斜压性对地转动量Ekman流的影响——理论分析

本文研究了斜压效应对地转动量Ekman流的影响。利用两变量奇异摄动方法求得了边界层中风场及顶部垂直速度的前二级一致有效渐近解析解,解中明显地反映了斜压情形地转风随高度变化(即热成风)的影响,尤其是其中一级近似解完全由热成风影响所致。在边界层顶垂直速度的解中导出了三种由斜压效应引起的Ekmon抽吸新物理因子,即热成风形变、热成风涡度及热成风涡度交叉项等抽吸因子。分析表明,这些因子只在具有水平温度梯度不均匀的系统(譬如锋区)中方能出现。文中还对锋区内上述三种抽吸因子的动力特征作了具体的分析,指出在锋区这样的强斜压系统中,此三种抽吸因子的贡献是显著的。下一文中,我们将利用本文所得理论解对斜压效应进行具体的定量计算。      

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。     

切变风螺旋度和热成风螺旋度在东北冷涡暴雨中的应用

引入切变风螺旋度和热成风螺旋度, 并将其应用于东北冷涡暴雨的诊断分析。理论上, 切变风螺旋度定义为风速垂直切变与绝对涡度矢量的点积, 表示风速垂直方向的分布不均匀对涡管的扭转效应, 由扭转项和垂直涡度的辐合辐散项两部分组成。热成风螺旋度是在切变风螺旋度的基础上利用地转关系和热成风关系得出的简化形式, 其强度和符号取决于上升气流和暖湿空气的配置。相对于切变风螺旋度, 热成风螺旋度的计算只需要单平面层的资料即可, 避免了垂直差分计算, 这大大弥补了台站观测中垂直层密度稀疏或者边界层的处理等问题的不足, 使得计算大大简化, 便于业务应用。在以上定义和理论分析的基础上, 选取一次东北冷涡降水过程进行数值模拟, 利用模式输出的中尺度资料, 诊断分析这次降水过程中的切变风螺旋度和热成风螺旋度。分析表明, 降水中心位于切变风螺旋度的正值和负值区的边界, 与降水的强度变化一致; 而作了热成风近似后的切变风螺旋度中的扭转项 (即热成风螺旋度), 与切变风螺旋度相似, 也能较好地诊断降水和对流 (尤其是强降水和强对流) 的发展, 而且其对暴雨的诊断优于传统的螺旋度。     

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。     

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     

非线性斜压Ekman层的动力特征

本文研究了斜压性对非线性Ekman层内的风场及顶部垂直速度的影响。结果表明,斜压性将改变其非线性Ekman层内的风场及顶部垂直速度,其影响随着系统特征与热成风特征的改变而改变。在本工作中,还用地转动量近似的方法作了相应的研究,并将其结果作了相应比较。     

边界层动力"抽吸泵"对青藏高原低涡的作用

考虑热带气旋类青藏高原低涡为受加热和摩擦强迫并满足热成风平衡的轴对称涡旋系统,通过求解线性化柱坐标系中涡旋模式的初值问题,分析了高原边界层动力"抽吸泵"对高原低涡结构及发展的作用,得出了特定热力、动力作用下高原低涡水平流场和垂直流场的典型结构特征,并讨论了低涡发展与边界层抽吸作用的关系.结果表明:高原上较强的边界层动力"抽吸泵"作用对高原低涡的流场结构及发展有重要影响.当边界层动力"抽吸泵"表现为"抽"的效应时,有利于边界层中对流活动的发展;反之表现为"吸"的效应时,有利于边界层以上的高原低涡的加强.     

利用热成风适应原理对暖性西南低涡生成机制的再分析

本文采用σ-p混合坐标系,根据非绝热和地形影响下的热成风适应原理,探讨了暖性西南低涡生成的机制。分析表明:正的非热成风涡度是低涡生成的一个重要指标;对流层中低层的暖平流中心,地面的可感加热,低层的暖空气与场面气压p~*的负变压中心配合,或与它的负平流中心相配合,将产生正的非热成风涡度;场面气压的梯度(?)p~*,高低压中心的空间分布(?)~2p~*,场面气压的变压(?)p~*/(?)t和平流(-(?)_h·(?)p_*)等都与垂直运动直接有关。地形还影响热成风适应特征尺度(或变形半径)L~o。在一般条件下,地形和潜热的作用使L_o比不考虑两者作用时的L_o变小,易使L>L_o条件满足,更有利于流场向温度场适应。     

影响"05.06.25"长江流域暴雨的西南低涡特征

利用NCEP逐日再分析值资料,分析了影响2005年6月25日长江流域暴雨过程的西南低涡结构特征及其移动发展机制。结果表明:25日移出川东影响长江中游的西南低涡是一个显著不对称的斜压系统,其发展过程中始终伴随着强盛的西南低空急流;低涡移动过程中非地转平衡性很强,高层正涡度平流和低层暖平流的共同作用,是低涡移动过程中周围大气维持较大的非热成风涡度,从而造成低涡区域上空强上升运动的重要原因。     

用线性模式分析形成相当正压性的物理因子

用两层的线性准地转模式讨论了形成大气环流异常的相当正压性的物理因子。指出大气扰动的水平尺度、β效应和热成风，即平均西风在垂直方向上的梯度，是形成相当正压性的三个最主要的因子。另外还讨论了相当正压性所造成的对流层中层的流函数和厚度场的同相关系。最后指出了线性模式的缺陷。     

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。     

地形与Ekman边界层中的气流

利用σ坐标讨论地形与边界层气流是有很多方便的地方,因为,在此坐标中,下边界条件较为简单。在本工作中,首先将混合长理论加以推广并将它用于σ坐标,于是导得了用以描述地形上空边界层气流的控制方程,对边界层气流的特征,特别是对于Ekman抽吸作用进行了详细分析。指出有三种因子影响边界层顶部的垂直运动,第一种因子是边界层内涡度分布,这是与边界层中由于摩擦作用所引起的辐合辐散有直接联系;第二种因子是由于边界层顶部的气流爬坡运动所引起的;第三种是由于边界层中跨越等压线的分量爬坡所引起的,它出现于当等压线与地形等高线相平行时,或地转风呈现绕流情况时,这一作用最为明显。     

线性与半地转斜压Ekman层中大气运动的动能耗散

本文分别用线性与半地转斜压Ekman层模式,解析地给出由宏观外参数来估计斜压Ekman层中动能耗散即变性能量的公式。结果表明,斜压性对变性能量有较大影响,其影响程度随系统特征与热成风特征的改变而改变,从而加深了对变性能量的认识。     

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。     

斜压大气中海面边界层摩擦偏角的动力学研究

本文在Ekman动量近似下，引入关于水面粗糙度的Charnock公式，求得了斜压大气中海面边界层的风速的解析表达式，进一步得到边界层摩擦偏角的公式，并获得了边界层摩擦偏角的有关结论。例如海面的摩擦偏角远小于陆地的摩擦偏角；低纬的摩擦偏角比高纬的要大：理论分析和个例计算均表明，垂直平流惯性力与水平平流惯性力对摩擦偏角分别起着减小和增大的相反作用，而且反气旋性涡度处与气旋性涡度处的摩擦偏角可相差达20多度。冷暖平流下的摩擦偏角相差很大，甚至可达七、八十度。这些结论对斜压大气中的海面边界层风场摩擦偏角的预后都具有指导性作用。     

一次东北冷涡下槽后强风与飑线后向入流演变及成因分析

本文利用NCEP分析资料、多普勒雷达观测资料、常规气象观测资料以及数值模拟结果,对2016年7月30日发生在华北、辽宁附近的一次强飑线过程中后向入流的演变及成因进行研究。结果表明,此次飑线发生在中纬度新生冷涡槽前,低层有水汽辐合区和地面辐合线对应,且过程中伴有较强的对流有效位能释放。飑线后部中层(冷涡槽后)一直存在α中尺度西风大值带,此大风速带造成了上下层相反的水平涡度,并形成喇叭形环流结构,该结构不同于经典飑线结构。飑线后部水平方向上水平涡度分布不均匀,并形成水平涡度旋度上正下负的分布,即导致中层强风区上部上升运动、下部下沉运动,该下沉运动引发飑线中的后向入流和低层强风速带形成。在中层,飑线的后部边缘始终有较强的风速大值带伴随飑线的发展,该大值带的形成与对流强弱和非热成风涡度有关,对流过程中低层非热成风涡度为负,中上层非热成风涡度为正,导致飑线后部中层西风加速和低层西风减速,有利于后向入流的发展和飑线的维持,当对流减弱时,非热成风涡度与后向入流均减弱。文中给出了后向入流形成演变的概念模式。     

1991年梅雨期副热带锋区的结构

通过分析逐候平均的沿１２０°Ｅ的经向垂直剖面图，研究了１９９１年梅雨各个阶段东亚副热带锋区的结构及锋区的动力学特征。结果表明：（１）１９９１年梅雨第一阶段与典型梅雨不同，是在冬夏流型转变中局部异常环流条件下形成的；（２）梅雨期三个阶段的锋区结构分别为浅薄型、深厚Ｉ型和深厚Ⅱ型，浅薄型锋区低层正涡度轴线近于垂直，深厚型锋区正涡度轴线自下而上向北倾斜，分别对应相当正压结构和斜压结构；（３）深厚型锋区南     

边界层抽吸引起的旋转减弱

本文在边界层顶垂直速度正比于地转涡度和地转风速,并与下垫面粗糙度有关的前提下,研究了边界层抽吸引起的涡度变化,在圆对称气压系统内得到了不同粗糙度情况下的涡度场和气压场的变化速率,修正了经典理论的结果。在湍流交换系数是地转风速及高度的函数的前提下,推导了地形存在时边界层顶垂直速度的公式,并用来讨论地形存在时的旋转减弱问题。     

边界层特征参数对边界层顶垂直速度的影响

本文从正斜压及有层结时的边界层相似理论及阻力定律出发，由边界层顶垂直速度与地面湍应力的关系求出了层结、粗糙度、它们的水平梯度及地转风的水平梯度、斜压性对w的影响的解析式，可用于模式计算。计算结果表明层结影响可使w差1-２个量级，不稳定时粗糙度影响也使w差几倍。除地转涡度决定w外，地转风、层结稳定度和粗糙度及其水平梯度也起了重要作用，还讨论了斜压性的影响。     

平衡流形成的机制与锋生

利用最小能量原理讨论了非地转流经过调整后的平衡态的情况。对于两维模型来说，不平衡流通过调整获得的平衡终态依赖于初始不平衡场的分布特点。如果不平衡流的初始位涡是非均匀的，则其通过适应过程而达到的平衡状态不一定满足热成风关系；对于初始位涡是均匀的或为零的不平衡流来说，如果初始密度的水平变化不是非常显著，则运动最后可以达到热成风平衡状态，反之，最后的平衡态则不满足成风关系，对于这种情况，我们利用广义动量坐标系进行了详细讨论。