广义湿位涡理论及其应用研究

押重点介绍了诊断暴雨落区与强度的广义湿位涡理论研究方面的两个内容,一是由于暴雨系统中强降水引起的质量亏空导致的暴雨系统中质量强迫下的湿位涡异常理论,二是非均匀饱和大气中的广义湿位涡理论;对暴雨系统中质量强迫的物理意义和非均匀饱和大气中的广义位温引入的思路与意义作了详细说明,并对位涡理论作了细致推导。在此基础上,针对暴雨个例,利用质量强迫的湿位涡异常和非均匀饱和广义湿位涡异常诊断了暴雨落区,从理论和诊断上论证了利用这两种湿位涡异常判断暴雨落区的可行性。     

非均匀饱和广义湿位涡在暴雨分析与预测中的应用

考虑实际大气非均匀饱和特性, 通过引入广义位温及广义湿位涡方程, 对华北暴雨和江淮梅雨锋暴雨的发生及落区进行了广义湿位涡异常的诊断分析, 表明暴雨形成时大气低层有广义湿位涡的异常出现。对广义湿位涡倾向的计算表明:它对暴雨的发生有一定指示作用, 因而可利用广义湿位涡的异常来识别暴雨的出现。     

广义湿位涡与暴雨落区预报的诊断分析

探讨了广义湿位涡理论及其倾向方程在暴雨落区预报方面的可应用性,为非均匀饱和广义湿位涡理论的业务应用提供了新的思路。 资料诊断结果表明, 非均匀饱和大气中的广义湿位涡虽然不具有守恒性, 但由于其体现了实际大气的非均匀饱和特性,尤其是水汽梯度效应的引入,使得广义湿位涡的异常在对流层低层能比较清楚地反映出暴雨发生时期的高水汽集中的特性和机制,有效地反映出暴雨区以及暴雨落区的变化。      

大气中Rossby波波能、波作用量、位涡拟能守恒定理

一、引言七十年代以来,气象研究工作者为了弄清不同区域的环流和天气演变如何相联系以及这种联系以什么方式出现,对大气环流的遥相关,大气对外源的强迫响应和大气中的低频系统活动进行了广泛和深入的研究。研究结果表明:它们包含着一些共同的特征,在球面上都表现为类似的波列。Hoskins 的研究指出:波射线基本遵循大圆路经理论。人们用二维 Rossby波的能最频散来解释波列的传播。Young 和 Khines 研究了 Rossby 波传播过程中的波能,波作用量、位涡拟能的守恒。本文主要介绍这些守恒定理。从中可以了解关于 Rossby 波的这些守恒定理是如何产生的。二、Rossby 的基本理论P 坐标、定常、层结稳定下的准地转方     

正压大气波动的4波共振和准共振

从准地转正压涡度方程，提出新的双时间尺度，首次导得了正压大气波动的４波准共振耦合方程，即广义Ｌａｎｄａｕ方程，利用新的守恒量，求得其甚低频周期解，其周期为一年左右，这可认为是实际大气中年际振荡的一种新的物理机制。并可求出４波准共振波矢。     

广义湿位涡在江淮流域暴雨分析和预报中的应用

利用中尺度数值模式MM5, 以6 h间隔的NCEP/NCAR 1°×1°的格点资料为背景, 加入新一代天气雷达 (CINRAD－SA雷达) 1 h间隔的反演风廓线资料和12 h探空、 3 h常规地面观测进行四维同化模拟得到的输出资料, 检验非均匀饱和大气中的广义湿位涡在2003年江淮流域暴雨动力指示方面的分析和预报能力。理论分析表明: 广义湿位涡综合体现了大气的动力、 热力及水汽作用, 相对于常用的温度、 湿度等物理量来说, 在一定程度上包含了风场、 温度场和湿度场的相互作用, 对实际非均匀饱和大气的热力变化和水汽影响有较好的反映。对模拟结果的诊断发现, 广义湿位涡倾向值的正负及强弱变化对暴雨落区预报和单站降水变化趋势预报都有一定的指示意义。利用NCEP/NCAR 1°×1°格点资料和气象台站观测的实况降水资料, 对1999年长江流域梅雨和2007年淮河流域大洪水时期的广义湿位涡及其倾向变化与区域平均降水变化的对比分析进一步表明了在持续性暴雨发生时期, 在大气中低层(主要在500 hPa以下), 确实持续存在广义湿位涡和广义湿位涡倾向的异常, 这种异常能在一定程度上反映出对应时期的水汽分布和水汽集中特征, 与降水量的变化是一致的, 而850 hPa以下的广义湿位涡倾向在一定程度上也能反映出降水的增强或减弱趋势, 即: 广义湿位涡倾向为正 (负) 异常时, 未来降水量可能增加 (减小), 因此, 广义湿位涡倾向可以定性地给出暴雨是加强还是减弱的强度趋势预报。类似于涡度、 湿位涡等其他动力变量, 广义湿位涡除了可作为一个分析暴雨系统发生发展的动力变量外, 还可体现出暴雨时期高水汽集中的特点, 在暴雨分析中有一定的优势。     

环流调整机制的动力学剖析

本文从基本方程出发,求得并讨论了层结参数方程和位势涡度方程。从位势涡度方程可以看出:①绝热无摩擦大气运动中的位涡守恒仅在正压条件下或者在地转平衡条件下才能成立;②在无摩擦大气运动中,绝热假定同热流量垂直方向按A_0(x、y、t)ρ~(R/C_ρ)分布在正压或满足地转平衡条件下是等效的;③位涡从不守恒到重新守恒的过程,即动力激发数M→0的过程是斜压地转偏差产生和热流量输送改变的过程。这种过程我们称之为动力激发适应过程。 通过对上述过程的讨论,我们进一步探讨了环流调整(包括斜压地转偏差的产生和适应)的机制和条件。由于斜压地转偏差的产生同适应过程一样是快过程,因此环流调整是一个快过程。当R=U/fL和中够小时,容易发生环流调整。 最后我们还讨论了大气运动的动态平衡的破坏和建立。指出:斜压地转偏差的产生是在位涡不守恒情况下产生的,而地转偏差的适应却是在位涡守恒的情况下进行的;环流调整时间是同天文潮汐力场转折性变化和热流量分布的转折性变化时间是同步的。     

广义坐标系η中的位涡方程

给出了在广义坐标系（η）中导出的位涡方程,以及它分别在笛卡尔坐标（z)、气压坐标（p）或等熵坐标（θ）时的具体表达式。结果表明,由此得出的各坐标系的位涡方程和过去人们在各坐标系中分别推出的位涡方程一致。并且得出位涡在绝热和无摩擦的条件下守恒。     

广义坐标素η中的位涡方程

给出了在广义坐标系（η）中导出的位涡方程,以及它分别在笛卡尔坐标（ｚ）,气压坐标（ｐ）或等熵坐标（θ）时的具体表达式,结果表明,同此得出的各坐标系的位涡方程和过去人们在各坐标系中分别推出的位涡方程一致,并表得出位涡在绝热和无摩擦的条件下守恒。     

应用NASA MERRA再分析资料对一次高原切变线的诊断分析

利用2016年6月29—30日地面及高空常规观测资料、CMORPH融合降水资料以及时空分辨率较高的NASA MERRA 0.625°×0.5°逐3 h再分析资料,对一次高原切变线过程进行了天气动力学诊断分析。运用广义位温、广义湿位涡和涡生参数等诊断量对切变线系统的生成及其降水分布进行分析。结果显示:广义位温等值线梯度大值区与大气水汽的聚集区相对应。切变线降水的发生、发展与广义湿位涡的分布及演变有较好的对应关系,低层大气广义湿位涡的正异常大值对降水发生有一定关联。广义湿位涡正负异常值之间的零线可较好表征高原切变线的位置。广义湿位涡中心强度对切变线生成与发展有一定指示意义。涡生参数可作为高原切变线生成和加强的一个明显前兆信号。     

Application of Linear Thermodynamics to the Atmospheric System. Part Ⅰ: Linear Phenomenological Relations and Thermodynamic Property of the Atmospheric System

从一般的热力学原理或其它自然原理对唯象关系所强加的限制，能够演绎出大气系统的一系列热力学性质。利用非平衡态线性热力学导出了湍流K闭合理论中湍流交换系数同唯象系数的关系，从理论上证明大气系统热量湍流输送同水泡之间存在交叉耦合，还导出了湍流强度同速度和位温梯度的关系，从而证明速度和位温空间分布的非均匀性是湍流之源。并证明湍流强度定理，不可压缩气体和各向同性湍流大气中，湍流强度正比于速度与位温梯度的标积。进而证明大气涡旋定理，位温的切变将导致涡旋运动或各种环流运动，速度涡度等于速度同位温相对梯度的矢积。展现了线性热力学在大气系统的应用前景。     

三维非静力平衡大气中平行切变流上重力内波的不稳定及半椭圆定理

本文应用守恒型非弹性模式研究了三维非静力平衡大气中平行切变流上重力内波的不稳定，推广了Miles定理和半圆定理，得到了有限深度气层的半椭圆定理。该定理指出不稳定波的复波速被限制在相速复平面上一个内接于霍华德（Howard）半圆的半椭圆内。该半椭圆长轴重合于半圆的直径，而短轴则取决于最小Ri数、波长、波宽等因素。     

NWP 模式热量系统误差的动力诊断分析

文章证明了模式在预报时段的位温误差，是由于在模式大气和真实大气中，该时段内位温变化过程的不同而造成的。还证明了原始方程的无加速定理对各强迫因子的线性分解同样适用于研究NWP模式热量误差的成因。对国家气象中心T42L9模式1992年1月和7月预报结果的动力诊断表明，模式对纬向位温分布具有较好的预报能力，但在各纬带也存在明显的误差。通过无加速定理的分解分析，研究了这些误差的成因及改善模式的可能途径。     

全球大气运动应遵循的拓扑定理

地面天气图上的等压线斑图是空间压力曲面的廓线。全球压力曲面是凸凹不平的球面。压力曲面的峰、谷和通道（pass）对应于天气图上的高压中心、低压中心和鞍点（saddle;两个高压或两个低压间的通道）。尽管空间压力曲面的凸凹不平的位置随时间变化,相应的天气图上的高低压位置也不断变化,天气也随之变化,但是全球压力曲面的欧拉示性数（Euler characteristic）却是一个拓扑不变数,这个不变量就是球面的欧拉示性数为2。拓扑学的莫尔斯（Morse）定理,用大气学科的语言讲就是天气图上的（高压数目）+（低压数目）-（鞍点数目）=2。若将其推广到任何闭合曲面、任何奇点,则广义上称为庞加莱（Poincare）-霍普夫（Hopf）定理。显然,这个定理对天气预报有重大意义。本文列出了经向流、纬向流、单圈环流和三圈环流等例子。广大气象学工作者不但要知道大气运动应遵守流体力学的纳维-司托克斯（Navier-Stokes）方程,还要知道全球大气运动要遵循拓扑上的庞加莱-霍普夫定理。     

广义涡度与位势涡度守恒定律及其应用

在文中推得了广义涡度守恒定律,并利用此定律在一般情况下求得了广义位势涡度定律。它放宽了最初Ertel的位势涡度定律的限制条件。并对涡度拟能、螺旋性守恒定律的物理意义作了讨论,这些定律能够描述大气运动的重要动力学性质。     

Nonlinear stability analysis of the zonal flows at middle and high latitudes

An attempt has been made to apply Arnol’d type nonlinear stability criteria to the diagnostic study of the persistence (stability) or breakdown (instability) of the atmospheric flows. In the case of the blocking high, the cut-off low and the zonal flow, the relationships of the geostrophic stream function versus the po-tential vorticity of the observed atmosphere are analyzed, which indicates that Arnol'd second type nonlinear stability theorem is more relevant to the observed atmosphere than the first one. For both the sta-ble and unstable zonal flows, Arnol’d second type nonlinear stability criteria are applied to the diagnosis. The primary results show that our analyses correspond well to the evolution of the atmospheric motions. The synoptically stable zonal flows satisfy Arnol'd second type nonlinear stability criteria; while the synoptically unstable ones violate the nonlinear stability criteria.     

线性热力学对大气系统的应用(I)大气系统的线性唯象关系和热力学性质(英文)

从一般的热力学原理或其它自然原理对唯象关系所强加的限制,能够演绎出大气系统的一系列热力学性质。利用非平衡态线性热力学导出了湍流K闭合理论中湍流交换系数同唯象系数的关系,从理论上证明大气系统热量湍流输送同水汽之间存在交叉耦合,还导出了湍流强度同速度和位温梯度的关系,从而证明速度和位温空间分布的非均匀性是湍流之源。并证明湍流强度定理,不可压缩气体和各向同性湍流大气中,湍流强度正比于速度与位温梯度的标积。进而证明大气涡旋定理,位温的切变将导致涡旋运动或各种环流运动,速度涡度等于速度同位温相对梯度的矢积。展现了线性热力学在大气系统的应用前景。     

Is the Isentropic Surface Always Impermeable to the Potential Vorticity Substance?

The impermeability of isentropic surfaces by the potential vorticity substance (PVS) has often been used to help understand the generation of potential vorticity in the presence of diabatic heating and friction.In this study,we examined singularities of isentropic surfaces that may develop in the presence of diabatic heating and the fictitious movements of the isentropic surfaces that are involved in deriving the PVS impermeability theorem.Our results show that such singularities could occur in the upper troposphere as a result of intense convective-scale motion,at the cloud top due to radiative cooling,or within the well-mixed boundary layer.These locally ill-defined conditions allow PVS to penetrate across an isentropic surface.We conclude that the PVS impermeability theorem is generally valid for the stably stratified atmosphere in the absence of diabatic heating.     

从湍流经典理论到大气湍流非平衡态热力学理论

湍流是日常生活中一种普遍的自然现象,也是经典物理学仍未完全解决的难题。湍流更是大气运动的最基本特征。本文系统地回顾了大气湍流经典理论发展简史,进一步详细介绍了大气湍流非平衡态热力学理论。大气湍流非平衡态热力学理论在熵平衡方程中引入动力过程,进而统一推导出大气湍流输送的Fourier定律、Flick定律和Newton定律,证明了Dufour效应、Soret效应、可逆动力过程与热力不可逆湍流输送过程之间的交叉耦合效应,以及湍流强度定理。这些定律和定理中得到了观测的事实验证,同时它们的唯象系数也由观测资料所确定。湍流强度定理揭示,湍流发展的宏观原因是速度和温度的剪切效应,Reynolds湍流和Rayleigh-Bénard湍流共存于大气湍流中。热力过程和动力过程间耦合效应现象的发现突破了传统湍流输送理论,即Fourier定律、Flick定律和Newton定律的观点——一个宏观量的输送通量等价于这个宏观量的梯度湍流输送通量。热力和动力过程间的耦合原理认为,一个宏观量的输送通量包括这个量的梯度湍流输送通量和速度耦合输送通量两部分。因此,能量和物质的垂直输送通量除了相应物理量梯度造成的湍流输送外,还应包括垂直速度耦合效应,即辐散或辐合运动造成的耦合效应。在一个很宽的尺度范围内,地表面的空间特征是非均匀的。下垫面非均匀性造成的对流运动将引起大气的辐散或辐合运动。这可能是导致地表能量收支不平衡的重要原因之一。垂直速度对垂直湍流输送的交叉耦合效应为非均匀下垫面大气边界层理论的发展,并为克服地表能量收支不平衡问题及非均匀下垫面大气边界层参数化遇到的困难提供了可能的线索。     

The characterization and distribution of aerosol and gaseous species in the winter monsoon over the western pacific ocean

In order to obtain a better understanding of the behavior of aerosols and SO₂ in the longrange transport through a marine boundary layer, a simple box-model is applied to the evaluation of the residence times of the species from the concentrations of gases and aerosols measured simulataneously on two islands in the West Pacific Ocean in the north-west monsoon. For Aitken and large particles, the residence time is varied from 3.7 to 7.4 days depending on the particle size, and their flux to the sea is equal to or slightly smaller than that of the free atmosphere. The residence time of giant particles is about one day and their flux to the sea is three times larger than that of the free atmosphere. The residence time of SO₂ is 15 hr, and the relative SO₂ mass flows of the deposition to the sea, of the diffusion to the free atmosphere and of the transformation to SO₄ ^2- are approximately 4, 1 and 1, respectively.