台风涡旋螺旋波及其波列传播动力学特征：诊断分析

运用台风移动涡旋影响域统计分析动态区域序列概念，采用 3个目标台风卫星TBB资料 ，对台风螺旋云带波列结构特征进行了功率谱合成分析。研究结果揭示出台风涡旋中心与周 边区域对流云的相关场呈螺旋带波状特征；台风影响域螺旋波亦表现出显著次天气、中尺度 波动特征，其波动周期尺度及其传播相速可类似重力内波与涡旋Rossby波，即周期呈双峰特 征，为大于6h与24h左右时间尺度；螺旋波高、低空流型特征与台风的维持、发展结构特征 相关；扰动TBB场时间偏差分布呈类似涡旋Rossby波螺旋波列，其波列路径与涡 旋Rossby波传播特征相似，并提出了台风涡旋螺旋波结构模型。     

旋转流体中的二维惯性重力波-涡相互作用

本文利用f-平面浅水模型讨论了二维情况下快速惯性重力波与平衡涡旋之间的相互作用问题.当快速的惯性重力波传入涡旋区域后，波－涡之间发生了相互作用，涡旋可被加深，涡旋区域的风场等可以出现非对称分布，当惯性重力波全部传出涡旋区域并远离之后，涡旋恢复到其初始状态，但此时惯性重力波可以出现非对称结构，这与一维情况不同.在波－涡发生相互作用过程中，其物理量变化的最大区域分布基本与波动传播方向一致，在波动进入或移出涡旋时，相对应存在两个最大物理量变化区域，此外，相互作用导致的物理量的最大变化与波动结构、强度、传播方向以及涡旋特性有关.非线性条件下的波－涡相互作用要强于线性过程.     

非对称型强飓风中的准平衡流特征分析

本文在论述飓风发生发展生命史过程中平衡、准平衡和非平衡态动力学特征的基础上,应用PV-ω方法,对具有非轴对称和长时间强度维持特征的飓风Bonnie（1998）进行了反演诊断分析,结果表明：基于非线性平衡模式的平衡流能够描述飓风水平涡旋场的基本特征,而加入准平衡ω方程得到的准平衡流能反映边界层入流、高层出流、眼墙区的剧烈倾斜上升运动和眼心区域的下沉运动.准平衡流描述了具有较长生命史组织化过程的强对流系统,而与其相联系的辐散运动与涡度同量级,证明了飓风准平衡流场具有涡散运动共存的特征,但在边界层顶的入流急流区和高层出流区仍存在高度非平衡态的超梯度流.利用反演的准平衡流场分析发现,当由环境风场低层到高层存在顺切变时,飓风内中尺度对流带移动方向的左侧,有利于强对流单体的发展和新对流单体的形成,右侧则相反,同时强气旋式旋转流场的作用,使得对流单体形成后随基本气流传播至对流减弱区,造成了飓风非对称结构的形成和维持.     

台风“梅花”诱发平流层重力波的数值模拟与AIRS观测

为了分析台风这类强对流诱发平流层重力波的过程,本文利用中尺度数值模式WRF-ARW(V3.5)和卫星高光谱红外大气探测器AIRS数据对2011年第9号强热带气旋"梅花"的重力波特征进行了分析.首先,针对模式输出的垂直速度场资料的分析表明,台风在对流层各个方向上几乎都具有诱发重力波的能量,而在平流层内则呈现出只集中于台风中心以东的半圆弧状波动,且重力波到达平流层后其影响的水平范围可达1000km.此外,平流层波动与对流层雨带在形态、位置以及尺度上均具有一定的相似性.其次,对风场的分析结果表明,不同高度上波动形态的差异主要是由于重力波垂直上传的过程中受到了平流层向西传的背景风场以及风切变的调制作用,揭示了重力波逆着背景流垂直上传的特征.随后,基于FFT波谱分析的结果表明,"梅花"诱发的平流层重力波水平波长中心值达到了1000km,周期在15~25h,垂直波长主要在8~12km.最后,利用AIRS观测资料分析了平流层30~40km高度上的大气波动,得到了与数值模拟结果相一致的半圆弧状波动.对比结果也验证了WRF对台风诱发平流层重力波的波动形态、传播方向、不同时刻扰动强度的变化以及影响范围的模拟效果.此外,也揭示了多资料的结合对比有助于更加全面地了解台风诱发平流层重力波的波动特征.     

论不同模式大气中的静力适应过程

为了研究大气静力平衡适应过程的本质，利用波动理论和能量转换角度，分别对完全可压缩的等温大气模型、滞弹近似下的等温大气模型和层结中性大气模型进行研究比较.结果表明：大气静力平衡适应过程的本质是声波和混合声重力波对扰动能量的频散过程，滞弹近似模型和层结中性模型均不能完全描述此适应过程；在波动假设下，此三类大气模型中扰动物理量之间的偏振关系同波动的性质有关，气团的运动方程均为椭圆方程，声波和混合声重力波对气团运动的作用差异较显著.
大气静力平衡适应过程中扰动能量以有效势能、有效弹性势能、动能或波动能量的形式存在并相互转换；扰动有效势能与其他形式能量之间的转换与混合声重力波或者重力内波有关，扰动有效弹性势能与其他形式能量之间的转换与声波有关.在完全可压缩的等温大气模型中，扰动有效势能增加1个单位，其中69.9%来自扰动垂直动能，其余30.1%来自扰动有效弹性势能.     

热带斜压大气的适应运动和发展运动

研究了热带斜压大气中的适应运动和发展运动 .当以重力惯性波为特征的适应过程基本完成后 ,运动进入缓变的发展或演变阶段 .发展运动可以是纬圈半地转平衡的 (即长波近似的Gill模式 ) ,也可以是经圈半地转平衡的 (短波近似 ) .分析了这两种半地转发展模式的特点后 ,提出了低频近似的发展模式 .在低频动力系统中 ,包括了除重力惯性波外 ,由Mastuno指出的所有热带基本运动 ,即Kelvin波、Rossby波和混合波中的Rossby短波 .因此 ,这个模式能反映热带运动更多的动力学行为 .     

基态位涡径向分布对浅水涡旋系统动力稳定性的影响分析

本文基于正压浅水模型，分析基态位涡（Potential Vorticity：PV）结构对热带气旋（Tropical Cyclone：TC）类涡旋系统稳定性及其波动特征的影响.通过引入基态PV结构参数：宽度δ（眼墙内外边界涡度发生陡变的半径长度之比）和中空度γ（眼心相对涡度与内核区域平均相对涡度之比），设计具有相同基流最大切向风速和最大风速半径的170组不同基态PV环结构的敏感性试验，并讨论了不同基态PV结构下涡旋系统最不稳定波数（the most unstable wavenumber：MUWN）和系统最不稳定模态（the most unstable mode of System：MUMS）的特征频率及其不稳定增长率的大小.结果指出：当PV环较宽，系统表现为低波数最不稳定，相应的MUMS为低频波且增长率小；当PV环较窄，系统表现为高波数不稳定，且PV环越实最不稳定波数越高；当PV环窄且空时，MUMS均为中高频波动，且不稳定增长率随PV环的宽度变窄和中空度变空而明显增大.分析典型PV结构下系统演变特征可知，当PV环较宽，MUMS表现为具有平衡约束的低频波动的线性不稳定特征；当PV环趋向窄且空时，MUMS的平衡性约束趋向弱化，同时不稳定增长表现为明显的指数型增长.进一步讨论系统内部非对称结构的形成和传播机制发现，对于弱不稳定的PV环来说，低波数波最不稳定的特征波动具有典型涡旋Rossby波特征；而对于强不稳定的PV环来说，高波数不稳定的特征波动混合波性质明显.     

弹性波传播中由微结构相互作用导致的尺度效应分析

相比于传统弹性波动方程,非对称弹性波动方程增加的独立自由项,包含有介质特征尺度参数.基于非对称弹性波动方程,可以分析弹性波传播中,由介质内微孔缝隙结构相互作用所导致的地震波传播尺度效应.本文从介质应变能密度函数出发,并结合几何方程和平衡方程,给出修正偶应力理论下的非对称弹性波动方程以及对应的非对称SH型横波波动方程的数学表达式,并在三层煤层模型上进行数值模拟,将检波器分别设置在地表和煤层中线,通过改变介质特征尺度参数值,合成地震记录,研究分析弹性波传播中,由介质内微孔缝隙结构相互作用所导致的尺度效应,对地震记录的影响及规律,并得出以下结论和认识:(1)非对称弹性波动方程模拟的弹性波传播表现出明显的尺度效应;(2)地震记录需要考虑介质内部多尺度的微孔缝隙相互作用的影响.     

风的垂直切变对滞弹性大气中静力适应过程的影响

本文基于描写滞弹性大气静力适应过程的线性方程组，从波动频散关系、气团运动规律和能量转换的角度出发，研究了水平基流及其垂直切变对该模式大气静力适应过程的影响.构造四种水平基流垂直分布模型进行比较，分别为常数型、线性切变型、反气旋切变型和气旋切变型，得到结论：（1）具有重力波性质的波动是滞弹性大气静力适应过程中扰动能量传播的方式，当垂直折射指数大于零时，基本气流及其垂直切变的存在，不仅改变了波动频率的大小，而且改变波动传播的方向；（2）在静力适应过程中气块的运动轨迹呈椭圆形，水平基流及其垂直切变影响椭圆的扁率，同时也影响扰动物理量之间的偏振关系；（3）水平基流的垂直切变是扰动能量和水平基流能量发生转换的媒介，当存在垂直向上的动量输送时，正的垂直风切变对应扰动能量的衰减，水平基流能量的增加，负的垂直风切变对应扰动能量的增加，水平基流能量的衰减；（4）不同的风的垂直切变模型，对静力适应过程的影响不同；对于水平基流呈反气旋切变型和气旋切变型，扰动发展的波动垂直结构为，急流轴上方波动等相位线自下而上向西倾斜，急流轴下方波动等相位线自下而上向东倾斜，反之亦然.     

青藏高原上空UTLS区域一次地形重力波过程中的物质上传

利用美国航空航天局MERRA(Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications)再分析资料和MODIS(Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer)卫星资料以及欧洲气象中心ECMWF-Interim(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)再分析资料,分析了发生于青藏高原北侧上空的一次地形重力波事件,并使用中尺度预报模式WRF-ARW.V3.0(Weather Research and Forecasting model,V3.0)对其进行了数值模拟.在此基础上,诊断分析了此次地形重力波在UTLS(Upper Troposphere and Lower Stratosphere)区域造成的物质和能量垂直传输特征.分析结果表明这一中尺度地形重力波信号的水平波长约为600km,与地形扰动水平尺度接近,重力波在对流层中传播的垂直波长约为3km,在垂直方向上随着高度的增加呈现出由东向西倾斜的结构特征.此次地形重力波上传进入平流层并在150hPa附近破碎,波破碎后动量通量在短时间内发生了强烈的衰减,重力波携带的能量在破碎高度附近释放.重力波破碎的同时垂直方向湍流混合变得异常强烈,湍流交换系数可在短时间内增加到背景值的8倍以上,剧烈湍流混合过程导致了对流层上层的空气进入平流层,使下平流层空气出现了位势涡度和臭氧的低值区,在浮力频率的垂直剖面中也可以看到由于地形重力波过程造成的平流层下层浮力频率异常低值区.     

利用激光雷达测量重力波三维结构

激光雷达观测得到的密度、温度等数据被广泛应用于大气重力波研究.瑞利激光雷达可以获取激光路径上的大气密度、温度数据.对于大气中的三维波动而言,单条路径上的观测参量能提取得到的波动信息有限.本文首先以单色重力波为例,分析了利用激光雷达直接观测三维波动结构的可行性.激光雷达垂直观测即可得到重力波的垂直波长,当激光雷达以一定的天顶角斜向测量时,所得到的波长包含了重力波的垂直波长以及水平波长信息.因此,利用激光雷达同时以三个方向(垂直、向南(天顶角30°)以及向西(天顶角30°))测量,可以提取得到重力波的垂直波长和水平波长.本文利用中国科学院国家空间科学中心研制的车载532nm瑞利激光雷达的经向系统和纬向系统同时以不同的指向角观测大气重力波,对利用激光雷达获取三维波动结构的方法进行了分析研究.本文给出了北京地区激光雷达观测重力波的诸多案例,分析了30~60km高度范围内北京地区大气重力波的垂直及水平波长信息.并以2017年11月7日观测的准单色重力波为例,结合再分析资料的风场数据,分析了该重力波的水平波长,垂直波长及传播方向等信息.     

伴随冬季北太平洋副热带海洋锋强度变化的大气扰动异常及对中纬度大气平均场的影响

中纬度海洋热力状况异常影响大气主要通过两种途径:非绝热加热的直接强迫作用和大气瞬变涡旋反馈的间接强迫作用,而后者的作用并没有被很好地认识.为了进一步理解间接强迫作用的物理机制,本文利用观测资料分析和区域大气模式模拟,研究了伴随冬季北太平洋副热带海洋锋强度变化的中纬度大气场异常,特别是对流层中高层不同频率的涡旋扰动活动的异常.实际观测和数值试验结果均表明,当北太平洋副热带海表面温度锋偏强时,其上空的中纬度大气经向温度梯度增强;对应此时的大气斜压性增强,且中纬度大气西风急流整层加速;然而增强的大气斜压性并不对应一致性增强的大气涡旋扰动活动.中纬度大气的涡旋扰动根据其生命周期,进一步划分为高频(2~7天)和低频(10~90天)涡旋扰动.研究结果表明偏强的北太平洋副热带海洋锋对应着增强的中纬度大气高频涡旋扰动和减弱的低频涡旋扰动;其中,中纬度大气高频扰动活动的增强,将有利于削弱中纬度大气经向温度梯度,从而减弱中纬度大气斜压性;而高频扰动对纬向风倾向项的正贡献,有利于中纬度急流中心北侧及下游区域的西风加速,形成中纬度西风相当正压结构的增强;大气低频扰动的减弱,对中纬度大气纬向风倾向项产生负贡献,不利于急流的纬向均匀化,而其热力强迫异常则有利于维持中纬度对流层中层大气的经向温度梯度.     

风垂直切变对大气静力适应过程的影响——第三部分:能量转换

基于前两部分的研究,第三部分从能量转换的角度揭示了风垂直切变对大气静力适应过程的影响.研究显示,对非静态等温大气,初始时刻加以有效势能和有效弹性势能的强迫后,风垂直切变改变了适应过程中扰动能量在各能量形式中的分配比例,这种作用随扰动尺度和时间的变化有显著差异,系统尺度越小影响越显著.比较东风急流模型和西风急流模型显示,负的风切变应力使得四类扰动能量谱随系统尺度的变化趋于平缓,使得微尺度和小尺度(中尺度)系统中扰动垂直动能(扰动水平动能)的比例随时间减小,正的风切变使得扰动能量谱随系统尺度的变化显现跳跃的特征,使得中尺度(微尺度和小尺度)系统中扰动垂直动能(扰动水平动能)的比例随时间减小.风垂直切变引起的动量通量输送是扰动能量与基本气流能量之间交换的通道,当风切变应力和动量输送方向相同时,风垂直切变使得能量向基本态转移,维持基本气流,削弱扰动能量,缩短静力适应过程的周期;当风切变应力和动量输送方向相反时,风垂直切变作用相反;此作用随着扰动尺度的变化差异明显.     

热带扰动在大尺度经圈中的行为

在赤道β平面上经圈流的背景流场内,利用等值浅水模式来分析波动的不稳定性.结果显示,在经圈半地转假设下,扰动信号通过变性的Rossby波来传递.对于大洋西部,由于向极地方向经圈流的引入,赤道对称的扰动模态对所有的波数k都是不稳定的.对于大洋东部的向赤道流,对赤道对称的扰动却是稳定的.由于一般来讲,扰动倾向于对赤道对称,因此西边界的向极流,如黑潮,比东边界的向赤道流,如加尼福尼亚洋流,更易因扰动的不稳定而产生涡旋.     

线性缓变下垫面和耗散共同作用的Rossby孤立波包

本文从正压流体的准地转位涡方程出发,考虑到Rossby波随时间、空间演变的多尺度特性,采用多重尺度和摄动展开的方法推导了在线性缓变下垫面和耗散共同作用下的非线性Rossby波包演变满足推广的非线性Schdinger方程,并得到单个包络的孤立波解.通过分析包络的孤立波解,指出在耗散与下垫面共同作用下,大气中会出现双曲正割形状的Rossby孤立波包.同时得到,在切变基本流存在的情况下,地形强迫和耗散对Rossby包络孤立波的传播速度、波数和频率均有影响的结论.     

完整Coriolis力作用下非线性Rossby波的精确解

从包含完整Coriolis力的Boussinesq近似的斜压大气运动方程组出发,利用半地转近似导出β效应和地球旋转水平分量f_H=2Ωcosφ共同作用下的大气非线性Rossby波动所满足的KdV方程,求得了椭圆余弦波解和孤立波解.结果分析表明,若扰动与纬度有关,Coriolis参数分量f_H将影响波动传播的频率特征,并加强水平散度对斜压Rossby波的作用;如果扰动与纬度无关,则 Coriolis 参数分量f_H的影响消失.     

对流层上传重力波的非线性演化

利用二维全隐欧拉格式对重力波在可压、非等温大气中的非线性传播过程进行了数值模拟和分析.分析结果表明，从对流层顶激发的重力波能稳定地经平流层传到中层顶，从而将能量和动量从一个区域带到另一个区域；在向上传播过程中，重力波经历了发展、位温翻转、对流直至最终破碎的演变；重力波的破碎是对流和小尺度波动的重要的源，对流不稳定和翻转是非线性现象的一个基本特征.计算还显示，扰动源的大小直接影响着重力波的非线性传播过程，当扰动源足够小时，重力波能稳定传播，而大振幅扰动可以加速重力波的破碎.     

初始扰动对静力适应过程的影响

本文从描述非静态、可压缩、等温干大气静力适应过程的线性模型出发,利用均匀介质中的波动理论,研究了初始扰动对静力适应过程中物理量场适应方向的影响;从能量分配和转换的角度探讨了静力平衡破坏后大气运动的物理本质.理论结果显示,当大气静力平衡被破坏后,垂直气压梯度场和密度场、垂直气压梯度场和水平流场u分量之间相互适应的因果关系受波动螺旋结构、水平基流及初始扰动性质等因素的影响,其中,初始扰动性质决定了声重力波各分支在静力适应过程中的贡献大小,从而影响各物理量场随时间的演变.在水平基流为西风急流的条件下,中尺度系统对初始扰动性质较敏感,初始速度扰动和密度扰动破坏静力平衡的前20分钟内,有垂直气压梯度场向浮力场适应,初始气压扰动破坏静力平衡的前期和后期,有浮力场向垂直气压梯度场适应,而中期,适应方向相反;垂直气压梯度场和水平流场u分量之间的适应关系对初始扰动性质不敏感但对扰动尺度较敏感;实验表明,当静力平衡被破坏后,在微尺度系统中,垂直气压梯度场是大气运动的因,而在中尺度系统中,水平流场u分量是大气运动的因.同时,初始扰动的性质影响适应过程中扰动能量的分配比例和扰动能量之间的转换情况,不同性质的初始扰动,引起大气运动的物理本质不同.     

中层大气重力波的全球分布特征

从2002年1月到2009年12月的SABER温度剖面数据提取了可以反映重力波活动的垂直尺度2～10 km的中尺度温度扰动,分析了全球中层大气重力波的分布.重力波扰动在夏季和冬季明显强于春季和秋季,而冬季与夏季相比,在70 km以下的高度夏季弱于冬季,在70 km以上夏季比冬季要强.从全球重力波分布来看,较大值分布在冬...     

泰安地震台重力扰动现象研究

利用滤波分析法对山东泰安地震台重力固体潮观测的分析表明,重力观测中存在大量高频扰动信号.通过与气象观测实况资料的对比发现,这些异常扰动信号除了受台风等热带气旋影响外,还明显与“冷空气”过境等区域强对流天气有关. 对泰安台JCZ-1甚宽频带地震仪观测资料的频谱分析和滤波处理进一步表明,区域强对流天气及台风对重力仪的影响频段均在1—8 s范围内,其中2—6 s区间影响最为显著; 强对流天气过程触发的扰动信号范围可以在1—16 s,但8 s后扰动信号对重力仪观测基本不造成影响,即重力仪对高频扰动信号的响应存在8 s的截止周期.JCZ-1甚宽频带地震仪的波谱分析还反映出扰动信号的动态特征,即强对流天气产生的扰动信号在发展、传播过程中,首先出现的信号频率较高,随着时间推移信号逐渐向低频演化,揭示了干扰信号传播的多普勒效应以及扰动信号激发源的移动特性.