非静力平衡条件下的垂直坐标变换及湿空气动力学方程组

为了解决目前湿空气动力学中一些悬而未决的问题， 拓宽物理量垂直坐标系的应用范围，本文讨论了非静力平衡条件下的垂直坐标转换，给出了不同坐标系的转换公式和动力学方程组，最后运用它们建立了湿空气动力学方程组。     

凝结几率函数的引进和非均匀饱和湿空气动力学方程组

引进凝结几率函数,并摈弃“凝结过程开始于某个临界的相对值”的假定,使湿空气动力学研究摆脱整个大气总是处处维持饱和的不合理要求,建立了非均匀饱和湿空气动力学方程组,并在一定的假设下给出了方程组的一些简化形式。     

饱和湿空气动力学的基本方程和主要特征

本文从大气热力学的基本特征出发,引入了代表饱和湿空气焓的特征量的广义温度,并推导了一组饱和湿空气动力学方程组。还提出了温平衡风(或称湿地转风)、假相当位温风(或称湿热成风)的概念;对低空急流等若干基本特征也作了探讨。     

副热带高空急流的非地转平衡特征

利用数值模式的高分辨率模拟结果研究了夏季东亚副热带西风急流短期强度变化过程中的非地转平衡特征。结果表明,急流区为非地转风的正值区,最大值区域位于急流中心北侧,主要的负值区位于急流入口区附近。急流核南侧非地转风呈反气旋式切变,入口区呈反气旋式切变,入口区北侧和出口区北侧有弱气旋式切变。非地转风对急流的强度变化及其程度均有一定的指示性,地转偏差与急流短期强度的变化有密切的联系。最大偏差风的变化超前于纬向风的变化约6h。非地转风涡度的分布存在着中尺度的特征：极值区域大小只有中尺度的范围,且正负相间。中尺度涡度极值区主要集中于3个区域：太行山脉、长白山脉以及日本本州岛。这3个区域均对应于高度超过1000m的中尺度地形区域,高空急流的非地转涡度大值区与中尺度地形对应相关。中尺度降水区分别与非地转风涡度极值密集区相对应。     

东亚冬季风中非地转风的初步研究

本文对非地转风在东亚冬季冷空气活动过程中的作用及影响非地转风的主要因子等问题进行了初步研究，并讨论了非地转风在有限区动能收支中的作用。结果表明，非地转风是冷空气过程中地面偏北大风加强的主要原因之一，非地转风次级环流使东亚高空西风急流和Hadley环流得以加强，而高空西风急流具有次地转的特征。变高、惯性平流和摩擦作用是影响非地转风的主要因子。此外，位温局地变化，位温平流和非绝热作用对非地转风的形成亦有相当大的贡献，但该三项非地转风分量的向量和接近于零。非地转风在有限区动能的收支中也起着十分重要的作用。     

关于暴雨和湿急流的讨论

湿急流是20世纪70年代末谢义炳在长期研究降水问题的基础上、在雷雨顺能量学方法对暴雨和强对流天气研究成果的启发下提出的一个科学猜想。近年来在多个暴雨实例的中尺度数值模拟结果都与湿急流猜想相符,即暴雨区中是存在将低空急流和高空急流在垂直方向上连接起来的湿急流,利用可视化技术还可将湿空气块在暴雨云团中的上升、加速和转向的轨迹清楚地展示出来。但是,湿空气块的加速并不仅仅是湿绝热上升过程中浮力的作用,动量收支的计算表明,中尺度水平气压梯度力对气块动量的增加也有贡献。文中还讨论了与暴雨和湿急流相关联的湿斜压平衡方程(湿热成风方程)等问题,指出从总能量收支平衡出发是不能解决暴雨过程中不同形式能量之间的转换过程是如何实现的。由于暴雨过程是高度非地转平衡的,也是非静力平衡的,同时还存在复杂的多尺度之间的相互作用,因此具有完善物理过程的高分辨率的数值模式是暴雨机理研究最有效的方法。     

名词解释

地转风 空气质点受水平气压梯度力与水平地转偏向力的共同作用而运动,当二力达到平衡时的风叫做地转风。地转风是理论条件下的风,风速的大小与方向不随时间变化。离地面1—2千米以上,不受地面摩擦影响的自由大气的风与地转风接近,可称为准地转风。地转风平行于等压线吹,当我们背风而立,右手一方     

200hPa非地转风和非均匀层结与梅雨暴雨的关系

本文通过1991年梅雨后期，7月1—13日200hPa非地转场分析得出，梅雨期200hPa非地转风主要由积云对流动量转换形成。其次是风速平流，并通过数值试验得以证明。非地转风形成的高层辐散，可进一步使暴雨增强与维持。另外梅雨期非均匀层结对非地转风及暴雨也有较大的影响。     

相对垂直加速度和中尺度大气运动方程组

对具有强对流性质的中尺度系统运动的描写，直接采用包含准静力假设的p坐标系或σ坐标系大气运动方程组是不精确又不合理的。因此，必须发展更精确的非静力中尺度大气运动方程组。本文通过引入相对垂直加速度δ和通用(x，y，ζ，t)坐标系(简称ζ坐标系).导出了ζ坐标系中的非静力大气运动方程组。该方程组的垂直运动方程是非静力的，相对垂直加速度δ是可预报的；垂直加速度可由δ直接求得；而δ既直接影响速度场、位势场、质量场和地面气压场，还间接影响温度场。通过对通用ζ坐标系中非静力大气运动方程组的应用，可以很容易地获得p坐标系或σ坐标系及其它垂直坐标系中的非静力大气运动方程组；当δ为零时，则简化为一般包含准静力假设的p坐标系或σ坐标系及其它垂直坐标系中的大气运动方程组。在一般广泛使用的p坐标系或σ坐标系大气运动方程组中，因未考虑δ的贡献，对一些场的预报就会产生误差，较长时间的数值积分会使这种误差积累愈来愈大。显然，新发展的非静力大气运动方程组考虑了δ的贡献，从而消除了这种误差，所以就更为精确，也更适用于对中尺度系统运动的描写和预报。     

高空急流入口区次级环流在一次突发性强降水过程中的作用

通过对1999年秋季一次突发性降水过程高空急流的分析，发现急流人口区南侧辐散，其低层辐合上升，当低层有印缅槽活动的时候，对流加强，印缅槽发展，急流人口区北侧辐合，其低层辐散下沉，有向南的非地转风。     

"04·8"山东远距离台风暴雨成因的数值模拟

利用非静力平衡模式MM5,对由台风"艾利"和西风带冷空气相互作用造成的2004年8月26—28日山东大到暴雨天气过程进行了数值模拟,并对暴雨形成机理进行了分析。结果表明,"艾利"台风外围的急流带在华东沿海到山东南部地区产生深厚的湿层和强水汽辐合,从而导致不稳定能量的积聚;干冷空气从高层入侵使降水区对流不稳定增强,并使不饱和湿空气达到饱和,对降水具有增幅作用;低层正涡度和辐合作用的加强,导致中尺度低涡的形成和暴雨中心的产生。     

桂林“98.6”连续大暴雨的特征分析

通过对桂林“９８．６”连续大暴雨的形势分析,揭示了这次过程的大环流维持机制,暴雨得以维持的主要原因;另外,分析了连续暴雨与低空急流及其非地转风存在明显内在联系。指责西南涡,低空急流等系统的活动与连续暴雨过程中雨峰有直接关系。     

江淮流域一次特大暴雨的数值模拟及动力分析

以周晓平研制的有限区域细网格数值模式为基础，编制成一个套网格模式，并对１９９１年７月２～３日发生在江淮流域的特大暴雨过程，进行了数值模拟和动力分析。结果表明：低空急流加强，输送了大量暖湿空气并激发强烈的上升运动是造成该区暴雨的主要原因；在该过程中，热成风平衡遭到破坏，其非热成风平衡部分伴随相应的二级环流，也有利于垂直运动的产生。     

非静力平衡数值模式

高分辨率的静力平衡模式在中尺度运动的研究中被广泛应用。但一些作者指出静力平衡近似的误差对于重力波的一些重要性质产生影响，因此发展非静力平衡模式是十分必要的。本文主要介绍了完全弹性模式和滞弹性模式，给出了模式的基本方程组，并讨论了与数值解法有关的问题，最后简单地说明了弹性近似模式。     

中β尺度系统造成的大暴雨过程数值模拟与诊断分析

利用T106资料和MM5V3．5中尺度非静力模式对2002年6月8—9日发生在陕西和四川东北部的一次突发大暴雨过程进行了数值模拟与诊断分析。模拟结果表明：在有利的大尺度环流形势下，中α尺度切变激发的中β尺度系统是本次暴雨的直接引导系统。进一步诊断分析揭示了中β尺度系统的动力场和热力场之间具有一种强耦舍机制：中β尺度系统是在低空急流带上发展起来的，垂直上升运动与近饱和湿空气柱及涡散柱互耦，低空对流不稳定层结的发展触发了强烈的垂直上升运动。模拟结果表明模式能很好地模拟中尺度对流系统的整个发展过程和降水雨带，细网格模拟的降水量与实况比较接近，分析结果可为中尺度暴雨预报提供参考依据．     

北半球冬季冷涌及其反馈过程对我国南方降水的影响

分析了北半球冬季中、低纬度天气系统之间的相互作用及其与我国南方降水的关系，指出在降水出现时北半球极锋急流和副热带急流合并增强，而且急流入口区出现超地转风。这些现象有时与北半球冷涌到达中、低纬度后所引起的对流和哈得莱环流的增强及其反馈过程有联系，并且为我国南方降水提供了有利条件。     

江淮流域一次特大暴雨的数值模拟以及动力分析

以周晓平研制的有限区域细网格数值模式为基础，编制成一个套网格模式，并对１９９１年７月２￣３日发生在江淮流域的特大暴雨过程，进行了数值模拟和动力分析。结果表明：低空急流加强，输送了大量暖湿空气并激发强烈的上升运动是造成该区暴雨的主要原因；在该过程中，热成风平衡遭到破坏，其非热成风平衡部分伴随相应的二级环流，也有利于垂直运动的产生。     

大暴雨过程中与急流相关气块的三维运动分析

用４８ｈ三维轨迹分析和物理量诊断分析相结合的方法研究了１９９１年７月上旬的一次大暴雨过程及其与高低空急流的联系。结果表明，暴雨区高空的气块来自高空急流的入口区，并穿过急流中心到达急流的出口区。雨区上空的辐散和２００ｈＰａ高空急流出口区气块的减速运动相联系。低层的暖湿空气来自于ＳＳＷ气流，并在低空急流中心的前方辐合上升。高空辐散所引起的低层减压使低空急流加强和低层暖湿空气的加速运动。     

“地面流场落后”现象的物理图像分析

用饱和湿空气天气动力学原理，解释了“地面流场落后”现象的物理成因，并得出一个暴雨形成的物理流程图，最后用此流程图统一解释了１９８８年汛期河南省２５个时暴雨发生发展的共同特征。     

长江中下游低空急流中心产生暴雨的条件

低空急流与暴雨之间的密切关系,早就为人们所注意。我国气象工作者也对这方面展开了广泛的研究。 但是对南方伴有暴雨的低空急流与“空急流”有何主要差别的讨论还比较少。在日常工作中发现,长江中、下游的低空急流,有时虽然存在着较大的非地转风、大量的水汽输送