定常条件下感热和地形影响的Rossby波

通过在非绝热准地转线性模式中引入波动形式解,并确定适当的定解条件,用正交模方法求得了感热波的波动解。结果表明由于感热加热集中于近地层附近,其波动解具有与山脉波类似的波动垂直结构,波动等位相线随高度向西倾斜,波动能量向上传播。对NCEP/NCAR资料的分析验证了理论推导结果的合理性。大尺度大气定常波随纬度和季节有明显变化。热带地区定常波主要受潜热加热影响,副热带地区大气波动常表现为地形、潜热和感热加热的综合效应,而中纬度地区大气定常波则主要由地形和感热加热决定。     

变分原理与大气波动的Lagrange函数

本文从大气波动所满足的方程出发,应用变分原理求得了各种大气线性波动的Lagrange函数和平均Lagrange函数。应用平均Lagrange函数可以求得大气波动的频散关系、平均能量、波作用量和波作用量方程。 本文还分析了Lagrange函数与大气波能量间的关系,分析指出:Lagrange函数是物理量φ及其导数的二次式。对大气基本波动而言,非频散波的Lagrange函数是动能与位能(弹性位能或重力位能)之差,频散波的Lagrange函数是动能与恢复力的位能(有效位能、惯性位能或Rossby位能)之差。     

赤道以外热带大气中30—50天振荡的一个动力学研究

本文的动力学分析和模式大气的计算结果表明,在积云对流加热的反馈作用下,热带大气可以产生一种CISK-Rossby型波动。这种波与经典的热带Rossby波不同,它既可以向西也能向东移动,而且在热带大气通常的加热情况下其相速度同热带30—50天振荡的活动相一致。同时,CISK-Rossby型波动具有频散特性,其能量频散可以说明30—50天大气振荡的二维Rossby波列特征。因此可以认为,CISK-Rossby型波动是赤道以外热带大气30—50天振荡的主要激发和驱动机制。     

大气遥感探测的信号(下)——大气和波的相互作用机制

上文我们简单介绍了作为大气遥感信号的大气中所存在的电磁波和力学波的概况。我们知道,作为大气遥感信号的波动是经过大气作用了的波动,因此,这种波动必然具有大气的某种特征。作为大气遥感探测的原理基础,就是要研究大气与波动的各种相互作用机制及其表现形式。这里我们对几种相互作用机制作一简单介绍。     

二维波状地形上的流场

在一个简化的二层模式中，求解大气波动方程，得到了二维波状起伏地形上扰动流线的分析解。研究了在上、下两层大气中，不同的温度廓线和风速廓线情况下，地形引起扰动的流场形式，同时讨论了支配扰动振幅的大气因子和地形特征。分析解的结果表明:若大气低层为深厚的不稳定层，地形引起的波动很微弱;如低层大气强稳定，上层大气弱稳定，则可能产生较强的波动;而当上层稳定度增加时，可产生非陷波，有利于高层动量下传，造成较大的地面风速。     

低层不稳定大气边界层中的地形阻力

采用两层大气模式,通过求解线性化大气动力学—热力学方程组,得到在上层稳定层结覆盖的不稳定大气边界层中,简单三维地形引起的地形波及其波动阻力的解析表达式。讨论了地形及大气条件对地形波及波动阻力的影响。结果表明:即使在大气低层为不稳定边界层时,三维地形引起的波动在大气动量平衡中仍可起明显作用。     

边界层低空急流的数值研究

本文利用稳定层结条件下的二维夜间边界层模式,研究了自由大气中的波动及热力稳定度对夜间低空急流的发展演变的影响问题,从而初步研究了自由大气中的波动对边界层大气的反馈作用。指出了自由大气的波动对于大气边界层结构有相当大的影响,对边界层低空急流影响明显。     

二维地形的地形阻力

讨论了在上部稳定层覆盖的不稳定大气边界层中,二维地形扰动所引起的上层波动以及扰动速度的动量通量输送,表明在大气低层层结不稳定时,波动仍可能在大气动量平衡中起明显作用。     

谈热成风规则在天气分析中的应用

在斜压大气中,温度场的不均匀分布是大气运动能量的来源。大气的波动运动带动冷暖空气进行垂直和径向交换,使温度场得到调整。而温度场在调整中通过热成风作用也改变着大气的运动。天气系统的生消、强弱和移动均受大气流场和温度场配置的影响。在天气预报业务中分析热成风对天气系统的作用是天气形势分析的重要因素之一。为此,就这个问题谈几点体会。     

垂直切变气流中热带波动的结构

认识热带波动的垂直结构对于揭露热带大气运动在上、下层间联系的本质以及天气预报实践都有重要意义。由于低纬地区风、压场的地转风关系不再适用,同时,水平温度场比较均匀,因而,大气上、下层间的联系不再象中、高纬度地区那样可以简单地用热成风关系来描述;又由于大气上、下层的基本气流往往有不同的方向,基本气流垂直切变的作用不容忽视.可以预料,热带大气波动的垂直结构是有其独特性的。本文利用伽辽金方法.导出一个求解切变气流中热带波动的一般性解法,并通过数值计算结果的分析,讨论垂直切变气流中热带波动的垂直结构特征.在本文中,我们将集中讨论热带对流层的Rossby波.      

第七讲 大气中的波动

大气中存在着各种各样的运动,如促使对流云发展的重力波、产生大范围天气变化的大气长波。为了掌握大气中这些运动的规律,我们必须了解发生在大气中各种波动的物理机制。为了突出某种波动的物理本质,我们可以经过一些假设,把一些基本方程组     

二维波状地形上的流场

本第一部分，在一个简化的二层模式中，求解大气波动方程，得到了二维波状起伏地形上扰动流线的分析解，研究在上、下两层大气中，不同的温度廓线和风速廓线情况下，地形引起扰动流场形式，同时讨论了支配扰动振幅的大气因子和地形特征。章第二部分，利用大气非静力方程组求出几种大气条件下流场扰动的数值解，并和分析解做了比较。     

大气非线性波动方程的解

本文从非线性大气运动方程出发,用比较简洁的方法,求得了大气非线性惯性波、非线性重力内波和非线性Rossby波的周期解,这些解反映了非线性大气波动的特色。分析指出:对有限振幅的惯性波和重力内波,振幅大的波传播越快,而有限振福的非线性Rossby波,振幅大、波长长的波传播越慢;本文还分析了这些解的某些可能的实际意义。 这些非线性波的研究提供了解非线性方程的新的途径,而且,它可以与大家熟悉的线性波动进行比较。对于天气预报和大气湍流的研究都有一定的意义。     

下坡运动的分析解

本文采用二层模式,在一个斜坡地形上,求解大气波动方程,得出了下坡运动的普遍分析解,并对解在不同大气条件和地形条件下的物理意义做了分析。当下层大气厚而稳定、风速较强时,得到的是背风坡大风。而当下层大气强稳定、小风时,得到的是泄流风。对各类下坡运动近地面风速和大气层结、流场结构及Scorer参数之间的关系也做了讨论。     

地形强迫对大气长波调整的可能影响

地形作为大气的外部强迫,其动力和热力作用对波动结构演变及极端天气出现都有不能忽视的作用。本文通过数值求解考虑地形强迫的β平面正压准地转位势涡度方程,探讨了地形强迫作用对大气长波调整的可能影响,结果表明:同非线性作用和纬向非均匀基流作用一样,无基流情形下具有纬向差异的地形分布影响了大气长波结构的演变,也能强迫出大气长波调整现象。大气长波调整依赖于地形的高度和地形分布,地形越高,长波越容易出现波数的调整;地形波数越大,即地形结构复杂,越不易出现波数变化。大气长波调整还与纬度有关,纬度越高,β越小,地形强迫作用越突出,长波调整容易出现;反之,低纬度以β效应为主的线性波动不易出现波数调整。大气长波调整对波动初始波动的振幅不敏感,但依赖于波动的初始结构。此外,有基流作用时,地形强迫还是诱发定常波的重要因素,且定常波流场结构依赖于地形高度分布,与波动初始结构无关。     

几种特殊地形对气流运动影响的解析研究

在地形相关函数与地形高度函数近似相等的假设下,利用一种解析方法得到多种典型地形影响下的大气中尺度运动的定常解析解以及对应的气流运动情况。结果表明,在地形上风方的水平方向不呈现波动形态;低(浅)的地形不会在大气中形成急流和转子。对各种有一定高(深)度的地形,当Froude数Fr 1/π时,大气波动仅出现在地形附近,低层流线接近地形,向上则波动有所减弱;当1/πFr1/(2π)时,该波动不仅出现在地形附近,还出现在地形的下风方,波长与地形的水平尺度无关,仅取决于背景场,且向上波动仍有所减弱;当Fr1/(2π)时,在地形下风方的大气中层,会形成一支急流,再往下风方,该急流又分为两支,一支位于大气高层,一支位于大气低层,并又会在大气中层再度汇合;在该急流的一侧或两侧,会出现转子;在奇异值Fr=(nπ)-1上出现间断,扰动会出现一个急剧增强的现象。     

大气遥感的“信号”(上)——谈谈大气中的波动

所谓大气遥感,基本可归结为采用某一类型的感应器接收来自大气某一方向上的某种波动“信号”,然后根据大气物理的原理研究对“信号”所包含的路径大气的某种要素分布进行分析,把这种所需的信息提取出来,从而达到大气遥感探测的目的。由此可见,为了自觉地发展和运用大气遥感,我们必须首先了解     

大气的随机扰动对波速的影响研究

从大气运动方程出发,利用随机微分方程的最新理论和摄动法进行分析,通过对波动的分析,得到了一些有意义的结果。     

非均匀介质中的Rossby波与Lagrange函数

本文从大气波动所满足的一般非线性方程入手,利用Lagrange函数平均法以及限制性变分原理求得了非均匀介质中Rossby波的频散关系式,波作用量方程,和平均能量方程取得了比较合理的结果。进一步验证了应用平均限制性变分原理求非线性大气波动Lagrange函函数的可行性,为今后用变分方法研究更复杂的非线性大气波动作出有益的尝试。     

迎风坡面上流场和温度场分布的分析解

本文利用二层模式,分别得到低层大气稳定和不稳定时的大气波动方程表达式,并在特定的斜坡地形上,求出流线扰动的分析解。进一步讨论了不同上游大气条件下,地形造成的流场、温度场和湿度场分布,以及产生地形急流和地形云的判据。