初始扰动垂直结构对热带斜压大气半地转适应过程的影响

文中利用一个半位势涡度时间不变式对热带斜压大气地转适应过程中的尺度准则进行了研究。结果表明 :对深厚系统而言 ,只要初始扰动的纬圈特征尺度足够大 ,则不论其初始扰动的经圈特征尺度多大 ,适应后的压力场的变化都很大 ,而纬圈流几乎维持不变 ,压力场向纬圈流适应 ;至于浅薄系统 ,对纬圈和经圈特征尺度都很大的初始扰动而言 ,适应后的压力场易于维持 ,主要是纬圈流向压力场适应 ;但当初始扰动呈现出纬圈型扰动特征时 ,适应后的压力场变化也很大 ,压力场向纬圈流适应     

台风Morakot(2009)暴雨中关键尺度位涡的诊断分析

采用二维小波变换方法对格点分析资料进行多尺度分解,诊断分析台风Morakot(2009)登陆福建省霞浦市过程中位涡的多尺度特征。在此基础上,讨论了多尺度位涡正压项通量散度对位涡正压项局地变化的贡献。研究结果表明,在此次台风登陆过程中位涡主要包含第4、5关键尺度(理论波长范围为96.4~160.67 km)动力扰动和第3、4关键尺度(理论波长范围为64.27~128.54 km)热力扰动的综合信息。由于关键尺度位涡正压项的强度大于斜压项,因而位涡主要体现了第4、5动力尺度垂直涡度与第3、4热力尺度广义位温垂直梯度的耦合作用。第4、5动力尺度西南扰动气流为台风暴雨提供充足的水汽供应,在台风环流西北侧产生低层辐合、中高层辐散,为强对流系统的发生提供有利动力条件。第3、4热力尺度的广义位温扰动一方面增加降水区大气湿斜压性,另一方面在降水区低层形成位势不稳定,为强对流的发展提供潜在不稳定能量。位涡正压项方程强迫项的分析表明,关键尺度位涡正压项通量输送对位涡正压项局地变化有一定贡献,影响位势稳定度的变化。在台风登陆后,关键尺度位涡及位涡正压项通量散度都有所减小,使得垂直涡度和位势稳定度的变化趋缓。     

低纬斜压两层模式大气半地转适应过程

利用斜压两层模式研究了赤道平面近似下的低纬热带大气适应过程。指出低纬斜压大气适应过程主要受重力惯性内波控制。通过重力惯性内波对初始非地转能量的频散，使纬向运动达到地转平衡，而经向维持非地转运动，正压模式下称为半地转平衡，斜压模式下称为半热成风平衡。通过对垂直运动方程的求解，可知，垂直运动只与重力惯性内波相联系，其产生与初始斜压位涡度无关，而只与初始时刻的垂直运动和垂直运动倾向有关，半地转适应使运动趋向水平运动。讨论了半热成风平衡的建立及其物理机制，指出由于重力惯性内波激发出垂直运动，与垂直运动相联系的水平辐合辐散调整流场和温度场之间的关系，使温压场最终达到半热成风平衡。通过对适应过程终态的分析，指出平均温度场和切变流场之间的适应方向决定于初始非半地转扰动的尺度与斜压Ｒｏｓｓｂｙ变形半径有关的特征尺度的比值，当比值大于１时，切变流场向平均温度场适应；当比值小于１时，平均温度场向切变流场适应     

簡单斜压大气中热成风的建立和破坏(一)

本文第一部分利用两层模式討論了热成风的适应問題.如果起始非热成风流場的热成风涡度大于溫度場的热成风涡度时,促使上升运动加强,反之,促使下沉运动加强。对于250—750毫巴之間的斜压系統,适应的特征尺度L_0,是决定流場向溫度場調整,还是溫度場向流場調整的临界水平尺度。 第二部分根据溫度場和流場的平流作用,分析了非热成风产生的机制.并由热成风适应速率和破坏速率的对比,討論了准地轉运动和非地轉运动的形成。 最后,用热成风不断破坏和建立的观点和方法,分析了长波斜压不稳定发展的过程,并进一步揭示了它的物理本貭。     

大气湿位涡影响夏季江淮降水异常的机理分析

利用欧洲中心再分析资料(ERA-40)中1958-2001年气象场资料(世界时00时),分析了降水异常年850 hPa湿位涡及其分量差异的原因.结果表明,降水异常年湿位涡和湿位涡正压部分的差异主要是由水汽的垂直分布差异引起稳定度的变化所致,而相对湿位涡和湿位涡斜压部分的差异,分别主要是由垂直涡度及纬向风的垂直切变和暖湿气流的经向切变所致.另外,还利用湿位涡的正压部分和斜压部分讨论了江淮夏季850 hPa大气性质的变化,结果表明,近50年来,大气对流不稳定减弱,而斜压不稳定增强.     

正、斜压涡度拟能相互作用对乌拉尔阻塞过程的影响

研究表明,正压涡度拟能的增强和减弱是乌拉尔山上空阻塞过程的重要特征,正压涡度拟能增强的主要机制是斜压涡度拟能向正压涡度拟能的转换,而斜压涡度拟能的来源则是阻塞区外斜压涡度拟能向阻塞区的净输送和阻塞区内斜压涡度拟能的净生成。正压涡度拟能减弱的主要机制足耗散机制和β效应。因此。阻塞过程是正、斜压涡度拟能相互作用的结果。纬向斜压风对斜压涡度的输送在阻塞的维持和崩溃中具有重要的作用,经向斜压风对斜压涡度的输送在阻塞环流的建立中具有重要的作用,经向正压风对正压涡度拟能的净输送和斜压风对涡度拟能的净输送也具有重要贡献。     

旋转大气中运动适应过程问题的研究(一)

关于旋转大气中运动的适应过程的各方面问题的研究,至今已获得了许多结果,本文试图作一全面的评述。全文分六个部分,本期发表前三部分,包括弓信、正压大气和斜压大气局地扰动的情况,讲述地转适应过程和演变过程的可区分性、小扰动线性化方程情况的地转适应过程和非线性完全适应过程、地转适应过程和演变过程的相互作用、多时间尺度现象、近赤道地区扰动演变的特点、初始场水平尺度和垂直结构的影响、科氏参数变化的影响、能量弥散过程以及静力平衡适应、热力因子和摩擦的影响等问题。其余三部分将在下期发表。     

相当正压性的形成

本文利用一个两层斜压准地转模式对形成相当正压性的物理机制进行了数值实验。结果指出:在对流层内初始等厚度线和等高线有明显交角的斜压扰动,将通过绝对涡度平流的非线性作用,在数天时间内就达到等厚度线和等高线近于平行的状态.这样就形成了大气的相当正压性。进一步的试验表明,β效应对于形成相当正压性起到了十分重要的作用。     

《数值预报新讲》

该书为日本岸保勘三郎著,1972年9月第四版。全书共十一章:数值预报的进展,大气中的扰动,正压大气,客观分析,大气的三度空间结构,低压的发展,斜压大气,考虑了水汽的预报,用多层模式作72小时预报,以及大气扰动的尺度。     

环流调整机制的动力学剖析

本文从基本方程出发,求得并讨论了层结参数方程和位势涡度方程。从位势涡度方程可以看出:①绝热无摩擦大气运动中的位涡守恒仅在正压条件下或者在地转平衡条件下才能成立;②在无摩擦大气运动中,绝热假定同热流量垂直方向按A_0(x、y、t)ρ~(R/C_ρ)分布在正压或满足地转平衡条件下是等效的;③位涡从不守恒到重新守恒的过程,即动力激发数M→0的过程是斜压地转偏差产生和热流量输送改变的过程。这种过程我们称之为动力激发适应过程。 通过对上述过程的讨论,我们进一步探讨了环流调整(包括斜压地转偏差的产生和适应)的机制和条件。由于斜压地转偏差的产生同适应过程一样是快过程,因此环流调整是一个快过程。当R=U/fL和中够小时,容易发生环流调整。 最后我们还讨论了大气运动的动态平衡的破坏和建立。指出:斜压地转偏差的产生是在位涡不守恒情况下产生的,而地转偏差的适应却是在位涡守恒的情况下进行的;环流调整时间是同天文潮汐力场转折性变化和热流量分布的转折性变化时间是同步的。     

斜压性与非线性Ekman抽吸的动力特征

本文利用Ekman动量近似研究了斜压性对Ekman层动力学的影响,得到了一些新的结果。大气斜压性对Ekman层的水平风速分布及近地面的风速矢的水平分量夹角有重要的改变作用。斜压边界层顶部的非线性Ekman抽吸(垂直运动)由三个不同的物理因子决定,第一、正压性的地面地转涡度,第二、斜压性作用产生的热成风涡度,第三、正压性的地面地转涡度与斜压性的热成风涡度的非线性相互作用。这些理论结果为边界层的参数化及数值模拟结果的解释提供物理基础。     

摩擦和非线性对斜压初始扰动发展的影响

通过一个二维非线性斜压Eady波模式,讨论了斜压系统中初始扰动快速发展的动力学机制.由于斜压切变气流存在,其对扰动位涡的平流作用可引起初始扰动位涡的"位涡非屏蔽"(potential vorticity unshielding),导致线性系统初始扰动的快速增长.摩擦作用主要通过耗散局地扰动位涡,改变扰动位涡异常结构,特别是水平方向的位涡异常分布,从而减弱初始扰动位涡的"位涡非屏蔽"作用,抑制系统初始扰动动能的快速增长.非线性作用可以抑制较大振幅扰动的增长,同时引起扰动位涡异常丰富的垂直结构产生,导致初始扰动位涡的"位涡非屏蔽"的减弱,从而抑制初始扰动的快速增长.不同的初始扰动结构,可以产生不同的扰动位涡异常结构,相应存在不同的"位涡非屏蔽"作用,导致初始扰动的快速增长过程不同.位涡异常水平结构为"正负正"或"负正负"分布时,有利于初始扰动的快速增长,而上下层异号的扰动位涡异常在垂直方向间隔的距离越大,越有利于初始扰动的快速发展,这些结果进一步深化了对"位涡非屏蔽"的理解.     

试用湿斜压大气不稳定理论对一次西南低涡迅速发展的分析和探讨

应用斜压大气不稳定理论解释中高纬气旋的发生发展效果显著。而对于西南低涡这类水平尺度一千公里左右暖湿的次天气尺度系统就不完全适用。谢义炳教授指出,湿斜压大气不稳定,能使扰动波长缩短。本文试用湿斜压大气不稳定理论,对1977年7月16—22日一次西南低涡扰动迅速发展进行分析和探讨。     

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.     

东北低压爆发性发展过程的诊断分析

本文对一次东北低压的快速强烈发展过程做了扰动动能、扰动有效位能及涡度收支平衡分析。结果表明:1.气旋爆发性发展前后,扰动动能的产生项变化剧烈,是主要的扰动动能源。气旋爆发性发展前期,以斜压过程为主,而在爆发期,由正压过程制造的扰动动能也有大量增加,同样是不可忽视的,且这时扰动动能通过系统边界与外界的交换很小。2.扰动有效位能在气旋强烈发展前有大幅度增长,由潜热释放造成的扰动有效位能的产生数值很小,平均有效位能向扰动有效位能的转换是扰动有效位能的主要来源。3.在气旋的爆发期,对流层中层及上层的涡度变化最为显著,涡度平衡中,散度项对对流层中下层正涡度的增长贡献最大,而网格尺度及次网格尺度的垂直输送项和涡度平流项对中上层正涡度的迅速增加有着重要意义。     

斜压大气中飑线的非线性过程与K-dV方程

本文从理论上证明斜压非静力平衡大气中飑线的形成与演变和正压大气中一样可以归结为一类由K-dV方程所描述的大气孤波.讨论了在具有垂直切变的基本气流中这类孤波的结构特征,并与观测事实作了对比.当沿着低空急流出现有限宽度的初始扰动时,这种孤波可以被激发出来.当扰动的强度与宽度达到一定值时,还将形成一种孤波队列.这正是大气中所观测到的飑线或雷雨列队现象.     

热带大气运动的长波和超长波(一)

对热带干大气运动的长波、纬向超长波(纬向扰动尺度L_1～10~4公里,经向扰动尺度L_2～10~3公里)和经向超长波(L_1～10~3公里,L_2～10~4公里)进行了尺度分析,得到了适合这些运动的近似方程。对于纬向超长波,与长波的情况一样为正压无辐散运动;但在经向超长波时,则涡度方程中存在辐散项,这一结果与Matsuno得到的在热带存在Rossby波和惯性-重力波混合的情况是一致的。同时,在存在基本气流切变的情况下,对线性化扰动方程进行了频率分析,结果指出,当n≥1时,Rossby波和惯性-重力波是可分的;当n=0,而纬向尺度L_1～1000公里时,存在混合Rossby-重力波,这就证实了上述尺度分析的结果是正确的。于是,把尺度分析的结果与热带波动运动中Rossby波和惯性-重力波是可分的或混合的特性统一了起来。     

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     

地形对地转适应和锋生的影响

作者的目的是分析地形对由于热力差异所引起的局地锋生现象和地转适应过程的影响．为此，分别用零位涡流和均匀位涡流来近似代替实际大气，并借助位涡、绝对动量、位温的守恒关系，就地形对适应锋生和适应过程中能量转换等问题进行了简单讨论。初始位温扰动的水平分布及其相对于地形的位置对适应锋生有重要影响。当初始热力扰动主要位于地形迎风坡山脚时，地形不利于锋面形成，这时要形成锋面不连续，初始位温梯度的水平变化必须非常显著；当初始热力扰动主要位于山顶附近时，地形促进流体运动的辐合，有利于锋面不连续的形成，这时即使初始位温梯度的水平变化不是很大，也可能会形成锋面；当初始热力扰动主要位于背风坡时，地形是否有利于锋面不连续的形成取决于流体的层结情况，如果流体的基本层结很弱，地形促进锋面不连续的形成，反之，地形不利于锋面不连续的形成，这种差异主要是由于在这两种情况下，地形引起的下沉增温效应的强弱是不同的。另外，地形对地转适应过程中动能和位能之间的能量转换率也有影响，与没有地形的情况相比，当初始热力差异显著区位于迎风坡时，能量转换率减小，当不平衡场位于背风坡时，能量转换率增加，原因是在迎风坡流体要克服重力作功，在背风坡重力对流体作正功。     

纯斜压基流上斜压波的发展和锋生过程

利用地转动量近似和水平坐标变换建立的三维半地转方程,讨论了具有均匀位涡的基态流上非线性斜压扰动的发展和锋面的形成过程。计算结果表明,对于纯斜压流,斜压波的发展既取决于初始扰动,也与基流的垂直切变有关,垂直切变越大,斜压波增长越快。不同的基流.扰动有不同的增长率。对于某个确定的基流,斜压波在各个时刻的特性仅取决于初始扰动。斜压扰动发展到一定程度,形成大的风速和等温线密集区,即产生锋。