非线性斜压Ekman层的动力特征

本文研究了斜压性对非线性Ekman层内的风场及顶部垂直速度的影响。结果表明,斜压性将改变其非线性Ekman层内的风场及顶部垂直速度,其影响随着系统特征与热成风特征的改变而改变。在本工作中,还用地转动量近似的方法作了相应的研究,并将其结果作了相应比较。     

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。     

非纬向基流的非线性斜压不稳定

本文从含Ekman摩擦的非线性两层斜压模式出发,应用Serrin-Joseph的能量方法,按变分原理,分别用扰动总能量、总位涡拟能和两者的线性组合导得了非纬向基流的非线性斜压稳定性判据。并和线性判据作了比较。     

积云对流在非地转非线性斜压扰动发展中的作用

本文得到积云对流潜热释放和非地转非线性效应控制增辐斜压扰动解析式及CISK-斜压联合不稳定性对波长的选择机制.以一个包含了Ekman层效应的二层模式分析表明: (1)在适宜的积云对流情况下,由平流扩散、Ekman层摩擦、静力稳定度和加热系数等物理因素相互制约,扰动最大增长率的波长是属中型扰动范围,即2000一4000公里波长的扰动是联合不稳定的最不稳定的波. (2)积云对流潜热是引起中型扰动不稳定的主要能量源,它既是扰动发展的驱动机制,又对发展的爆发提供了比从基本气流得到的能量大得多的有效位能,它激发了斜     

经典Ekman流,Ekman层的平衡风场及其扰动稳定性

本文首先利用变分方法,考察了边界层运动能量的变化,指出经典Ekman流是在不可压缩条件下,能量积分达最小值时的一种平衡运动。这对Ekman层运动的物理本质有了进一步的认识。其次,讨论了Ekman动量近似下的Ekman层的平衡风场特征,研究了该平衡风场附近扰动的稳定性问题,结果表明,在自由大气气压场不发生扰动条件下,Ekman层中存在一类新的与惯性不稳定相类似的动力不稳定,且其不稳定性可与Ekman抽吸相联系,还讨论了一般性条件下的扰动不稳定性问题。     

Ekman动量近似下中间边界层模式中的风场结构

发展了一个准三维的、中等复杂的边界层动力学模式，该模式包含了EKman动量近似下的惯性加速度和Blackadar的非线性湍流粘性系数，它进一步改进了Tan和Wu(1993）提出的边界层理论模型。该模型在数值计算复杂性上与经典Ekman模式相类似，但由于包含了Ekman动量近似下的惯性项，使得该模式比传统Ekman模式更近于实际过程。中详细地比较了该模式与其他简化边界层模式在动力学上的差异，结果表明：在经典的Ekman模式中，由于忽略了流动的惯性项作用，导致在气旋性切变气流（反气旋性切变气流）中风速和边界层顶部的垂直速度的高估（低估），而在半地转边界层模式中，由于高估了流动惯性项的作用，结果与经典Ekman模式相反。同样，该模式可以应用于斜压边界层，对于Ekman动量下的斜压边界层风场同时具有经典斜压边界层和Ekman动量近似边界层的特征。     

斜压边界层风场的动力学特征

在大气边界层中,当温度分布在水平方向不均匀时,斜压性必须予以考虑。本文在地转动量近似条件下,采用Agee[1]公式来描述湍流粘性系数K,求得斜压边界层中风场分布的解析表达式。由求得的解析解和个例的图解均分析得出一些与经典Ekman理论很不相同的动力学特征。例如,在边界层上部,冷平流使气旋中的风速随高度增大而一直增大,且一直指向低压一方,不再呈Ekman螺线状。在边界层下部,例如20米处,引进热成风将使风向改变达25°左右。这对预报边界层风场是很重要的修正。     

斜压性对地转动量Ekman流的影响—理论分析

本文研究了斜压效应对地转动量Ekman流的影响。利用两变量奇异摄动方法求得了边界层中风场及顶部垂直速度的前二级一致有效渐近解析解，解中明显地反映了斜压情形地转风随高度变化（即热成风）的影响，尤其是其中一级近似解完全由热成风影响所致。在边界层顶垂直速度的解中导出了三种由斜压效应引起的Ekman抽吸新物理因子，即热成风形变、热成内涡度及热成风涡度交叉项等抽吸因子。分析表明，这些因子只在具有水平温度梯度不均匀的系统（譬如锋区）中方能出现。文中还对锋区内上述三种抽吸因子的动力特征作了具体的分析，指出在锋区这 样的强斜压系统中，此三种抽吸因子的贡献是显著的。下一文中，我们将利用本文所得理论解对斜压效应进行具体的定量计算。     

边界层特征参数对旋转减弱的影响

根据作者提出的含边界层层结特征参数如层结稳定度、粗糙度等的Ekman抽吸速度公式,研究了稳定度、粗糙度、斜压性等参数对旋转减弱的影响。计算实例表明,稳定度影响旋转减弱最强,典型的不稳定情况旋转减弱进行的速度比稳定时大一个量级;粗糙度的影响主要表现于层结不稳定时,陆上要比海上快2倍以上。斜压性在不稳定时也有影响,此外风速也是影响旋转减弱的主要因子。本文结论有助于边界层与自由大气间相互作用的认识,并能给出某些气压系统维持与衰减的可能解释。     

Ekman边界层动力学的理论研究

大气边界层及其与自由大气之间的相互作用具有明显的非线性特征,而这些特征是经典Ekman理论所不能描述的,因此,发展中等复杂程度(介于完全模式与经典Ekman模型之间)的大气边界层动力学模式,简称中间模式,对人们从理论上认识大气边界层动力学过程的非线性特征具有重要意义。本文对目前最具代表性的几个中间边界层模型:地转动量近似边界层模型、Ekman动量近似边界层模型以及弱非线性边界层模型进行了总结和分析,阐述了Ekman层主要动力学特征。通过分析上述各模型的理论框架,揭示了各模型的物理意义及其在描述Ekman边界层基本动力特征上的优点和局限性,并指出尽管在细节定量描述上有差异,但各中间模型对Ekman层动力学特征的定性描述具有很好的一致性。对于这些Ekman边界层近似理论模型的进一步应用问题,主要回顾和总结了利用上述模型探讨地形边界层结构、大气锋生过程、低层锋面结构和环流以及边界层日变化、低空急流形成等动力学问题的研究,并对这些研究所揭示的Ekman层动力学特征及其对自由大气低层运动的影响进行了分析,结果表明,这些Ekman边界层近似模型可以较好地揭示大气边界层动力学特征,在大气边界层动力学及其与自由大气相互作用的研究上具有重要价值。另外,还对目前Ekman边界层理论研究中存在的问题进行了一些分析,提出了有待进一步研究的科学问题。     

非线性Ekman层的动力特征

本文研究了由于非线性平流作用所引起的对于Ekman层内风场及顶部垂直速度的影响。结果表明,非线性作用将减弱Charney与Eliassen所得出的垂直速度的强度,非线性的影响也是随着系统特征的改变而改变的。在本工作中,还将非线性解与地转动量假定下的解加以比较与分析。     

斜压性对地转动量Ekman流的影响——理论分析

本文研究了斜压效应对地转动量Ekman流的影响。利用两变量奇异摄动方法求得了边界层中风场及顶部垂直速度的前二级一致有效渐近解析解,解中明显地反映了斜压情形地转风随高度变化(即热成风)的影响,尤其是其中一级近似解完全由热成风影响所致。在边界层顶垂直速度的解中导出了三种由斜压效应引起的Ekmon抽吸新物理因子,即热成风形变、热成风涡度及热成风涡度交叉项等抽吸因子。分析表明,这些因子只在具有水平温度梯度不均匀的系统(譬如锋区)中方能出现。文中还对锋区内上述三种抽吸因子的动力特征作了具体的分析,指出在锋区这样的强斜压系统中,此三种抽吸因子的贡献是显著的。下一文中,我们将利用本文所得理论解对斜压效应进行具体的定量计算。      

台风变性加强过程的数值模拟和试验分析

1997年登陆的Winnie台风经历了变性重新加强的过程,利用中尺度数值模式MM5对该过程进行了数值模拟和分析.等熵位涡分析显示重新加强过程经历了2个阶段:(1)高层扰动加强期,北上的变性气旋在其高层维持了小的位涡区,使上游东移的位涡槽加强;(2)气旋斜压发展期,低层气旋上的斜压带与高层加强的扰动耦合,气旋获得斜压发展.该过程伴随着高层风速的加强并发展为急流,这是动力平衡和低层斜压动能输送的结果.高层扰动和急流演变过程说明了变性气旋自身对其发展的重要性.通过热带气旋分离的方法,利用数值试验对变性气旋以及与气旋相关的物理因子的作用进行分析.结果显示,低层变性的气旋Winnie首先通过潜热过程加强了高层的扰动,然后在其北移过程中和高层的扰动位相锁定而得到斜压发展,演变过程说明了登陆台风自身的重要性.在这个过程中,初始气旋的涡旋环流足最主要的,其次是水汽,而斜压性影响最少.斜压性影响最少是由于在气旋环流和高湿度的环境下,斜压带得到重建,使气旋仍然可以和高层的扰动相互作用而得到斜压发展.所以,斜压性仍是变性气旋再度发展的直接原因.综观台风Winnie的变性以及重新加强过程,气旋中斜压性的产生以及维持都和与降水相关的潜热过程密切相关.     

登陆热带气旋长久维持与迅速消亡的大尺度环流特征

采用动态合成分析方法 ,对登陆后长久维持热带气旋 (LTC)和迅速消亡热带气旋 (STC)的大尺度环流特征进行合成分析和动力诊断。研究表明 :(1)LTC登陆后 ,在一个长波槽前有向偏北移动靠近中纬度斜压锋区的趋势 ,而STC登陆后 ,无长波槽靠近 ,并远离中纬度斜压锋区 ;(2 )LTC登陆后 ,仍与一支低空急流水汽输送通道连结 ,而STC登陆后很快与这支水汽通道分离 ;(3)LTC登陆后逐渐变性 ,获取斜压能量 ,其环境风垂直切变增强 ,Δζ2 0 0 -850负值增大 ,而STC登陆后没有这样的特征 ;(4 )LTC登陆后 ,其高层与中纬度急流靠近 ,增强了其向东北方向的高空流出气流 ,而STC不存在这样一支流出气流 ;(5 )LTC登陆后 ,摩擦使其能量耗损 ,但从中高层环境中获得了能量 ,而STC登陆后 ,有同样的能耗却无明显的环境能量补给。因此 ,当一个热带气旋登陆后 ,从其移动趋势、与水汽通道的连结、与斜压锋区的关系和高空流出气流等特征 ,可以初步判断其是长久维持还是迅速衰减。     

物理守恒保真计算与理想斜压不稳定波模拟的改进

斜压不稳定是大气波动动力学最重要的机制之一,离散数值方案对斜压不稳定发展的描述能力是模式评估的重要内容和模式改进的重要依据。利用斜压原始方程全球谱模式,进行了Jablonowski-Williamson斜压不稳定理想试验,对传统计算方案和物理守恒律保真两方案进行了模拟结果比较,发现通过保持时间离散过程中的全能量守恒,物理守恒律保真方案能够有效地改进传统方案中斜压扰动发生时间延迟的问题,并且在同等条件下增大斜压扰动的发展强度。对涡动动能收支的分析表明,斜压扰动发生时间和发展强度的改进与能量转换的特征有直接联系;在传统方案的基础上,物理守恒律保真方案由于在时间离散中保持了整体物理守恒性质,能量转换率(尤其是斜压转换率)得到显著增强,从而增大斜压扰动的强度,消息改善与中尺度相关的梯度特征等。     

有限区域湿有效能量的层结、斜压、正压分量及其收支方程

本文探讨了将湿有效能量分解成层结、斜压、正压分量的方法,并讨论了它们的收支方程式.其中层结分量与实际大气中对流不稳定有较好的对应关系,但在干有效位能中分解不出这一项.在斜压、正压分量的收支方程中,除附加项外都与干有效位能的方程类似.由三个分量的收支方程看出,湿有效能量向动能的转换只可能发生在层结不稳定或(与)有斜压存在的大气中.这与天气分析经验以及经典的马古列斯(M.Margules)模式是一致的.     

一次梅雨锋暴雨过程中多尺度能量相互作用的研究II.实际应用

本文利用中国自动站与CMORPH（Climate Prediction Center Morphing technique for the production of global precipitation estimates）融合的逐时降水量0.1°网格数据集资料挑选出一次典型的梅雨锋暴雨个例,运用WRF中小尺度模式进行模拟,对模拟得到的高分辨率结果进行Barnes滤波,最后将滤波结果代入动能和位能方程中,目的是定量地分析各个尺度能量的变化以及它们之间的相互作用对暴雨强度的影响。研究发现:模式模拟的降水过程和强度与实况较为吻合,推导的能量方程适用于这次暴雨过程。三种尺度能量之间的相互作用包含了各种跨尺度能量的相互作用。在整个暴雨过程中,跨尺度之间的斜压能量转换包括位能向动能的能量转换和动能向位能的能量转换。同尺度之间的斜压能量转换总是单向的,且量值较大,动能的强度主要靠位能向动能的能量转换来维持。斜压能量转换的多少影响着暴雨的强弱。大尺度斜压能量转换在中高层比较强,中尺度斜压能量转换在低层较强,尤以β中小尺度系统变化最为显著,β中小尺度系统扰动是影响暴雨强度的关键系统。风切变的大小影响各尺度动能之间的能量转换。温度或位温梯度的大小影响各尺度位能之间的能量转换。位能与动能之间的能量转换主要与各尺度垂直速度和温度的垂直分布有关,暖空气上升冷空气下沉是各个尺度位能向动能转换的主要过程。     

大气Rossby波动力学的研究进展

Rossby波是旋转大气和海洋中的一类重要波动,在天气和气候演变中起有重要的作用。该文介绍了北半球中纬度地区的两类重要Rossby波——斜压不稳定波和准定常行星波,在最近20余年来取得的一些重要研究进展。文中涉及的主要研究领域有:斜压不稳定波包动力学、湿斜压过程对斜压不稳定波的作用、北半球风暴轴动力学、斜压波包与高影响天气的预报、准定常行星波的形成机理、准定常行星波的水平传播与能量频散、准定常行星波的垂直传播与能量频散、三维准定常行星波的传播与能量频散。     

两类登陆热带气旋的大尺度环流特征分析

采用动态合成分析方法,对1970-2006年登陆后北上类TC（tropicalcyclone）和西行类TC各7个样本做动态合成分析和诊断,结果表明：（1）北上类TC在背景场长波槽前北移靠近中纬度斜压锋区,通过吸附运动使TC低压并入西风槽,而西行类TC背景场没有长波槽,离中纬度斜压锋区较远;（2）北上类TC登陆时存在西南低空急流水汽输送带,当其强度减弱后,TC东南侧存在东南暖湿气流作为补充,而西行类TC减弱后逐渐与之分离,且不存在东南暖湿气流作为补充;（3）北上类TC高层辐散区与高空急流边界靠近,因此增强了其向东北方向的辐散,低层由于高层动量下传,加强了低空西风,从而使TC低压环流维持,而西行类TC离高空急流边界较远;（4）北上类TC从中纬度斜压锋区获取斜压能量,其环流垂直切变增强,相对涡度差负值增大,在高空TC中心散度由大变小后又由小变大的过程中,TC发生了变性,而西行类TC没有环境能量补给,逐渐填塞消亡。因此,当一个TC登陆后,其预报移动方向、水汽输送状况、与斜压锋区的关系以及高空辐散气流等特征,可以作为初步判定登陆TC将减弱消亡还是将变性加强的可能原因。     

热带气旋“Malakas”与中纬度系统的相互作用及其结构变化

本文利用中尺度数值模式WRF和LAGRANTO轨迹模式对2010年变性台风"Malakas"进行数值模拟和轨迹分析,分析了Malakas在变性过程中与中纬度系统的相互作用,以及在相互作用过程中Malakas的结构变化特征。结果表明:Malakas变性过程经历了三个阶段:(1)高层扰动加强期,高层的正位涡产生的气旋性环流使低层Malakas中心北部的斜压带西侧产生负的温度平流,表现为冷空气的入侵;(2)Malakas和中纬度系统相互作用时期,台风北上导致斜压带出现,深对流的爆发使低层暖湿气流沿着斜压带上升,快速上升气流中的潜热释放导致低PV空气向对流层上部净输送,在其北部高层重新构建出一个脊;(3)Malakas变性成温带气旋,残存的台风内核与斜压带逐渐合并,负的位涡平流带着非绝热外出流驱动了下游最初脊的构建,加速并且固定了中纬度急流,并整体放大了上层Rossby波模式。