大气动力学方程组的定性理论及其应用

基于完整的湿大气动力学方程组,利用无穷维动力系统的新理论和新方法,系统讨论了强迫耗散的非线性大气系统的定性理论及其应用。将完整的强迫耗散非线性湿大气动力学方程组化为Hilbert空间中一个等价的算子方程,研究了算子的性质及其物理意义,在此基础上得到湿大气系统全局吸引子的存在性定理,揭示出系统向外源的非线性适应特征,并把结果推广到有地形动力作用和非定常外源强迫的情形。同时探讨了大气方程组惯性流形的存在,大气多平衡态产生的根源以及强迫、耗散和非线性对系统解的渐近行为的影响。在理论结果的基础上,提出强迫耗散的非线性动力系统中存在三类时间边界层、方程组简化准则、分解算法的算子约束原则以及支撑吸引子基底的少数自由度的构造方法,探讨了理论在非线性发展方程差分格式的设计和计算稳定性分析、多平衡态的数值分析、数值模式延伸预报的改进、短期气候预测以及一类中尺度系统分析与预测中的应用,指出描述长期过程动力学模式的必备条件,给出初值与模式相协调的合理解释。最后,对今后的研究方向作了展望。     

梅雨异常年大气非绝热加热场的比较分析

利用ＥＣＭＷＦ／ＷＭＯ客观分析格点资料，分析了多梅年和空梅年大气非绝热加热场特征。结果表明，梅雨期降水与大气非绝热和加热场有密切联系，梅雨各阶段的加热汤具有不同的特性，丰梅年与空梅年的加热场有显著差异。     

全球大气季节平均热源的三维分布——非绝热加热与瞬变加热之对比

利用1958—2001年ERA40逐日大气再分析资料,使用热力学方程剩余项法计算和对比分析了全球大气季节平均非绝热加热和瞬变加热的四季气候平均三维分布。结果表明,全球大气非绝热加热主要为热带强大深厚对流性热源、中纬度浅薄热源以及副热带和高纬度的深厚性热汇,热带热源总是向夏半球偏移,但中纬度热源和高纬度热汇在冬半球偏强。全球大气瞬变加热的三维分布主要表现为:副热带热汇-中高纬度热源的南北偶极型和中纬度低层热汇-高层热源的高低层偶极型,该分布型导致瞬变热源具有从高纬度低层向中纬度高层的倾斜结构。瞬变加热与风暴路径密切相关,冬半球风暴路径的瞬变活动强,因而其瞬变热源和热汇也强,而夏半球则相对弱。瞬变加热在北半球具有位于大陆东部和大洋西部的区域性特征,而在南半球具有纬向带状分布,尤其在冷季时南太平洋瞬变热汇和热源带出现分离现象。瞬变加热在全球大部分区域对非绝热加热起减弱抵消作用,但在中纬度对流层中高层起支配性作用。因此,大气瞬变活动帮助高纬度和中纬度中高层大气获得更多的热量,从而对非绝热加热造成的大气热量进行空间上的重新分配。     

热带大气对非绝热加热的响应及其与ENSO循环关系

通过求解赤道β平面上的线性运动方程,研究了热带大气对主要由海洋热状况异常导致的大气非绝热加热的响应,并探讨了该过程与ENSO循环的关系。结果表明,非绝热加热的直接作用及其产生的Kelvin波、Rossby短波是大气零阶的扰动位势和纬向风速变化的原因。在El Nino期间,大洋西部首先发展出正的大气位势异常。但随着海洋热状况的正异常的持续,随之在大洋西部即开始孕育和发展,导致热带太平洋海气耦合系统回归正常状态,甚至是转向La Nina的大气异常状态或系统,其标识是非绝热的异常加热所激发的大气Kelvin波的产生和东传,并伴随正位势异常的大值向东移动和大洋西部正的位势异常减弱,信风由此而增强。在La Nina的盛期,海洋热状况存在负异常(即弱于平均状态),则将有相反的过程。     

非绝热加热对中高纬大气低频振荡的调频作用

用诊断方法和数值试验两种方法,研究了非绝热加热对中高纬大气低频振荡的调频作用,首先应用１９７９～１９８９年欧洲中心资料进行功率谱分析,得到：（１）夏季与冬季相比,波动的主周期有有缩短的趋势,（２）ＥｌＮｉｎｏ事件和ＬａＮｉｎａ事件期间,冬夏两季的波动主要周期分别有缩短和变长的趋势,然后,应用强迫耗散准地转正压涡度方程的全球谱模式,考虑三个行星波准共振,积分９０ｄ,得到：（１）三个行星波之间存在的很     

大气环流模式SAMIL模拟的夏季全球加热场和东亚夏季风

各国科学家一直致力于从理论和数值模拟上对季风系统进行全面地研究。本文根据“热力适应”理论, 从分析中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室的最新版本大气环流谱模式(SAMIL2.4.7) 对全球非绝热加热场的模拟性能出发, 分析并解释了SAMIL对东亚夏季风 (EASM) 子系统的模拟情况。通过与再分析资料Reanalysis-2 ( NCEP/DOE AMIP-II Reanalysis ) 对比分析发现, SAMIL能很好地模拟出夏半球副热带地区加热场的四叶型分布 (LOSECOD), 但模拟的各加热场在强度上存在一定的偏差, 主要表现在感热加热在大陆上普遍偏高, 而潜热加热在印度半岛两侧、西太平洋地区(尤其在南北纬10°) 偏高, 赤道带、中南半岛、中国南海等地区偏弱。而对EASM子系统的分析发现, SAMIL能很好地模拟南亚高压; 较好地模拟西太平洋副热带高压的主体, 但西太平洋 (30°N附近) 潜热偏强使得模拟的副高强度偏强、 西伸脊点过于偏西; 模式也能较好地抓住夏季西风急流的两个中心, 但中纬度潜热、 感热的模拟偏弱造成急流两中心风速均小于Reanalysis-2资料 10 m/s左右。进一步的讨论可知, 造成感热和潜热偏差的主要原因是模式中云参数化方案和积云对流参数化方案的不足, 改进模式中相关的物理参数化方案将是SAMIL后续发展的首要工作。     

亚——非季风区非绝热加热与夏季环流关系的诊断研究

基于热力适应理论,本文利用 ＮＣＥＰ／ ＮＣＡＲ再分析资料对撒哈拉沙漠、青藏高原和孟加拉湾地区的非绝热加热与夏季环流进行了诊断研究。在非洲撒哈拉沙漠地区,以感热输送为主的加热仅局限于近地面层,边界层以上的大气则以辐射冷却占优势。因而除了边界层内存在着浅薄的正涡度和微弱的上升运动以外,整个对流层几乎都维持负涡度并盛行下沉运动。对于青藏高原地区,强大的表面感热通量引起的垂直扩散是近地面大气加热的主要分量,与大尺度上升运动相关的凝结潜热对低层大气的加热也有一定的贡献。长波辐射造成的对流层中、上层大气的冷却则主要由深对流潜热释放来补偿。夏季高原地区总非绝热加热是正值,且最大加热率出现在边界层内。低空大气辐合产生正涡度,而中、高层大气辐散伴有较强的负涡度。因而高原盛行上升运动,最大上升运动位于近地面层。夏季孟加拉湾地区的深对流凝结潜热释放远大于长波辐的冷却作用,因而整个对流层几乎都保持较强的非绝热加热。４００ｈＰａ层附近的最大加热率引起３００－４００ｈＰａ最强的上升运动。对流层上层是负涡度区,而中、低层为正涡度区。结果还表明,垂直和水平辐散环流与大气的热源和热汇区密切相联：在高层,辐散气流从热源区流向热汇区;在低层则相     

非线性大气化学动力学方程组数值解法的比较

大气化学模式中描述化学反应动力学的是一组高度耦合、刚性、非线性的常微分方程组,高效精确的计算方法在空气质量模拟预测、气候化学相互作用研究中尤为重要。本文介绍了求解此类非线性常微分方程组(ODEs)的七种常见的数值计算方法,包括QSSA、MQSSA、HYBRID、MHYBRID、LSODE、GongCho以及TWOSTEP方法,并基于同一反应机理进行24 h的数值模拟,通过对模拟结果的讨论分析,比较了各种方法的优劣。研究结果表明,就计算效率而言,QSSA方法最为省时。就计算精度而言,LSODE方法最优。若综合考虑计算精度和效率,HYBRID、MHY-BRID是比较适中的数值解法。     

带有滞弹性大气运动方程组初值问题的解析分析

利用分层理论的方法在可微函数类中给出了带有滞弹性大气运动方程组初值问题适定的充要条件,写出了局部解意义下适定问题解析解的表达式;根据 适定的充要条件判断出在超平面｛ｔ＝０｝上初值问题是不适定的,并以实例做了验证,同时,提出了修改不适定结论的意见．     

大气非绝热加热作用的研究进展与展望

大气非绝热加热与天气系统的发生发展有密切联系,与降水等天气过程密不可分,非绝热加热在大气运动中有着至关重要的作用。对非绝热加热的研究和理解,有助于改进数值预报模式,增强数值天气预报模式的预报能力。本文系统梳理了大气非绝热加热的基本内容,近几十年非绝热加热及其作用的研究成果,主要包括非绝热加热的概念及其表征、非绝热加热的时空分布特征、非绝热加热与季风、天气系统(如西太平洋副热带高压、热带气旋、温带气旋和急流)和降水之间的关系,以及非绝热加热在数值模式中的表征,进而指出有待于进一步研究的方面。     

THE EFFECTS OF EXTERNAL FORCING,DISSIPATION AND NONLINEARITY ON THE SOLUTIONS OF ATMOSPHERIC EQUATIONS

Based on the primitive equations of the atmosphere,we study the effects of external forcing.dissipation and nonlinearity on the solutions of stationary motion and non-stationary motion.Theresults show that the asymptotic behavior of solutions of the forced dissipative nonlinear system isessentially different from that of the adiabatic non-dissipative system,the adiabatic dissipativesystem,the diabatic non-dissipative system and the diabatic dissipative linear system,and that thejoint action of external forcing,dissipation and nonlinearity is the source of multiple equilibria.From this we can conclude that the important actions of diabatic heating and dissipation must beconsidered in the models of the long-term weather and the climate.     

FURTHER STUDY ON THE PROPERTIES OF OPERATORS OF ATMOSPHERIC EQUATIONS AND THE EXISTENCE OF ATTRACTOR

The equivalent operator equation is derived from the full primitive nonlinear equations of theatmospheric motion and the properties and physical senses of the operators are studied.In theinfinite dimensional Hilbert space,the global asymptotic behavior of the atmosphere system withthe non-stationary external forcing is studied under the assumption of the bounded externalforcing.The existence theorems of the global absorbing set and the global attractor are obtained.Thus,the conclusions deduced from the large-scale atmosphere(Li and Chou 1996 a;1996 b)areextended to the general atmosphere.     

THE EFFECTS OF EXTERNAL FORCING,DISSIPATION AND NONLINEARITY ON THE SOLUTIONS OF ATMOSPHERIC EQUATIONS*

Based on the primitive equations of the atmosphere,we study the effects of external forcing.dissipation and nonlinearity on the solutions of stationary motion and non-stationary motion.The results show that the asymptotic behavior of solutions of the forced dissipative nonlinear system is essentially different from that of the adiabatic non-dissipative system,the adiabatic dissipative system,the diabatic non-dissipative system and the diabatic dissipative linear system,and that the joint action of external forcing,dissipation and nonlinearity is the source of multiple equilibria.From this we can conclude that the important actions of diabatic heating and dissipation must be considered in the models of the long-term weather and the climate.     

FURTHER STUDY ON THE PROPERTIES OF OPERATORS OF ATMOSPHERIC EQUATIONS AND THE EXISTENCE OF ATTRACTOR*

The equivalent operator equation is derived from the full primitive nonlinear equations of the atmospheric motion and the properties and physical senses of the operators are studied.In the infinite dimensional Hilbert space,the global asymptotic behavior of the atmosphere system with the non-stationary external forcing is studied under the assumption of the bounded external forcing.The existence theorems of the global absorbing set and the global attractor are obtained.Thus,the conclusions deduced from the large-scale atmosphere(Li and Chou 1996a;1996b) are extended to the general atmosphere.     

1991年江淮梅雨的湿有效能量分析

利用新给出的湿有效能量的表达式计算了１９９１年５～７月亚洲地区逐日的湿有效能量。结果表明：（１）亚洲地区的湿有效能量变化特点能很好地揭示该地区春向夏的季节转变;（２）江淮地区人梅前后湿有效能量有显著差异,入梅前该地区湿有效能量低,梅雨期湿有效能量高;（３）１９９１年江淮地区３段持续性暴雨在湿有效能量上有明显反映,暴雨发生在江淮地区大气对总湿有效能量贡献大的时段。     

CHARACTERISTICS OF ATMOSPHERIC HEATING AND ATMOSPHERIC CIRCULATION DURING ACTIVE PERIOD OF 500 hPa HIGH OVER THE TIBETAN PLATEAU IN SUMMER

In correspondence with the establishment of the“upper high and lower high”pressure pattern due to the activitiesof 500 hPa high over the Tibetan Plateau in summer,a series of changes of the East Asia atmospheric circulation willtake place.In this paper,the distributions of divergence and vertical velocity of 500 hPa high,the evolutions of atmos-pheric heat source,the variations of vorticity and zonal wind at 100 hPa level and vertical meridional cell over theTibetan Plateau etc.are statistically analyzed.Thus,we can see that the ascending motion and the convective heatingover the Tibetan Plateau,the South Asia high and the westerly jet on the north of the Plateau at 100 hPa level are weak-ened.The northern branch and the southern branch of the easterly jet on the south of the Plateau merge into a singlewhole and situate on the south of the former northern branch.In the meantime,thermodynamic land-sea discrepancy inSouth Asia and the convective heating over the Bay of Bengal is enhanced.It will play an important role in the mainte-nance of the easterly jet and the South Asia monsoon.     

CHARACTERISTICS OF ATMOSPHERIC HEATING AND ATMOSPHERIC CIRCULATION DURING ACTIVE PERIOD OF 500 hPa HIGH OVER THE TIBETAN PLATEAU IN SUMMER*

In correspondence with the establishment of the "upper high and lower high" pressure pattern due to the activities of 500 hPa high over the Tibetan Plateau in summer,a series of changes of the East Asia atmospheric circulation will take place.In this paper,the distributions of divergence and vertical velocity of 500 hPa high,the evolutions of atmospheric heat source,the variations of vorticity and zonal wind at 100 hPa level and vertical meridional cell over the Tibetan Plateau etc.are statistically analyzed.Thus,we can see that the ascending motion and the convective heating over the Tibetan Plateau,the South Asia high and the westerly jet on the north of the Plateau at 100 hPa level are weakned.The northern branch and the southern branch of the easterly jet on the south of the Plateau merge into a single whole and situate on the south of the former northern branch.In the meantime,thermodynamic land-sea discrepancy in South Asia and the convective heating over the Bay of Bengal is enhanced.It will play an important role in the maintenance of the easterly jet and the South Asia monsoon.     

利用PRESS准则和岭回归方法建立大气遥感最优反演方程

在文献［１］的基础上，首次引用近代回归分析中ＰＲＥＳＳ准则最优于集法，建立大气温湿遥感最优反演方程，并用岭回归分析评价不同准则或方法所得到的最优子集，同时用实际资料进行了验证。     

夏季青藏高原加热和北半球环流年际变化的相关分析

利用 195 8～ 1997年NCEP/NCAR再分析数据集中加热率和环流资料 ,采用相关分析和对比分析相结合的方法 ,诊断和分析了夏季青藏高原的非绝热加热与北半球环流系统的年际变化的联系。分析结果表明 :夏季青藏高原的加热强 (弱 )的年份 ,高原及邻近地区的上升运动、下层辐合及上层辐散均增强 (减弱 ) ,使高原加热对周边地区低层暖湿空气的抽吸效应和对高层大气向周边地区的排放作用加强 (减弱 )。从而影响着高原和周边地区的环流以及亚洲季风区大尺度环流系统。而且高原的加热强迫能够激发产生一支沿亚欧大陆东部海岸向东北方向传播的Rossby波列 ,其频散效应可影响到更远的东太平洋以至北美地区的大气环流     

青藏高原地区大气辐射加热场的季节变化

本文利用美国犹他大学系新近发展的辐射和云参数化模式对青藏高原地区甘孜、那曲、拉萨三站及东部平原地区的南京１９８２年８月－１９８３年７月的辐通量和大气加热率进行了计算，分析研究了高原地区大气辐射场的季节变化特征及其与气候的关系，并对一些主要的影响因子进行了简要的讨论。