边界层动力学中的Ekman动量近似

自由大气中,大气运动的基本状态是地转风,近年来发展的地转动量近似,是为了进一步研究非均匀地转流的动力学问题,然而,在边界层大气中,运动的基本状态是经典的Ekman流,所以对边界层运动来说,地转动量近似是不合适的,需作一推广。本文提出了一种所谓Ekman动量近似,它相似于自由大气中的地转动量近似,并讨论了Ekman动量近似的物理基础,对边界层的风场结构及边界屋顶部的垂直速度也作了详细分析。     

Ekman边界层动力学的理论研究

大气边界层及其与自由大气之间的相互作用具有明显的非线性特征,而这些特征是经典Ekman理论所不能描述的,因此,发展中等复杂程度(介于完全模式与经典Ekman模型之间)的大气边界层动力学模式,简称中间模式,对人们从理论上认识大气边界层动力学过程的非线性特征具有重要意义。本文对目前最具代表性的几个中间边界层模型:地转动量近似边界层模型、Ekman动量近似边界层模型以及弱非线性边界层模型进行了总结和分析,阐述了Ekman层主要动力学特征。通过分析上述各模型的理论框架,揭示了各模型的物理意义及其在描述Ekman边界层基本动力特征上的优点和局限性,并指出尽管在细节定量描述上有差异,但各中间模型对Ekman层动力学特征的定性描述具有很好的一致性。对于这些Ekman边界层近似理论模型的进一步应用问题,主要回顾和总结了利用上述模型探讨地形边界层结构、大气锋生过程、低层锋面结构和环流以及边界层日变化、低空急流形成等动力学问题的研究,并对这些研究所揭示的Ekman层动力学特征及其对自由大气低层运动的影响进行了分析,结果表明,这些Ekman边界层近似模型可以较好地揭示大气边界层动力学特征,在大气边界层动力学及其与自由大气相互作用的研究上具有重要价值。另外,还对目前Ekman边界层理论研究中存在的问题进行了一些分析,提出了有待进一步研究的科学问题。     

经典Ekman流,Ekman层的平衡风场及其扰动稳定性

本文首先利用变分方法,考察了边界层运动能量的变化,指出经典Ekman流是在不可压缩条件下,能量积分达最小值时的一种平衡运动。这对Ekman层运动的物理本质有了进一步的认识。其次,讨论了Ekman动量近似下的Ekman层的平衡风场特征,研究了该平衡风场附近扰动的稳定性问题,结果表明,在自由大气气压场不发生扰动条件下,Ekman层中存在一类新的与惯性不稳定相类似的动力不稳定,且其不稳定性可与Ekman抽吸相联系,还讨论了一般性条件下的扰动不稳定性问题。     

Ekman动量近似下中间边界层模式中的风场结构

发展了一个准三维的、中等复杂的边界层动力学模式，该模式包含了EKman动量近似下的惯性加速度和Blackadar的非线性湍流粘性系数，它进一步改进了Tan和Wu(1993）提出的边界层理论模型。该模型在数值计算复杂性上与经典Ekman模式相类似，但由于包含了Ekman动量近似下的惯性项，使得该模式比传统Ekman模式更近于实际过程。中详细地比较了该模式与其他简化边界层模式在动力学上的差异，结果表明：在经典的Ekman模式中，由于忽略了流动的惯性项作用，导致在气旋性切变气流（反气旋性切变气流）中风速和边界层顶部的垂直速度的高估（低估），而在半地转边界层模式中，由于高估了流动惯性项的作用，结果与经典Ekman模式相反。同样，该模式可以应用于斜压边界层，对于Ekman动量下的斜压边界层风场同时具有经典斜压边界层和Ekman动量近似边界层的特征。     

斜压边界层风场的动力学特征

在大气边界层中,当温度分布在水平方向不均匀时,斜压性必须予以考虑。本文在地转动量近似条件下,采用Agee[1]公式来描述湍流粘性系数K,求得斜压边界层中风场分布的解析表达式。由求得的解析解和个例的图解均分析得出一些与经典Ekman理论很不相同的动力学特征。例如,在边界层上部,冷平流使气旋中的风速随高度增大而一直增大,且一直指向低压一方,不再呈Ekman螺线状。在边界层下部,例如20米处,引进热成风将使风向改变达25°左右。这对预报边界层风场是很重要的修正。     

一种初始方程中应用实测风进行风场初值化的方法

本文提出一种利用实测风场、高度场、温度场和地面三小时气压变化资料,考虑风场和质量场之间基本满足准地转平衡关系,大气具有准无辐散性,但又保留一部分与地面气压变化相应散度的地转偏差,将以实测的等压面风场插到σ坐标的风场进行订正的初值化方法,并用一个单时资料进行初步试验.文中还对风场初值化问题进行了讨论.     

地转动量近似下边界层中风场的调整

本文利用地转动量近似,并假设气压场为定常的圆形涡旋和初始风场不满足四力平衡(气压梯度力、科里奥利力、湍流粘性力和半地转惯性力)的条件下,求解了正压边界层中风场向气压场调整的初边值问题,得到了一些初步结论。本工作为利用四力平衡下的风速分布来诊断预报边界层风场提供了理论依据。     

正压边界层中的风压场相互调整

本文考虑正压边界层顶的垂直质量输送,将边界层与自由大气联系起来,研究这两层之间的风压场的相互作用所得到定常状态下的风压场,并算得了边界层顶的垂直速度。这些结果与经典Ekman边界层是有明显区别的。     

南半球环状模事件的准地转调整过程分析

本文利用NCEP/NCAR逐日再分析资料,分析了南半球环状模（SAM）事件生命过程中的准地转调整过程.由于SAM沿纬圈的水平尺度远远大于临界尺度罗斯贝变形半径,因此要求纬向风场在地转调整过程向气压场适应以达到地转平衡.研究结果表明,在纬向平均环流中,异常Ferrel环流强度的变化超前于SAM强度变化约2/16位相,异常Ferrel环流能够通过超前的整层大气质量的经向输运,改变中高纬度的质量分布装状况,导致中、高纬度地区间的位势高度梯度异常变化,而中、高纬度地区间的位势高度梯度异常发生变化就意味着SAM强度和位相发生变化;而当SAM强度和位相发生改变后,即中、高纬度地区南北方向上的位势高度梯度发生变化后,可破坏中纬度地区纬向风场与位势高度场之间的地转平衡,产生地转偏差;地转偏差产生后,又可驱动经向散度风场,造成Ferrel环流异常的变化,由此形成一个自我内部循环调整过程.     

稳定边界层中Ekman螺旋的异常及湍流二阶矩的特征

本文利用二阶矩湍流模式着重讨论了有地形条件下Ekman螺旋的特征，结果表明，在北半球一定的环境地转风场结构下，斜坡Ekman螺旋可以变为反时针旋转。另外，还研究了地形对稳定边界层二阶矩湍流量的结构和垂直分布的影响。     

大气垂直运动方程若干问题讨论

本文对大气垂直运动方程的尺度分析和小量可否忽略重新进行了讨论，认为如同存在水平地转平衡一样，在大气垂直方向应当存在垂直地转平衡。并提出在大气垂直方向可能存在更高阶平衡：一级平衡为静力平衡，二级平衡为静力偏差和垂直柯氏力的垂直地转平衡，可能还存在第三级平衡，即垂直地转偏差和重力异常的平衡，最后，重力异常偏差的最级有可能与大气行星波垂直加速度和引潮力垂直分量已处于同一量级。     

边界层风场调整的分析

分析任意气压场在中性、非线性正压边界层中风场的调整问题。结果表明：任意初始风场，将向给定的气压调整。具体调整过程是通过绝对涡度振荡及粘性系数的耗散，其调整的时间尺度为［Ｏ（ｔ＾－３／２）］，比自由大气地转适应时间尺度［Ｏ（ｔ＾－１）］快。     

非定常,水平非均匀的正压EKman边界层的动力特征

除了动量的局地变化和水平平流之外,本文讨论了动量垂直输送和β-效应在均质正压的Ekman边界层中的作用。利用奇异摄动方法,得到了精确到O(R_0~2)的Ekman边界层中水平风场的垂直结构和边界层顶垂直速度的解析表达式,对解的非定常和水平非均匀特征作了定性讨论。用一迭加在均匀西风气流上的园形、定常涡旋场的定量计算表明,动量垂直输送和β-效应对Ekman边界层中水平风速分布、边界层厚度及边界层顶垂直速度均有明显的影响。     

边界层风场调整的分析

分析任意气压场在中性、非线性正压边界层中风场的调整问题。结果表明:任意初始风场,将向给定的气压调整。具休调整过程是通过绝对涡度振荡及粘性系数的耗散,其调整的时间尺度为[O(t^(-3/2))],比自由大气地转适应时间尺度[O(t^(-1))]快。     

变化涡动沾性系数的Ekman动量近似模式风场结构

在边界层动力学中，涡动粘性系数是影响边界层风场结构的一个重要参数。本文利用边界层动力学中的Ekman动量近似理论，给出了涡动粘性系数随高度缓变条件下的Ekman动量近似边界层模式解，着重讨论了边界层的风场结构、水平散度、垂直涡度以及边界层顶部的垂直速度。结果分析表明：与常值涡动粘性系数情况相比，在边界层低层随高度增加的涡动粘性系数可以导致低层边界层风速随高度迅速增加，即风速垂直切变增加，同时风速矢与地转风之间的夹角减小。惯性项作用可以导致上述作用在气旋性区域减小、而在反气旋性区域增大。随高度增加的涡动粘性系数导致水平散度绝对值、垂直涡度绝对值以及边界层顶部的垂直速度绝对值在气旋性区域减小，而在反气性旋区域增大。涡动粘性系数与惯性之间的非线性相互作用是边界层动力学中重要过程。     

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。     

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     

用格子Boltzmann方法构建大气动力学模式的初步研究

文中建立了一个格子Boltzmann模型 ,经过Chapman Enskog展开得到的方程组能完整描述正压大气的动力过程 ,成功地模拟了正压地转适应过程 ,对Obukhov的经典例子进行了数值检验。结果表明 ,Obukhov的结果只体现了科氏力和气压梯度力的平衡 ,而本模型可以精确地描述科氏力、惯性力和气压梯度力三者的完整平衡 ,与Obukhov线性理论相比 ,气压变化量的数值相差 2 8% ,说明了线性适应理论只在定性方面正确 ,在定量方面还不准确。数值结果还表明粘性力在地转适应过程中基本不起作用。同时 ,还模拟了一个更大尺度的适应问题 ,验证了气压场与风场适应过程取决于尺度大小这一论断数值试验表明 ,格子Boltzmann方法用于模拟大气运动是可行的 ,而且因其编程简洁方便 ,天然具有极好的并行性能 ,对于建立模拟大气和海洋这样涉及复杂动力热力过程的多相大规模数值模式很有发展潜力     

用风场计算台风的引导气流

理论和实践证明,台风的移动与地转引导气流之间存在着一定的、甚至较大的偏差[1,2]。其它一些台风引导气流的计算方法,例如[1]中所述的,也有一定的误差。这里我们赏试用风场来计算台风的引导气流以期克服一定的误差。     

层结性对大气边界层风场的影响

本文在地转动量[1]近似下，采用与Agee[2]公式相近的分段常数来描述湍流粘性系数K及其一阶导数（湍流摩擦力所包含的两项和均得到考虑），求得了层结大气中的边界层风场分布和边界层顶垂直速度的解析表达式。计算结果表明；不稳定层结的K比稳定层结的大，且Ekman抽吸作用强；在边界层低层，不稳定层结的全风速比稳定层结的大，而在中层以上则相反。还有，摩擦力中的一阶导数项和二阶导数项量级相同，以往忽略一阶导数项的做法会导致在边界层低层，不稳定层结的全风速反而较小，这与事实不符。因而考虑一阶导数项将进一步完善边界层动力学的理论和应用。