大气对流的阻尼模型

本文建立了同时包含线性和非线性层结和阻尼作用的大气对流模型,研究表明：阻尼条件下,对流稳定决定于层结和阻尼参数拱同作用,线性阻尼条件下,线性层结参数的正负变化会引发鞍结分岔,阻尼作用有利于对流稳定,即使线性、非线性层结构不稳定时仍可出现稳定,阻尼作用会引发新的平衡态,出现极限环。     

Rossby参数β在涡旋Rossby波中的作用

利用尺度分析方法得到Rossby参数β在强涡旋中有着不可忽略的作用.在无基本气流径向切变的涡旋系统中,在Rossby参数β的作用下有涡旋Rossby波出现.由于涡旋Rossby波存在,从而破坏了涡旋系统的轴对称性,表现出非轴对称特征.在考虑切向基本气流的涡度径向变化时,涡旋Rossby波的频散关系同时包含了切向基本气流涡度径向切变项和β项的作用.一般情况下涡旋Rossby波在切向基本气流涡度径向切变的作用下有向外频散能量的特性,而β项的作用随方位角θ而变化,使涡旋能量频散不对称.     

一条中尺度雨带的多普勒雷达回波特征及环境条件分析

该文利用3830/CC单多普勒雷达加密资料和Micaps客观分析资料, 对2002年8月22日在副高外围偏南气流影响下, 对流回波发展形成中尺度NNE — SSW向带状回波的演变及其环境条件进行分析。结果表明:带状回波是造成这次中尺度雨带的直接影响系统, 偏南暖湿气流源源不断沿着带状输送, 利于带状回波的维持和发展; 强降水主要发生在低层风随高度顺转 (暖平流)、高空有急流和出现逆风区的阶段, 副高外围偏南气流为带状回波的形成和发展提供了水汽和热力条件, 而高空倒槽为其提供了动力条件, 湿位涡的分布特征较好地说明了这一点, 带状回波和雨带出现在斜压不稳定和正压稳定而中低层为负涡度环流的潜在不稳定区中。     

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。     

大地形上空地转基流中波动的传播和稳定性

研究表明，地形北坡上空东风基本气流中的重力惯性波最易出现不稳定发展，地形坡度大于１‰的地形南坡上空强西风气流中重力惯性波和地形罗斯贝波都是不稳定的。只有在西风气流中重力惯性波才会出现明显的相对基本气流的东、西传播现象。     

非线性正压Rossby波及其稳定性

本文应用常微分方程的稳定性理论和几何理论,从非线性正压涡度方程出发,讨论了一类非线性正压Rossby波的存在性和稳定性。结果表明:对于无耗散系统Rossby波的存在和稳定要求基本气流绝对涡度的经向梯度与波速,基本气流之差为反号,即:且V=0时初始涡度不为零。最后给出两种情况下波的解析解表达式。     

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。     

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.     

斜压气流的中尺度稳定性 Ⅱ.横波型不稳定

本文是“斜压气流的中尺度稳定性”的第二部份,讨论基本流对横波型中尺度扰动的稳定性。 将f-平面的Eady模型推广到非地转情况,得到斜压基流的双模态不稳定谱:在天气尺度和次天气尺度上出现Eady模态,在几十至几百公里的惯性尺度上出现非地转斜压中尺度模态。在垂直剖面上中尺度模态呈非对称“猫眼”流型,在水平方向上散度与涡度交替分布。对同一线性风速廓线,中尺度模态的发展率约为Eady模态的4倍,两种扰动发展的主要能源都是旋转基流中储存的斜压有效位能。     

热带低压、台风发生发展过程中的自激加热、耗散和非线性作用

本文用非线性耗散理论研究第二类条件不稳定下的自激加热的热带低压、台风系统。本文用高截断谱方法建立的非线性耗散系统,在一定的积云对流加热条件下,存在两个稳定的平衡态,分别表示热带低压、台风的平衡态及静态平衡态;另外还存在一个不稳平衡态。热带低压、台风的发生发展和消亡过程就是系统平衡态在相空间里由渐变到突变,由突变到渐变的往复循环过程。