冬季北半球地形与定常热源强迫所产生的定常行星波及其动量通量、热量通量的计算

本文应用一个包括Rayleigh摩擦、牛顿冷却、水平涡旋热量扩散、定常、准地转、34层球坐标模式来研究冬季北半球地形与定常热源强迫所产生的定常行星波。 本文计算了强迫所产生的定常行星波引起的动量通量与热量通量。计算结果与观测结果比较一致。 计算结果表明:最大向北的动量通量与热量通量位于平流层。     

定常行星波的垂直传播及其动力学效应

本文用一个β平面准地转模式考察了定常行星波在大气中垂直传播的特性，讨论了波的水平尺度和基本气流的结构等对定常行星波垂直传播的影响，指出了高低层大气之间相互作用的特点及条件。     

对流凝结加热和垂直风切变对行星波垂直传播的影响

本文从理论上分析研究了对流凝结加热和垂直风切变对大气行星波垂直传播的影响。结果表明,对流凝结加热有抑制行星波垂直传播的作用;基本气流的西风(正)垂直切变对行星波的垂直传播有利,而东风(负)切变却对行星波的垂直传播有阻碍作用。 进-步分析还发现,垂直风切变对行星波垂直传播的影响以在中高纬度地区更为显著;对流凝结加热对行星波垂直传播的影响在热带地区更值得重视。并且,垂直风切变和对流凝结加热的影响可能是使得大气中板地波导更显著的重要原因之一。      

大气中定常行星波的Eliassen-Palm通量与波折射指数的关系

本文研究了β平面近似下波作用量守恒,得到波作用通量——Eliaaen-Palm通量的一般形式.本文还利用WKBJ方法求得球面大气中定常行星波的Eliassen-Palm通量与波折射指数的关系. 本文还用一个准地转34层球坐标模式计算了冬季北半球地形与定常热源强迫所产生的定常行星波的Eliassen-Palm通量,证明了冬季受迫定常行星波在垂直及侧向传播中存在着两支波导,从而证明了理论上所得到的关系.     

基流水平结构变化在定常Rossby波列传播及正压能量转换中的作用

本文利用球面正压大气的准地转方程组讨论了基本气流水平结构及其变化对于定常Ross(?)y波列传播的影响,发现定常Rossby波列的两维传播与基本气流的水平切变有关,急流的存在阻挡了波长较短的波列的径向传播,使其在强迫源附近被“trapped”,但长波可以通过很强的急流区并具有准径向传播的特征。另外本文还分析了基本气流水平结构的变化对正压不稳定能量转换的影响,定性地解释了急流附近定常Rossby波列强度的变化。     

基本气流的垂直切变对热带行星尺度大气波动的影响

通过一个赤道β平面上的绝热无摩擦的两层模式,讨论了线性垂直切变的纬向基本气流对热带行星尺度大气波动的影响。在长波近似下,当有纬向基本气流垂直切变时,可得到与东传Kelvin波和西传Rossby波对应的不稳定模态。对不稳定的Kelvin波模态,其相速受垂直切变的影响不大,而对不稳定的Rossby波模态,切变越大,西传速度越小。基本气流的垂直切变主要影响热带Rossby波。     

切变基流对赤道大气波动稳定性的作用

在赤道β平面近似条件下，使用纬向切变基流下线性化Boussinesq方程组，分析了在纬向切变基流下几种赤道大气波动的稳定性特征。研究结果表明，基本气流的水平切变对赤道大气波动起到不稳定的作用，但是对赤道大气Kelvin波的频率、稳定性以及传播的相速度并不起作用。基本气流的水平切变使得相对于基本气流向东传播的重力惯性内波相速度减慢，而使得相对于基本气流向西传播的重力惯性内波的相速度加快，却造成相对于基本气流向西传播的Rossby波相速度减慢。基本气流的水平切变对于对赤道混合Rossby-重力惯性内波的影响主要取决于纬向波数k值的范围大小。当纬向波数k值较小时，基流的水平切变使得相对于基本气流向西传播的混合Rossby-重力惯性内波相速度加快；而当纬向波数k值较大时，则使得相对于基本气流向西传播的混合Rossby-重力惯性内波相速度减慢。在半地转近似下，风速水平切变的存在，会使得波长较大（纬向波数k→0）的赤道Rossby波相对于基本气流向西传播的相速度减慢；而风速垂直切变的存在，必然会引起这种波长较大（k→0）的Rossby波出现不稳定增长，同样也会造成赤道Rossby波相对于基本气流向西传播的相速度减慢。最后通过扰动发展能量方程，说明了基本气流的水平切变和垂直切变可以为扰动的发展提供能量来源。     

球面斜压大气中上传行星波与纬向平均气流的相互作用

本文指出在球面斜压大气中的行星尺度扰动与纬向平均气流相互作用中必须考虑非地转风分量对位涡度南北方向输送的作用,从而证明了球面大气中行星尺度运动的波作用守恒,并求得球面大气中的行星尺度扰动与纬向平均气流相互作用的欧拉平均运动方程组。 本义利用1979年2月的实际天气观测资料分析了北半球一次对流层阻塞形势建立与平流层爆发性增温过程的行星波与纬向平均气流的相互作用。从分析结果可以看到:由于行星波向上传播,使得在高纬度对流层中、上层出现行星波的波作用通量(也称E-P通量)辐合,使得西风气流减速,因而在高纬度对流层中、上层形成阻塞形势。并且,随着行星波的继续向上传播,使得平流层下、中层的基本气流相继减速并出现东风,因而在平流层下、中层出现爆发性增温。然而,由于高纬度对流层低层出现东风,行星波不能往上传播,在上层波的E-P通量矢量变成辐散,气流由东风又变成西风。     

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。     

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.     

大气经圈环流对波动和能量传输的影响

本文用斜压准地转模式讨论了经圈环流作为基流的一部分对不同风系中波动和能量传输的影响。特别指出在东风带中因经圈环流的存在,就可能形成定常和非定常的经向行星波,使夏季低纬度东风气流中的波动及其能量向中、高纬度传播。 文中还分析和计算了定常经向波和瞬变波的群速度和一些动力学性质。     

用线性化全球原始方程谱模式研究地形强迫行星波垂直传播特征

本文用线性化全球原始方程谱模式来研究地形强迫行星波的垂直传播过程及演变特征.模式的积分结果表明:行星波的能量沿两支波导进行传播,在波从对流层向平流层传播中,极地波导起着主要作用.由于重力波破碎的阻尼作用,地形强迫的行星波无论它的波作用量或振幅都呈现振荡状态.     

一次暴风雪过程中的中尺度重力波特征及其影响

应用地面自动气象站观测资料、数字化多普勒天气雷达探测资料和WRFV2.2.1中尺度数值模拟资料,分析了中尺度重力波与基本气流的相互作用,以及重力波活动对暴雪和大风天气的重要影响。结果表明,在波导中传播的中尺度重力波能够与基本气流进行动量交换,使得对流层中上层4.5—8 km气层内的水平平均风速趋于均匀,形成斜穿整个对流层的饱和湿空气急流,即"湿急流"。在高空急流出口区激发的垂直向下传播的重力波,使基本气流的水平风速在垂直方向上出现了加速和减速的交替变化,水平风加速的气层,反射率增大;水平风减速的气层,反射率减小。随着波动下传及其随基本气流的移动,反射率回波强度沿高空风的方向(由西南向东北)出现周期性变化,回波带呈西北—东南走向,强回波中心之间为宽约40 km的弱回波区。重力波下传期间,当地面气压迅速下降时,东北风快速增长,风向有明显的改变,反射率强度开始减弱;气压脊线过后,反射率降低到最低点。地面大风中心出现在反射率回波强度周期性变化的地带,沿西南—东北方向间隔着分布。雷达探测表明,对流层低层风速在风向切变层上下边界对称相等,因此推测在重力波与切变层汇合的高度层存在垂直环流,由风切变层上下边界附近的西南气流和东北气流与受重力波影响形成的垂直方向上的上升和下沉气流共同组成。切变层上方的动量通过垂直环流的下沉支到达地面,强风中心对应着下沉气流,出现在降水回波开始减弱之际。     

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.     

切变东风基流和非绝热加热对热带扰动的作用

文中用斜压模式讨论了东风水平切变基流和非绝热加热对热带扰动的影响,指出:基本气流的切变有使西传波动加速,东传波动减速的倾向;切变会造成赤道Rossby波的不稳定发展;加热激发的赤道强迫波可以是垂直传播波.      

台风涡旋系统的波动性质及其数值模拟

本文使用柱坐标系下的正压浅水方程组以及斜压扰动方程组,分析得出台风涡旋系统中的涡旋Rossby波划分为两种类型。由于切向基本气流的二阶径向水平切变或者基本气流的垂直涡度在径向方向的变化(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波相对于切向基本气流是单向传播的,其传播方向则与β*因子的正负符号有关。当基本流场垂直涡度-ζz沿着径向r方向增大时,第一类涡旋Rossby波是沿着切向圆周方向逆时针方向传播的;反之则是沿着切向圆周方向顺时针方向传播。如果考虑切向基流的二次垂直切变时,可以得到台风涡旋系统中第二类涡旋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切向基本流场风速的二次垂直切变或者基本流场径向r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波相对于切向基本气流也是单向传播的,当-ζr沿着空间z方向上增大时,第二类涡旋Rossby波就是相对于基本气流-V0是顺时针方向传播的;反之则是相对于基本气流逆时针方向传播。在基本流场的风速-V存在二次径向水平切变或者垂直切变时,台风中的波动可能是混合的涡旋Rossby波——重力波;而当基本流场的风速-V仅仅存在线性切变,不存在二次切变时,此时根本不存在涡旋Rossby波,台风系统中的波动则仅仅是重力惯性波。最后,采用WRF模式对“云娜”台风进行了数值模拟,验证了上述结论。     

切变基流中赤道Kelvin波及纬向对称扰动的稳定性

本文使用赤道β平面下的热带大气Boussinesq近似方程组,分析了纬向切变基流中的赤道Kelvin波以及纬向对称扰动的稳定性。研究结果表明,在纬向基本气流只具有y方向水平切变的情况之下,基本气流在y方向的切变并不能导致Kelvin波发生不稳定,只能导致不同的纬度上对应于Kelvin波传播的相速度有所不同。扰动位势和扰动风速等物理量在y方向的分布特征与基本气流无关。在只考虑垂直切变基流时,要存在稳定的相对于平均基流向东传播的Kelvin波必须要满足Richardson数Ri>2的条件。基本气流在垂直方向的切变也不能导致Kel-vin波发生不稳定,只能导致Kelvin波的相速度发生Doppler频移效应。扰动位势以及扰动速度在y方向的分布特征与基本气流在垂直方向的切变有关。当风的垂直切变大于零时,对流层低层的扰动位势和扰动速度沿y轴的正反方向衰减较快;而当风的垂直切变小于零时,对流层高层的扰动位势和扰动速度沿y轴的正反方向衰减较快。对于沿纬圈方向的对称天气系统,只要风的垂直切变较大,满足Ri<1时,低纬重力惯性内波一定会发生不稳定。而当基本气流的垂直切变较小(Ri>1)时,本文则给出了该扰动发生不稳定的判据条件。只要风的水平切变足够大,大于某一临界值(该临界值与垂直波数m,β因子,静力稳定度N2以及Richardson数Ri有关),在赤道y—z平面上的重力惯性内波也会发生不稳定,从而引起这种沿x轴对称扰动的激发产生与发展。     

关于高原山地对大尺度过程的动力作用的研究

本文对高原山地所产生的大尺度动力过程问题作了综合评述,包括定常行星环流的纬向不对称性、地形强迫波的共振和多态平衡、非线性地形性不稳定、定常地形波能量的垂直传播、爬流和绕流以及背风坡的气旋生成等。     

风速垂直切变下非均匀层结大气中重力惯性内波的稳定性

本文应用WKB方法研究了在弱非均匀层结大气中,当基本气流具有弱垂直切变时,重力惯性内波的稳定性问题.由导得的波能量方程出发,分析了风速垂直切变及非均匀大气层结对重力惯性内波波能变化率的影响.     

冬、夏平流层定常环流的数值模拟

本文应用一个包括Rayleigh摩擦、Newton冷却及水平涡旋热量扩散准地转34层球坐标模式来模拟北半球冬、夏两季平流层大气环流。利用Lindzen和Kuo所提出的方法来解这样一种复什二阶偏微分方程。 计算结果表明:由模式计算所得到的冬、夏两季北半球实际地形与实际热源强迫所产生的定常行星波振幅与位相的垂直分布及在平流层定常扰动系统的分布均与实际观测得到的分布相一致,这说明平流层的定常扰动分布主要还是由于对流层内地形与热源强迫所产生的定常扰动往平流层传播的结果。