地形对长波和超长波系统影响的物理过程

(一)地形影响的物理过程,过去较多地是从正压涡度方程来说明的。事实上,地形不仅影响着正压流场,而且还同时影响着随高度改变的切变流场和温度场。我们首先通过σ-坐标的涡度、散度和热力学方程进行尺度分析(水平尺度—10~3公里),得到一组能够说明中纬度大地形影响特性的简化方程组,并考虑如图1的两层模式,对于任意函数有     

副热带天气尺度和次天气尺度系统短期演变的一般机制

将包含水汽潜热和摩擦因子的平衡模式ω方程适当简化,形式上与准地转方程相似,在简单谐波分布的假定下,由此求得各标准气压层上垂直运动和涡度倾向的近似解析解,它是包含所有各气压层上涡度源变和温度源变(或称“广义平流”)以及地形强迫作用的一组线性多项式。各项的系数分别表现出该项源变或地形强迫作用对某一气压层上垂直运动或涡度倾向的影响。针对几种典型情况,计算出这些影响系数,这有助于定性地诊断天气尺度和次天气尺度系统短期演变的物理过程,适用于副热带情况。     

地形强迫对偶极型阻塞形势的影响分析

本研究运用多尺度变换和摄动法简化具有地形强迫的正压准地转涡度方程,得到带有扰动项的非线性Shr?dinger方程,在此基础上,采用孤立子直接微扰理论研究地形强迫对偶极型阻塞结构的作用。研究表明:地形强迫对偶极型阻塞发展具有增强和持续作用,其增长率与大地形山体的斜率成正比。      

气流的垂直分布对地形雨落区的影响

从大气运动的基本方程出发,讨论了华北地区太行山东侧低空东风气流背景下不同垂直分布气流对降水落区的影响。认为：当垂直于山体的气流随高度减小时,地形的作用表现为迎风坡上水平辐合,造成气旋式涡度增加,产生风场切变,因此对迎风坡降水产生明显的增幅作用。当气流的垂直分布随高度增加时,迎风坡方向表现为反气旋涡度增强,而在背风坡方向产生辐合作用,造成气旋式涡度增加,发生风场切变。     

近年来中尺度涡动力学研究进展

围绕国内外近年来中尺度涡的动力学研究进展,聚焦中尺度对流涡的涡度方程和热量方程,对中尺度对流涡的动力学进展进行了梳理总结,指出环境风切变、垂直运动、平流的动力辐合、风场变形、热力场变化及地形等对中尺度涡的涡度发展均有作用。此外,中尺度涡动力学的研究进展,还体现在能量方程和中尺度垂直运动方程的推导和诊断方面。强对流系统中,垂直运动的变化与不稳定能量及对流层中层水平运动的风速有关。     

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。     

太行山地形在“7·19”华北持续性低涡暴雨中的作用北大核心

本文对2016年“7·19”华北特大暴雨进行观测分析和数值模拟,并设置了改变地形高度的敏感性试验,以探究该过程降水系统的发生发展机制以及太行山地形的作用。结果表明:(1)本次强降水过程发生在“东高西低”的有利环流形势下,受太行山地形和平原环流系统影响,低层东风急流造成强的对流性降水和低涡作用的叠置造成“7·19”华北地区持续性暴雨的维持和加强;(2)第一阶段为对流性降水,太行山东麓大气对流不稳定能量释放,大气逐渐转为稳定层结;第二阶段为低涡降水,涡度收支分析表明水平散度项和扭转项对低涡维持和发展起到了主要的正贡献,同时伴随有较强的上升运动和垂直风切变,垂直风切变的增强促使水平涡度向垂直涡度转变;(3)太行山地形在持续性暴雨中对两阶段降水、低涡和水汽的作用存在差异。地形高度敏感性试验中,地形高度增高对低层气流的阻挡和强迫抬升作用增强,使得地形降水增强,低涡路径东移,且强度增大。水平散度项使得对流层低层辐合上升运动增强,造成涡度的垂直输送,这是低涡发展和维持的重要原因之一。太行山地形阻挡截留东部平原水汽,且水汽回流加强,有利于太行山东麓水汽的输送与辐合。     

三维可压缩大气中的云尺度模式

我们设计了一个三维云尺度模式,它的控制方程由二部分组成:一是Euler式的可压缩运动方程,连续方程,压力变化方程及热力学方程;二是Lagrange式的云-降水微物理方程组。由于声波的存在对各个方程积分过程的影响程度不同,运用了时间分离方法。网格结构设计了二种:一般的和交叉的,并分别采用了松野积分方案和半隐式积分方案。模式经过严格的调试以后,进行了多个个例模拟研究,表明模式是稳定的,给出了合理的三维对流的发展图象,不仅模拟出垂直对流环流,而且模拟出对应的水平涡坏。利用该模式,研究了水平涡坏的形成和发展对云内下沉气流激发的影响和作用。     

四川盆地东北部山地夜间暴雨特征的合成分析

利用四川省4890个气象观测站逐时降水数据,筛选出2015—2019年四川盆地东北部发生的24例夜间暴雨过程,在根据影响系统对夜间暴雨进行分型并合成分析的基础上,运用绕流和爬流方程,将近地层流场分解为绕流和爬流运动,重点探究盆地东北部地形对气流的影响及其对夜间暴雨的作用。结果表明：四川盆地东北部山地夜间暴雨可分为西南涡型和偏南风型,两种雨型分别存在西南低涡和低槽在夜间加强的特征,导致夜间偏南气流明显加强,夜间山脉迎风坡出现强垂直上升运动,盆地形成垂直环流,有利于夜间暴雨的形成。两种类型在850 hPa有大量水汽从贵州、重庆上空进入盆地东北部,午夜时分形成强水汽辐合中心;西南涡型水汽的输送、辐合强于偏南风型,西南涡型在盆地东北部后半夜层结不稳定更强,偏南风型后半夜在大巴山迎风坡垂直运动更强。盆地东北部地形抬升区域爬流和绕流运动也具有夜间加强的特征,西南涡型爬流和绕流运动相比偏南风型更强。爬流强迫出的垂直运动能很好地反映偏南气流在地形抬升处形成的垂直上升运动,而地形阻挡产生的绕流运动则有利于局地涡旋的产生和加强,两种类型暴雨的空间分布与夜间正涡度大值区对应较好。     

风速垂直切变环境中对流运动和水平涡度的数值研究

在y-z平面上,用积云动力方程组和涡度方程联合的二维模式进行数值试验,得到以下结果: 1.切变环境中,对流运动引起水平涡度的机制是辐合作用和倾斜作用。 2.水平涡度的强度和切变强度成正比。 3.倾斜项形成对流单体南北两侧一对反对称的涡度分布,辐合项使该涡度的水平分布更符合实际观测到的结果。 4.大气密度随高减小是涡度最强值能稳定在对流运动中下部的原因。 5.涡度的最强发展阶段的时间尺度和对流运动发展的时间尺度相当,前者落后约3分钟。 计算结果和观测相比是符合的。     

亚洲夏季风各子系统主要变率相互关系初析

使用NCEP/NCAR再分析资料和CMAP月平均降水资料分析了亚洲夏季风各个子系统的相互关系。结果表明亚洲夏季风子系统之间存在显著相关。从同期强度变化可知,当东亚季风偏强时,大尺度亚洲季风、东南亚季风、南亚季风均偏弱,相关区域降水偏少;而同时大尺度亚洲季风偏强时,东南亚和南亚季风偏强,相关区域降水偏多;东南亚季风偏强时,南亚季风偏弱,南亚地区降水偏少;反之亦然。从不同周期强度变化可知各个子系统相关仍然显著。      

北半球大气臭氧和气温的关系

本文根据北半球21个臭氧站1979年7月1—31日逐日日平均臭氧总量与日平均10—200hPa气温资料,分析了逐日臭氧变化与气温变化的相互联系和影响。结果发现,臭氧总量变化落后于50—200hPa层气温变化,超前于5—50hPa层气温变化。     

热带东、西风界面附近的扰动流场

在正压无辐散的条件下,讨论了东、西风不连续面上的正压不稳定性,得出:在这种情形下,东、西风界面上的扰动总是不稳定的。文中用小参数的方法,对界面附近扰动发展的非线性问题进行了计算,算到二级近似。结果表明,非线性过程引进短波长的谐波。界面的变形和扰动随时间增长较快,经过0.5天,界面有很小的变形,附近只有很弱的闭合环流;到1.5天,界面变形显著,环流范围增长达300公里,而且短波占主要部分,界面北侧东风气流中的气旋式环流进一步发展,风速也显著增强。     

1986年夏季西藏东部近地层湍流输送特征的分析

本文以1986年夏季西藏高原气象实验(TIPMEX-86)期间获得的资料为基础,运用廓线方法,计算了实验期间感热、潜热和动量湍流通量并分析了与通量输送有关因子的变化。分析结果表明,各种湍流通量都有明显的日变化、日际变化和旬变化。7月份感热通量比6月份大约减少了2/3以上。计算得出那曲6月13—28日拖曳系联C_d的平均值为0.0052,同期感热通量的整体输送系数C_h为0.0075;而拉萨6月11日—7月20日C_d的平均值为0.0056,同期C_h的平均值为0.0085。根据整体输送系数和各种有关因子的关系分析表明,C_d,C_h不可能用一个常数代表,它们不仅仅是风速的函数,而且其变化还包含了稳定度、风速梯度、温度梯度的综合效应。     

THE ANALYSIS OF THE RELATIONSHIP BETWEEN THE SUBSYSTEMS OF THE ASIAN SUMMER MONSOON

In this study, the relationship between the subsystems of Asian summer monsoon is analyzed using U.S. National Centers for Environmental Protection/National Center for Atmospheric Research reanalysis and Climate Prediction Center Merged Analysis of Precipitation monthly mean precipitation data. The results showed that there is significant correlation between the subsystems of Asian summer monsoon. The changes of intensity over the same period show that weak large-scale Asian monsoon, Southeast Asia monsoon and South Asian monsoon are associated with strong East Asian monsoon and decreasing rainfall in related areas. And when the large-scale Asian monsoon is strong, Southeast Asia and South Asia monsoons will be strong and precipitation will increase. While the Southeast Asia monsoon is strong, the South Asia monsoon is weak and the rainfall of South Asia is decreasing, and vice versa. The various subsystems are significantly correlated for all periods of intensity changes.     

从大氣環流變化論東亞过渡季節的來臨

自然季節的劃分無論是在氣候学工作上和天氣預告,特别是中、長期預告工作上都是一個很重要的問題。 我國勞動人民从很古的時候就把天文現象和产業生产的实踐結合起來劃分季節。近代从氣象观測的科学工作建立以後,人們更科学地依據大量的氣候資料按照     

中国西部干旱地区太阳直接辐射通量密度与大气质量的关系

本文根据中国西部干旱地区大气物理状态(大气可降水量和大气浑浊度)的变化范围,利用太阳直接辐射通量密度的理论计算公式,计算了各种大气透明系数状况下的太阳直接辐射通量密度。计算结果表明,大气质量m=2时的透明系数P_2和m相同时,由于水汽和气溶胶的含量配置不同而引起太阳直接辐射通量密度的差异,在辐射日变程的主要时段(m=1-3)内并不大。于是得到各种透明系数P_2状况下太阳直接辐射通量密度随大气质量变化的平均关系。不同海拔高度比较,当透明系数P_2相同时,各自的大气物理状态虽然不同,但m相同时的太阳直接辐射通量密度基本相同。现有的表征太阳直接辐射通量密度值和大气质量联系的关系式都不能很好地描述计算结果。根据太阳直接辐射通量密度随大气质量变化的特性,我们提出了新的关系式。最后,整理了不同拔海高度和不同地理景观的四个日射站(西藏那曲、青海格尔木、甘肃敦煌和民勤)的多年观测资料。经验计算结果与观测值比较,一致性良好。     

球面定常行星波射线的变化与波列的分支

为了解释大气低频波列的结构特征,本文把慢变介质中波传播的理论应用于行星波。采用射线追踪方法,借助于几何直观,在波射线与纬线平行的纬度附近,讨论了波数k_s的分布对波射线变化与波列分支的作用。并讨论了沿波射线路径波幅的变化。提出,在波数k_s为极值的纬度附近,定常行星波列存在着明显的分支现象。在传播期间,波幅在分支纬度附近为极大值。这些结论与双测和模拟的结果是相当一致的。此外,本文还讨论了“大圆路径理论”的局限性。     

中小尺度运动中风场和气压场的适应

在大型运动中有所谓地转适应的现象,本文研究了中小尺度运动中风场和气压场之间的适应问题。 由尺度分析可以发现:在一般中小尺度运动方程中,时间导数项较其中的各主要项小一个量极。因此可以认为中小尺度运动是在力的准平衡状态下进行缓慢的演变。当有某种原因破坏了这种力的准平衡态时,即有一种机制使运动回到准平衡来。这种准平衡态是惯性力(即速度平流)、科氏力和气压梯度力三者之间的准平衡。 由准平衡态的破坏恢复到准平衡的过程称为中小尺度的适应过程;准平衡态下的演变过程称为准常定过程。文中讨论了这两种过程中运动的物理性质。指出:对中尺度运动而言在适应过程中D>>ζ,在准常定过程中D≤ζ,这里D和ζ分别为散度和涡度。 设在某一有限的区域中,运动的平衡态受到了严重破坏,作为初值问题可以计算破坏以后运动的发展。计算结果表明:在短暂的时间内,气象要素有一急烈变化和调整,重新恢复准平衡态;时间稍长运动即进入准常定的演变。