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     

适用于非静力大气模式的完全平衡多矩约束有限体积方法

大气数值模式离散垂直动量方程时,一般而言气压梯度力和重力不易维持严格的静力平衡关系。为精确平衡数值离散的垂直气压梯度力和重力,基于高精度多矩约束有限体积方法引入完全平衡数值公式,即以满足静力平衡关系的热力学参考态对重力源项进行数值离散构造,发展了适用于非静力大气的完全平衡多矩约束有限体积方法。一维标准数值试验表明,完全平衡多矩约束有限体积方法能在较粗糙的计算网格点上保持静力平衡参考态的数值计算误差在计算机的单精度（10-6）和双精度（10-14）水平,在具有小量级扰动的初始条件下,完全平衡多矩约束有限体积方法能较好地模拟扰动的传播,二维非静力热泡试验进一步验证了完全平衡多矩约束有限体积方法对非静力大气运动的模拟能力。数值试验结果验证了所发展方法的完全平衡属性和适用性,这为非静力大气模式发展提供了良好参考价值。     

地面锋附近重力流的产生及其锋生作用

本文用旋转大气的两维非静力模型,用Simpson和Linden[1]的级数展开方法和数值积分方法讨论了地面锋附近由于非地转平衡所产生的重力流及锋生作用。     

边界层中风速向Ekman气流的调整

在自由大气中,风压场之间基本上是满足地转平衡的,但在某些局部地区,可以出现地转偏差,而这些偏差通过惯性重力外波的频散作用将最终消灭而建立起地转平衡。这种适应过程已有很多的研究。与自由大气中的准地转气流的特征相似,在边界层中,在三种力即折向力、气压梯度力和湍流粘性力的平衡下,风场呈现Ekman气流,即风速矢量湍迹呈现Ekman螺线。类似于地转适应问题的提法,在边界层中,也存有Ekman气流的适应问题。即当初始场在某种原因下,风场、压力场之间与Ekman气流     

热带大气半地转适应理论的尺度分析和物理机制

对热带大气行星尺度运动所做的尺度分析和物理分析表明:热带大气 的行星尺度运动在y方向容易实现气压梯度力与Coriolis力的平衡，它称为纬圈的 半地转运动。半地转平衡的建立过程，也就是半地转适应过程相对是很短暂的，它不需 要考虑f=β0y随y的变化，因而主要依靠惯性重力波为频散；而半地转平 衡建立后的演变过程相对是很缓慢的，它主要受Kelvin波和Rossby波控制。     

一次南海高空晴空颠簸事件的形成机制研究

采用WRF模式及其三维变分同化系统,对一次发生于南海高空越洋航线上的晴空颠簸(CAT)事件开展同化AMDAR资料的高分辨率数值模拟研究,探讨副热带高空急流与本次CAT的发生关系。通过对飞机航线上CAT发生时刻附近水平和垂直风场、气压场、温度场的模拟与分析,得出以下结论:(1)此次南海高空越洋航线上的CAT位置及周边区域存在明显的大气重力波活动;(2)影响此次CAT的大气重力波主要来源于副热带高空急流及非地转平衡;(3)急流区以及非地转平衡激发的大气重力波经过水平传播或垂直传播,通过扰动局地大气环境达到Kelvin-Helmholtz不稳定和急流南侧反气旋气流的惯性不稳定的两种机制使波形破碎,从而形成CAT。     

三维静力适应过程中声重力波的特性和能量转换研究

为了研究三维静力适应过程的机理,推导三维静力适应方程组并导出声重力波的频散特征、解析解和能量转换关系以及位涡方程。结果表明,三维静力适应过程实际上就是三维声重力波和重力内波的频散过程,声重力波和重力内波的频率在水平方向上可以区分开来。声重力波的频率随着水平波数和垂直波数的增大而增大。取近轴近似,其解析解在空间上呈螺旋曲面,为大气中热通量和动量从一个区域向另一个区域的输送提供了一种机制,从而为研究大气提供了新的视角。垂直速度在动能与有效势能的转换、有效势能与有效弹性势能的转换中发挥着重要的作用,并且只发生在垂直方向上。在静力适应过程中总能量和位涡是守恒的。适应终态中有效势能比有效弹性势能大一个数量级。      

地形重力波拖曳效应的参数化

当稳定的层结气流越过不规则地形时,会激发地形重力波,在合适的条件下,这种重力波会向上传播。这种重力波的传播与大气静力稳定度、垂直风切变等有关,而且在垂直方向可以传播到很高的高度。为了在中期数值预报和气候模拟中,解决由于地形引起的系统误差,例如纬向风太强、急流位置有偏差等问题,就有必要考虑到由于地形激发的地形重力波及其对大尺度气流的作用。观测表明,与地形重力波有关的天气尺度雷诺应力的量级,一般情况下,只有几十个帕斯卡。地形重力波的水平波长也可能只有几十公里。由于数值模式分辨率的原因,     

中层大气重力波的一种激发机制及其数值模拟 I. 非地转不稳定和波结构

本文用FGGE资料分析了1979年2月—3月一次爆发性增温期间平流层环流的不稳定性，从而说明在平流层爆发性增温期间伴随产生大振幅重力波活动的原因。分析结果表明:在平流层爆发性增温期间，大气中存在着很强的并且是系统性的非地转运动，从而产生非地转不稳定。强烈的地转偏差的存在激发出大振幅重力波。我们还应用一个线性化扰动方程求得了非地转不稳定判据；并且用数值方法分析了这次爆发性增温期间基流的特征谱点和不稳定波结构。计算结果表明基流满足非地转不稳定条件，具有快波性质的波动出现了不稳定。     

静力平衡模式在中尺度大气模拟中的适用性问题

静力平衡模式是目前数值天气预报的主要模式。近年来随着模式分辨率的提高,非静力平衡模式在中国的研制和ＭＭ５等模式的引进,从理论研究和应用的角度看,有必要对这两种模式在中尺度大气模拟中的适用性问题作细致的分析研究。本文从理论上分析了静力平衡假定下重力波频率模拟的误差,指出其相对误差随Δｘ增大成平方的减少。当Δｘ≥２０ｋｍ时,相对误差小于４％,当Δｘ≤１０ｋｍ时,相对误差可能大于１６％。和一般顾名思义的概念不同,静力模式计算的重力波频率被夸大,计算的垂直加速度也由于略去惯性项而夸大。推导的准静力平衡模式,对静力平衡模式作了惯性项订正,个例试验也肯定了上述结果。     

数值模式中气压梯度力的算法试验

本文在差微差一致性二阶精度的坐标变换公式的基础上,推导出了气压梯度力计算的新公式。同时,根据静力扣除法原理,提出了初值静力扣除法,用以计算有地形数值模式中的气压梯度力。将这两种新的方法与二阶计算精度的回插法和局地等温法(Corby格式)相比后发现:新方法(文中称为经典修正法)与回插法精度相近,但可节省计算时间,比局地等温法精度高。静力扣除法则效果较差,但其原因可能在于地转风垂直插值方法有误差。本文的试验模式是上海台风研究所的业务数值预报模式,文中对模式及若干技术处理也作了简要介绍。     

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。     

THE FOUNDATION AND MOVEMENT OF TROPICAL SEMI-GEOSTROPHIC ADAPTATION

The breakdown and foundation of geostrophic balance is one of the important movements inthe mid-and high-latitude atmosphere and oceans.In the tropical area,the value of Coriolis pa-rameter is so small that it is difficult to satisfy the bi-geostrophic equilibrium between the pressureand velocity fields.However,in the tropical area,the zonal velocity of some motions in the atmo-sphere and oceans is large,so the Coriolis force is not small,geostrophic balance can exist in zonaldirection,i.e.semi-geostrophic balance.Furthermore,in the dominant area of Hadley circulationin the atmosphere or the area near the ocean meridional boundary,the meridional velocity is large,so geostrophic balance can also exist in meridional direction.In this paper,the process of the dis-persion of inertial gravity wave and the foundation of semi-geostrophic balance are first discussed.Second,the adjustment process between the velocity and pressure fields after adaptation is alsoviewed,and the scale criterion of the semi-geostrophic adaptation is discussed,i.e.for the motionwith meridional scale greater than the equatorial Rossby radius of deformation,the velocity andpressure fields after adaptation change to fit the initial pressure field;on the contrary,the fieldschange to fit the initial zonal velocity field,and the strength of the fields after adaptation dependson the zonal scale.     

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.     

边界层内冷锋流场的动力学特征

文中求解了锋面存在时地转动量近似下的大气边界层运动方程 ,得到了边界层内冷锋流场的一些特征 ,如冷锋坡度随地转涡度增加而增加 ,随地转风速时间倾向的增加而增加 ,随沿锋面传播方向的热成风分量的减少而增加。而边界层内冷锋面上下的流场与锋面坡度、地转风及其时空变化特征有关 ,共同特点是在冷锋面高度以下有下滑运动 ,而其上有一层上滑运动区。     

环境地转基本气流的计算及热带气旋运动与其偏差的统计分析

利用国家气象中心T63L16的1.875×1.875经纬网格点资料和中央气象台编号的热带气旋实时中心位置资料,计算了1996年全年25个热带气旋,共126个时次的环境地转基本气流,分析了环境地转基本气流的垂直分布特征,并对热带气旋的实际运动与环境地转引导气流的偏差(后文将称其为引导偏差,即热带气旋的实际中心位置与按引导气流推算出的位置之间的偏差)进行了分析,发现引导气流的计算区域不同,其引导偏差是不一样的。得到了引导气流的最佳计算区域,并且发现热带气旋运动与环境地转基本气流的垂直切变结构的关系以及引导偏差与引导气流的速度、气旋本身的初始纬度位置和强度等有关。结果还表明,200～1000 hPa的深层加权平均的基本气流的引导效果最佳,可作为最佳引导气流使用。了解这些规律和特征,对热带气旋运动预报具有一定的参考意义。     

低空急流形成发展的一种可能机制——重力波的惯性不稳定

当斜压大气在高空急流轴附近满足条件f(f-/y)＜0时,非地转运动激发出的重力惯性波将得到进一步的发展.此时,斜压大气的地转适应过程无法实现,非热成风和垂直环流之间将发生正反馈作用, 负的非热成风将激发并加强南部上升北部下沉的垂直环流,垂直上升流的加强将导致低层低压系统的发展和低层流场的辐合,使得低层低压系统南侧的气压梯度力增大,结果在辐合区南侧形成低空急流.此外,非热成风的分布对垂直环流和低空急流的形成发展也具有非常重要的作用.     

CALCULATION OF BASIC ENVIRONMENTAL GEOSTROPHIC FLOW AND STATISTICAL STUDY ON TC TRACK AND ITS DEVIATION

Using the T63L16 analysis data with the resolution of 1.875╳1.875 degree of latitude and longitude obtained from National Meteorological Center (NMC) and the real central position information of tropical cyclone (referred to as TC hereafter) numbered by NMC, the basic environmental geostrophic flow at 126 time levels of 25 TCs in 1996 are calculated. The vertical distribution features of the flows are analyzed. Besides, the deviation of real TC tracks from the flows (referred as steering deviation hereafter, namely, the deviation between the real central position of TC and the position calculated according to the steering flow) is also investigated. The result shows that the steering deviation would be different if the domain used to calculate the steering flow is different. The present paper obtains the optimum domain size to calculate the steering flow. It is found that the steering deviation is related to the velocity of steering flow and the initial latitude and intensity of TC itself, and that TC motion has relationship with the vertical shear structure of environmental geostrophic flow. The result also shows that the optimum steering flow is the deep-layer averaged basic flow from 1000 hPa to 200 hPa. Having the knowledge of these principle and features would help make accurate forecast of TC motion.     

热带大尺度大气运动的多时态特征

本文采用多时间尺度方法分析热带大气的大尺度运动,得到了三个阶段的运动性质。结果表明,热带大尺度大气运动与中纬度大尺度大气运动一样,具有双适应现象,即第一阶段由于重力波频散,产生了地转适应;第二阶段由于长波频散,产生了位涡适应。 同时指出,运动的三个阶段的演变过程,可以统一为位势涡度适应过程,这是一种非线性过程,而地转适应是位涡适应的初级阶段。      

非静力平衡大气非线性层结对称运动的稳定性和突变

在假定了环境地转风具有水平和垂直的线性切变的情况下,考虑大气层结的线性和非线性切变的作用,建立了一个非线性常微分方程组,然后构造了一个Hamilton函数,通过讨论Hamilton函数的凸凹性,得到了非线性层结对称运动的不稳定判据,同时讨论了非线性层结对称运动产生突变的条件。