大尺度浑沌现象的数值研究

近来,关于大尺度大气运动的浑沌形态及其天气意义的研究已取得了初步的结果。本文在文献[1][2]的模式中进一步引入地形作用和β效应,多组数值积分的结果指出:大尺度的浑沌现象在模式大气中仍然存在,这种浑沌的出现与流型对称性的中断有关。      

大尺度大气运动的浑沌形态

本文用一个确定的强迫耗散的八维非线性自治系统描述大尺度斜压大气的运动。在一定的热力强迫范围,流型演变显示出浑沌形态。随着热力强迫的渐变,发生了浑沌形态与周期形态之间的多次转换。在浑沌区内又清楚地显示出周期3和周期6的窗口。 流型演变的周期形态,相应于夏半年对流层上层副热带高压中心沿东西方向的周期的低频振荡。转为浑沌形态后,这种规则性的低频振荡即遭到破坏。这个副热带高压周期性东西振荡的建立与破坏的现象,与实际大气的观测事实十分相似。     

用大气湍流资料计算Lyapunov指数和分数维

本文从浑沌和奇怪吸引子的遍历理论出发,用大气湍流资料计算了Lyapunov指数(LE)和分数维数(FD)。结果表明,在一定参数下,由所用资料算得第一个指数LE_1为+0.1—+0.4,FD为2.3。根据计算结果讨论了大气运动的浑沌状态。     

“海棠”台风（2005）降水非对称分布特征成因之大气因子研究

利用NCEP/NCAR FNL（Final Analysis）资料,通过分析1 000～600 hPa（低层）、500～100 hPa（高层）气柱内水汽条件、垂直上升运动条件及计算非地转干Q矢量及其分解、非绝热加热作用,进一步揭示大气因子对“海棠”台风（2005）降水非对称分布特征形成的贡献。结果表明:（1） 台风路径左右两侧低层大气湿度条件相当,而高层大气的湿度则是右侧明显比左侧大。（2） 台风路径右侧的高、低层大气中的垂直上升运动的范围、强度均比左侧广、强。（3） 台风路径左右两侧的高层大气对垂直上升运动的强迫作用相当,而台风路径右侧低层大气垂直上升运动的范围、强度明显比左侧广、强。均呈现出明显的非对称分布特点。进一步Q矢量分解诊断分析表明,低层大气中尺度天气系统对垂直上升运动的强迫作用比大尺度天气系统的强迫作用大。（4） 台风路径左右两侧的高、低层大气中均一直存在非绝热加热作用,且在范围及强度上均呈现出一定的非对称分布特点。高层大气的湿度条件、低层大气对垂直上升运动的强迫作用,尤其是低层大气中尺度天气系统的强迫作用,及高、低层大气中的非绝热加热作用,均呈现出与“海棠”台风（2005）降水场相似的非对称分布特征,表明上述大气因子均有助于降水非对称分布特征的形成。      

南海年际尺度海气相互作用的初探

本文分析了南海海洋大气系统短期气候变化中存在年际振荡的若干观测事实，提出了局地尺度南海海洋与低层大气相互作用的一种可能机制。针对南海表层水温距平和低层风场异常的相关，设计了一个类似与ＭｃＣｒｅａｒｙ和Ａｎｄｅｒ－ｓｏｎ（１９８４）模型的简化海气耦合模式。大气部分为随下垫面海温变化而变化的异常风应力阶梯函数与季节性风场的联合；海洋部分为非线性β－平面的约化重力模式。考虑南海海洋大气相互作用中存在的海温与低层大气风场变化之间反馈过程，耦合模式在气候积分中表现出一类约３ａ的周期性年际振荡。说明这个区域ＳＳＴ、低层大气风场年际振荡是南海海盆尺度的海气相互作用的反映，改进了关于南海ＳＳＴ年际振荡是海洋对大气应力甚低频强迫响应的认识     

兰州冬季的大气浑浊度

1980年12月,我们用太阳光度表在兰州市的地面和625米高度处进行了同步测量大气浑浊度的观测。本文利用两个点的观测资料计算了厚度为625米的低层大气的浑浊度。主要结果是:(1)兰州冬季浑浊度高,12月份埃斯川姆浑浊度系数的平均值为0.44。73％的气溶胶粒子集中在低层大气。(2)低层大气和上层大气的浑浊度系数有不同的日变化规律。(3)低层大气和上层大气气溶胶粒子的大小相同。(4)浮尘天气具有浑浊度系数高和波长指数低的特征。(5)谷地内夜间是浑浊物的净积累期,白天是净消散期,夜间的积累常大于白天的消散,使大气浑浊度总是保持着较高的水平。(6)主要浑浊物源是人造源——煤烟。山谷地势和逆温是影响兰州大气浑浊度的两个突出的自然因素。     

高原东南缘大气近地层湍能特征与边界层动力、热力结构相关特征

基于云南省大理2008年3、5、7月GPS加密探空试验时段(14和02时)资料,结合边界层铁塔综合观测资料,采用温度梯度法、逆温强度法和涡动相关法分别计算高原东南缘对流边界层(convective boundary layer,CBL)及稳定边界层(stable boundary layer,SBL)顶高度,通过计算获取感热通量、潜热通量、湍流动能、切变项以及浮力项与大气动力、热力过程垂直相关特征综合分析,可发现湍能方程中浮力项、感热、潜热通量与NCEP再分析资料计算获取的大气视热源相关特征显著,这某种程度反映了高原东南缘近地层大气湍流动量、热量输送对低层大气视热源Q_1的重要贡献。低层视热源Q_1亦表现出与湍能方程分量类似的日变化周期,此特征反映了高原东南缘大气热源变化与下垫面水热过程及其湍流输送日变化密切相关;浮力项与湍能等项对大气低层热源与涡动特征、热力混合结构的形成有重要作用;低层大气视热源、水汽汇均与边界层高度有显著相关,综合分析结果某种程度描述了青藏高原东南缘近地层湍流动量、热量输送状况与低层大气热源,热力混合边界层结构的综合相关物理图像,初步探索了高原东南缘对流活跃区大气湍流运动与大气动力、热力过程相互作用特征。研究表明近地层湍流通量变化某种程度可反映未来局地大气视热源垂直结构变化的"强信号"特征。本文上述研究结论也可启发我们进一步关注近地层湍流通量异常变化特征及其对局地降水过程大气热源结构演变的影响问题。     

2003年8月“巴蜀夜雨”过程的模拟和分析研究

结合中尺度数值预报模式AREM的数值试验和观测资料分析,对2003年8月川西地区的9次夜雨过程进行了模拟研究和综合分析.结果表明,在一定环流背景下,川西地区特殊地形引起的沿坡地的辐合上升运动和下垫面提供给低层大气的热通量所导致的大气层结不稳定,对川西夜雨的形成和发展有重要影响.白天,随着陆-气通量交换的增加,低层大气的温度和湿度逐步升高,并在午后达到极值.与此同时,低层偏南暖湿气流在盆地西部由于气旋性弯曲而形成的东北风在午后逐渐加强,这支气流在盆地西部被地形阻挡,产生爬升运动.辐合上升将低层高温高湿的大气向上输送,使得大气不稳定层结的厚度以及强度都增加;日落以后,低层大气的相对湿度随着气温的降低而增大,容易饱和而形成凝结,同时大气中积累了相当可观的对流有效位能,低层辐合抬升等因素容易触发不稳定能量释放,造成对流性夜雨天气.强烈的对流辐合运动需要周围大气的入流补偿,促使偏东风气流增强且向高空伸展,这令辐合抬升作用进一步增强.     

龙岩地区一次夏季暴雨天气过程的地形影响模拟试验

利用中尺度WRF数值模式对2015年7月22日龙岩地区大暴雨过程进行数值试验,从地形对大气垂直运动、高低层水平散度以及水汽条件的影响三方面进行控制性试验与敏感性试验对比,研究了龙岩地区特殊地形对此次大暴雨的影响。结果表明,此次过程的降水分布对龙岩地区地形十分敏感,特殊地形作用能使当地降水产生明显增幅。高地形通过阻挡和摩擦作用使大气在近地面层形成堆积,为中低层大气的垂直上升运动积累能量,这种地形影响可以通过中小尺度的扰动上传到对流层顶高度;地形的作用还有利于中低层大气水平辐合、高层水平辐散作用的加强,并以波列的形式影响周围大气,这种地形对大气水平散度的影响对降水变化具有很好的指示意义;受地形影响,水汽在迎风坡有明显的累积,随着降水系统的移动在高地形区产生强降水。     

凝结潜热对大气湍流影响的理论研究

文献[1]指出,温度平流能使大气出现浑沌态(chaos),从而产生湍流现象。在湍流发生时,理查孙数Ri总是和Re相配置的。大气运动状态的参数平面(R_i,R_e)可分为基本态O区,周期态P区,浑沌态T区,以及周期浑沌区T-P区(图1)。分析表明大气湍流可能通过周期倍分岔产生的。