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.     

中尺度斜交不稳定的波动性质及其数值模拟

使用三维中小尺度扰动动力学方程组,讨论了一类与基本气流方向成任意夹角的纬向线状扰动的斜交不稳定问题,其主要分析结论如下:(1)在基本气流的切变为线性切变的情况下,可以发生斜交不稳定。但是发生斜交不稳定必须要求沿着线状扰动方向的基本气流存在切变或者垂直于线状扰动方向的基本气流存在切变。此时,斜交不稳定的波动性质是重力惯性内波,而不存在涡旋Rossby波。(2)对于基本气流具有非线性二阶切变的情形,此时斜交型不稳定中的扰动除了包含重力惯性内波之外,还包含了涡旋Rossby波。对于本文所讨论的纬向线状扰动来说,涡旋Rossby波产生的物理根源是基本流场的经向风速V二次切变(β*=Vzz≠0),该涡旋Rossby波相对于基本气流V0是单向传播的。在中尺度斜交不稳定中,涡旋Rossby波的产生主要是由于在与线状扰动相垂直的方向上存在基本气流的二阶切变,而与线状扰动相平行的方向上基本气流是否存在二阶切变无关。(3)对于通常讨论的纬向线状扰动的情况,在基本流场的南北风速V存在二次切变(β*=Vzz≠0)时,即与线状扰动相垂直的方向上存在基本气流的二阶切变,则斜交不稳定有可能是混合的涡旋Rossby—重力惯性内波的不稳定。最后采用WRF模式,对2006年6月的一次福建闽江暴雨过程进行了数值模拟,部分验证了上述结论。通过分析6月6日13时降水区域平均的东西方向风速U随高度变化的曲线,发现在950—100 hPa的大气中,纬向风速U随高度的变化具有二次切变,在对流层低层以及高层附近纬向风速较小,而在对流层中层400 hPa附近的纬向风速则较大。在这种情况下,平均纬向风速随高度变化的二阶导数不为零,因此激发产生沿着纬向传播的涡旋Rossby波,这对于暴雨区域中β中尺度雨团的移动起到比较重要的作用。再分析6月5日23时和6月6日13时的850 hPa以及500hPa降水区域平均纬向风随南北方向的变化,发现在6月5日23时和6月6日13时的850 hPa层次上,都显示出平均纬向风速在南北方向具有二次切变;而在这两个时次的500 hPa层次上,平均纬向风速在南北方向不具有二次切变,只具有线性切变。说明在垂直方向上,对流层低层涡旋Rossby波容易被激发产生;而在对流层中层以上,由于不具备产生涡旋Rossby波的条件,因此不容易激发产生涡旋Rossby波,波动只是具有重力惯性内波的特征。     

β中尺度扰动的不稳定增长率分布

本文采用线性化、无粘、绝热的 Boussinesq方程组 ,研究了 β中尺度波段的不稳定问题 ,讨论在不同理逊数下扰动的稳定性增长率分布。在不同的 Ri下 ,不稳定的出现对波长有选择性 ,在小 Ri 时 ,即 Ri<0 .95 ,β中尺度波段存在对称不稳定 ,Ri 数越小 ,对称不稳定的增长率越大 ,此外还存在横波型扰动的不稳定和斜交型扰动的不稳定。当 Ri 数增大时 ,Ri>1时对称不稳定已不存在 ,但其余两类不稳定仍存在 ,且在 β中尺度波段中较大尺度的扰动以横波型扰动的不稳定占优 ,而较小尺度的扰动以斜交型扰动的不稳定占优。     

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.     

非线性垂直切变基流中横波型扰动的不稳定

通过数值计算扰动的波谱和谱函数,对垂直非线性切变基流中横波型扰动的不稳定作了数值研究,给出了不稳定谱函数的结构,讨论了不稳定的性质。主要结论有:在基流为非线性垂直切变时,对三支波动连续谱区互不重叠的天气尺度情况,此时出现的不稳定扰动其性质是准地转涡旋波的不稳定,即Rossby波的斜压不稳定。在中α尺度中高端,虽有涡旋波和重力惯性波连续谱区的部分重叠,但这时不稳定的性质仍是涡旋波的不稳定,即准平衡的斜压不稳定。在中α尺度低端,既有准平衡涡旋波的不稳定,又有非平衡的涡旋-重力惯性混合波的不稳定(第一类混合波不稳定)。中β尺度不稳定的性质则是非平衡的涡旋-重力惯性混合波的不稳定,包括第一类混合波不稳定和第二类混合波不稳定。上述情况与线性垂直切变基流的结论相一致,但这里因基流垂直分布较复杂,垂直方向会出现散涡比以1为界的多段交替分布。综上,对于横波型扰动,只要基流不是常数,且层结稳定,虽此时存在纯重力惯性波连续谱区,但均无纯重力惯性波的不稳定,只有涡旋-重力惯性混合波的不稳定。     

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。     

垂直切变基流中的非平衡不稳定

采用计算横波型扰动波谱和谱函数的方法,研究了当基本气流具有垂直线性切变、层结参数为常值时横波型扰动的不稳定,给出了不稳定扰动的结构,讨论了不稳定的性质。发现：对于三支波动连续谱区互不重叠的天气尺度情况,若此时出现不稳定扰动,其性质属于纯涡旋波的准地转不稳定,与Eady模态类似,是Rossby波的斜压不稳定;在中 尺度中高端,其不稳定性质仍是纯涡旋波的不稳定,即准平衡的斜压不稳定;在中 尺度低端则出现了第一类混合波的非平衡不稳定,包括涡旋-逆传重力惯性混合波的不稳定和涡旋-顺传重力惯性混合波的不稳定,前者低层体现了涡旋波的特点,高层体现了重力惯性波的特点,后者反之;在中 尺度波段,若存在不稳定则均为非平衡的涡旋-重力惯性混合波不稳定,其包括第一类和第二类混合波的不稳定,后者低层体现重力惯性波的特点,中层体现涡旋波的特点,高层则又体现了重力惯性波的特点。     

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.     

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。     

东亚夏季对流云顶黑体辐射温度的频率分布及其日变化

利用简单海气耦合模式，分析了经向风应力和纬向风应力对热带太平洋不稳定海气耦合模态的相对贡献。结果表明：在局地热力平衡假设下，海气相互作用导致了海洋Kelvin波的不稳定，该不稳定模态发生在一定波长范围内，只有纬向风应力对其作出贡献；在海温仅由平流过程决定的假设下，海气相互作用导致了海洋Rossby波的不稳定，该不稳定模态在整个波长范围内都有发生，波长越大，不稳定越强，经向风应力与纬向风应力都可以对海洋Rossby波的不稳定作出贡献，但是前者贡献较小；不稳定Rossby波比不稳定Kelvin波的增长率要小；由于无论哪一种不稳定模态，都是纬向风应力在海气耦合中起着绝对的主导作用，所以在研究热带太平洋海气耦合动力学对ENS0不稳定发展的贡献时，采用忽略经向风应力作用的近似是合理可行的。     

北京地区一次强对流大暴雨的环境条件及动力触发机制分析

通过对1998年6月29日北京地区发生在天气尺度脊中的强对流大暴雨过程分析, 得出该过程是由中层的高压脊和低层的辐合系统、近地面的冷空气之间的相互作用形成了具有聚能机制的中低空经向环流圈, 维持了暴雨区中低空的上升运动, 形成了近地面的动力锋生, 使中低层的潜在不稳定加剧.而对流层高层短波扰动的正涡度平流通过非地转平衡过程, 引发中高层产生的上升运动, 触发了潜在不稳定的释放.该短波扰动与风场的波动不相匹配, 其位相传播特征与重力波相似.     

Properties and Stability of a Meso-Scale Line-Form Disturbance

By using the 3D dynamic equations for small- and meso-scale disturbances, an investigation is performed on the heterotropic instability (including symmetric instability and traversal-type instability) of a zonal line-like disturbance moving at any angle with respect to basic flow, arriving at the following results: (1) with linear shear available, the heterotropic instability of the disturbance will occur only when flow shearing happens in the direction of the line-like disturbance movement or in the direction perpendicular to the disturbance movement, with the heterotropic instability showing the instability of the internal inertial gravity wave; (2) in the presence of second-order non-linear shear, the disturbance of the heterotropic instability includes internal inertial gravity and vortex Rossby waves. For the zonal line-form disturbance under study, the vortex Rossby wave has its source in the second-order shear of meridional basic wind speed in the flow and propagates unidirectionally with respect to the meridional basic flow. As a mesoscale heterotropic instable disturbance, the vortex Rossby wave has its origin from the second shear of the flow in the direction perpendicular to the line-form disturbance and is independent of the condition in the direction parallel to the flow; (3) for general zonal line-like disturbances, if the second-order shear happens in the meridional wind speed, i.e., the second shear of the flow in the direction perpendicular to the line-form disturbance, then the heterotropic instability of the disturbance is likely to be the instability of a mixed Rossby–internal inertial gravity wave; (4) the symmetric instability is actually the instability of the internal inertial gravity wave. The second-order shear in the flow represents an instable factor for a symmetric-type disturbance; (5) the instability of a traversal-type disturbance is the instability of the internal inertial gravity wave when the basic flow is constant or only linearly sheared. With a second or nonlinear vertical shear of the basic flow taken into account, the instability of a traversal-type disturbance may be the instability of a mixed vortex Rossby – gravity wave.     

ENERGY DISPERSION EFFECTS ON EXPLOSIVE DEVELOPMENT OF MARINE CYCLONES

A dominant role played by energy dispersion in the explosive development of extratropicalmarine cyclones over the Northwest Pacific has been revealed based on both the eddy energyequations and the energy flux vectors of nonlinear wave packet.At the initial and explosive time.the eddy energy from neighboring upstream systems beyond the radius of Rossby deformation isdispersed into the eddy energy center associated with the cyclone via ageostrophic geopotentialfluxes,and results in the rapid increase of eddy kinetic energy and the occurrence of explosivecyclogenesis.When the cyclone begins to decay,its corresponding eddy energy is exporteddownstream and hence triggers the growth of new perturbation downstream.Through generalizingthe energy flux vectors of quasigeostrophic wave packets to the nonlinear forms and making use ofthe relationship between the energy flux vectors and the total eddy energy,the approximationexpressions of the total group velocity and relative group velocity are derived,and then they areused to compute an explosive case.The normalized ageostrophic geopotential fluxes by dividing thevolume integral of ageostrophic geopotential fluxes by the integral of the total eddy energydetermine the relative group velocity at which the eddy energy is spreading out,and they can beused to evaluate the position of next new disturbance.The nonlinear advective fluxes influenceprimarily the phase speed and translation of the cyclones.The results in this paper facilitate toexpanding the mechanism research on explosive cyclones and have great significance for predictingthe explosive intensification and downstream disturbance growth.     

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.     

非热成风平衡基流的对称不稳定

采用适合于中尺度研究的ｆ平面、非静力平衡、滤声波模式，运用解析方法研究了具有非热成风梯度存在的高空急流入口区右侧及低空急流入口区左侧的对称不稳定性问题。求出了扰动流函数解析表达式，从而定性地分析了由于非热成风梯度的存在，中尺度扰动波结构以及波振幅空间分布特征。所得理论结果可以解释在平行型高低空急流入口区间产生强暴雨的原因。     

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     

中层大气重力波的一种激发机制及其数值模拟 I. 非地转不稳定和波结构

本文用FGGE资料分析了1979年2月—3月一次爆发性增温期间平流层环流的不稳定性，从而说明在平流层爆发性增温期间伴随产生大振幅重力波活动的原因。分析结果表明:在平流层爆发性增温期间，大气中存在着很强的并且是系统性的非地转运动，从而产生非地转不稳定。强烈的地转偏差的存在激发出大振幅重力波。我们还应用一个线性化扰动方程求得了非地转不稳定判据；并且用数值方法分析了这次爆发性增温期间基流的特征谱点和不稳定波结构。计算结果表明基流满足非地转不稳定条件，具有快波性质的波动出现了不稳定。     

The Mid-latitudinal influence on the formation of the monsoon gyre in August 1991

This study investigates the formation of the monsoon gyre (MG) in August 1991. The results suggest the mid-latitudinal processes play an important role in the formation of the MG. The repeating upper-tropospheric Rossby wave breaking events took place in the exit region of mid-latitude jet during the period of interest. The wave energy dispersed southeastward and downward from the jet exit region, exciting a low-level subtropical low. Furthermore, the Rossby wave breaking induced salient ageostrophic forcing by disturbing the upper-level PV fields. The Q-vector analysis shows that the ageostrophic motion forced by the upper PV streamer favors the early development of the subtropical low. Thereafter, this system moved southwestward, and interacted with the tropical monsoon flows to induce a strong convective band to the southern and southeastern periphery. The enhanced convective heating further strengthened the cyclonic low through the Gill-type response. Furthermore, the asymmetric water vapor transport induced asymmetric convective structure. This pattern suppressed the scale contraction and maintained a large size, leading to the formation of a large-scale monsoon gyre eventually.     

Topographically Forced Rossby Wave Instability and the Development of Blocking in the Atmosphere

In this paper, the linear stability of disturbance superimposed on basic state Rossby wave forced by topography is investigated, and pointed out that when a certain criterion is satisfied by the basic flow and the height of topography for the subresonance, the small disturbance may be unstable. Furthermore, we also compare the evolution of the instability disturbance with the development of blocking in the Pacific, and we suggested that the topographically forced Rossby wave instability may provide a possible mechanism for the development of blocking in the Pacific.     

Diagnostic analyses and application of the moist ageostrophic vector<Emphasis Type="Italic">Q</Emphasis>

Considering the main thermal forcing factor, which is critical for the development of synoptic systems,the concept of the moist ageostrophic vector Q is introduced. A formula of the moist ageostrophic Q and the ageostrophic diabatic equation, in which the divergence of the moist ageostrophic Q is taken as a single forcing term, is derived. Meanwhile, the moist ageostrophic Q is applied to diagnose a torrential rain process in North China. The results suggest that the moist ageostrophic Q can clearly reveal the system development during the torrential rain process; the corresponding relationship between the divergence of the moist ageostrophic Q and the rainfall area is better than that of the vertical velocity (ω) and the divergence of the dry Q; the 6-h rainfall region can be correctly drawn according to the negative area of the divergence of the moist ageostrophic Q, and its precipitation is positively correlated to the magnitude of the divergence of the moist ageostrophic Q. The research provides valuable information for improving short-term weather forecast.