中纬度平均经圈和纬圈环流维持的物理过程(二)

大尺度扰动的感热和动量输送是紧密联系的.在准地转运动中,大尺度涡动输送可分解为平衡输送和不平衡输送.在北半球冬季纬向风系和副热带高压带维持的过程中,中纬度不平衡涡动输送,以及与之相联系的平均经圈环流所造成的垂直输送,起着十分重要的作用.这时水平输送和垂直输送本身就处在内在联系之中.并且这种输送过程是和温度槽落后于流场槽的斜压扰动相联系的. 当把大气运动分解成垂直平均的正压动能和垂直切变的斜压动能时,可以更细致地了解中纬度大气环流能量转化的规律.我们进一步讨论和计算了中纬度北半球冬季能量转换的过程.     

新书架上

《动力气象学引论习题解》田永祥编著,科学出版社出版,1982年7月,162页。本书是对美国华盛顿大学霍尔顿(J.R.Holton)教授著的《动力气象学引论》一书中全部习题的习题解答。书中主要包含有地转风、热成风、温度平流、散度、涡度、环流等物理量的计算,大气中各种能量的产生、消耗及其相互转换所需时间的计算;平均动能、涡动动能方程和平均有效位能方程的推导,考虑摩擦作用的和由于流体深度随纬度变化而产生的罗斯贝波相速公式的推导;正压、斜压不稳定性的分析;典型龙卷和台风尺度扰动的运动方程的尺度分析,以及天气尺度运动的涡度方程和散度方程的尺度分析等内容。本书可供气象业务工作者、大专院校气象专业     

大气运动的动能在湍流边界层中的耗散

在大气能量学中,大气平均运动的动能通过湍流摩擦力转化为脉动运动的能量并最终转化为内能的“变性能量”是大气动能的“汇”,正确估计其大小对研究动能的收支,以至天气系统的生衰,发展均有一定意义。此项由于与湍流通量有关,因而难于从大尺度气象参数计算。以往的研究中,或是将动能平衡方程中其余各项算出,而将此项作为余项估计出,或用地转风由粗浅的边界层模式算出。     

浙江区域性暴雨过程的能谱特征及其中期预报

一次区域性暴雨过程从酝酿到发生,其环流背景发生调整转换,整个过程以超长波与长波在中、低纬一致西退、及超长波衰减、长波增值为特征。与此同时,表征大气能量变化与相互转换的能谱也有一次相应的调整变化过程。本文试从浙江区域性暴雨中期过程中的经向与纬向扰动动能以及扰动动能与平均动能转换率的变化特征,分析其与暴雨的关系,并获得暴雨过程中期预报的依据。     

亚洲季风变动与大气正压/斜压运动动能变化的气候特征

使用ＮＣＥＰ／ＮＣＡＲ４０年（１９５８～１９９７年）月平均再分析资料,通过动力学论断研究了大气斜压／正压运动动能的变化及其相互转换,分析了亚洲季风变动与这两种动能变化的联系。指出：季风区大气运动动能的组成和变化具有独特的特征。冬季风时期大气斜压运动动能与正压运动动能具有正相关线性关系,斜压运动能向正压运动动能转换;春、秋季无论是东亚还是印度季风区斜压运动动能与正压运动动能之间转换都处于极小值,只是     

对流层中层大气能量转换特征与暴雨激发和维持的关系

利用NCEP/NCAR再分析资料和中国2 513个测站逐日降水资料,分析了2008年9月22—27日四川盆地持续性暴雨过程中对流层中层大气风场动能和势能的相互转换和分布特征。结果表明,在暴雨迅速发展阶段,受环流形势和地形等条件的影响,动能能量转换成驻波形式的波动势能;在强降水维持并减弱阶段,动能和势能之间的转换趋于平缓。在整个暴雨过程中,强降水区与500hPa风场能量大值区分布基本一致。此外,台风"黑格比"也为此次暴雨过程提供了必要的水汽。     

大气的统计观——大气统计函数与熵守恒猜想

本文从统计物理学角度分析了气象学基本问题。指出气象学中的大气微团等元量可与统计物理中的基本研究对象粒子相对应。因而统计物理中的概念、方法和规律可以移植到气象学中来。文中定义了大气分布函数和大气的H函数,还研究了大气能量分布律和大气熵。文中综述了熵极值原理在气象上的应用并提出大气熵守恒猜想。最后指出如这一猜想被证实,则可以使中短期的数值天气预告的准确率明显提高。     

湍流边界层中平流与大气运动的动能耗散

本文从边界层运动方程出发,利用地转动量近似解析地给出了根据宏观外参数来求正压边界层中动能耗散的公式,得到了地转风及其平流与局地时变项及纬度的影响。指出了变性能量依赖于气压系统,改进了对变性能量的认识。本结果可直接应用于大尺度模式中以估计边界层的动能耗散,因而对大气动能平衡的研究,对从能量观点研究天气系统的生衰,发展有一定意义。     

一次梅雨锋暴雨过程中多尺度能量相互作用的研究II.实际应用

本文利用中国自动站与CMORPH（Climate Prediction Center Morphing technique for the production of global precipitation estimates）融合的逐时降水量0.1°网格数据集资料挑选出一次典型的梅雨锋暴雨个例,运用WRF中小尺度模式进行模拟,对模拟得到的高分辨率结果进行Barnes滤波,最后将滤波结果代入动能和位能方程中,目的是定量地分析各个尺度能量的变化以及它们之间的相互作用对暴雨强度的影响。研究发现:模式模拟的降水过程和强度与实况较为吻合,推导的能量方程适用于这次暴雨过程。三种尺度能量之间的相互作用包含了各种跨尺度能量的相互作用。在整个暴雨过程中,跨尺度之间的斜压能量转换包括位能向动能的能量转换和动能向位能的能量转换。同尺度之间的斜压能量转换总是单向的,且量值较大,动能的强度主要靠位能向动能的能量转换来维持。斜压能量转换的多少影响着暴雨的强弱。大尺度斜压能量转换在中高层比较强,中尺度斜压能量转换在低层较强,尤以β中小尺度系统变化最为显著,β中小尺度系统扰动是影响暴雨强度的关键系统。风切变的大小影响各尺度动能之间的能量转换。温度或位温梯度的大小影响各尺度位能之间的能量转换。位能与动能之间的能量转换主要与各尺度垂直速度和温度的垂直分布有关,暖空气上升冷空气下沉是各个尺度位能向动能转换的主要过程。     

新书架

《空气污染气象学原理及应用》空气污染气象学是大气环境科学的一个分支,主要用气象学的方法研究污染物进入大气以后的扩散稀释、迁移、转化和清除的规律,为防治空气污染和改善大气环境提供科学依据. 全书共分九章:第一章扼要介绍气象学的基本知识.第二、三章阐述微气象学和大气湍流扩散的理论和实验研究方法,是学好以后各章的基础.第四章研究如何利用上述理论和科研成果,确定各种参数和污染浓度.第五章污染物散布的非湍流扩散     

登陆台风与其外围暴雨的相互作用

本文对8116号登陆台风及其环境和外围暴雨区分别作了动能平衡的诊断分析,结果表明,动能制造是三个区域动能平衡的主要能源,动能水平辐散和摩擦消耗则是主要能汇。在台风登陆减弱过程中,暴雨区的动能增加。台风区上层动能水平辐散呈显著的不对称型。台风右侧次天气尺度强风带起了向暴雨区输送动能使暴雨得到发展的作用。暴雨发生后,通过暴雨区北界向环境输送动能,于是,台风辐散的动能通过暴雨区最后输送给环境。这种动能传递过程可能是台风与环境大气相互作用引起台风衰减的机制之一。     

南海夏季风建立前后的大气能量收支

本文用总动能、总有效位能、扰动动能和扰动有效位能四个收支方程计算了1980年4-6月南海南部(0-15°N,100-120°E)夏季风建立前(4月1日-5月9日)和夏季风建立后(5月18日-6月25日)各时段的大气能量收支,并对其结果进行了分析讨论,发现:(1)总动能主要是在制造项G(K)(汇)与耗散项D(K)(源)间达到平衡,夏季风建立后源汇强度值都增大了40%左右。(2)非绝热加热所直接制造的有效位能并不重要,高层总有效位能的水平通量辐合、中低层与总动能间的转换和由于参考气压的变化而引起总有效位能的增减对于总有效位能的收支作用较大,其作用在夏季风建立前后也明显不同。(3)扰动动能同总动能一样主要在制造项G(K)(汇)与耗散项D(K)(源)间平衡。夏季风建立后源汇强度增强。(4)扰动有效位能主要由非绝热加热制造,夏季风建立后制造量增大了16倍多。夏季风建立前,扰动有效位能主要因参考气压的改变而减少;夏季风建立后,扰动有效位能主要被转换为扰动动能和平均有效位能。      

THE SEMI-GEOSTROPHIC ADAPTATION PROCESS WITH TWO-LAYER BAROCLINIC MODEL IN LOW LATITUDE ATMOSPHERE

In this paper, the adaptation process in low latitude atmosphere is discussed by means of a two-layer baroclinic model on the equator β plane, showing that the adaptation process in low latitude is mainly dominated by the internal inertial gravity waves. The initial ageostrophic energy is dispersed by the internal inertial gravity waves, and as a result, the geostrophic motion is obtained in zonal direction while the ageostro-phic motion maintains in meridional direction, which can be called semi-geostrophic balance in barotropic model as well as semi-thermal-wind balance in baroclinic model. The vertical motion is determined both by the distribution of the initial vertical motion and that of the initial vertical motion tendency, but it is unrelated to the initial potential vorticity. Finally, the motion tends to be horizontal. The discussion of the physical mechanism of the semi-thermal-wind balance in low latitude atmosphere shows that the achievement of the semi-thermal-wind balance is due to the adjustment between the stream field and the temperature field through the horizontal convergence and divergence which is related to the vertical motion excited by the internal inertial gravity waves. The terminal adaptation state obtained shows that the adaptation direction between the mean temperature field and the shear flow field is determined by the ratio of the scale of the initial ageostrophic disturbance to the scale of one character scale related to the baroclinic Rossby radius of deformation. The shear stream field adapts to the mean temperature field when the ratio is greater than 1, and the mean temperature field adapts to the shear stream field when the ratio is smaller than 1.     

Application of the Energy-Casimir Method to the Study of Mesoscale Disturbance Stability

Taking into account the effect of moisture, we derive a three-dimensional pseudoenergy wave-activity relation for moist atmosphere from the primitive zonal momentum and total energy equations in Cartesian coordinates by using the energy-Casimir method. In the derivation, a Casimir function is introduced, which is a single-wlue function of virtual potential temperature. Since the pseudoenergy wave-activity relation is constructed in the ageostrophic and nonhydrostatic dynamical framework, it may be applicable to diagnosing the stability of mesoscale disturbance systems in a steady-stratified atmosphere. The theoretical analysis shows that the wave-activity relation takes a nonconservative form in which the pseudoenergy wave-activity density is composed of perturbation kinetic energy, available potential energy, and buoyant energy. The local change of pseudoenergy wave-activity density depends on the combined effects of zonal basic flow shear, Coriolis force work and wave-activity source or sink as well as wave-activity flux divergence. The diagnosis shows that horizontal distribution and temporal trend of pseudoenergy wave-activity density are similar to those of the observed 6-h accumulated surface rainfall. This suggests that the pseudoenergy wave-activity density is capable of representing the dynamical and thermodynamic features of mesoscale precipitable systems in the mid-lower troposphere, so it is closely related to the observed surface rainfall. The calculation of the terms in the wave-activity relation reveals that the wave-activity flux divergence shares a similar temporal trend with the local change of pseudoenergy wave-activity density and the observed surface rainfall. Although the terms of zonal basic flow shear and Coriolis force contribute to the local change of pseudoenergy wave-activity density, the contribution from the wave-activity flux divergence is much more significant.     

一次飑线过程对流稳定度演变的诊断分析

针对2016年5月2日发生在华东地区的一次飑线过程,利用WRF模式进行高分辨率数值模拟。在成功模拟飑线发生、加强和移动的基础上,对此次过程中对流不稳定特征以及引起对流稳定度变化的原因进行诊断分析。结果表明:（1）在降水发生前,低层大气表现为对流不稳定;降水发生后,对流不稳定能量得到释放,大气趋于稳定。为了分析引起对流稳定度变化的原因,推导了局地直角坐标系中相当位温垂直梯度的倾向方程,其中位势散度是引起位势稳定度局地变化的主要强迫项。在弱降水区,低层位势散度为负值,有利于增强位势不稳定;强降水区及其前沿为位势散度正值区,倾向于抑制位势不稳定。在强降水区低层,位势散度的主要分量为垂直风切变项,代表垂直风切变和大气湿斜压性的综合作用;高层的主要分量为散度项,代表水平散度和位势稳定度的耦合作用。（2）位势散度能综合表征降水区上空垂直风切变、大气湿斜压性、水平辐合辐散和大气位势稳定度变化等特征,因而与降水联系紧密。本文利用位势散度对飑线降水进行预报,结果表明,位势散度与小时观测降水在时间和空间上吻合较好,对降水区有一定的指示意义,可以为飑线降水业务预报提供参考。     

Energy-Casimir方法在中尺度扰动稳定性研究中的应用

考虑湿空气中的水汽效应,引进Casimir函数(它是虚位温的单值函数),在x方向动量方程和总能量方程的基础上,采用Energy-Casimir方法建立了三维非地转平衡和非静力平衡的拟能量波作用方程,由于该方程建立在非地转平衡和非静力平衡的动力框架下,因此可用于讨论层结稳定大气内中尺度扰动系统的发展演变.理论分析表明,拟能量波作用方程具有非守恒形式,其中的拟能量波作用密度主要由扰动动能、有效化能和浮力能三部分组成;拟能量波作用密度局地变化除了受拟能量波作用通量散度影响之外,纬向基本气流切变、科氏力作功以及山非绝热加热和水汽相变所构成的波作用源汇项对其也都有贡献.诊断分析结果表明,对流层中低层的拟能量波作用密度与观测的6 h累积地面降水在水平空间分布和时间演变趋势上比较接近,说明拟能量波作用密度能够较好地抓住强降水区上空对流层中低层动力场和热力场的扰动特征,并在一定程度上可以有效地表征降水系统的发展演变,因而与地面降水量存在紧密联系.波作用方程各项的计算分析表明,波作用通量散度与拟能量波作用密度局地变化的倾向以及强降水区的变化比较一致,并且在强度上强于纬向基本气流切变项和科氏力作功项,因此波作用通量散度对拟能量波作用密度的局地变化具有重要贡献.     

正压过滤模式大气中的对称运动和非对称运动

把流函数分成对赤道对称和对赤道反对称的两部分,可以把正压涡度方程分离为描写大气对称运动和反对称运动的两个方程。根据它们,讨论了在全球范围内几种基本物理量,如涡度和绝对角动量等在对称和反对称情况的守恒性。还给出了这两类运动的能量收支方程和能量转换表达式。可以看出,在大气中不仅有纬圈平均动能和扰动动能之间的转换,也有对称运动产生的和反对称运动产生的动能之间的转换。 还在涡度方程中考虑地形和水平扩散的情形下,提出了大气非对称性质产生的机制。结果表明:非对称的地形分布和水平扩散系数的分布可能是导致非对称运动的原因。 最后,还对全球预报和半球预报,从物理观点作了理论比较。     

SYMMETRIC AND ASYMMETRIC MOTIONS IN THE BAROTROPIC FILTERED MODEL ATMOSPHERE

By expressing the stream function in terms of the symmetric and the antisymmetric components with respect to the equator,the barotropic vorticity equation can be separated into two equations,one describing the behaviours of the atmospheric symmetric motion,and the other those of the atmospheric antisymmetric motion.From them,for the entire global surface at the equivalent barotropic level,the conservations of several basic quantities,such as vorticity,angular momentum etc.in the symmetric and antisymmetric cases,have been discussed.In addition,the energy budget equations and the energy conservation expressions for the two kinds of motion are given.It can be seen from them that there are not only the conversion between the zonal mean kinetic energy and the disturbed kinetic energy in the atmosphere,but also the conversion between the kinetic energy generated by the symmetric and antisymmetric motions.In the case of including orography and horizontal diffusion into the vorticity equation,a mechanism of the generation of asymmetric behaviours of the atmosphere is proposed.The results show that the asymmetric distribution of orography and that of horizontal diffusion coefficients are likely the causes leading to the asymmetric motion.Finally,a theoretical comparison between the global model and the hemispheric one from the physical point of view is made.     

三维静力适应过程中声重力波的特性和能量转换研究

为了研究三维静力适应过程的机理,推导三维静力适应方程组并导出声重力波的频散特征、解析解和能量转换关系以及位涡方程。结果表明,三维静力适应过程实际上就是三维声重力波和重力内波的频散过程,声重力波和重力内波的频率在水平方向上可以区分开来。声重力波的频率随着水平波数和垂直波数的增大而增大。取近轴近似,其解析解在空间上呈螺旋曲面,为大气中热通量和动量从一个区域向另一个区域的输送提供了一种机制,从而为研究大气提供了新的视角。垂直速度在动能与有效势能的转换、有效势能与有效弹性势能的转换中发挥着重要的作用,并且只发生在垂直方向上。在静力适应过程中总能量和位涡是守恒的。适应终态中有效势能比有效弹性势能大一个数量级。