Nonlinear stability of zonally symmetric quasi-Geostrophic flow

By using the conservation laws and the method of variational principle, an improved Arnol’d’s second nonlinear stability theorem for the two-dimensional multilayer quasi-geostrophic model in periodic chan-nel is obtained.     

非平直基流中尺度扰动的对称发展

用ｆ平面非静力平衡滤声波模式，在自然坐标系下，运用ＷＫＢＪ方法及能量方法研究了非平直基流对中尺度扰动波包发展问题。结果表明：中尺度波包对称发展主要取决于扰动波结构与背景结构之间的匹配。     

Study on Instability in Baroclinic Vortex Symmetric Disturbance under Effect of Nonuniform Environmental Parameters

With the aid of the baroclinicity parameter M2,inertial instability parameter F2 and the stratification instability paramter N2 as the slowly varying function both spatially and temporally,an energetic equation is derived of symmetric perturbation waves in baroclinic vortices in the framework of progressively changing wavetrain theory,or WKB,alongside the examination of effects of these parameters upon the vortex disturbance.     

热带气旋的温带变性过程对中纬度下游环流的影响

用WRF模式对变性台风(TC)马勒卡进行模拟,研究了在台风的变性过程(ET)的作用下中纬度下游环流特别是中纬度急流的发展,对台风的强度及其相对上游槽位置的敏感性。结果表明:TC与中纬度系统的相互作用会使得中纬度急流处的斜压不稳定性增大,急流增强。下游环流的发展对TC强度及TC与西风带上游槽的相对位置非常敏感。若TC增强,TC溢出流作用于中纬度急流,使之不稳定性增强,强度也增强,从而导致中纬度下游急流的强度、范围都增强,下游槽脊更显著。若台风减弱则反之。类似的,若TC靠近上游槽,其对中纬度急流的作用得到进一步加强和提前,急流的不稳定性增加,强度增强,下游的急流和槽脊也得到增强。若TC远离上游槽,则反之。     

台风外围偏东气流中的暴雨及其等熵位涡特征

0414号台风"云娜"在浙江登陆后迅速减弱为台风低压,48 h后台风低压北侧偏东气流区域出现了暴雨,当时暴雨区中低层850,700和500 hPa没有辐合系统,而且暴雨出现前较强冷空气影响该区域,已使这里的位势不稳定减小,因此动力抬升和位势不稳定条件均不利于暴雨的产生。为了探讨这种情况下暴雨形成的原因,应用常规报文和1°×1°的NCEP再分析资料,对此次暴雨产生的条件及其等熵位涡演变特征进行了分析。结果表明:中层台风低压倒槽的移速快于低层,在暴雨区形成了一支自下而上向西倾斜的上升气流,暴雨区上空恰好存在着对称不稳定,斜升气流引起了对称不稳定能量的释放,使倾斜对流发展,提供了产生暴雨所需的动力和不稳定条件。而台风外围较强的水汽输送为暴雨的产生提供了充沛的水汽条件。等熵位涡分析表明,大值位涡带与降水区有较好的对应关系。正位涡异常中心的出现对降水的发生发展具有指示意义。     

Dynamical and Thermal Problems in Vortex Development and Movement. Part I: A PV–Q View

Based on the Lagrangian change equation of vertical vorticity deduced from the equation of threedimensional Ertel potential vorticity(PV e),the development and movement of vortex are investigated from the view of potential vorticity and diabatic heating(PV-Q).It is demonstrated that the asymmetric distribution in the vortex of the non-uniform diabatic heating in both vertical and horizontal can lead to the vortex’s development and movement.The theoretical results are used to analyze the development and movement of a Tibetan Plateau(TP) vortex(TPV),which appeared over the TP,then slid down and moved eastward in late July 2008,resulting in heavy rainfall in Sichuan Province and along the middle and lower reaches of the Yangtze River.The relative contributions to the vertical vorticity development of the TPV are decomposed into three parts:the diabatic heating,the change in horizontal component of PV e(defined as PV 2),and the change in static stability θ z.The results show that in most cases,diabatic heating plays a leading role,followed by the change in PV 2,while the change of θ z usually has a negative impact in a stable atmosphere when the atmosphere becomes more stable,and has a positive contribution when the atmosphere approaches neutral stratification.The intensification of the TPV from 0600 to 1200 UTC 22 July 2008 is mainly due to the diabatic heating associated with the precipitation on the eastern side of the TPV when it uplifted on the up-slope of the northeastern edge of the Sichuan basin.The vertical gradient of diabatic heating makes positive(negative) PV e generation below(above) the maximum of diabatic heating;the positive PV e generation not only intensifies the low-level vortex but also enhances the vertical extent of the vortex as it uplifts.The change in PV e due to the horizontal gradient of diabatic heating depends on the vertical shear of horizontal wind that passes through the center of diabatic heating.The horizontal gradient of diabatic heating makes positive(negative) PV e generation on the right(left) side of the vertical shear of horizontal wind.The positive PV e generation on the right side of the vertical shear of horizontal wind not only intensifies the local vertical vorticity but also affects direction of movement of the TPV.These diagnostic results are in good agreement with the theoretic results developed from the PV-Q view.     

The temporal evolution of a geostrophic flow in a rotating stratified basin

A laboratory study in a rotating stratified basin examines the instability and long time evolution of the geostrophic double gyre introduced by the baroclinic adjustment to an initial basin-scale step height discontinuity in the density interface of a two-layer fluid. The dimensionless parameters that are important in determining the observed response are the Burger number S=R/R₀ (where R is the baroclinic Rossby radius of deformation and R₀ is the basin radius) and the initial forcing amplitude (H₁ is the upper layer depth). Experimental observations and a numerical approach, using contour dynamics, are used to identify the mechanisms that result in the dominance of nonlinear behaviour in the long time evolution, τ>2⁻¹ (where τ is time scaled by the inertial period T_I=2π/f). When the influence of rotation is moderate (0.25≤S≤1), the instability mechanism is associated with the finite amplitude potential vorticity (PV) perturbation introduced when the double gyre is established. On the other hand, when the influence of rotation is strong (S≤0.1), baroclinic instability contributes to the nonlinear behaviour. Regardless of the mechanism, nonlinearity acts to transfer energy from the geostrophic double gyre to smaller scales associated with an eddy field. In the lower layer, Ekman damping is pronounced, resulting in the dissipation of the eddy field after only 40T_I. In the upper layer, where dissipative effects are weak, the eddy field evolves until it reaches a symmetric distribution of potential vorticity within the domain consisting of cyclonic and anticyclonic eddy pairs, after approximately 100T_I. The functional dependence of the characteristic eddy lengthscale L_E on S is consistent with previous laboratory studies on continuously forced geostrophic turbulence. The cyclonic and anticyclonic eddy pairs are maintained until viscous effects eventually dissipate all motion in the upper layer after approximately 800T_I. The outcomes of this study are considered in terms of their contribution to the understanding of the energy pathways and transport processes associated with basin-scale motions in large stratified lakes.     

波流相互作用的大气系统中振荡模态的分析

把经验模态分解(EMD)方法用于波流相互作用的大气动力系统,对不同系统状态的流甬数解序列求其本征模态函数(IMF)分量,分析系统状态与IMF之间的关系,揭示流甬数的振荡结构.结果表明:随着系统的复杂性增大,构成解序列的IMF分量的个数相应增多.对于系统的定常态(Hadley流),每个流函数ψ分量的各个IMF分量都趋于零均值线;对于周期态(Rosssby流),ψ分量由1个周期性的高频IMF分量构成;对于振荡态,分量主要由2-3个较高频IMF分量构成;对于非周期流,ψ分量由多个非周期的IMF分量构成;对于周期-非周期状态,其本征模态有的有周期性,有的没有周期性.低频IMF分量表现ψ序列的长时间尺度的变化.     

2008年河南黄淮地区暴雨过程个例分析

利用常规气象资料和NCEP资料对2008年7月22日河南黄淮地区的暴雨过程进行了分析.结果表明:这次过程是在500 hPa槽前西南气流引导下,高低空急流耦合区内西南涡沿切变线移出,弱冷空气侵入暖倒槽触发不稳定能量释放造成的.垂直螺旋度计算结果显示:中低层正垂直螺旋度中心与降水落区有很好的对应关系,大暴雨中心位于正垂直螺旋度中心附近.湿位涡演变分析发现,这次过程有"干侵入"发生,暴雨区中低层对流不稳定和对称不稳定共存,有利于降水增幅.水汽条件分析表明:这次过程的水汽源地在孟加拉湾和南海,主要是低层和近地层的水汽辐合.     

一次北方春季罕见暴雨天气的湿位涡分析

应用湿位涡理论 ,对 2 0 0 3年 4月发生在山东境内的一次暴雨天气进行诊断。结果表明 :暴雨产生在θe 线陡立密集区附近 ,θe 线陡立密集区附近对流稳定度较小 ,有利于湿斜压涡度发展 ;湿位涡在 70 0hPa上具有MPV1 <0 ,MPV2 >0的特征 ,对流层高层高值湿位涡下传有利于位势不稳定能量的储存和释放 ,也是低涡东移发展为气旋的重要机制。     

热带平流层低层的对称运动和反对称运动

文章从对赤道β平面上静止大气中线性方程分解着手,得出控制对称运动和反对称运动方程组,对方程求解,从理论上证实在热带子流层低层中存在两种特殊性质的运动即对称运动和反对称运动,并证实赤道Kelvin波是典型的对称运动,而混合罗斯贝-重力波是反对称运动。文章分析了非绝热加热对对称运动和反对称运动的影响,当非绝热加热为唯一的外源扰动时,对称的非绝热加热是产生Kelvin波的重要条件,而反对称的非绝热加热是产生赤道区域平流层混合罗斯贝-重力波的重要条件。另外,随着非绝热加热增加,对称运动和反对称运动强度也增加。     

"2003.1"黔东南暴雪天气过程的对称不稳定分析

采用对称不稳定判据,对发生在2003年1月5～6日一次罕见的黔东南暴雪天气过程进行了分析,结果表明：暴雪产生在对称不稳定大气中,低空急流促使对流层低层暖湿气流辐合上升,触发对称不稳定能量释放,产生暴雪天气。西南涡、横切变和暴雪区有向对称不稳定区移动的趋势。     

山东春季一次罕见暴雨天气的湿位涡分析

应用湿位涡理论,对2003年4月发生在山东境内的一次罕见暴雨过程进行了诊断分析。结果表明:这次暴雨产生在925hPa以下θe线陡立密集区附近,θe线陡立密集区附近对流稳定度较小,有利于湿斜压涡度发展;湿位涡在这次暴雨过程前期700hPa上ξMPV1<0,ξMPV2>0的演变,综合反映了暴雨区对流不稳定及斜压不稳定的增强;对流层高层高值湿位涡下传有利于位势不稳定能量的释放,使降水增幅,也是低涡东移发展为气旋的重要机制。     

Symmetric Stability of Rotation and Boussinesq Fluid in Bounded Domain by Using Normal Mode Method

ＳｙｍｍｅｔｒｉｃＳｔａｂｉｌｉｔｙｏｆＲｏｔａｔｉｏｎａｎｄＢｏｕｓｓｉｎｅｓｑＦｌｕｉｄｉｎＢｏｕｎｄｅｄＤｏｍａｉｎｂｙＵｓｉｎｇＮｏｒｍａｌＭｏｄｅＭｅｔｈｏｄ￥ＲｅｎＳｈｕｚｈａｎ（任舒展）（ＬＡＳＧ，ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｔｍｏｓｐｈｅ...     

维向切变流中的非线性对称不稳定

讨论了维向切变流中的非线性对称不稳定问题。中采用绝热无粘的非线性对称扰动方程组，利用多尺度摄动方法分析其不稳定波动的有限振幅特性。研究结果表明：不稳定波的有限振幅在强度上呈现出振荡趋势。无论是超临界切变情况，还是次临界切变情况，对称扰动振幅都随时间呈现出周期性的变化，振荡周期的大小不仅与基本场稳定度参数及波的特性有关，而且还与初始扰动的振幅及其增长率有关。     

2016年初冬河南区域暴雪过程诊断分析

针对2016年初冬河南省首场区域强暴雪过程，利用常规观测资料、L波段雷达探空资料和NCEP再分析资料等，从影响系统和物理量诊断方面深入分析其发生发展机制，结果表明:宽广的纬向型环流中不断有短波槽东移，东北冷涡深厚且维持时间较长，是暴雪发生的大尺度环流背景；中高层偏南气流，低层偏北气流的流场配置起至关重要的作用:850～925 hPa东北急流迫使暖湿空气抬升为暴雪发生提供“冷垫”的同时，与500～700 hPa西南急流形成强垂直风切变和深厚的锋生区，加强的斜升运动和锋面次级环流，对暴雪起增幅作用；700 hPa作为关键层，西南暖湿急流输送水汽的同时与冷涡后部冷空气交汇于黄淮地区形成的辐合切变线，是暴雪发生的重要动力抬升机制，其南北摆动形成了河南中西部和东南部两个降雪大值中心；暴雪区随着“冷空气楔”逐步南压时，其上层始终存在湿正压项大于零且湿斜压项小于零的湿位涡绝对值高值中心，有利于对称不稳定能量的释放和暴雪的发生。     

基本气流在ENSO对北半球冬季大气环流影响中的作用

本文从观测事实、理论与数值试验来研究基本气流在ENSO事件对北半球冬季大气环流影响中的作用。通过观测资料的分析,发现1972/1973年冬ENSO现象发生时的基本气流与一般ENSO现象发生年份的基本气流不同,这使得该年冬季ENSO现象所引起的北半球大气环流异常与一般ENSO现象所引起的环流异常型不同。一般ENSO现象所引起的北半球大气环流异常型是PNA型,而1972/1973年冬北半球环流异常型是非PNA型,我国东北地区出现暖冬,冷空气活动弱。     

A survey of unbalanced flow diagnostics and their application

1.IntroductionImbalanceisdefinedintermsoftowhatextenttheflowdepartsfromabalancedstate.Despitetheapparentcomplexityofatmosphericmotions,thepressure(massfield)andvelocity(momentum)distributioncanberelatedbyrathersimpleapproximateforcebalances(sothatparcelaccelerationscanbeignored).Davisetal.(1996)pointedoutthattheunderlyingassumptionofbalanceddingnosticsisthatthenowevolvesinawayconsistentwiththerestrictionsimplicitwithinthediagnosticframework.ThesimplesttwobalancerelationsaregeostrOPhl'cbalance…     

东移低涡动力学的初步研究

用一个正压原始方程模式实施了六组试验，研究了东移低涡的动力学。结果表明：无论是切变基流与低涡的相互作用，还是涡块与低涡的相互作用，都可引起低涡强度在短暂时段内增强，但整个积分时段内低涡强度的演变仍呈下降趋势。切变基流、低涡和多个涡块的相互作用，可以改变下降的趋势。正相对涡度切变基流中低涡和涡块的合并，是东移低涡强度得以维持和发展的一个直接的原因。     

涡旋发展和移动的动力和热力问题Ⅰ:PV-Q观点

基于从三维埃尔特尔位涡（PV_e）方程推导出的垂直涡度的拉格朗日变化方程,从位涡和非绝热加热（PV-Q）的观点研究涡旋的发展和移动,阐明了涡旋中非均匀的非绝热加热在垂直和水平方向的非对称分布对涡旋发展和移动的影响。应用得到的理论结果分析了2008年7月下旬一次青藏高原低涡的发展和移动过程,该低涡形成于青藏高原中西部,东移滑山青藏高原然后继续东移,给四川盆地和长江中下游带来强降水。低涡的垂直涡度发展可分解成由非绝热加热、位涡水平分量（PV₂）和静力稳定度（θ_z）变化引起的3个部分。结果表明,在大多数情形下,非绝热加热对垂直涡度发展起着主导作用;其次是位涡水平分量（PV₂）变化的作用;当稳定大气变得更稳定时θ_z变化起负作用,当大气趋向中性层结时θ_z变化则起正作用。2008年7月22日06—12时（世界时）,当青藏高原低涡沿着四川盆地东北边的斜坡爬升时,低涡加强主要是由位于涡旋东边的强降水凝结潜热加热引起的。非绝热加热的垂直梯度在非绝热加热的最大中心的下（上）层产生正（负）PV_c制造,正的PV_e制造不仅加强低层涡旋的发展,而且,增强涡旋的垂直范围。非绝热加热的水平梯度对位涡变化的影响取决于加热中心处的水平风的垂直切变,其在该水平风的垂直切变的右（左）边产生了正（负）的PV_e制造。水平风的垂直切变的右边的正PV_e制造不仅加强了该处的垂直涡度,而且,影响着低涡的移动方向。这些诊断结果证实了PV-Q观点的理论结果。