地球大气纬向风系、副热带高压和太阳较差自转的形成机制

利用N S(Navier Stokes)方程和一个基本假设推导出星体大气平均纬向风和平均气压公式,根据公式讨论了地球大气纬向风系和平均气压以及副热带高压的成因并进行了数值模拟。结果发现,地球大气纬向风是大气微团密度与基准大气密度存在差异而形成的,大气微团的密度大于（小于）基准密度,则为西风（东风）;密度的差距越大,风速越强。在中高纬度地区大气微团吸收的太阳辐射少而向空间辐射多,导致其密度变大,因此在中高纬度盛行西风;而在低纬度地区,因为吸收的太阳辐射多使大气微团密度变小而盛行东风。夏季（冬季）太阳辐射增强（减弱）使得大气微团密度变小（增大）,进而导致中高纬度地区西风减弱（增强）和低纬度地区的东风加强（减弱）。风速的大小还与纬度的余弦成正比,这就使得最大西风带位于中纬度地区而不是大气微团密度最大的极地附近;也使得最大的东风不是发生在太阳直射点附近而是靠近赤道一侧。根据气压公式和大气密度的经向差异可以得出中高纬度区域气压随纬度的升高而减小的分布特征,而太阳辐射所造成低纬地区密度的减小是该区域气压大于中高纬度的主要原因;在赤道上纬度的正弦为零,使得气压在赤道上存在极小值,导致了赤道槽和副热带高压的形成,且太阳辐射越强、副热带高压越强。因为纬度正弦因子的存在,使得副高脊线总是位于太阳直射点的向极一侧。在假定太阳大气为理想气体的情况下,由N S方程推导出太阳大气自转角速度随纬度的变化公式,由此解释了太阳较差自转的成因在于低纬地区的大气微团密度大于高纬度,并且在赤道上大气微团的密度最大。该公式与观测得到的经验公式在略去高阶小项后一致。由此认为,太阳大气的运动在形成机制上与地球大气没有区别,不同的是在太阳表面没有象地球表面那样受太阳辐射的影响,N S方程是所有星体（包括恒星、行星）大气共同遵守的动力方程。     

基于COSMIC资料的边界层高度时空特征分析

利用2007-2012年的COSMIC掩星折射率资料,结合改进的折射率断点法,分析了全球海上边界层高度的季节、日变化特征,并引入尖锐系数对结果进行了评估。边界层高度大值区水平分布呈纬向不对称,中低纬度地区的几个区域边界层最高,由赤道向南北两极递减。在副热带高压控制的部分地区,边界层高度季节变化不明显,而在大陆西海岸的盛行层状云地区,表现出一定的季节变化特征。边界层高度的日变化相对较弱,并且在不同地区略有差异。尖锐系数的评估结果表明:尖锐系数在亚热带最大,折射率断点法能获取准确的边界层高度,而在赤道辐合带和南太平洋辐合带最小,边界层高度定义相对模糊。     

定常态副热带高压与垂直运动的关系

文中利用NCEP/NCAR月平均再分析资料研究了定常条件下二维和三维空间上副热带高压与垂直运动的关系 ;比较了Hadley环流和副热带高压动力学的差异。结果显示由于地球自转 ,在副热带地区出现了最大的经向质量通量的辐合 ,导致了纬向平均副热带高压的形成。在热成风关系的制约下 ,除了在北半球夏季 ,通常副热带高压脊线随高度增加向赤道倾斜。Hadley环流的下沉支从对流层顶垂直地延伸到行星边界层。因此副热带高压脊线与该下沉支在自由大气中位置分离 ,年际变化反相 ;在行星边界层中摩擦耗散作用使两者重合 ,年际变化同相 ,但垂直运动对副热带高压的形成不起作用。三维空间上 ,沿行星边界层的副热带高压脊线处为下沉运动 ,副热带大洋东部强烈的下沉运动对应着强烈的向赤道气流。自由大气中 ,垂直下沉运动的分布与副热带高压的分布不同。大洋上副热带高压东部大气下沉 ,副热带高压西部大气上升。这一方面与等熵面的北高南低的倾斜分布在动力学上是一致的 ;另一方面还表明副热带高压的形成也与非绝热加热密切相关。总之 ,不论是在自由大气还是在边界层中 ,不能简单地把下沉运动看成是副热带高压形成的原因。     

大气大尺度水平运动的稳定性

本文对大气大尺度水平(惯性)运动的稳定性进行了简单的理论分析,着重讨论非线性的影响.结果表明:与线性情况下满足惯性稳定度条件的运动为稳定态否则为不稳定态不同,在非线性条件下,即基本纬向气流的涡度随纬度有变化时(线性或非线性变化),运动会出现分岔现象,在惯性稳定区还会产生不稳定的平衡态,在惯性不稳定区还会出现稳定的平衡态.在运动的惯性不稳定区,如果基本气流的涡度随纬度非线性增加,则当初始位置的地转偏差达到某一强度时,运动可发生一种月尖形突变.     

热力强迫对越赤道气流产生和维持的作用——定性分析

从原始方程出发，应用大气运动的对称反对称性理论，就赤道地区一呈偶极子分布的反对称冷热源对越赤道气流的形成和维持作用进行了定性分析。结果表明，非绝热加热的反对称分布对越赤道气流的影响是通过诱发和维持反对称的气压场分量来实现的。即在热源上空低层形成低压，高层形成高压；在热汇上空形成相反的气压场。这样，在赤道上空高、低层就将形成与相应气压梯度方向一致的越赤道气流     

大气水汽总量的垂直分解

利用1986-2001年探空资料, 分析了我国5个不同地区的水汽垂直分布规律, 建立了大气边界层以上比湿随气压为幂函数分布, 边界层内比湿随气压线性分布的模型, 并用2004年11月-2005年10月的探空资料、 NCEP再分析资料作了对比检验和误差分析, 最后将模型应用于微波辐射计反演水汽总量的垂直分解.结果表明, 模型分解产生的误差越接近地面则越大, 对于1 mm总量的水汽, 分解得到的比湿最大误差为0.1 g·kg-1.     

自由大气的扰动对边界层结构影响的二维数值研究

在中性正压的行星边界层中,考虑边界层顶的负随时空变化的一般情况,在的假定下,用数值方法解边界层运动方程得到风及边界层某些参数的分布。还计算了边界层顶垂直速度,发现和Charney等人的结果不同。     

CloudSat/CALIPSO卫星资料分析云的全球分布及其季节变化特征

全球气候模式（GCM）中云的参数化方案具有不确定性,了解云的时、空变化能为参数化方案提供有效参考。利用搭载在属于A-Train卫星序列的CloudSat和CALIPSO上的94 GHz云廓线雷达（CPR）以及正交极化云-气溶胶激光雷达（CALIOP）联合的2级云分类产品,分析了2007年3月-2010年2月8种云类及三相态的云量地理分布、纬向垂直分布的季节变化特征以及云层分布概率。结果发现,卷云的分布体系与深对流云相似,主要集中在西太平洋暖池、全球各季风区及赤道辐合带,分布格局与气压带、风带季节性移动一致。层云与层积云主要分布在中低纬度非季风区以及中高纬度的洋面上。高积云与高层云的分布形成明显的海陆差异,雨层云与积云的分布形成明显的纬度差异。冰云分布与卷云相似,云高随纬度递增而递减;水云分布与层积云相似,平均分布于2 km高度;混合云集中于高纬度地区及赤道辐合带,中纬度地区随纬度变化集中于海拔0-10 km的弧形带。层状云多以多层云形式出现,积状云多以单、双层云的形式出现,层状云的云重叠现象比积状云更显著。积状和层状云的分布特征与积云和层云降水的分布特征基本一致,验证了不同类型降水的卫星观测结果,同时为气候模式的云量诊断方案提供对比验证的数据。      

大气角动量季节内变化的纬度分布

大气角动量季节内变化的纬度分布田村一则后藤幸夫等Ｌｏｎｇｌｅｙ等（１９８１）指出：地球的自转速度存在着数十天的周期变化，由赤道地区的积云对流活动所激发，而且其能量向中纬度地区传播。这篇报告分析了１９８８—１９９０年的最新资料，总结了不同纬度带大气角动...     

北半球夏季对流层顶气压与气温的年(代)际变率与趋势分析

利用NCEP/NCAR再分析月平均资料,研究了1979—2002年夏季全球对流层顶气压和气温的分布特征与变化趋势。选取了夏季北半球对流层顶年(代)际变率最大区域来定义气压指数和气温指数。分析结果表明:(1)全球对流层顶气压和气温在北半球随纬度的增加而增大,在南半球随纬度先增大再减小,而在整个热带地区对流层顶气压和气温的分布则较为均匀。(2)全球平均的对流层顶气压和气温在分析时段内呈减小趋势,但在中高纬度地区对流层顶气压和气温存在大范围增大现象,表明二者的趋势并不是全球一致的。(3)对流层顶年(代)际变率最大值出现在北半球的中纬度地区和南半球的副热带及高纬度地区,最小值则出现在热带地区。气压指数和气温指数显示出准10年和准3～5年周期。     

The wind field in the nonlinear multilayer planetary boundary layer

By use of the small parameter expansion method, the nonlinear planetary boundary layer (PBL) is studied in this paper. The PBL is divided into the surface layer and the Ekman layer, which is divided into several sublayers. In the surface-layer, the eddy coefficient K is taken as a linear function of height; in the Ekman layer, different constant K values are taken within different sublayers: these values are determined from O'Brien's formula (O'Brien, 1970) approximately. Under the upper and lower boundary conditions and the continuity conditions of the wind velocities and turbulent stresses at each boundary between sublayers, analytical expressions for wind velocity in all sublayers and the vertical velocity at the top of the PBL are obtained. A specific example of steady axisymmetrical circular high and low pressure areas is analysed, and some new conclusions are obtained. The results are in better agreement with reality than previous results. This example also shows that the vertical velocity at the top of the PBL caused by friction approaches zero near the center of a high or low pressure system for this model, but attains its maximum absolute values near the center of the high or low pressure area for Wu's (1984) model. This is due to the fact that in our model, the geostrophic wind speed near the center of this specific vortex approaches zero, which causes the wind shear and the friction effect to be very weak. Therefore the wind distribution in the PBL is very sensitive to the type of eddy coefficient.     

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。     

边界层参数化方案在“灰色区域”尺度下的适用性评估

随着数值预报模式分辨率的提高,当模式网格距与含能湍涡的长度尺度相当时,模式动力过程可解析一部分湍流运动,而剩余的湍流运动仍需参数化,此时便产生了湍流参数化的“灰色区域”问题。对传统的PBL（Planetary Boundary Layer）方案在“灰色区域”下的适用性评估,是改进PBL方案以使其能够适应分辨率变化的前提和基础。本研究基于干对流边界层的大涡模拟试验,比较了WRF（Weather Research and Forecast Model）模式中四种常用的边界层参数化方案[YSU（Yonsei University）、MYJ（Mellor-Yamada-Janjic）、MYNN2.5（Mellor-Yamada-Nakanishi-Niino Level 2.5）、MYNN3）]在“灰色区域”尺度下的表现。研究表明,混合层内总热通量对所使用的参数化方案和水平分辨率均不敏感。不同参数化方案中次网格与网格通量的比例表现出对水平网格距不同的依赖性。局地PBL方案（MYJ、MYNN2.5）在混合层内的平均位温随网格距减小而增大,次网格通量随网格距减小而减小,较参考湍流场对次网格通量有所低估。YSU方案的非局地项几乎不随水平格距改变而变化,对次网格通量的表征并未表现出较强的分辨率依赖性,且过强的非局地次网格输送使混合层内温度层结呈弱稳定,抑制了可分辨湍流输送,不易于激发次级环流。MYNN3方案的非局地次网格通量（负梯度输送项）随网格距减小而减小,使其对次网格通量的表征具有较好的分辨率依赖性。PBL方案在“灰色区域”尺度下的适用性与具体分辨率有关。以分辨率500 m为例,四种PBL方案中不存在一种最佳方案,能对边界层的热力结构和湍流统计特征均有准确的描述。     

Walker环流诊断方程

导出了两个Ｗａｌｋｅｒ环流线性诊断方程,一个适用于数值模拟热带地区某一纬度的Ｗａｌｋ－ｅｒ环流;另一个适用于数值模拟经向平均的Ｗａｌｋｅｒ环流。推导所用的基本方程组中,除了经向运动方程用梯度风平衡方程取代外,其余方程都是球─p坐标系的原始方程。     

A numerical experiment of the PBL with geostrophic momentum approximation

In this paper, a numerical experiment of the motion in the PBL (planetary boundary layer) is perform-ed with geostrophic momentum approximation, in which a nonlinear eddy transfer coefficient is used. Some results are obtained for the boundary layer winds in cyclone-anticyclone and trough-ridge systems. This treat-ment improves W-B’s work. The effects of geostrophic wind tendency and the advection of the geostrophic wind on the winds in the PBL are also discussed.     

考虑背景风压场影响的边界层数值模式

本文提出一个在中性情况下边界层数值模式中考虑背景风压场影响的方法。背景风压场的水平非均匀影响了边界层运动方程中的惯性力项及边界层的上界风速。本文把三维问题用一种线性化方法简化为一维问题，只要知道背景气压场的空间分布，即可求出考虑了背景场影响的边界层风场。     

地形与斜压边界层的动力分析

利用摄动方法,解析求解了含有地形的非线性斜压行星边界层的风场及其顶部的垂直速度。将所得结果与其它工作比较,说明了斜压性、地形和非线性平流对边界层中风场分布和顶部垂直速度的影响。     

A planetary boundary-layer numerical model containing third-order derivative terms

In this paper, the third-order derivative of velocity with respect to height is included in the traditional motion equations of the neutral PBL. The nonlinear equations are solved numerically to obtain the vertical distribution of wind in the PBL and some PBL characteristic parameters. Reasonable simulations of the Leipzig wind profile using these parameters show the success of this kind of nonlocal closure in a real PBL simulation.     

Models for estimating offshore winds from onshore meteorological measurements

To understand and estimate wind speed differences across the coastal zone, two models, one theoretical and another semi-empirical, have been developed and verified by available data sets. Assuming that: (1) mean horizontal motion exists across the coastal zone; and (2) the geostrophic wind does not change appreciably at the top of the planetary boundary layer (PBL), the equation of motion in the direction of the wind can be reduced so that 341-01, where U, H, and C _D are wind speed, height of PBL, and drag coefficient over the sea and land, respectively. For practice, C _D SEA has been modified from a formula with U _LAND as the only input. H _SEA may be estimated routinely from known H _{D LAND LAND} and the temperature difference between land and sea, which can be provided by such means as remote sensing from meteorological satellites. For a given coast, Cmay be estimated also. This formula is recommended for weather forecasters. The semiempirical formula is based mainly on the power law wind distribution with height in the PBL. The formula states that 341-02. Simultaneous offshore and onshore wind measurements made at stations ranging from Somalia, near the equator, to the Gulf of Alaska indicated that values of a and b are 2.98 and 0.34 with a correlation coefficient of -0.95. For oceanographic applications, a simplified equation, i.e., 341-03, is also proposed.     

一个诊断非平坦地形上边界层风的数值模式

根据半地转大气边界层模式，由大尺度数值模式并考虑了下垫面地形及粗糙度的水平非均匀性及大尺度气压场的时空变化，给出了一个诊断边界层风的数值模式。对低纬度运用塔层风模式进行诊断。诊断结果与实测资料比较，风向风速均达到了一定的精确度。