性奇异项在其定义域内满足适当的条件,那么该问题必存在３个解．     

非线性温度方程求积的一个新方法

气压场短期天气予报现有的数值予报方法在大多数情况下归结于位势场(或流函数)局地变化(?).这种方程的一般形式可用公式(1),表示,其中L是仅仅作用于坐标的线性微分运算子.自然,它的解亦就是逆算子L~(-1),也只作用于坐标.本文提出另一个解方程(1)的方法.在关于位势(或流函数)的方程的左面,建立一个最大限度的算子(?),对这个算子可以找到逆算子的显式,而后用初始资料来求解问题.作为一般算子的扩充,可以加上考虑柯氏力随纬度变化的项;而这在研究大尺度大气过程时,是很重要的。首先考虑笛卡尔坐标中的正压模式情况,然后是球坐标中的一般斜压模式.最后,研究非线性涡度方程的精确解的例子.     

层结大气中重力惯性波的非线性周期解

本文在动量无辐散近似下的层结大气中,考虑密度空间分布的不均匀性引入非线性项,并假设解为行波形式,得到了一个二阶非线性系统。应用本系统不仅可以得到刘式适等(1984)所得到的一切结果,而且可以证明一次近似系统存在周期解时,非线性系统也存在周期解,且避免了应用级数展开时所带来的一些数学问题。文中还讨论了非线性系统的一系列近似解。     

纬向切变基流中的非线性正压Rossby波

在半地转近似下，用相角函数方法得到了包含纬向基流及其切变的非线性常微分方程。利用常微分方程解的拓扑性质的定性理论，直接得到该方程存在有限振幅的周期波解与孤立波解即非线性正压Ｒｏｓｓｂｙ波解存在的条件，由此分析了纬向切变基流对波解存在的影响。最后利用函数逼近法求得了非线性正压Ｒｏｓｓｂｙ波解的显式表达式。结果表明，纬向切变基流对波的影响不仅表现在波的存在方面，而且还表现在波的形态方面，反映了波的非线性特点和基流对波动的作用。     

大气运动方程组的算子特性及其应用

本文利用文献[1]提出的描述大气运动的算子理论,研究了绝热无摩擦线性化方程组的算子特性,并利用这些特性讨论了:1)初值问题解的唯一性问题;2)大气特征波动的普遍性质;3)检验了几种经典近似的合理性,在保证算子性质不变的前提下对非弹性近似和Bousinessq近似作了重新定义。最后指出采用算子理论描述大气运动的基本特征具有广泛的应用前景。     

天气预报和气候模拟的数值模式的计算问题(续)

五、数值积分方法 1.微分方程的类型流型的演变可以从某个t=t_0时刻的初始条件出发,通过将有关的预报方程对时间的积分来决定。因为这些微分方程是非线性的,不容易求出解析解,所以我们必须借助于数值方法。数值方法是随微分方程的类型而异的。微分方程有两种主要类型——常微分方程和偏微分方程。前者只含一个自变量及其全导数,后者有几个自变量和偏导数。大尺度预报方程的一些重要的数值问题包含在形式为     

双三次数值模式与理想Lamb波、龙卷扰动对比模拟分析

通过"双三次曲面拟合—时间步长积分—双三次曲面拟合……",实现成为一种双三次曲面拟合新算法数值模式。它对模式大气作非线性(空间二阶可导)描述,是用数值分析(三次样条/双三次曲面)与计算方法近似求解大气运动非线性偏微分方程组。用Z坐标系高分辨率双三次数值模式,采用原始大气运动方程组和采用欧拉时间积分方案,设置理想扰动,对大气声波Lamb波做数值模拟;采用大气不可压假定,除去声波,对大气重力波龙卷扰动做数值模拟。对比模拟发现:理想Lamb波以声速在水平方向传播,扰动能量频散快,仅能在原地持续数秒钟;理想龙卷扰动则在原地可持续约1 min,且波动内圈(外圈)自下至上始终处于风场辐合(辐散)状态,具冷心结构和气压驻波特征,可因水汽进入扰动与借助凝结潜热释放而得到发展。     

2n阶微分方程周期解的存在性

考虑微分方程u^（2a）＋△↓G（u）=M（u）解的存在性问题，运用同胚理论及不动点方法给出在M为有界全连续算子条件下此类方程解的存在性定理。