β中尺度扰动的不稳定结构

计算分析了不同的环境场下,三种类型β中尺度扰动的不稳定结构,结果表明β中尺度对称不稳定的结构与α中尺度扰动不同,随水平尺度的减小,不稳定重力惯性波的垂直波数增大;斜交型扰动与横波型扰动不稳定的结构相似的,在Ri较小时,其流函数的垂直结构表现为"猫眼"流型,在Ri较大时,其流函数的垂直结构表现为不规则的波动流型,这说明在β中尺度范围内,这两种不稳定也是同源的.     

里查森数对α中尺度涡旋波不稳定的影响

作者讨论了里查森数对α中尺度涡旋波不稳定的影响.结果表明:α中尺度涡旋波的失稳与里查森数有很大关系;当里查森数不太大时,才存在α中尺度涡旋波的不稳定;里查森数越小,越容易出现斜交型不稳定,且斜交型不稳定扰动的波长越短.此时在α中尺度波段以斜交型不稳定占优;在弱稳定层结下,更有利于出现α中尺度涡旋波的不稳定,而大的风切变仅有利于该不稳定增长率的增大.     

垂直切变基流中非地转涡旋波的不稳定

利用Boussinesq方程研究了扰动传播方向与垂直切变基流有一夹角时的不稳定问 题，即斜交型不稳定问题。当Richardson数不大时，在α中尺度波段其增长率最大，此时该斜交型不稳定的性质既不同于重力惯性波的对称不稳定，也与Rossby波的斜压不稳定有差异，而是非地转涡旋波的不稳定。     

线性和非线性横波型不稳定的数值研究

本文应用一个准二维的非线性非静力数值模式研究了线性和非线性横波型不稳定的中尺度模态的发展、演变和结构特征。结果表明：Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ数对横波型不稳定的发展和演变有影响。Ｒｉ数越小,不稳定增长越快,且增长率最大的波的波长就越短。非线性横波型不稳定在其发展初期,可以用线性理论作很好的近似;随着不稳定的进一步发展,扰动增强,非线性作用增强,其扰动结构与线性情况相比发生了很大变化,扰动结构最后演变成以顺时针环流为主的结构。     

中尺度对称不稳定和横波不稳定的波动性质

使用纬向线性以及非线性切变基流下中尺度扰动的Boussinesq近似方程组，讨论了两种典型的中尺度扰动发生对称不稳定或者横波不稳定时，其不稳定的一些特征以及扰动的波动性质。研究结果表明：（1）对于扰动的等位相面平行于基本气流方向的对称性扰动来说，对称不稳定的波动实质是沿着与基本气流方向相垂直的方向传播的重力惯性内波的不稳定。基流二次切变对于中尺度对称扰动来说是一个不稳定因子，并且驱动不稳定的中尺度对称扰动在南北方向传播；（2）对于扰动的等位相面垂直于基本气流方向的横波性扰动来说，在基本气流为常数或者只具有线性切变的情况下，此时根本不存在涡旋Rossby波，横波不稳定的波动实质则是沿着基本气流方向双向传播的重力惯性内波的不稳定。如果考虑基本流场的风速存在二次切变或者非线性切变时，此时就会产生一支新的波动（涡旋Rossby波），涡旋Rossby波相对于基本气流^-U0是单向传播的，涡旋Rossby波产生的物理根源是基本流场的风速^-U二次切变（β＊=^-Uzz≠0），此时横波型不稳定可能是混合的涡旋Rossby——重力波的不稳定。实际大气中，涡旋Rossby波对于中够尺度对流云核、暴雨团等天气系统的发生、发展和演变的物理机制具有极其重要的意义。     

三层模式中的对称不稳定

用三层模式研究了对称不稳定。结果表明，当气层的厚度（扰动的垂直尺度）与扰动的水平尺度达到最佳配合时，有最大的对称不稳定增长率。而Ri数越小，出现最不稳定时所要求的气层厚度与扰动的水平尺度的比就越大。     

圆形涡旋大气中的横波不稳定

讨论涡旋大气中,存在沿切向基流传播的横波型扰动,并采用数值方法讨论了柱坐标系下圆形涡旋系统斜压气流中这类扰动的不稳定,这是一类中尺度的重力惯性波的不稳定.研究了涡旋环境大气的层结稳定度参数N2、切向风垂直切变Vz、凝结潜热、涡旋特性及科里奥利参数f0对不稳定增长率的影响.圆形涡旋中同样存在横波不稳定的Eady模态和中尺度模态,得到了中尺度模态的扰动场分布特征:流场的不规则"猫眼"结构及慢速传播的扰动均集中在低层,而快速传播的扰动均集中在高层的扰动特征.     

中尺度扰动不稳定的数值研究

利用一个二维Boussinesq流体的绝热无粘非静力数值模式,将中尺度不稳定问题作为一个初值问题进行数值研究.线性情况下数值试验的结果基本与采用特征值方法研究得到的结论一致.非线性情况的数值试验表明,其不稳定发生的范围可与线性情况不一致;非线性不稳定的增长率一般较线性不稳定的增长率要小;非线性作用会造成波型的陡凸,从而造成流函数正负环流的不对称和环流流线的密集;非线性情形下的流型有些与强对流系统的流型相像.     

应用里查逊数判别中尺度波动的不稳定

本文采用非地转Eady模式通过摄动展开,讨论了由于低空强风切变导致的里查逊数Ri的减小与对称斜压不稳定的关系.证明了对中尺度扰动,在Ri<5.2的情况下,就会发生对称斜压不稳定.     

β中尺度暴雨系统发生发展的一种可能物理机制I. 涡旋Rossby波的相速度

使用纬向基流下横波型扰动的Boussinesq近似方程组, 分析了这种沿着基本气流方向传播的中尺度扰动发生不稳定时, 大尺度背景流场在垂直方向上的各种分布特征.在大气层结比较稳定的情况下, 如果基本气流在低层和高层较大(有可能存在低空急流和高空急流), 此时产生的β中尺度不稳定扰动相对于基流向东传播, 甚至于快速向东传播.基本气流在垂直方向上的风速切变对于中尺度横波型的扰动起着不稳定的作用.如果考虑基流的二次切变, 可以得到涡旋Rossby波的相速度表达式, 涡旋Rossby波相对于基本气流是单向传播的.涡旋Rossby波产生的物理根源是基本流场的风速二次切变, 亦即基本流场y方向的平均涡度在空间z方向上的不均匀所致.涡旋Rossby波的相速度与纬向波数也有关, 它的能量是频散的, 其在纬向x方向也存在群速度.在基本流场的风速存在二次切变时, 横波型不稳定可能是混合的涡旋Rossby重力波的不稳定; 而在基本流场的风速仅仅存在线性切变, 不存在二次切变时, 横波型扰动的不稳定则是重力惯性波的不稳定.     

非纬向非平行基流中的对称不稳定

文中讨论了非纬向非平行基流中的对称不稳定,得到了新的非纬向基流下对称不稳定的判据条件。在存在横向切变时,无旋层结流体中扰动的不稳定条件为Ｒｉ＜１４ｓｉｎ２（β－α）;而在有旋层结流体中,弱的横向切变在取一级近似时并不能改变对称不稳定的增长率,但扰动必定传播,传播方向是顺切变方向,波长越短,传播速度越快。     

凝结加热条件下垂直切变基本流中的混合波不稳定研究

在实际大气中凝结加热对中尺度系统的发展起着重要作用,通过数值计算方法研究了扰动的波谱和谱函数,重点讨论在凝结加热条件下扰动不稳定的性质及特征。研究结果表明:考虑凝结加热时,在相同垂直切变条件下,随着波长的减小,不稳定增长率增大,即加热放宽了不稳定出现的条件,且尺度越小的扰动,对不稳定的条件要求越低。当Nse2 <0时,在大尺度和中α尺度波段,风切变有利于不稳定的发展,由风切变造成的动力学不稳定是主要的,而凝结加热造成的热力学不稳定处于次要地位;而在中β尺度波段,风切变则抑制不稳定发展,此时凝结加热造成的热力学不稳定处于主要地位。      

非绝热二维滞弹性流体的动力稳定性

采用滞弹性近似下的二维滞流体动力学方程组，讨论了中尺度对称扰动的动力稳定性，得到其绝热情况下对称不稳定的判据条件。研究结果表明，相对于浅对流的情况而言，深对流情况下对称不稳定的条件更为苛刻一些。在考虑非绝热加热时，扰动增长率随其波长的变化会产生间断现象，中低层加热明显对中－β尺度扰动具有激发增长的作用，并且促使扰动向暖区传播，而中高层加热则具有一定的差异性。     

WAVE-CISK对称不稳定谱点分布的半圆定理

采用滞弹性近似研究了WAVE-CISK下对称性扰动的谱点分布,得到了WAVE-CISK下对称不稳定扰动谱点分布的半圆定理,用其可估计该对称不稳定增长率的上界.发现存在WAVE-CISK时加热反馈和层结参数对该不稳定的增长率均有重要影响.WAVE-CISK加热反馈越强、基流的垂直切变越大,扰动的垂直结构越简单则该不稳定增长率的上界就越大.存在WAVE-CISK时滞弹性近似下的对称不稳定发生的条件也较Boussinesq近似下的更苛刻.     

两种类型中尺度涡旋Rossby波的相速度及其物理机制

本文使用正压浅水方程组以及纬向切变基流下二维中尺度横波型扰动的Bouss-inesq近似方程组,分析了这种沿着基本气流方向传播的中尺度扰动的波动传播物理过程。研究结果表明,中尺度涡旋Rossby波划分为两种类型。由于纬向基本气流的方向的二阶水平切变或者基本气流的垂直涡度在南北方向的变化(β*因子)所导致的涡旋Rossby波称之为第一类涡旋Rossby波(正压涡旋Rossby波),它产生的根本原因是β*因子的作用。这种第一类涡旋Rossby波相对于基本气流-U0是单向传播的,其传播方向则与β*因子的正负符号有关。基本气流在垂直方向上的风速切变对于中尺度横波型的扰动起着不稳定的作用。如果考虑基流的二次垂直切变时,可以得到第二类涡旋Rossby波(斜压涡旋Rossby波)的相速度表达式,第二类涡旋Rossby波产生的物理根源是基本流场的风速-U的二次垂直切变或者基本流场y方向的平均涡度在空间z方向上的不均匀性(亦即β**因子)。第二类涡旋Rossby波相对于基本气流-U0也是单向传播的,其相速度与纬向波数k有关,能量是频散的,在纬向x方向存在群速度。在基本流场的风速-U存在二次垂直切变时,横波型不稳定可能是混合的涡旋Rossby-重力波的不稳定;而当基本流场的风速-U仅仅存在线性切变,不存在二次垂直切变时,此时根本不存在涡旋Rossby波,横波型扰动的不稳定则仅仅是重力惯性波的不稳定。最后利用横波型扰动的总涡度守恒方程对第二类涡旋Rossby波形成的物理机制做出了解释。     

广义非线性亚临界湿对称不稳定

从含摩擦耗散与凝结潜热的f平面Boussinesq近似下的非线性扰动方程组出发,得到了湿空气中的广义能量方程,推导出非线性亚临界湿对称不稳定的必要条件,并将不稳定判据与干空气情况相比较,首先解析地分析得到凝结加热反馈机制对亚临界对称不稳定的影响。其次针对中尺度大气层结不稳定和稳定的情况,分别计算出初始扰动振幅的临界值,结果表明,相对干空气而言,饱和湿空气情况下,当中尺度大气层结不稳定时,亚临界对称不稳定更容易发生,即使中尺度大气层结稳定,亚临界对称不稳定也容易发生。这一结果改进了干空气下的非线性亚临界对称不稳定理论。     

非保守系统中的对称不稳定I弱粘性的强迫作用

对非保守系统中的对称不稳定问题进行了深入的研究,第一部分讨论弱粘性的强迫作用。研究结果表明,在取一级近似时,弱粘性的首要作用是衰减波长较长的波,对波长较短扰动的衰减作用要小一些。在Ｐｒ～Ｏ（１）的条件下,波动的衰减率σ１对Ｐｒａｎｄｔｌ数的依赖性较小。在取二级近似时,弱粘性的主要作用则是衰减短波。因此,在中尺度对称不稳定中,粘性的作用主要是衰减长波及短波,从而确保发展的扰动具有中尺度量级。     

非保守系统中的对称不稳定 I. 弱粘性的强迫作用

对非保守系统中的对称不稳定问题进行了深入的研究,第一部分讨论弱粘性的强迫作用。研究结果表明,在取一级近似时,弱粘性的首要作用是衰减波长较长的波,对波长较短扰动的衰减作用要小一些。在Pr～O(1)的条件下,波动的衰减率σ1对Prandtl数的依赖性较小。在取二级近似时,弱粘性的主要作用则是衰减短波。因此,在中尺度对称不稳定中,粘性的作用主要是衰减长波及短波,从而确保发展的扰动具有中尺度量级。     

二维横波不稳定性的数值研究

应用线性非静力数值模式,对中－α尺度中线性和非线性横波不稳定的结构演变进行了数值模拟理想试验。结果表明：在线性非线性横波不稳定在其发展初期,都有“猫眼”流型出现;随着不稳定的进一步发展,非线性作用增强,其扰动结构不同于线性情况,流函数的扰动最后演变为以负环流为主的结构。     

斜交型不稳定谱点分布侧半圆定理及其增长率上界的估计

本对斜交型扰动不稳定谱点的分布做了理论分析，得到了该谱点分布的半圆定理一该谱点分布在复一面上以原点为圆心以R0为半径的上半平面上，同时还对该不稳定增长率的上界作了估计。发现水平永度越小，模式顶越高则该估计值越大；垂直风切变的增大和纬度的增高对该增长率的增大有正贡献；当层结稳定度减小时，最大增长率随相对最大增长率得增大而减小。