大气中粘性效应对三维地形波及其波动阻力的影响

采用两层大气模式, 通过引入瑞利摩擦系数来定性描述大气中粘性机制, 讨论了粘性效应对三维简单地形波及其波动阻力的影响。结果表明,无论低层大气为稳定层结还是不稳定层结, 大气中粘性的存在将减弱地形波的强度, 减小其产生的波动阻力     

三维地形的波动阻力

该文采用２层模式得出３缩简单地形引起的波动动量能量的解析表达式，解析解表达了边界层上部稳定大气中层结和风速对波动阻力的影响，同时也表达了地形非各向同性的作用。     

对流边界层中过山气流的数值模拟

采用ARPS4.0非静力中尺度气象模式模拟了对流边界层中气流过山引起的地形波,讨论了地形及大气条件改变对其的影响.模拟表明,当大气边界层是对流边界层时,气流过山引起的地形强迫,仍能在上部稳定层结中造成足够的垂直扰动,产生向上传播的重力内波,重力内波引起的波动阻力仍不可忽略.     

二维地形的地形阻力

讨论了在上部稳定层覆盖的不稳定大气边界层中,二维地形扰动所引起的上层波动以及扰动速度的动量通量输送,表明在大气低层层结不稳定时,波动仍可能在大气动量平衡中起明显作用。     

二维波状地形上的流场

在一个简化的二层模式中，求解大气波动方程，得到了二维波状起伏地形上扰动流线的分析解。研究了在上、下两层大气中，不同的温度廓线和风速廓线情况下，地形引起扰动的流场形式，同时讨论了支配扰动振幅的大气因子和地形特征。分析解的结果表明:若大气低层为深厚的不稳定层，地形引起的波动很微弱;如低层大气强稳定，上层大气弱稳定，则可能产生较强的波动;而当上层稳定度增加时，可产生非陷波，有利于高层动量下传，造成较大的地面风速。     

不稳定边界层下地形重力内波

水槽实验及线性理论研究表明,当低层大气处于近中性或不稳定时,如果地形引起的动力扰动足够强,地形扰动可在上部稳定层结中激发出重力内波,波动反过来影响低层流场,引起动量输送。低层大气处于近中性或不稳定时,地形波同样对大气运动可产生波阻,这应引起模式工作者的重视。最后讨论了大气粘性对中性或不稳定层结下地形波的影响。     

边界层低空急流的数值研究

本文利用稳定层结条件下的二维夜间边界层模式,研究了自由大气中的波动及热力稳定度对夜间低空急流的发展演变的影响问题,从而初步研究了自由大气中的波动对边界层大气的反馈作用。指出了自由大气的波动对于大气边界层结构有相当大的影响,对边界层低空急流影响明显。     

地形引起的重力内波的水槽实验

利用不同密度分层的盐水模拟稳定层结大气条件 ,在水槽中成功地模拟了两层大气分层流中二维山脊引起的地形波 ,得到的波动图像与线性理论模式结果在定性上基本一致     

对流云街激发的重力波和波动阻力

大气边界层中的对流活动,可以在其上部稳定层中激发出重力波,并引起垂直动量输送,影响到对流层和平流层中的动量平衡过程.从二层模式中大气波动方程的线性解出发,得出了对流云街激发的重力波波阻解析表达式,并讨论了大气条件对波阻的影响.这些分析可有助于大气环流模式(GCM)中此类重力波波阻参数化表达式的建立和改进.     

大气边界层湍流温度序列的信息熵分析

利用大气边界层内近地面的大气湍流温度时间序列，运用功率谱分析、信息熵分析等方法，分析了大气边界层内近地面的大气湍流特点，并对稳定层和不稳定层的大气湍流进行了对比。结果表明，信息熵和功率谱指数是区别稳定层结和不稳定层结大气边界层湍流特征的指标，对造成两者之间的差别做出了对应的解释。     

条件不稳定湿大气中三维理想地形上空对流的动力学特征

条件不稳定湿大气情况下,气流经过三维地形可以形成不同性质的对流系统以及不同特征的地形流结构,其对流系统、地形流的性质主要取决于地形上空的对流触发、对流-地形流-重力波三者之间的相互作用,同样这些过程对于地形降水的性质、分布起重要的作用.根据不同湿Fr数(Froude number),湿条件不稳定大气经过三维小尺度山地上空时其对流和地形流动存在4种不同的流域(flow regirnes):(1)下游传播对流模态;(2)上游传播和下游传播共存对流模态;(3)山峰附近准静止和下游传播共存对流模态;(4)下坡稳定和下游传播对流共存模态.地形上空对流系统主要可以通过两种不同机制形成:(1)地形直接的抬升或减速作用;(2)在地形流形成后,由于地形流本身特性(如上游分离、背风涡旋和下坡重力波破碎)触发.在较大的Fr数情况下,地形上空对流生成后反过来可以破坏上、下游的地形流结构,但对背风坡的重力波破碎影响较小.不同初始对流有效位能(CAPE)不仅可以影响对流系统的传播、发展,而且可以影响整体地形流性质.较低的初始CAPE有利于地形流的形成,此时对流对地形流结构特征的影响相对较小,其流场性质与低Fr数流域性质相似.     

水汽空间分布对大气船舶重力波影响的数 值试验

利用中尺度数值模式ARPS模拟研究了水汽在山脉重力波和大气船波的产生和演变中的作用。研究发现水汽和非绝热效应对大气船波的影响与水汽的空间分布有关,大气船波的产生和演变对水汽的空间分布具有极端的敏感性,在一定条件下水汽的引入有可能减少大气船波的活动。对于3层模式结构的气流过山而言,如果初始的水汽分布在中层大气,则水汽和非绝热效应对大气船波的影响较小,而如果初始的水汽分布在中下层大气,则引入水汽后减少了大气船波的强度,但是如果初始的水汽分布在整个模式大气层,则水汽的引入减少了大气船波的活动。     

钟形地形动力抬升和重力波传播与地形云和降水形成关系研究

地形云和降水过程在区域水循环、水资源、生态环境及气候变化中具有十分重要的作用。本文利用中尺度数值模式WRF 数值模拟试验,以及通过引入表示大气层流速度、层结稳定度和地形特征的关系参数——湿Froude 数(F_w),研究了北京2009 年5 月1 日湿条件不稳定大气层结下,地形云和降水形成过程与地形动力抬升和地形重力波传播之间的关系及形成机理。研究表明,在地形最大高度2 km、半宽10 km 的条件下,层流速度从2.5 m/s 逐步增加到25 m/s 时,对应的湿F_w 数从0.19 增加到1.81。当F_w≤1 时,地形的阻挡起主要作用,由地形抬升形成的地形云主要产生在迎风坡一侧。地形重力波主要产生在迎风坡,并向上游传播,先形成层状云,最后演变为准稳定浅对流波状云。最大降水主要发生在紧靠山顶的迎风坡一侧,但当F_w 很小时,地形云不产生降水。当F_w>1 时,地形抬升形成的云主要发生在山顶附近,而地形重力波主要形成在背风坡,并向下游方向传播,形成准稳定波状云。最大降水主要产生在紧靠山顶的背风坡一侧。另外,在弱湿条件不稳定大气层流下,地形降水主要由地形动力抬升造成的暖云微物理过程产生,地形重力波形成的波状云几乎不产生降水。     

三维非静力平衡大气中平行切变流上重力内波的不稳定及半椭圆定理

本文应用守恒型非弹性模式研究了三维非静力平衡大气中平行切变流上重力内波的不稳定，推广了Miles定理和半圆定理，得到了有限深度气层的半椭圆定理。该定理指出不稳定波的复波速被限制在相速复平面上一个内接于霍华德（Howard）半圆的半椭圆内。该半椭圆长轴重合于半圆的直径，而短轴则取决于最小Ri数、波长、波宽等因素。     

洱海盆地一次冬季大风演变特征及其机制模拟分析

利用WRF模式耦合Noah陆面模式和CLM湖泊模式,对2015年1月23日大理地区洱海盆地的大风天气进行模拟,对大风的发展期、强盛期和减弱期的三维动力热力结构特征进行分析,并得出了洱海盆地大风形成机制:在洱海盆地大风发展期,高空以西风为主,盆地中部上空1km高度处出现局地小气旋,地面以偏东风为主,高空偏西气流翻越苍山形成波动扰动,在背风坡侧形成空腔区和二次涡,低层形成了波不稳定区域,波不稳定区域发生波破碎,波破碎区域湍流运动活跃,把上层的能量往下传播。大风强盛期,盆地南北侧高空为两支西风气流控制,中部变为弱的辐散场,造成高空扰动,苍山东侧近地面浅薄逆温层消失,低空逆温层之上温度廓线几乎垂直上升,大气层结处于不稳定状态,有利于高空动量向下输送。大风减弱期,高空西风减弱,扰动消失,湍流动能耗散,地面风速逐渐减小。     

Surface pressure distribution and pressure drag on mountains

Summary A mesoscale numerical model is used to compute the different components of the pressure drag on mountains, i.e.: form drag, wave drag, hydrostatic drag, and total pressure drag, for stable stratification. The Froude number is chosen so that non-breaking lee-waves evolve.The paper explains how the different parts of the drag are computed from the numerical results and how they form part of the horizontal momentum budget.For a single mountain the drag from the evolving stationary solution is compared to the wave drag from linear inviscid theory. Wave drag turns out to be about one third of the value expected from linear theory, and nonlinear interaction between wave and form drag is found. Wave drag is responsible for about 75% of the total drag if blocking is negligible.For two obstacles with varying distance the wave drag in the stationary solution varies between 5% and 30% of the value from linear theory due to partial cancellation between the lee-waves from the two mountains.Finally in an instationary simulation the passage of a cold air mass over a mountain and the respective drag components have been computed. 1500 m above the crestline of the obstacle wave drag is only 10% to 30% of the total drag.From the present results it seems realistic that wave drag from ALPEX experimental data was only a few percent of the value expected from the surface pressure distribution and from linear theory.With 7 Figures