边界层急流型重力波——飞机颠簸的一种形成机制

采用线性化的Boussinesq流体边界层绝热流动方程，比较一维边界层急流型重力波的垂直运动量级，讨论边界层急流型重力波中的湍流发展，认为边界层急流型重力波是造成边界层飞机颠簸的一种机制。     

行星边界层的中尺度系统和地形对桂北暴雨的影响

利用1978年5月26—27日华南前汛期暴雨实验期的稠密资料,分析桂北暴雨形成的物理原因,发现了类似行星边界层急流型重力波的中尺度扰动系统,同时地形对暴雨的影响也作了讨论。     

小尺度地形引起的切变重力波

在大气边界层中,特别是山区的边界层中,经常可以观测到重力波的活动。例如Bull和Neisser分析了1974年4月至7月的2300时的微气压计记录。他们发现约38％的观测时间里都存在振幅至少为10—20 dPa的重力波活动,其中大多数重力波的振幅为25—70 dPa。由于风速切变和温度层结的不同,重力波引起的垂直位移的大小可能为百米,也可能达到整个夜间边界层厚度的量级。 很多大气活动都可能引起重力波,例如锋面、低空急流、局地风切变、逆温及强对流等等。地形特别是在夜间也是产生重力波的重要来源。当稳定度随高度急剧减少或风速随高度急剧增加时,在山脊的背风坡经常可以发现一系列的波动活动。     

低空急流对内重力波不稳定发展的作用

本文研究了在环境风场中存在风的垂直切变时,对内重力波发展不稳定性的影响,指出风速在垂直方向出现急流状廓线时,有利于波动的发展。在一定条件下,稳定层结仍可引起重力波的不稳定。用数值积分的方法研究了不同急流强度和急流轴置于不同高度时,对不稳定发展的影响。对同样强度的急流来说,轴的高度越低、越接近边界层内,扰动振幅的增长率就越大。最后把理论结果与观测事实作了比较。     

地形对中尺度边界急流的影响

本文研究了两层流的浅水波模式,并考虑了地形的作用,当背景场为大尺度经向地转流υ_g时,在山地或海岸附近可以形成一类中尺度边界层急流,其特征宽度为Lc=L_0C_0/(υ_g+β_g~*/2f),式中 c_0=(g~*H)~(1/2),L_0=c_0/f为Rossby变形半径,β=-h_s/x为地形坡度。当地转流和山脉坡度满|υ_g+β_g~*/f|>c_0时,中尺度边界层急流中的惯性重力波可以产生超高速不稳定。对于向北的地转流(υ_g>0),山脉东坡有利于形成强而窄的边界层急流和出现超高速不稳定。对于向南的地转流(υ_g<0),在山脉的西坡也会出现同样的情形。     

三维层结流中地形上空湍流边界层结构特征研究

利用中尺度数值模式ARPS,在理想条件下研究了旋转、地表摩擦的共同作用下,均匀来流条件下,三维层结大气中地形上空及其边界层结构特征.重点讨论了不同的山地流动Fr数、不同上游来流方向情况下,山地流动及其边界层的特征.在大气稳定层结条件下,山地流动具有上游阻挡、下游急流加速以及重力波破碎等流动特征,这些山地流动特征在柯氏力的影响下,均表现出了南北非对称性.当山地流动的Fr数增加(增加地形高度)时,山地流动的南北急流增强,由于柯氏力的影响,南侧急流的增幅更为显著,流动的南北非对称性增强.在干过程山地流动中,由急流所导致的强烈的垂直风切变,是湍流边界层产生和发展的直接决定因素.     

影响惯性重力波活动规律的动力学因子研究

通过探测发现大气重力波有明显的活动规律:重力波强度在冬、春季强于夏、秋季,在5月和10月发生急剧减弱和加强的转变,无天气过程时晚上比白天强,尤其短周期的重力波,周期为40~80min的重力波平均强度最强,其他较弱。在斜压大气和考虑积云对流加热条件下,运用积云对流参数化、Taylor公式展开等方法,推导出惯性重力波的非线性KdV方程,求出其孤立波解,以此解释以上得出的大气重力波的活动规律:惯性重力波强度随风速垂直切变增大而增大,急流是最重要的惯性重力波波源,是重力波强度在冬、春季强于夏、秋季的主要原因,亚洲急流在5月和10月的北跃和南落,是重力波强度发生急剧变化的原因,急流下方是激发惯性重力波最强的地方。一般情况下,惯性重力波强度随着大气背景流场绝对涡度增大而增大,正涡度对惯性重力波起激发和增强的作用。当惯性重力波向下传播时,波的强度随层结稳定度(N2)增大而增大,由于太阳辐射的作用白天大气层结稳定度比晚上小,这解释了在无天气过程时晚上重力波强度强于白天的原因。惯性重力波强度和波的频率成正比,这解释了周期为40~80 min比周期为140~160 min的重力波强的原因。重力波强度还与非线性积云对流参数常数b及科氏力参数f成正比。     

北太平洋SST涛动与华北夏季降水异常

本文给出了热带地区大气边界层顶的垂直速度,并以此对积云对流加热进行了参数化。用垂直二层楼式讨论了在积云对流加热作用下赤道波的线性稳定性性质。结果表明,在加热强度因子η=O(1)的情况下,由波动自身在大气低层的辐散辐合进行参数化的积云对流加热仅仅引起波动的频率修正,它对波动的不稳定增长率没有贡献;而由边界层旋转抽吸进行参数化的积云对流加热可直接引起波动的不稳定增长。当η>0.5时,由边界层旋转抽吸进行参数化的积云对流加热便使赤道波出现不稳定增长;重力型波动均存在有限波长的最大增长率;Rossby型波动的不稳定增长率远较重力型波动大。此外,由边界层旋转抽吸进行参数化的积云对流加热也会引起波动的频率修正。在此修正下,Kelvin波成为频散波.     

重力惯性波及其不稳定——急流附近飞机颠簸产生的可能机制

基于不可压缩流体运动方程组研究了急流附近重力惯性波及其不稳定,结合飞机风速变化方程,分析指出重力波失稳破碎为湍流是飞机颠簸产生的可能机制。斜压大气在急流轴北侧气旋切变区是惯性稳定的,当满足条件σ=f[f-/y] N2m2/n2<0时,由于天气尺度对流不稳定发展而引起重力惯性波不稳定破碎为湍流,可能是急流北侧气旋切变区对流性天气引起飞机颠簸产生的一种机制。但是在急流轴南侧反气旋切变区是惯性不稳定的,当满足条件σ=f[f-/y] N2m2/n2<0时,可能由于惯性不稳定的作用,急流重力波不稳定发展破碎为湍流,可能是急流南侧反气旋气流中晴空湍流和飞机颠簸产生和发展的一种机制。揭示了急流附近晴空湍流和飞机颠簸产生的物理本质,有利于增强航空飞行颠簸的预测能力。     

低空急流发生、发展的数值试验(Ⅱ)——动力学分析

本文对一次低空急流过程的数值模拟结果作了动力学分析,着重讨论了急流区的环流结构及积云对流对其发生、发展的影响。主要结果为:低空急流区有一对横向非地转二级环流,它是低空急流发展的一个重要条件;强频散的低空急流与积云对流造成的静力不稳定场耦合,诱发出不稳定的中尺度重力惯性波,通过Wave—CISK机制引导到低空急流与二级环流的发展;低空急流发展过程中的非地转特征和二级环流都是重力惯性波发展的产物。     

A STUDY OF 1.5-ORDER CLOSURE TURBULENCE MODEL

Based on turbulence theory,a 1.5-order closure turbulence model is established.The model incorporating with theground surface energy budget equation is constructed by means of a vertical one-dimensional(1-D)40-levelgrid-mesh.The numerical results reveal the 24-h evolution of the clear planetary boundary layer comparing with theWangara boundary layer data of days 33—34.The model also takes into account some physical processes of radiativetransfer and baroclinicity,revealing some important characteristics observed in the boundary layer,especially for theevolution of the mixed layer and low-level jet.The calculated results are in good agreement with the observational data.On the other hand,we also run the high-resolution model of the planetary boundary layer in the Mesoscale Model Ver-sion 4(MM4)with the same physical processes and initial conditions.The results show that the high-resolution modelcan not reveal those important characteristics as the 1.5-order closure model did.In general,it is shown that the 1.5-or-der closure turbulence model based on turbulence theory is better in rationality and reality.     

Analysis of turbulent exchange and coherent structures in the stable atmospheric boundary layer based on tower observations

Using data collected at the Spanish low troposphere research centre CIBA (Centro de Investigación de la Baja Atmósfera) and at the Cabauw Experimental Site for Atmospheric Research (CESAR) in the Netherlands, we analyzed the most significant features of different coherent structures occurring in the stable atmospheric boundary layer. In particular, we used both the Reynolds and wavelet methods to analyze a solitary wave, a gravity wave, a density current and a low-level jet. For each of these structures, we found that wavelet analysis had the capacity to distinguish the different scales involved in these events due to the different timing and heights of the thermal instabilities and downdrafts associated with the disturbances. In addition, the wavelet method highlights the different roles of turbulence and coherent structures in the transfer of heat, moisture and CO₂ in the nocturnal boundary layer.     

Intermittent Bursting of Turbulence in a Stable Boundary Layer with Low-level Jet

The atmospheric stable boundary layer (SBL) with a low-level jet is simulated experimentally using a thermally stratified wind tunnel. The turbulence structure and flow characteristics are investigated by simultaneous measurements of velocity and temperature fluctuations and by flow visualization. Attention is focused on the effect of strong wind shear due to a low-level jet on stratified boundary layers with strong stability. Occasional bursting of turbulence in the lower portion of the boundary layer can be found in the SBL with strong stability. This bursting originates aloft away from the surface and transports fluid with relatively low velocity and temperature upward and fluid with relatively high velocity and temperature downward. Furthermore, the relationship between the occurrence of turbulence bursting and the local gradient Richardson number (Ri) is investigated. The Ri becomes larger than the critical Ri, Ri_cr = 0.25, in quiescent periods. On the other hand, the Ri number becomes smaller than Ri_cr during bursting events.     

南海台风边界层湍流小波分析

利用小波变换（WT）对香港天文台飞机观测台风“妮妲”（1604）资料进行分析,研究在不稳定、不均匀的台风边界层中湍流涡旋的垂直传输作用。在0.1~5 Hz惯性子区内横风和顺风分量功率谱密度能较好符合-5/3幂律。小波分析显示:横风的小波功率谱峰值集中在1 km之下,顺风分量的小波功率谱峰值集中在1~6 km之间;眼区动量通量的主要贡献尺度为2.3 km,眼区外主要贡献尺度在1~2 km,中低层为较小尺度（< 1.0 km）;湍流功能(TKE)的生成尺度主要集中在4 km之下。这项研究定量描述了南海北部台风边界层各个区域湍流结构的差异特征,讨论了对台风边界层通量参数化的可能影响。      

Stratified Atmospheric Boundary Layers

Various features of different stability regimes of the stable boundary layer are discussed. Traditional layering is examined in terms of the roughness sublayer, surface layer, local similarity, z-less stratification and the region near the boundary-layer top. In the very stable case, the strongest turbulence may be detached from the surface and generated by shear associated with a low level jet, gravity waves or meandering motions. In this case, similarity theory and the traditional concept of a boundary-layer break down. The elevated turbulence may intermittently recouple to the surface. Inability to adequately measure turbulent fluxes in very stable conditions limits our knowledge of this regime.     

环境场对边界层低空急流形成的影响

本文利用两层流的浅水波模式,讨论了环境场对边界层低空急流形成的影响,并得到了边界层低空急流的特征宽度为L₀=(ρ₂-ρ₁)/(ν₂ρ₂-ρ₁ν₁)L₀*C₀*,式中C₀*=√gh₂, L₀*=C₀*/f为Rossby变形半径,ρ₁,p₂和v₁,v₂分别为上下两层大气的密度和大尺度经向地转风,H₂为低层大气的厚度,g为重力加速度,f为柯氏参数,当高低层大气中的大尺度经向地转风的垂直切变越强时,所形成的中尺度边界层低空急流就越强;当低层大气中的温度增高和湿度增大、并且低层大气中的大尺度经向地转风越强、高度越低时,越有利于形成边界层低空急流。      

Large-Eddy Simulation Of The Stably Stratified Planetary Boundary Layer

In this work, we study the characteristics of a stably stratifiedatmospheric boundary layer using large-eddy simulation (LES).In order to simulate the stable planetary boundary layer, wedeveloped a modified version of the two-part subgrid-scalemodel of Sullivan et al. This improved version of themodel is used to simulate a highly cooled yet fairly windy stableboundary layer with a surface heat flux of(W)_o = -0.05 m K s^-1and a geostrophic wind speed of U_g = 15 m s^-1.Flow visualization and evaluation of the turbulencestatistics from this case reveal the development ofa continuously turbulent boundary layer with small-scalestructures. The stability of the boundary layercoupled with the presence of a strong capping inversionresults in the development of a dominant gravity wave atthe top of the stable boundary layer that appears to be relatedto the most unstable wave predicted by the Taylor–Goldsteinequation. As a result of the decay of turbulence aloft,a strong-low level jet forms above the boundary layer.The time dependent behaviour of the jet is compared with Blackadar'sinertial oscillation analysis.     

行星边界层急流结构数值分析

利用行星边界层初值分析方法对行星边界层内急流结构进行数值分析。根据1979年6月10日20时华南地区的地面和850mb观测资料,计算得到边界层内各个层次的风场。计算结果与实况比较一致,并且清楚地显示出急流的细致结构。