最敏感扰动的演变与夏季乌拉尔地区的持续性异常环流

通过数值实验对初始扰动不稳定发展建立异常环流型的过程进行了分析。选择了东亚夏季风异常的１９９１年和１９８５年两个典型年份的平均环流作为基流,以共轭敏感性分析得到的最敏感扰动作为初始扰动,分析其在不同的环流背景下的发展情况。结果说明,１９９１年欧亚地区的基流不稳定性较强,且初始扰动结构有利扰动发展,因而通过能量频散在乌拉尔地区激发扰动并强烈发展,建立起阻塞形势。而１９８５年的扰动在乌拉尔地区形成正涡度距平,不利于阻高的建立。从而导致１９９１年和１９８５年夏季乌拉尔地区几乎相反的异常环流。一系列对比实验说明,异常环流型的建立,不仅依靠能量的频散,更依靠扰动通过正压不稳定过程从基流吸收能量而发展。它既有赖于基流自身的不稳定,又取决于初始扰动的结构以及相对于基流的位置。基流选择了具有特定结构的初始扰动型,只要在有利位置上给予扰动,就能够激发出扰动波列,建立强的持续异常环流型。不论初始波列的位相在一定范围内如何改变,扰动总是倾向于在基流的特定不稳定区域发展。     

波与基流相互作用下的对称不稳定中尺度环流的发展

通过建立包含扰动和基流方程组的数值模式，全面讨论了扰动与对称不稳定纬向基流的相互作用。研究表明：扰动与基流的相互作用表现为以下两个方面：(1)扰动改变了基流，而改变了的基流又对扰动有反馈作用；(2)扰动的平均输送同时也改变扰动自身的结构，从而影响扰动的发展。由对称不稳定基流激发的扰动倾斜环流使基流环境场发生的改变不利于对称不稳定的进一步发展；而由扰动的平均输送所产生的影响则有利于对称不稳定的进一步发展，并且后者的作用强于前者。     

中国南海夏季风强、弱年多尺度相互作用能量学特征

中国南海夏季风为东亚季风的主要系统之一,其具有多重尺度特征,除季节平均环流场外,低频（季节内振荡）和高频（天气尺度）扰动也十分活跃,各尺度系统存在明显的年际变化。该研究使用ERA-Interim和NCEP/NCAR两套再分析资料,从季风平均动能（MKE）诊断的角度出发,探讨了1979-2010年中国南海夏季风环流年际变化的能量来源及其和扰动场的相互作用过程。结果表明:中国南海夏季风对流活跃年份,中国南海南部（12°N以南）及中南半岛一带为季风平均动能显著增强区,此与南亚季风区西风急流的增强并向东延伸有关;中国南海北部（12°N以北）及西太平洋为气旋性环流盘踞,季风槽加深。中国南海南部季风平均动能增强的能量源自于扰动动量通量与平均环流的相互作用,强季风年,平均环流失去较少的动能给扰动场（亦即平均环流保留较多的动能）。通过进一步探讨高频（<10 d）及低频（10-90 d）扰动场与平均环流不同分量的（散度、涡度、风垂直切变）相互作用过程,发现季风平均动能的增长主要来自于<10 d扰动与季风平均散度和涡度的相互作用。中国南海北部季风槽区季风平均动能的维持来自于大气热源和平均上升运动的相互作用,但同时有较多的季风平均动能向扰动动能转换,有利于扰动的成长。因此,强季风年,中国南海北部热带气旋生成数目增多,夏季北传的季节内振荡也增强,导致中国南部沿海及华南地区出现较多的灾害天气。      

南海夏季风爆发前后扰动演变及其数值研究

以球面正压涡度方程为数学模型，建立了线性和非线性的数值积分模式，通过在模式中设置不同的基本流场和初始扰动场，研究基流和初始场对扰动发展的作用，揭示在球面正压大气中扰动发展的动力学机制。数值试验结果表明:在线性模式中，扰动的移动和发展与基流的分布有着很密切的关系，基流影响着扰动纬向传播的速度和方向； 在非线性模式中，当基流稳定时，扰动的移动以及传播与线性模式的结果相同，但与线性情况的最大区别在于，此时扰动能量的增长存在上限。同时发现，扰动的发展既依赖于基本气流的分布，也依赖初始扰动的结构；南海夏季风爆发前后的基本流场是正压不稳定的，且这种不稳定在季风爆发时达到最强，这可以成为季风爆发的动力学解释。     

暴雨环境场非线性扰动特征

本文着重讨论大尺度运动中常被略而不计的非线性流场扰动和温湿场扰动的作用。为此选择三个不同类型的暴雨个例,分析表明需要重视非科氏力场中运动的特性,它表现出旋转流体自身的涡度场和散度场之间的相互作用引起暴雨系统的急剧变化。其次,环境场的层结稳定度水平扰动与垂直运动场的非线性相互作用也会激发出次级环流,促使暴雨过程发展。      

大尺度涡旋的正压不稳定

用极坐标中线性化的正压涡度方程，将大尺度圆形基流上扰动的稳定性问题化为广义特征值的问题，得到了扰动振幅增长率沿方位角方向波数的关系。然后以不稳定模态的扰动流函数场作为初始场，在强、弱两类圆形基流的条件下，用直角坐标中准地转正压模式，分别实施积分时间为６０ｈ的试验。结果在模式大气中，初始扰动均随时间而增幅；强圆形基流的扰动增幅更快，并形成与台风螺旋云系看似有些相近的结构。     

斜压大气中地形扰动过程的一个数值试验

本文应用了考虑地形边界的三层模式对一个纬圈环流的初始理想场进行了60小时地形扰动过程的数值计算。试验结果表明地形扰动影响具有一定的时滞性(扰动过程在48小时后才趋于相对稳定状态)。其次,西藏高原对带状流的强迫分支(绕流现象)在计算结果中有较明显的反映。在半球范围内形成的地形槽脊位置基本上亦与环流平均槽脊位置较为相似,这表明模式中所取边界条件的基本适用性。     

中尺度涡旋和台风涡旋相互作用的数值研究

用一个高分辨率的正压涡度方程模式，实施了4组积分时间为24h的试验，研究了台风环流区域内中尺度涡旋的不同初始径向位置条件下与台风涡旋的相互作用，结果表明，中尺度涡旋初始径向位置不同，可以引起随后扰动相对涡度场演变特征的改变。     

纯斜压基流上斜压波的发展和锋生过程

利用地转动量近似和水平坐标变换建立的三维半地转方程,讨论了具有均匀位涡的基态流上非线性斜压扰动的发展和锋面的形成过程。计算结果表明,对于纯斜压流,斜压波的发展既取决于初始扰动,也与基流的垂直切变有关,垂直切变越大,斜压波增长越快。不同的基流.扰动有不同的增长率。对于某个确定的基流,斜压波在各个时刻的特性仅取决于初始扰动。斜压扰动发展到一定程度,形成大的风速和等温线密集区,即产生锋。     

基于BGM的暴雨集合预报初始扰动发展分析

基于增长模繁殖法（BGM）思想,采用AREM（新一代区域η坐标模式）,研究了暴雨过程中,初始随机扰动在繁殖循环中随时间的演变特征和发展机理。结果表明,初始扰动的演变决定于环流背景场的结构和大气中的湿物理过程。背景场不仅影响扰动的演变规律,而且决定了扰动发展的敏感区域。初始扰动随时间演变存在两个敏感区,一是背景场的大风速区,二是降水区附近。对流层高层,大风速区附近扰动得到最优发展;对流层中低层,扰动不仅沿大风速区发展,且与降水区配合较好。初始扰动发展的机理也有两种,一是大气湿物理过程引起的位势不稳定或第二类条件不稳定（CISK）;二是由风切变引起的大气动力不稳定。高层扰动的增长,以干大气的动力不稳定占优,中低层扰动的发展主要是湿物理过程的贡献,初始扰动在模式中的发展与降水的发展是同“源”的,有利于降水发展的环境也有利于初始扰动的发展,从而影响了降水的可预报性。所以利用暴雨预报模式制作集合预报时,BGM仍是可用的方法。