频散效应对Rossby波动量和热量输送的影响

本文分析了扰动的频散效应对Ｒｏｓｓｂｙ波动量和热量输送的影响，分析指出：（１）频散效应是大气大尺度运动中扰动动能向平均动能转换（即能量逆转）的根本原因，也是扰动有效位能转化为扰动动能所必不可少的。（２）正压大气大尺度运动扰动动能转化为平均动能的充分条件为基本气流水平切变的特征宽度Ｌ（１）小于临界宽度Ｌｃ≡｜γ     

2008年1月中国南方低温雨雪冰冻天气的大尺度能量输送

利用NCEP-DOE再分析数据分析了2008年1月26～28日中国南方罕见的低温雨雪冰冻天气的扰动能量的生成以及各种能量之间的转换。在急流中平均动能（Km）先转换成相互作用动能（Ki）然后再转化成扰动动能（Ke）。相互作用动能流是顺急流方向的。位势高度平流和有效位能与扰动动能的转化生成的扰动动能比平均动能转化的要小一个量级。中国中南部扰动有效位能（Ae）的产生主要由平均有效位能（Am）间接提供,其中相互作用有效位能（Ai）流起到了关键作用。生成的扰动有效位能在26日12：00（协调世界时）主要来源于两个地区：一个位于青藏高原,另一个位于中国东北部。随着两个主要源地的向东移动,转化也向东移动。相互作用有效位能流的方向同时存在逆急流方向和顺急流方向。     

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。     

大气运动的动能在湍流边界层中的耗散

在大气能量学中,大气平均运动的动能通过湍流摩擦力转化为脉动运动的能量并最终转化为内能的“变性能量”是大气动能的“汇”,正确估计其大小对研究动能的收支,以至天气系统的生衰,发展均有一定意义。此项由于与湍流通量有关,因而难于从大尺度气象参数计算。以往的研究中,或是将动能平衡方程中其余各项算出,而将此项作为余项估计出,或用地转风由粗浅的边界层模式算出。     

大气中动能的双向转化和单向转化

根据绝热无耗散大气总动能和总位涡拟能守恒的特性，本文讨论了二维平面上动能谱分布随时间变化的规律。结果表明，大气谱动能变化必然涉及至少三种不同的空间尺度；或遵从双向转化原则，或遵从单向转化原则。在讨论能量的双向转化和单向转化条件的基础上，本文还分别研究斜压大气和正压大气中能量转化的一般状况。     

北半球大气环流能量循环的气候特征

利用1958—2011年NCEP/NCAR逐日再分析资料,根据Lorenz能量循环理论框架,分析了北半球大气能量循环的年变化特征,在此基础上给出了更具普适性的多年平均的大气能量循环框图.结果表明:北半球大气能量循环的年变化特征十分明显.大气能量及能量转换率均表现为冬季高、夏季低、春秋季过渡的演变特征;纬向平均有效位能、纬向平均动能和涡动动能中有少许能量在冬季时由南半球向北半球进行越赤道输送,夏季时则由北半球向南半球输送,而涡动有效位能的输送方向则与此相反;纬向平均有效位能的制造在秋季最大,涡动有效位能的制造在夏季最大;动能的耗散冬季最强,夏季最弱.就年平均而言,相较于能量转化过程,能量越赤道交换过程非常微弱.在经向上,纬向平均有效位能主要分布于高纬地区,纬向平均动能主要分布于中低纬地区,而涡动能量主要贮存在中纬和高纬地区;此外,能量转化过程一般在中纬度地区较活跃.     

2007号台风“海高斯”的多尺度能量分布及转化特征分析

2020年第7号台风“海高斯”在广东省造成大风、暴雨灾害,细致研究其多尺度能量分布及转化特征有助于更好地认识和防御类似的台风灾害。运用WRF模式对台风“海高斯”进行了数值模拟,使用Barnes滤波方法将模拟结果分离为大尺度背景场(> 2 000 km)、α中尺度系统(200～2 000 km)、β中小尺度系统(<200 km)等三个尺度分量,分别计算三个尺度动能、有效位能的分布及变化。结果表明：(1)台风“海高斯”活跃期内,大尺度背景场动能先增加后稳定,α中尺度动能先增加后减少,β中小尺度动能变化不明显。动能的主要来源是有效位能的转化及气压梯度力做功,主要去向是水平输送及跨尺度转化。三种尺度动能主要分布于对流层低层。(2)大尺度背景场有效位能有两次先增加后减少的过程,α中尺度和β中小尺度有效位能先增加后减少。有效位能的主要来源是非绝热加热,主要去向是转化为动能和水平输送及跨尺度转化。三种尺度有效位能主要分布于对流层高层。(3)台风“海高斯”能量转化区域主要为距台风中心200 km以内台风眼壁及中心密集云盖区域对流层上层、距台风中心200—700 km台风外围区域对流层上层、...     

一次东北冷涡背景下MCS过程多尺度能量相互作用研究

采用WRF模式对东北冷涡背景下MCS过程进行模拟,利用Barnes滤波将模式数据分解为3个尺度,分别代入相应的能量方程中进行计算,从能量角度研究MCS发展过程,多尺度系统能量相互转化,以及动能与降水的联系。研究表明:在此次过程中各尺度之间都有位能向动能的大量转化,为系统发展提供能量。在对流单体发展到M CS成形前,中低层天气尺度动能减少,天气尺度动能向β中小尺度动能转换,促进对流单体的发展;高层天气尺度动能增强,对应高空急流增强,促进对流系统发展;β中小尺度系统在中层对α中尺度系统有动能输送,促进MCS形成。在MCS形成和发展阶段,各尺度位能向α中尺度和β中小尺度动能转化达到最大。在MCS减弱阶段,天气尺度系统和α中尺度系统在中高层对β中小尺度系统有一定的抑制作用,使β中小尺度系统发展减弱。此次过程中β中小尺度系统是降水的直接成因,动能变化的正值中心对应大的降水中心。     

锋面波发展演变与气旋形成的数值研究

本文将锋面作为密度的零级不连续面，对锋面上扰动的非线性发展演变进行了数值研究，所用的锋面模型是f平面上的浅水、两层模型，差分格式具有位涡拟能守恒和动能守恒的性质。锋面波的发展与初始扰动尺度有关，天气尺度的扰动可以维持较长的发展时间，形成较大振幅的波动，其结构类似于具有锢囚锋结构的气旋，相反，较小尺度扰动不易形成锢囚锋结构。同时，锋面波的发展演变受Richardson数(Ri)的影响，Ri越小，锋面波发展的时间越长，波动振幅越大；Ri越大时，锋面波发展的时间越短，波动容易衰减。锋面波的发展类似于气旋的形成过     

线性定常响应有效强迫与遥相关型动力学

对线性定常强迫问题，本文发展了具有能量意义的内积空间中建立一组完备正交强迫模的动力学方法，其中这组正交强迫模是正定对称阵的特征矢量，相应的特征值则决定了强迫模产生的大气响应强度。以冬季３００ｈＰａ气候平均流为基本状态进行具体计算。结果表明，有实际意义的遥相关型只是由很少几个使大气产生大响应的最有效强迫模产生。这些最有效的强迫模产生的大气响应同实际观测到的遥相关型有很好的对应关系。能量分析表明，有利强迫模建立遥相关型，基本流向大气响应提供的动能比强迫产生的动能更大。所以，强迫建立遥相关型不只依赖于外源产生的动能的传播，更主要依赖于大气响应能否从基本流吸取动能。     

锋面波发展演变与气候形成的数值研究

西文将锋面作为密度的零级不连续面，对锋面上扰动的非线性发展演变进行了数值研究，所用的锋面模型ｆ平面上的浅水、两层模型，差分格式具有位涡拟能守恒和动能守恒的性质。锋面波的发展与初始扰动尺度有关，天气尺度的扰动可以维持较长的发展时间，形成较大振幅的波动，其结构类拟于具有锢囚锋结构的气旋，相反，较小尺度扰动不易形成锢囚锋结构。     

广西强对流天气湿有效能量分析

湿有效能量在暴雨预报中应用较广泛,在冰雹天气预报中应用较少。本文应用湿有效能量对区域性锋面冰雹和区域性锋面暴雨天气进行对比分析,探讨广西强对流天气的湿有效能量空间特征,并给出冰雹和暴雨天气个例,获得基本事实,可供业务和研究工作参考。 一、强对流天气的Amk特征 以南宁为代表站,用区气象台查算表查算1979～1983年3～6月14个区域性锋面(包     

华南飑线升尺度增长过程中的多尺度能量相互作用分析

采用WRF模式对华南飑线的升尺度增长过程进行模拟,利用Barnes滤波将模式数据分解为三个尺度,分别代入相应的能量方程中进行计算,从能量角度研究飑线升尺度增长过程中动能和位能的变化,以及三个尺度系统能量的相互转化。研究表明:动能的变化与飑线过程中各尺度系统的演变有较好的对应,β中小尺度对流的发展对应β中小尺度系统动能的变化,而在飑线升尺度增长过程中,α中尺度系统动能快速增长。在飑线发展过程中环境场通过位能向动能的转化使得β中小尺度对流快速发展加强,而β中尺度飑线的快速发展与合并加强导致了飑线的升尺度增长。在飑线的升尺度增长过程中,β中小尺度动能大量转化为α中尺度动能使得α中尺度飑线迅速增强,而环境场对飑线升尺度增长过程的直接影响较小。      

影响降水分布机制的新观点

一九一九年娜威人雅·皮叶克尼斯提出了锋面气旋学说,轰动了气象界,为近代天气学的发展奠定了理论基础。娜威学派的锋面波动学说正确地提出锋的概念,指出这里有最大的要素不连续,有强烈的辐合。实际上是能量的释放、转化最集中的区域。他们提出的锋面气旋天气分布的典型模式,在一定程度上反映了客观实际。所以六十年后的今天仍是我们预报天气的依据之一。但在实际工作中也发现:     

一次东北冷涡发展过程中的能量学研究

对一次典型的东北冷涡过程做了能量学分析。结果表明,东北冷涡活动具有鲜明的阶段性能量学特征。东北冷涡发展之前,各种能量之间的转换很小,边界通量也处于正负相间的振荡状态。早期发展阶段,扰动动能边界通量作用是至关重要的。随着非绝热加热制造扰动有效位能和扰动有效位能向扰动动能转换的大幅度增长,以及外界扰动动能的大量输送和纬向平均动能向扰动动能转换的明显加强,导致了东北冷涡的强烈发展,即这一时期区域内部的能量过程也同样十分重要。东北冷涡的减弱是从有大量扰动动能转换成纬向平均动能开始的,随后加上扰动有效位能向扰动动能转换以及边界通量作用的减弱,使得冷涡逐渐衰亡。     

从不稳定能量角度对条件不稳定相关问题的讨论

大多数深厚的局地对流是在条件不稳定的层结中发生的,这就有必要考虑较厚气层对由底部上升气块所可能产生的总影响。从能量角度讨论了条件不稳定问题中的不稳定能量和对流有效位能,并利用观测资料、结合实例分析了单站地面湿静力能与条件不稳定中不稳定能量的关系。主要结论如下:（1）从能量观点,对对流有效位能的两种定义进行了讨论,认为对流有效位能定义为正、负不稳定能量之差时,其与动能相联系的表达式中包含了低层抬升速度,可以更全面地用于强对流天气预报,尤其是中国南方暖季的强对流预报。（2）气块从底层上升时,无论经历的是干绝热还是湿绝热过程,湿静力能守恒,所以总能量的变化就是动能的变化,等于外界合力对气块做功的大小,不存在湿静力能向动能的转换。（3）从本质上来说,单站低层湿静力能的时序变化用于对流预报的意义在于预示着正、负不稳定能量的改变,从而影响不稳定能量的值。这可以弥补由于高空探测时间分辨率较粗,不能计算逐时正、负不稳定能量的不足。      

2017年3月江苏省一次伴有对流激发的冷空气大风分析

本文利用常规和多普勒雷达观测资料以及逐6小时的FNL再分析资料，对2017年3月1日一次江苏全省大风过程进行了诊断分析，并和2017年2月20日的大风过程进行了简要对比，主要结论如下：（1）3月1日冷空气大风的直接原因是大气强斜压性以及高低层辐合辐散的差异，其局部地区的大风还有对流性的雷暴大风叠加的效果。（2）不同于传统的地面气压梯度造成的大风（例如2月20日的大风过程），3月1日过程中地面气压梯度的贡献并不大，其主要是由系统深厚的斜压性所造成（高空冷平流使得位能转化为动能）。（3）春季的不稳定能量较冬季为强，在冷空气过程中易被激发出对流。阜宁11级大风（3月1日过程中）就是在大范围的冷空气背景下，不稳定能量先后被锋面和阵风锋激发后所造成的对流性雷暴大风与冷空气大风叠加的结果。     

锋面分析和预报的现状与展望

锋面问题是气象学的古老课题之一,但从70年代以来,随着探测技术和计算技术的发展,这方面的研究又重新活跃起来,取得了若干进展,发现了一些新的事实并进行了一些较为成功的数值模拟。 本文从锋面雨带的中尺度结构、锋生现象、锋区垂直环流、锋面向上的β中尺度系统、锋面的动力学问题和地形对锋面的影响等方面,简要地介绍了锋面研究近几年所取得的进展,指出动向,并结合实际情况提出了我国今后进行锋面分析和预报工作时应注意的问题。     

能量转化视角下一次引发冬季区域强对流的南支槽研究

2020年1月24—25日广西出现一次罕见区域性强对流,过程伴随近20年最大范围冰雹天气。南支槽异常发展东移是此次过程的扰动背景,提供了必要的热动力及水汽条件。基于波作用通量及多尺度能量诊断方法,利用常规观测资料、风云卫星资料、NCEP/NCAR以及ERA5再分析资料,从能量转化角度对此次引发区域强对流的南支槽过程进行研究。结果表明:整个过程中纬度和副热带西风急流均较历史同期偏强,有利于上游扰动向下游传播。欧亚大陆上空存在南北两支活跃Rossby波列。源自地中海一带的南支副热带西风急流Rossby波列对南支槽起到主要调控作用,Rossby波能量沿急流频散并在南支槽区辐合,促进了南支槽发展东移。源自北大西洋阻塞高压内部的北支Rossby波列则起到协同作用,促进了乌拉尔山冷槽发展及其与中东槽合并,从而增强了南支波列向下游的传播,进一步增强南支槽;天气尺度有效位能向天气尺度动能的转换以及由背景场向天气尺度的动能输送是南支槽天气尺度扰动发展的主要贡献项。动能的平流输送将获得的天气尺度动能在空间上再分配,维持南支槽稳定发展东移。在此背景下,天气尺度向对流尺度的降尺度动能串级是区域强对流最主要能量...     

一次北方台风暴雨(9406)能量特征分析

从能量角度分析了9406号台风在我国北方造成大范围暴雨过程,定量讨论了台风变性过程中显热能、潜热能和动能的时空分布特征、北方暴雨区远距离降水突然增幅过程中能量的变化、以及动能的补充来源.发现:(1)虽然潜热能比显热能小1个量级,但潜热能平流大于显热能平流.热带气旋在获得西风带斜压能量之前,其总能量的维持主要来自潜热能的贡献,潜热能的贡献约是显热能的两倍.(2)台风远距离降水的突然增幅是中低纬度系统相互作用的结果.来自热带气旋的显热能平流与西风带显热能平流非线性叠加,导致槽前显热能明显增加,西风带槽迅速加深,降水突然增幅.同时,暴雨区高空动能下传的突然增强对暴雨突然增幅有贡献,而该高空动能下传的增加与6小时之前台风环流区大量潜热能量释放相对应.(3)台风进入影响区之前,在整个对流层有潜热能、显热能和动能直接从台风区输入暴雨区;在台风进入影响区之后,只有低空显热能平流保持继续向暴雨区输送能量.(4)台风进入影响区之后,北方暴雨区动能的补充主要来自对流层上层动能的下传、斜压不稳定能量向动能的转化和北方暴雨区西边界动能的输入.5个类似台风的合成分析支持了以上主要结论.得出的暴雨增幅模型可对预报台风远距离降水有指示作用.