斜压大气中尺度横波扰动的发展

为探索带状中尺度扰动发生发展的可能性及其对深厚对流云团的启动和组织作用。本文利用准动量无辐散二维模式讨论了斜压切变基流上中尺度横波扰动的发展问题。首先导出波能密度和波作用量，然后利用ＷＫＢ方法分析了波包的传播，建立波作用量方程，进而从波作用量方程出发，分别讨论了大气中各种层结下横波型扰动发展的物理背景条件。     

初始扰动对积云发生发展影响的数值模拟

利用完全弹性三维冰雹云模式,模拟研究了初始扰动对积云发生发展的影响。模拟结果表明,对流发生层结条件满足的情况下,不同初始扰动会导致云不同的发生发展。扰动中心位温偏差大小适当,仅增加扰动厚度或降低扰动中心高度均能使积云发展更快、强度更大;适当减小水平扰动半径能促使积云提前发展,但会导致对流强度减弱;而增大扰动中心位温偏差,不但能增加对流强度,还能促使积云提前发展。     

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。     

初始扰动垂直结构对热带斜压大气半地转适应过程的影响

文中利用一个半位势涡度时间不变式对热带斜压大气地转适应过程中的尺度准则进行了研究。结果表明 :对深厚系统而言 ,只要初始扰动的纬圈特征尺度足够大 ,则不论其初始扰动的经圈特征尺度多大 ,适应后的压力场的变化都很大 ,而纬圈流几乎维持不变 ,压力场向纬圈流适应 ;至于浅薄系统 ,对纬圈和经圈特征尺度都很大的初始扰动而言 ,适应后的压力场易于维持 ,主要是纬圈流向压力场适应 ;但当初始扰动呈现出纬圈型扰动特征时 ,适应后的压力场变化也很大 ,压力场向纬圈流适应     

潜热释放和初始位温扰动对锋生的影响

在Chan和Cho作的基础上,用中α尺度位温扰动代替了原来的中β尺度位温扰动,并且增加了一个高度函数H（Z）,模式还改变了相对湿度的分布,取了可供比较的两个试验,并运行了半地转湿大气锋生模式程序,积分一段时间后,绘出有关的物理量的等值线图,分析、比较了非绝热加热及初始位温扰动对物理量的影响。 试验结果表明:初始位温扰动为中α尺度比中β尺度更接近实际情况,对流层湿度分布不均匀,非绝热加热的作用比初始位温扰动的影响明显些。     

高低空位涡扰动、非绝热加热与气旋的发生发展

从湿位涡的扰动量出发，来分析气旋发展过程中高低空位涡的变化，结果表明：低层位涡扰动先于气旋并孤立于高层位涡扰动而存在，在气旋发生过程中，低层正值位涡扰动发展上伸，与高层下传的位涡相接，形成一条正值位涡扰动柱，而湿位涡扰动柱的形成正是气旋发生的重要标志。江南暴雨期的非绝热加热主要由降水产生的凝结潜热造成，最大加热层的出现，是低层位涡扰动产生和向上发展的一个重要原因，对气旋的发展起着促进作用。     

圆形涡旋中心非对称扰动的斜压不稳定研究

涡旋中的非对称扰动又是一种较为常见的流体运动现象,如不成熟飓风中出现的中尺度深厚对流云区（又称圆形抽气云CEC）,热带风暴发展时的不对称性以及环流中心往往位于浓密云区的边缘等,都是涡旋中存在不对称扰动的表现形式。然而对于涡旋中非对称扰动的稳定性问题的研究,目前还比较少。文中从柱坐标下的斜压模式出发,研究了热带气旋等一类涡旋中心的非对称扰动的不稳定问题,结果表明：（1）与平直的基本流相比,涡旋中更容易出现斜压不稳定,扰动更容易发展;（2）不稳定可以使涡旋中的能量由基本场向扰动场转换,涡旋变得不对称。扰动是一种重力内波,其传播速度远小于基本流角速度,有些甚至逆基本流缓慢倒转;（3）在通常的稳定度参数条件下,发展扰动主要集中在高层,从结构上看,扰动的倾斜度大。当稳定度参数很小时,扰动可扩展到整个对流层,倾斜度较小;（4）高层反气旋也可以激发出不稳定内波,这种扰动在低层表现明显。当稳定度参数较小时,扰动发展较快,并且也以很小的速度倒转。     

华东地区强对流降水过程湿斜压涡度的诊断分析

湿斜压涡度(Moist Baroclinic Vorticity,MBV)、湿热力斜压涡度(Moist Thermodynamic Baroclinic Vorticity,MTBV)及湿位涡(Moist Potential Vorticity,MPV)是能够完整表征涡度三维信息的物理量,其中MBV代表切变风对湿比容的平流输送作用,MTBV反映了垂直气压梯度、对流稳定度、风垂直切变与湿比容水平梯度之间的耦合效应。本文利用这些物理量对2009年8月17日发生在华东地区的一次强对流降水过程进行了诊断分析。该过程是在高空急流、中层浅槽和低空切变线的密切配合下产生的,共经历了"团状结构—带状结构—团状结构"三个发展阶段。诊断结果表明,MPV、MBV和MTBV的异常值区与降水落区有较好的对应关系;随着强对流降水的发展演变,MPV、MBV和MTBV都产生了相应的变化,MPV、MBV和MTBV对降水和对流系统有追踪指示意义。相对而言,在反映降水强度变化方面,MBV和MTBV比MPV更具优势。     

初始扰动对冰雹云发展影响的数值研究

在水平均一的初始场中触发对流的发生可采用热力扰动和强迫抬升两种方法,但扰动的方式、强度和范围的不同对模拟的对流云的发展有着重要的影响。本文利用一次冰雹云发展前期的实测探空资料,对热力扰动的强度、范围进行了数值试验,结果表明：在同样的层结条件下,随着扰动强度、厚度的增加,所模拟的冰雹云的强度也增加,且以湿热泡扰动触发的冰雹云最强,其次是湿泡,而热泡扰动最弱。但无论以何种方式启动,只要模拟的冰雹云的云顶高度相当,云体的宏微观特征差异就不大。     

鄂霍茨克海阻高发展过程的正斜压涡度和涡度拟能的演变特征

用正斜压分解法，对1998年发生在鄂霍茨克海的阻高进行涡度和涡度拟以分析，结果发现：在阻高的不同阶段，正压涡度和正压涡度拟能远大于斜压涡度和斜压涡度拟能且在不同的阶段有着不同的演变过程；在阻塞的酝酿阶段正压和斜压涡度和涡度拟能不稳定增长，且向西南传播；在维持阶段，正压和斜压涡度和涡度拟能的增长达到最大值，阻塞形势建立并维持在阻塞区域内；在消亡阶段，正压涡度和涡度拟能与斜压涡度拟能则呈现出不稳定减少，向东南传播，阻塞崩溃，然后又增长。     

大气湿位涡影响夏季江淮降水异常的机理分析

利用欧洲中心再分析资料(ERA-40)中1958-2001年气象场资料(世界时00时),分析了降水异常年850 hPa湿位涡及其分量差异的原因.结果表明,降水异常年湿位涡和湿位涡正压部分的差异主要是由水汽的垂直分布差异引起稳定度的变化所致,而相对湿位涡和湿位涡斜压部分的差异,分别主要是由垂直涡度及纬向风的垂直切变和暖湿气流的经向切变所致.另外,还利用湿位涡的正压部分和斜压部分讨论了江淮夏季850 hPa大气性质的变化,结果表明,近50年来,大气对流不稳定减弱,而斜压不稳定增强.     

热力适应、过流、频散和副高 I.热力适应和过流

利用位涡性质,讨论了因非绝热加热导致的大气动力特征的变化,阐明了大气动力过程向外加热强迫适应的原理。证明在热力适应过程中,沿着加热区的侧边界斜压位涡为负,且大于正压位涡,那里的大气出现对称不稳定。在加热区的上空尽管非绝热加热为零,仍然存在上升、辐散、反气旋环流及冷中心,证明这是由于“过流”引起的。通过总位涡的收支分析证明,由于边界层的摩擦作用,加热区上空多余的负位涡向外排放而成为大气中负涡度的源地。     

Nonlinear oscillations of semigeostrophic Eady waves in the presence of diffusivity

Analyses are performed to examine the physical processes involved in nonlinear oscillations of Eady baxoclinic waves obtained from viscous semigeostrophic models with two types of boundary conditions (free-slip and non-slip). By comparing with previous studies for the case of the free-slip boundary condition, it is shown that the nonlinear oscillations are produced mainly by the interaction between the baroclinic wave and zonal-mean state (total zonal-mean flow velocity and buoyancy stratification) but the timescale of the nonlinear oscillations is largely controlled by the diffusivity. When the boundary condition is non-slip, the nonlinear oscillations are further damped and slowed by the diffusive process. Since the free-slip (non-slip) boundary condition is the zero drag (infinite drag) limit of the more realistic drag boundary condition,the nonlinear oscillations obtained with the two types of boundary conditions are two extremes for more realistic nonlinear oscillations.     

GRAPES区域集合预报模式的初值扰动增长特征

基于GRAPES-REPS（Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System-Regional Ensemble Prediction System）区域集合预报模式和集合变换卡尔曼滤波（Ensemble Transform Kalman Filter,ETKF）初值扰动方法,对2015年6月1~15日10 km与15 km水平分辨率分别进行集合预报试验,通过分析ETKF初值扰动分量、初值扰动方差准确率、动能谱、扰动能量演变、日变化及集合离散度、均方根误差等特征,揭示GRAPES-REPS区域集合预报ETKF初值扰动结构及增长特征。结果表明:（1）ETKF初值扰动方案产生的扰动能够保持所有正交、不相关方向的误差方差,且ETKF分量α参数值及放大因子具有较好的稳定性。（2）ETKF初值扰动方法生成的扰动场以大尺度扰动为主,扰动结构及能量具有随流型依赖特征,低层以内能扰动为主,高层以动能扰动为主,且集合扰动可以有效捕捉预报误差的结构。（3）GRAPES区域集合预报初值扰动总能量和集合离散度随预报时效的延长均呈发展趋势,但离散度增长率小于均方根误差增长率,即集合预报总体存在集合离散度不足的问题。（4）水平分辨率提高可以增加中高层大尺度扰动波谱能量,明显改进等压面及近地面风场及温度场的集合预报效果。值得指出的是,GRAPES-REPS区域集合预报低层内能扰动能量存在明显的日变化特征,特别是青藏高原地区更加显著,需要进一步研究青藏高原初值扰动结构的合理性。     

阻塞过程的正、斜压涡度拟能场诊断研究

应用正、斜压涡度拟能方程，对1998年6月3～11日发生在鄂霍次克海的一次阻塞环流进行诊断。结果表明:阻塞区内总涡度拟能和正压涡度拟能具有显著的变化，它清楚地揭示了阻塞过程中酝酿、维持和崩溃阶段中的不同特征，而正、斜压动能所显示的阻塞过程的变化特征则不明显。正、斜压涡度拟能场相互转换及阻塞区内外正、斜压涡度拟能场的净通量机制是鄂霍次克海阻塞环流建立和维持的两项主要因子。其过程是:首先通过斜压涡度拟能净通量机制，使斜压涡度拟能增长；又通过正斜压涡度拟能场的转换机制将增长的斜压涡度拟能转为正压涡度拟能；与此同时，通过正压涡度拟能净通量机制使正压涡度拟能增长。这两种不同的机制相互结合，从而使正压涡度拟能增长和维持，形成阻塞环流。而斜压涡度拟能增长甚微。     

扰动位能理论及其应用——扰动位能的概念、表达及其时空结构

针对局地环流能量转换问题,该工作系列讨论扰动位能理论及其应用.此文是第一篇,提出了扰动位能的新概念,将其分解为大气扰动位能(简称扰动位能)和表面扰动位能两个部分,给出了扰动位能各阶矩项的数学表达形式,结合资料指出二阶以上的扰动位能高阶矩项相对于其一阶矩项和二阶矩项来说是小量,可忽略,并指出扰动位能二阶矩项的全球平均恰好等于传统的有效位能,但两者在物理意义上明显不同.结合NCEP/NCAR再分析资料,研究了扰动位能的时空结构以及与大气动能之间的联系.扰动位能一阶矩项在热带地区为正、高纬度地区为负; 二阶矩项在热带和高纬度地区出现极大值,在副热带及中纬度地区出现极小值,即在南北方向上呈现三峰二谷的特征; 在局地上,由于一阶矩项在数值上较二阶矩项绝对占优,因此,扰动位能的分布与其一阶矩项的情形相似.在垂直方向上,扰动位能主要集中在对流层下层,其数值随高度的增加而迅速减少,在50 hPa以上均可以忽略不计.扰动位能有明显的季节变化,其在高纬度地区在冬半球比夏半球大很多; 南、北半球平均的扰动位能一阶矩项季节变化的幅度约是相应二阶矩项的二十倍.随着季节变化扰动位能定常波的槽脊在北半球有显著的东西方向移动,而在南半球则只表现为振幅上的增减.分析表明,从区域或局地尺度上大气动能的季节变化与扰动位能一阶矩项的关系密切,二者呈显著反向变化关系,而与二阶矩项的关系不确定; 但在全球或半球尺度上,大气动能与扰动位能二阶矩项的比率随季节基本保持不变,约是20%.此外,对大气总动能时空结构的分析也得到了与前人不同的新结果.关于利用此文提出的概念和理论对局地环流能量收支的分析、表面扰动位能的作用以及它们在大气环流变化研究中的应用,将在以后的文章中给出.     

正斜压模演变所揭示的武汉暴雨过程

对1998年7月21—22日发生在武汉附近的大暴雨过程的大气正、斜压分量演变过程进行了研究，结果表明：大气流场正压分量的演变与此次大暴雨的酝酿、发展和消亡具有内在的联系；正压分量在暴雨区的演变在一定程度上反映高、低空急流耦合形势；正、斜压平均相对模的演变与暴雨生命史相吻合。     

一次爆发性气旋的发展与湿位涡关系的研究

通过对一次陆地爆发性气旋的数值模拟与湿位涡的诊断分析发现，气旋的爆发与湿位涡的平流关系密切，气旋的发展并不是在湿位涡中心位于气旋上空时才开始，而是当湿位涡中心位于气旋的后部，并在200hPa对下有明显的倒圆锥形下伸区时，才有利于气旋的发展。当湿位涡中心位于气旋上空时，气旋发展开始减慢。湿位涡局地变化的大小与水平方向位涡梯度的大小有关。湿斜压位涡负值区的上下贯通与气旋发展也有明显的关系。