不连续参数诊断系统变化方法在夏季降水预报中的应用

目前，天气预报业务中使用的主要是天气学方法及数值预报方法，这些方法都是建立在大气是连续流体这一理论基础上的。欧阳首承提出了运动流体的不连续理论：运动流体可随时间演化为不连续，运动形式可通过“溃变”向相反的形式转变，这种运动形式的转变也就是天气系统的转变，是天气预报的核心。基于这一思想，欧阳首承设计了体现信息不连续特征的参数，进行天气系统的直接诊断。1995年汛期我们引进了该方法，对影响辽宁省汛期降水的西太平洋副热带高压以及其他天气系统作了诊断分析。     

广义系统的整体演化和天气预测

引　言　　陆士嘉先生说：“流体怕搓,一搓就搓出了涡”。大气作为流体的一种形式,更怕“搓”。大气怎么被“搓”？本文从“广义系统”整体演变的观点出发,通过传统的描述流体运动非线性方程的Ｃａｕｃｈｙ问题来论述大气运动随时间演化的逆向转变（溃变）问题。且以此来探索大气运动的转折性变化的物理成因,以及与大气非均匀演变紧密相关的大气涡旋运动。最后讨论预测问题,以及大气涡旋运动在强对流和强降水天气预测中的应用。目前,理论研究为追求定量可比性而与实际应用之间在相当程度上脱离了联系,并且被喻为“脱离生产,脱离实际…     

一种短期降水预测技术的应用

1前言大气运动是非常复杂的，其复杂性在数学上表现为非线性。欧阳首承[1]从实际出发，经过多年对流体演化特征和一系列非线性模型的研究和分析，指出在流体运动过程中非线性外迫力可导致原函数的连续性崩溃及逆转；而方程自身的非线性则可导致流体辐合，通过不连续逆转演变为辐散，并称这种过程为溃变，即旧结构的破坏，并通过不连续产生新结构。这种过程正好与天气演变中的转折性变化相对应。Zt意使型图1为概念化的系统演变的模型。fo表示初始时刻，t。表示终极时刻或预报时效，黑点表示一个孤立系统，矢量V可抽象地表示为系统演变方向，…     

一种新的垂直速度计算方法

在流体的不可压缩条件下,本文通过连续方程给出了一种新的垂直速度计算方法,称为z方法。通过实验得出:z方法下同样可以得出水平涡度与垂直运动的关系,即水平涡度矢量逆时针旋转时,对应上升运动,顺时针旋转时对应下沉运动。通过有效性验证得出:本文的方法在高层具有比较高的可靠性,在低层可靠性比高层稍弱,在中层则不甚理想。通过与p方法求解出的垂直速度的效果进行比较,得出p方法略好于z方法。     

地形对地转适应和锋生的影响

作者的目的是分析地形对由于热力差异所引起的局地锋生现象和地转适应过程的影响．为此，分别用零位涡流和均匀位涡流来近似代替实际大气，并借助位涡、绝对动量、位温的守恒关系，就地形对适应锋生和适应过程中能量转换等问题进行了简单讨论。初始位温扰动的水平分布及其相对于地形的位置对适应锋生有重要影响。当初始热力扰动主要位于地形迎风坡山脚时，地形不利于锋面形成，这时要形成锋面不连续，初始位温梯度的水平变化必须非常显著；当初始热力扰动主要位于山顶附近时，地形促进流体运动的辐合，有利于锋面不连续的形成，这时即使初始位温梯度的水平变化不是很大，也可能会形成锋面；当初始热力扰动主要位于背风坡时，地形是否有利于锋面不连续的形成取决于流体的层结情况，如果流体的基本层结很弱，地形促进锋面不连续的形成，反之，地形不利于锋面不连续的形成，这种差异主要是由于在这两种情况下，地形引起的下沉增温效应的强弱是不同的。另外，地形对地转适应过程中动能和位能之间的能量转换率也有影响，与没有地形的情况相比，当初始热力差异显著区位于迎风坡时，能量转换率减小，当不平衡场位于背风坡时，能量转换率增加，原因是在迎风坡流体要克服重力作功，在背风坡重力对流体作正功。     

第六讲 环流和涡度

大气作为一种流体其运动形式是各种各样的,它不仅位置可以发生变化,流体微团还可以发生转动、形变及辐散(合)等。为反映大气运动的这些特性,光有速度场V还不够,有必要引进环流、涡度、散度等物理概念。这些物理量及其相应规律的研究在动力气象学中占有重要的位置。     

大气近地面层中不同温度层结下的湍流运动

本文运用相似理论,在物理分析的基础上试图从统一的观点来讨论不同温度层结下的湍流运动。由强迫对流到自由对流的过渡趋势假定是连续的,对极端稳定层结时湍流运动的特点提出了看法。选取了符合物理分析所要求的通用函数的形式,设法确定了其中的参数的值,并进而建立了根据梯度观测资料计算湍流系数及各种湍流输送通量的公式及图表,并用不同资料进行了检验。     

地球流体力学的研究与进展

简要介绍中国科学院大气物理研究所七十多年来在理论与计算地球流体力学方面的若干研究及其新的进展.在理论地球流体力学方面,介绍了长波动力学及线性稳定性问题、弱非线性理论及行星波动力学以及用Arnold方法(能量-Casimir方法)研究大气和海洋中各种流体运动的非线性稳定性问题的成果.此外,对扰动演变、扰动和基流相互作用及热带大气动力学中的第二类不稳定条件(CISK)也作了简要的介绍.在计算地球流体力学方面,主要内容包括:用物理观点和数学分析相结合的方法阐述了造成计算紊乱和计算不稳定的机理,论证计算稳定性、算     

主编语

在物理学研究中,尺度特征是一个必须要处理好的问题,大气科学也不例外,在不同的时空尺度条件下,运动所遵循的规律会表现出很大差异,或者说运动的特征会因尺度的变化而完全不同。在以往的多尺度研究领域,尺度分离问题相对比较成熟,可通过有效的方法、技术来实现。相对而言,对不同尺度系统间的相互作用,尽管也从不同角度开展过大量工作,但仍显薄弱。如果不能清晰、合理地分析尺度间相互作用问题,就难以解释大气运动如何在较为平稳的状态下产生变异,并有新尺度系统产生。多尺度相互作用一般用尺度间的能量传输来衡量,但这种传输属流体的内部过程,要靠动力学理论来推断。然而流体力学中较长时间延用的能量传输经验公式有着重大缺陷——能量不守恒,导致我们用此所作的动力学诊断不能如实反映大气内部的物理过程。针对这个问题,过去20年来气象学家从最基本的物理概念出发,通过构造物理意义上自洽的数学工具,在严格意义上导出了流体内部多尺度之间的能量传输公式。     

湍流的分子动力学理论

湍流是自然界中极为普遍的一种流体运动形态。研究湍流运动发生发展的规律,在气象学、海洋学、空间物理、流体力学、等离子体物理以及不少工程技术等领域中,不仅具有重要的实用价值,而且是一个极有意义的理论问题,也一直引起各方面的密切注视。湍流理论的系统研究已有五十多年的历史,其主要成果大多建立于三十年代和四十年代初期。以后一个时期内,由于问题的复杂和困难,进展并不显著。近几年来,国内外对湍流     

大气随机动力学与可预报性

偶然性与必然性过程及其相互转化是世界事物变化复杂性的根源。根据布朗运动统计理论,提出了分子热运动是不稳定流体中湍流形成之源,由此形成不同宏观尺度的随机运动是大气运动固有的属性。观测事实表明,太阳辐射作为决定大气运动与变化的主要因子,它的变化具有随机性,是大气的随机强迫因子,它对气候变化具有决定性影响。地-气相互作用是一个时变的非线性相互反馈的耦合过程,形成了下边界对大气复杂的随机强迫作用,其界面交换耦合随机动力学模式尚待建立。由于大气过程固有的随机性以及随机的外强迫耦合作用,大气确定性预报的时效是有界的,它决定于预报对象的不确定性及其空间尺度与时间尺度,以及预报时效内的大气不确定性。由此,客观存在着大气过程的报不准关系。     

大气运动的螺-极分解和Beltrami流

本文首先将不可压缩流体速度场的螺-极分解用来描写三维大气运动的垂直速度、涡度和螺度；其次，叙述了Beltrami流的概念，并论证了对于无摩擦的大气运动满足广义地转关系的定常解就是大气运动的Beltrami流；最后，应用小参数方法讨论了定常准地转模式中的螺度，研究指出：大气运动的螺度紧密地与稳定层结条件下的垂直运动和温度平流有关：上升运动和暖平流对应于正螺度，下沉运动和冷平流对应于负螺度。     

非间断面的锋面坡度公式及其应用

1引言尽管实际的锋并不是温度的零级或一级不连续面,但为了数学处理方便,以往推导锋面坡度公式时,总是理想化地把锋当做温度或温度导数的不连续面,所得锋面坡度公式是近似公式,虽然可以解释锋面附近的风场,但不能解释锋面附近的垂直运动.锋附近的垂直运动被认     

大气运动的螺——极分解和Beltrami流

本文首先将不可压缩流体速度场的螺－极分解用来描三维大气运动后的垂直速度；涡度和螺度，其次，叙述了Ｂｅｌｔｒａｍｉ流的概念，并论证了对于无摩擦的大气运动满足广义地转关系定常解就是大气运动的Ｂｅｌｔｒａｍｉ流，最后，应用小参数方法讨论了定常准地转模式中的螺度，研究指出：大气运动的螺度紧密地与稳定层结条件下垂直运动和温度平流有关；上升运动和暖平流对应于正螺度，下沉运动和冷平流应于负螺度。     

大气锋区的耗散结构及其自组织规律

本文研究了大气锋区的耗散结构理论;导出了锋区的最小熵产生定理;建立了大气锋区下层流体的运动方程组,揭露了大气锋区建立新平衡态的原因和条件,给出了大气锋区的耗散结构特征和自组织规律.     

柯氏力引起的流体“挤压”现象

本文从虚位移原理出发,计算了流体质点组成的质点系。在柯氏力作用下,流体的形态将因“挤压”现象而发生改变。对气体而言,由于“挤压”,将会导致气体密度分布的不均匀,造成沿气体流动方向两侧产生压力差。这种“挤压”现象在精确求解气团运动压力分布时,应予考虑。     

论锋面在副热带里的性质和华中华南锋面分析问题

锋是温度水平变化特别大的地带,或者说得理想化一些,是水平方向上温度的不连续。严格讲来,这是密度的不连续。因为由於密度不同,空气就会形成一个界面(锋),并且会在这界面上形成风的切变,风的辐合,形成有组织的对流运动,滑升运动,而因此有可能产生各种天气现象,特别是云和降水。而就因为这样才使我们为了预报好天气不得不找锋,画锋。     

扰动与基本带状环流非线性相互作用的实验研究

本文用转盘实验的方法,研究了均质正压流体运动中扰动与基本带状环流的非线性相互作用。着重考察了两类典型初始扰动场——即迭加在基流上的槽状扰动和多闭合涡旋中心扰动结构的演变过程。发现:非线性相互作用过程是以波动形式表现的。两类初始扰动场各自经历不同的演变过程,并趋向于不同的平衡态。槽状扰动结构有利于基流对扰动动能的吸收,流场最终趋向于轴对称带状环流状态,而且纬向波数越大,吸收过程越明显。多闭合涡心结构不利于基流对扰动动能的吸收。基流与扰动在动能随时间的变化上表现出准周期性振荡。实验结果与旋转适应过程理论有很好的一致性。     

闪电通道的径向扩展

本文从流体力学欧拉运动方程、连续方程和能量守恒方程出发,理论分析闪电通道的径向扩展,研究闪电冲击波的形成机制。     

ＧｈｏｓｔＦｌｕｉｄ方法在运动边界射流问题数值模拟中的应用

把解决多物质流问题的ＧｈｏｓｔＦｌｕｉｄ方法应用到具有运动边界的单物质流的数值模拟中去,结合求解界面追踪问题的Ｌｅｖｅｌ Ｓｅｔ方法,提出了有效求解运动边界问题的虚拟流体算法,用数值模拟重现了“声学整流”效应现象,并用等压装配法解决了发生在流体和活塞界面上的“Ｏｖｅｒｈｅａｔｉｎｇ”效应．数值实验表明：水平管道的长度和活塞振动频率是射流形成的关键因素,数值实验中如果频率和长度设置合理,则理想气体在做简谐振 动的活塞驱动下,可以产生稳定的射流．