爆发性气旋的锋生位涡反演诊断

本文采用基于埃特尔位涡反演诊断和锋生函数诊断的锋生位涡反演诊断方法,对一次发生在西太平洋地区的爆发性气旋过程进行了诊断分析和机制研究。本文主要从锋生演变的角度,定量诊断了与对流层顶折迭现象相联系的高层位涡扰动,由凝结潜热释放造成的中层位涡扰动,与低层锋区扰动相联系的低层位涡扰动以及以低层水平辐合辐散为主要成份的非平衡风场在气旋发生发展的不同阶段所起的作用和影响,并对以上各物理过程相互作用,造成气旋爆发性发展的机制进行了分析讨论。     

位涡在暴雨成因分析中的应用

应用位涡理论，对1991年江淮地区一次特大暴雨过程中位涡及其有关物理量的分布特征进行了分析。结果表明:强降水总是落在干位涡比较小的地方和湿位涡负中心暖气流一侧，它和相对湿位涡的关系更直接。湿位涡斜压部分可清楚地反映湿斜压性对对流不稳定系统所起的作用。大气在湿位涡值比较小的区域对锋生强迫有更强的响应。     

对流层上层定常波异常遥相关型的维持机制

用ＥＣＭＷＦ１９８０－１９８８年的资料和主成份分析方法研究了北半球冬季定常波月平均异常的空间结构和时间变化，分析了对应主要异常型的由辐散风和瞬变涡度通量的异常引起的涡度源异常，并用正压模式研究了涡度源异常在这些异常型维持中的作用。结果表明，瞬变的涡度通量辐合的异常有抵消辐散风所产生的涡度源异常的趋势；单独考虑辐散风异常作为强迫所产生的环流异常与遥相关型的结构和强度相差很大，但如果将瞬变涡度通量辐合的异常也包含到强迫源中，则强迫出来的环流异常会有很大改善     

正压大气中的能量传输机制的讨论

本文通过正压涡度方程和浅水波方程两种全球模式的数值试验,说明了绝对涡度小值区在罗斯贝波活动中所起的“屏障”作用以及它在阻塞维持中的意义;从而解释了罗斯贝波在某些绝对涡度小而均匀的区域难以维持和传布的原因。     

一次盆地强降雨过程的多模式结果对比分析

运用西南区域数值模式SWCWARMS、欧洲中心细网格预报模式EC以及国家气象中心中尺度区域模式GRAPES对2018年6月25日12时～26日12时发生在四川盆地内的一次强降雨过程进行预报对比分析,多模式结果表明:EC模式与GRAPES模式对盆地西北部的暴雨漏报现象较为突出,SWCWARMS模式能较好模拟整个雨带的强度与位置,对比中尺度系统西南涡的模拟,在低涡出现和发展的12小时内,EC模式对低涡的预报能力偏弱,预报降雨量偏小,低涡位置与强度预报GRAPES与实况最接近,SWCWARMS模式与GRAPES相似,但仅有SWCWARMS预报出低涡南侧与低涡西北象限的强降雨,在低涡减弱阶段,3种模式趋于相同。EC与GRAPES模式在四川盆地内的初始涡度偏弱,辐合偏小,盆地西部边坡对流层低层垂直上升运动偏小,相对湿度偏低,这导致了EC和GRAPES模式在四川盆地西部边坡降雨强度偏小,仅有SWCWARMS模式与实况最符合,尤其对复杂地形下的降雨过程有较强的预报能力。      

川渝地区两类西南涡形成前环境物理量场分析

利用地面自动站常规资料、探空资料和NCEP再分析资料,挑选了2009~2012年发生在27~33°N,105~110°E的25个有暴雨产生和25个没有暴雨产生的西南涡。通过再分析资料对两类系统形成前的环境物理量场进行对比分析,结果表明有无暴雨产生的西南涡形成前约6h的环境物理量场区别明显:在对流层低层,相对无暴雨产生的西南涡,有暴雨产生的西南涡强度、尺度及冷暖空气交汇更强,涡西北侧有一股较强冷空气侵入;在对流层中层,有暴雨产生的西南涡在上游有小槽存在,而无暴雨产生的西南涡不存在明显的波动小槽;在对流层高层,有暴雨产生的西南涡的涡中心位于南亚高压东北侧,高空急流在距离涡区北侧约500km处,而无暴雨产生的西南涡上空为强劲的高空急流,没有闭合的南亚高压形态存在。有暴雨产生的西南涡水汽输送和水汽汇聚量比无暴雨产生的西南涡更大;有暴雨产生的西南涡具有低层辐合、正涡度和高层负涡度、辐散的一致性叠置特征,而无暴雨产生的西南涡此特征不显著;有暴雨产生的西南涡的涡中心附近上升运动为大值中心,中心及西、南侧为中性或不稳定层结,而无暴雨产生的西南涡的涡中心不是上升运动大值中心,低层为中性层结。      

用冬季地气图预测河套地区春夏旱涝的初步方法

分析了河套地区9个测站1954-2005年春季(3~5月)和夏季(6~8月)降水距平百分率及对应的冬季地气形势,经对比分析地气形势可分为5种类型:(1)大涡型,(2)小涡型,(3)河套处于地热涡或地冷涡的东(西)边缘(东西相反型),(4)河套处于地热(冷)涡的南(北)边缘(南北相反型),(5)地气系统尺度很小(系统零乱型)。分析发现:“大涡型”最为稳定,河套春、夏季降水也是稳定的多或少(对大地热或冷涡);“小涡型”的稳定性不如大涡,但做夏季预测时可参考大涡型;“东西相反型”意味着河套地区在地热涡和地冷涡之间,可预测河套地区春夏季降水将是正常;当出现“南北相反”或“系统零乱”型时,预报准确率较低。     

山脉地形对热带风暴Fitow结构和运动影响的数值试验

热带风暴自东向西穿越琼州海峡时常常与海南西部的强天气相对应,尤其当风暴中心在海峡中部或海峡西端出口处有向西南方向的偏折时。Fitow(0114)是这类热带风暴的一个典型。通过对Fitow热带风暴的研究和分析,揭示了一个事实:Fitow在沿海峡西行过程中,其外围中尺度结构发生明显变化———风暴中心西南象限有一个中尺度对流(MCS)小涡生成和发展。受到这个诱生MCS小涡的“吸引”,Fitow在穿行海南岛北部和琼州海峡时,路径向西南方向偏折。数值模拟结果表明,海南岛中部的五指山地形对Fitow自东向西穿行海峡时的这种结构变化有显著影响:(1)当热带风暴Fitow(0114)自东向西穿过岛屿北部和琼州海峡时,其外围西北气流与山脉的辐合地带往往会诱生出中尺度强对流涡旋系统(MCS)。这种系统经过尺度分离和滤波处理后便会在山脉西北麓显现出来。(2)MCS小涡只生成在地形高度之下的大气层;地形高度之上并不显现这一小涡。用0高度作敏感试验的结果,在相同位置并不生成这种MCS小涡。(3)诱生小涡(MCS)的存在,对Fitow会产生“吸引”作用,使其向西南方向MCS所在处偏折。且MCS越深厚,维持时间越长,对Fitow中心的“吸引”程度越大,其中心向西南方向的偏折和移动越明显。0.0 km高度无MCS小涡时,Fitow中心并无这种偏折,而是向西北方向移动,在雷州半岛登陆。     

台风环流区域内中尺度涡量传播特征的研究

用一个高分辨率f平面直角坐标系的正压准地转模式,实施了10组积分时间为36 h的试验,研究了初始位于台风外区的一个中尺度涡旋与台风涡旋的相互作用。结果表明:这种相互作用可以激发一个从外区伸展到内区的较小尺度的涡旋对,以此方式将涡量内传至台风中心附近。同时,中尺度涡旋呈现涡量集中化的特征。涡量内传与涡量集中化共存,使内区涡量增多,导致台风增强。此外,在一定条件下,这种相互作用还可以使涡量带破碎和断裂,形成一系列空间尺度更小的涡块。     

2008年初中国南方低温雨雪冰冻事件的等熵位涡分析

利用等熵位涡理论对2008年初发生在我国南方的低温雨雪冰冻事件进行了诊断分析,结果表明,这次低温雨雪冰冻天气事件第一阶段的强冷空气主要来自新地岛以东洋面的平流层下部和对流层上部,从第二到第四阶段除了新地岛以东洋面外,还有来自北欧和拉普帖夫海、地中海的高位涡强冷空气补充。伴随着高层高位涡向南传播,高位涡气块在垂直方向强烈向下伸展、对流层顶动力异常,引起高位涡区气块旋转加强、正涡度增加及其前方低层正涡度的产生,而其后方,因绕高位涡中心气流沿等熵面下沉,地面高压迅速发展,低位涡气块则相反。过程期间,由于巴尔喀什湖高位涡中心和地中海高位涡主体(低涡)的存在和维持,孟加拉湾上空正相对涡度输送频繁,使得南支槽不断生消;而乌拉尔山低位涡带(高脊)和贝加尔湖高位涡中心(低涡)由于低、高位涡空气的不断注入,发生一次次的替换和发展,在引导冷空气持续南下与孟加拉湾北上的暖湿气流长时间在我国华南上空汇合的同时,还导致地面西伯利亚高压反复增强并分裂小高压数次南下,地面强冷空气不断补充,最终造成华南低温雨雪冰冻天气的长时间持续。     

塔克拉玛干沙漠腹地近地层春季铅直湍流的小波分析

利用塔克拉玛干沙漠腹地近地层10m高度处快速响应探测系统的湍流资料,对春季晴天和沙尘暴天气下不同稳定层结的铅直湍流脉动进行小波变化及其方差分析,以期了解铅直湍流的尺度结构特征。结果表明,不稳定层结条件下,春季晴天近地层的铅直湍流脉动以12—17S的周期为主,最小周期为1-1．5s;春季沙尘暴时最主要的周期则为6-10s,最小周期为0．4—0．6s。沙尘暴时不稳定层结的湍流尺度总体上小于晴天,较小尺度波动振荡更加明显,湍流运动比晴天更加频繁。稳定层结条件下,春季晴天以10—16S的周期振荡为主,最小周期为1．3-1．8s;春季沙尘暴则以11—20s的周期振荡为主,最小周期为0．5—0．8s。晴天稳定层结时的铅直脉动比沙尘暴时周期小,小周期的湍流运动更明显一些,但周期更小的波动在沙尘暴天气时则多一些。     

用连续子波变换提取城市冠层大气湍流的相干结构

切变湍流的相干结构是湍流研究中的重大发现,它表明湍流在表面上看来不规则运动中具有可检测的有序运动,这种相干结构在切变湍流的脉动生成和发展中起着主宰作用.因此识别和提取相干结构对于认识和研究湍流是非常重要的.用数字滤波法将包含相干结构的大尺度信号提取出来以后,再用子波分析,根据子波能量极大值的判别方法,分别确定出大气湍流三个方向上的速度脉动信号相干结构的频率或时间尺度,然后由确定尺度上的连续子波反演公式,提取出大气湍流三个方向上的速度脉动信号相干结构所对应的波形.     

Scale Properties of Anisotropic and Isotropic Turbulence in the Urban Surface Layer

The scale properties of anisotropic and isotropic turbulence in the urban surface layer are investigated. A dimensionless anisotropic tensor is introduced and the turbulent tensor anisotropic coefficient, defined as C, where \(C = 3d_{3}\,+\,1 (d_{3}\) is the minimum eigenvalue of the tensor) is used to characterize the turbulence anisotropy or isotropy. Turbulence is isotropic when \(C \approx 1\), and anisotropic when \(C \ll 1\). Three-dimensional velocity data collected using a sonic anemometer are analyzed to obtain the anisotropic characteristics of atmospheric turbulence in the urban surface layer, and the tensor anisotropic coefficient of turbulent eddies at different spatial scales calculated. The analysis shows that C is strongly dependent on atmospheric stability \(\xi = (z-z_{\mathrm{d}})/L_{{\textit{MO}}}\), where z is the measurement height, \(z_{\mathrm{d}}\) is the displacement height, and \(L_{{\textit{MO}}}\) is the Obukhov length. The turbulence at a specific scale in unstable conditions (i.e., \(\xi < 0\)) is closer to isotropic than that at the same scale under stable conditions. The maximum isotropic scale of turbulence is determined based on the characteristics of the power spectrum in three directions. Turbulence does not behave isotropically when the eddy scale is greater than the maximum isotropic scale, whereas it is horizontally isotropic at relatively large scales. The maximum isotropic scale of turbulence is compared to the outer scale of temperature, which is obtained by fitting the temperature fluctuation spectrum using the von Karman turbulent model. The results show that the outer scale of temperature is greater than the maximum isotropic scale of turbulence.     

Resolved-scale turbulence in the atmospheric surface layer from a large eddy simulation

Large eddy simulation has encountered difficulties in handling turbulence in the atmospheric surface layer due to deficiencies in sub-grid scale models. This paper addresses the possibility of resolving the turbulence in the upper part of the surface layer by a low-aspect ratio of grid spacing. Results show that resolved-scale shear stresses dominate over the sub-grid scale components so that effects due to the sub-grid scale model can be ignored in this region. The effects of the lower boundary condition on the resolved-scale turbulence in the upper part of the surface layer are discussed. It is concluded that the normalized mean velocity shear and resolved turbulence in the upper part of the surface layer are not affected by the specification of the lower boundary condition. In addition, the present work proposes a new independent model parameter, the Smagorinsky Reynolds Number (Re_SM), and demonstrates that this number determines the resolved turbulence in the upper part of the surface layer.     

Wind Gust and Turbulence Statistics of Typhoons in South China

The wind data of four typhoons were obtained and analyzed. The wind speeds were measured by sonic anemometers at four observation sites in Guangdong and Hainan provinces. Detailed analysis of the wind data was conducted to investigate the turbulence characteristics of the typhoons. Characteristics of the gust factor and the turbulence integral scale of the typhoons were concluded with high confidence. The relationships among the gust factor, gust duration time, mean wind speed, roughness length, and turbulence intensity were described. The turbulence integral scale was found to be closely related to the segment length and turbulence intensity.     

PBL similarity profiles determined from a level-2 turbulence-closure model

A diagnostic model for the determination of similarity profiles of turbulence and mean-wind gradient in the planetary boundary layer is developed. Vertical profiles of a turbulence length scale and the flux Richardson number are formulated through the extension of the relationships for the constant flux layer. These profiles together with a turbulence energy equation and a similarity profile empirically determined for heat or momentum flux are used to compute the turbulence energy. Relationships previously derived from a turbulence closure model are used to compute second moments of turbulence.     

湍流不同尺度间的相互作用

湍流是由各种不同尺度的涡旋构成的。从整体上讲,存在Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ导得的惯性区结构函数的２／３次方定律和能谱的－５／３次方定律。这种幂律相关的湍流是由每种尺度上指数相关的局部相似的Ｂｒｏｗｎ运动所构成,从而从理论上解释了不同尺度之间的相互作用以及湍流系数Ｋ随尺度变化的规律,初步论证了大气不同层结下湍流系数的差别。结果对研究大气、海洋不同尺度间的相互作用有重要意义。     

Experiments on integral length scale control in atmospheric boundary layer wind tunnel

Accurate predictions of turbulent characteristics in the atmospheric boundary layer (ABL) depends on understanding the effects of surface roughness on the spatial distribution of velocity, turbulence intensity, and turbulence length scales. Simulation of the ABL characteristics have been performed in a short test section length wind tunnel to determine the appropriate length scale factor for modeling, which ensures correct aeroelastic behavior of structural models for non-aerodynamic applications. The ABL characteristics have been simulated by using various configurations of passive devices such as vortex generators, air barriers, and slot in the test section floor which was extended into the contraction cone. Mean velocity and velocity fluctuations have been measured using a hot-wire anemometry system. Mean velocity, turbulence intensity, turbulence scale, and power spectral density of velocity fluctuations have been obtained from the experiments for various configuration of the passive devices. It is shown that the integral length scale factor can be controlled using various combinations of the passive devices.     

城市街渠大气湍流结构的小波分析

利用小波分析方法对城市街渠大气湍流场特征进行了初步研究，发现小波变换能够很好地揭示湍流的串级结构和多尺度结构。结合Fourier分析对湍流中不同尺度涡旋对能量的贡献进行了比较，发现噪声能量主要集中在高频处。     

多尺度大气湍流的扩散及扩散率

本文首先将大气湍流多尺度化,而将不同尺度的脉动量的Monte Carlo关系转换为Lange-vin方程,在平稳及均匀条件下可得一高阶常系数Lagrange自相关函数的常微分方程。其通解恰为一组衰减实指数函数的线性组合,系数为各尺度湍能对总湍能的比。以此可通过Taylor积分对野外实测扩散参数作出尺度分解。并可方便地将扩散参数表达为湍流参数的函数使其物理意义明确。