不同初始涡廓线对涡旋自组织影响的初步研究

用一个带有地形项的准地转正压模式,研究了不同初始涡廓线对涡旋自组织的作用。结果表明：初始涡廓线的不同,不仅可以影响到自组织的过程,而且可以影响到自组织起来的准终态涡的性质。     

小尺度系统对涡旋自组织的影响

在涡旋自组织动力学的框架内,利用．厂平面准地转正压模式讨论小尺度涡旋系统对两个中β尺度涡旋的自组织过程的影响。4组数值试验表明：小尺度涡旋的存在,可能会改变双涡相互作用的终态,使原本不合并的两个涡旋组织起来;双涡相互作用的终态对小尺度涡旋的初始位置敏感;存在“Z”型敏感区域,当小尺度涡旋出现在这一区域时,就有可能改变双涡相互作用的终态;小尺度涡旋对双涡相互作用产生影响需具备4个条件,即初始位于敏感区内,有足够的强度,距离适当且生存时间足够长。     

地形对涡旋自组织影响的初步研究

用一个带有地形项的f平面准地转正压涡度方程，实施5组积分时间长度为72h的试验，研究了中尺度地形对涡旋自组织的影响。结果指出：无地形时，准终态涡是一个带有螺旋带的类似台风的涡旋；有地形时，准终态涡是一个无螺旋带但有两个低涡量区的准圆形涡旋。有无地形两个准终态涡中心的位置可以相距100km以上。     

随机分布的小尺度涡对涡旋自组织影响的研究

以往双涡相互作用的动力学一般都在决定性的框架内研究。文中用一个平流方程模式,实施积分时间为30 h的8组试验,分析决定性和随机性共存系统中双涡相互作用和涡旋自组织的问题。随机性通过以下方式引入模式:先用Iwayama方案生成随机分布的小尺度涡,再将这些小尺度涡加入初始场。试验中,初始随机分布小尺度涡的强度参数K分别取0.0、0.4、0.6、0.8和1.0。结果表明,没有小尺度涡的条件下(K=0.0),初始分离的两个β中尺度涡逆时针互旋,其准终态流型是两个分离的涡;引进小尺度涡后,K取0.8、1.0时,初始分离强度相同的两个β中尺度涡,逐渐形成主次之分。主涡将次涡拉伸成为螺旋带,其准终态流型是一个自组织起来的类似于台风环流的涡旋。准终态涡中心的相对涡度值随K值的加大而加大。结果还表明,准终态流型不仅与初始小尺度涡的强度参数有关,而且与初始小尺度涡的分布有关。此外,在相同初始场的情况下,还实施了3类不同边畀条件的试验:第1类,在东西边界取周期条件,在南北边界取固定条件;第2类,在所有边界均取固定条件;第3类,在所有边界均取周期条件。这3类试验的准终态流型相同,都显示出一个类似于台风涡旋的环流。根据这些结果可以初步认为,涡旋自组织的研究从决定性动力学向随机动力学的过渡是值得探索的。     

多涡自组织的初步研究

在涡旋自组织动力学的框架内,用f平面二维准地转模式研究了初始场上不规则分布的由12个β和γ中尺度涡构成的涡群如何自组织成一个较大涡旋的问题.结果表明,多涡自组织是一个逐次合并的过程,开始时是相邻双涡的合并,然后形成三涡流型,最后才形成一个α中尺度的终态涡.因此,多涡共存条件下的双涡作用,是多涡自组织的一个基本的物理过程.初始场上的每一个涡或涡块,主要有两类\     

旋转大气中地形对涡旋自组织影响的初步研究

用一个带有地形项的β平面准地转正压涡度方程,进行2组积分时间长度为48h的试验,分析旋转大气中地形对多涡自组织的影响。地球旋转作用的引入主要会引起以下的差别：无旋转大气中,多涡自组织的特征是准终态涡将初始多涡全部吸收或全部组织起来;旋转大气中,多涡自组织的特征是准终态涡将初始多涡部分吸收或部分组织起来,差别较明显。中尺度地形对准终态涡位置的影响不同。无旋转大气中,中尺度地形对准终态涡位置的影响较小,有无地形的两个准终态涡中心之间的距离约100km;旋转大气中,中尺度地形对准终态涡位置的影响较大,有无地形的两个准终态涡中心之间的距离约200km,两者相差一倍左右。     

斜压大气中台风涡旋自组织的研究

文中利用MM5(V3),实施了8个数值试验,对斜压大气中台风涡旋自组织的问题进行了初步研究.结果表明:(1)在试验1中,没有引进一个半径为80 km的小涡旋,两个初始分离的半径为500 km的轴对称涡旋,一边互旋,一边相互排斥,两个涡旋中心之间的距离不断加大,致使双涡最终分离.(2)在试验2中引进了一个半径为80 km的小涡旋,其他条件同试验1,两个初始分离的轴对称涡旋一边互旋,一边相互逼近,经自组织形成了一个由内区和螺旋带组成的类似于台风环流的较大尺度的涡旋.这个结果支持周秀骥在十多年前提出的重要观点,也支持以往在正压框架内的同类研究结果.(3)试验3-8为在前两个试验的基础上取不同初始涡旋参数的敏感性试验,其中,试验3和4为引入小涡旋不同初始位置对台风涡旋自组织的影响,试验5和6为不同初始轴对称双涡间距对台风涡旋自组织的影响,试验7和8反映了不同初始轴对称双涡强度对台风涡旋自组织的作用.它表明对涡旋自组织过程影响最大的涡旋初始参数是涡旋之间的距离,其与正压模式中的结果是类似的.     

非轴对称双涡相互作用的研究

在平流动力学的框架内,用准地转正压涡度方程模式实施了19组试验,研究双涡合并的条件及较大尺度涡旋自组织的问题.结果指出:(1)存在着两个影响双涡合并的因素,即初始双涡中心之间的距离和初始涡旋的非轴对称分布.初始两个对称涡旋合并具有明显的临界距离效应,但初始两个非轴对称涡旋能否合并还受到初始涡旋的非对称结构的复杂影响. (2)存在着两类不同的较大尺度涡旋的自组织过程,形成较大尺度涡旋.第一类,初始两个涡旋相同,均呈轴对称分布.双涡作用经历了缓变、快变,以及涡量羽翼的生成、拉伸和发展的过程,合并后呈对称性流型;终态涡内区涡量的堆积来源于两个初始涡,终态涡外区的螺旋带来源于两个初始涡外缘线涡量羽翼的拉伸.第二类,初始两个涡旋不同,一个为椭圆型,一个为偏心型,均呈非轴对称分布.双涡作用中,椭圆涡一边互旋,一边向计算区域中心靠近,同时涡量范围加大,形成了终态涡的内核区;偏心涡一边互旋,一边被不断拉伸,形成了终态涡的螺旋带区;表现出终态涡内区的涡量堆集来源于椭圆涡,终态涡外区螺旋带主要来源于偏心涡的反复拉伸及断裂的特性.     

大型涡旋自组织临界态的观测证据

在概述自组织临界态理论的基础原理的基础上指出了这一理论在气象中的种种可能应用；根据这一原理，分析了热带气旋发生频数与其中心气压、最大风速，温带气旋频数与其深度之间的关系，其间明显地存在负幂律关系。为该理论在大气科学中的应用提供了观测证据。     

“涡旋自组织”在济南市暴雨中的应用研究

通过回顾“涡旋自组织”的发展历史,阐述了“涡旋自组织”在科研领域和应用领域的重要意义。利用探空资料、风云2号远红外云图和TBB资料以及自动站逐时降水资料,对2008年夏季和2009年春季的两次暴雨个例进行分析,结果发现：在济南市的暴雨过程中也存在云团或雨团的“自组织”观测事实,证实了涡旋自组织的业务应用价值。     

不同尺度涡旋相互作用对台风的结构和移动的影响

根据大气运动原始方程组导出一个支配台风中心移动的基本方程，方程中包括了非绝热加热，温度场分布，地形与摩擦等各中能影响台风移动的强迫因子。对非绝热加热与水平温度分布的使用所作分析表明，非轴对称的非绝热引导作用可使台风加速、减速或转向运动；温度场上的准区对台风有吸收作用。     

ON THE BAROTROPIC INSTABILITY OF LARGE SCALE VORTICES

By using the linearized barotropic vorticity equation in polar coordinates the stability of pertur-bations on a large scale circular basic flow is transformed into a generalized eigenvalue problem,yielding the relationship between the growth rate of the amplitude of perturbations and the az-imuthal wave number. Then, numerical experiments whose integration time is 60 model hours areperformed in terms of a quasi-geostrophic barotropic model in Cartesian coordinates using the per-turbation stream function field of unstable mode superimposed on a strong and weak circular basicflows as the initial fields. The experimental results reveal that the amplitudes of the initial pertur-bations in the model atmosphere grow with time. The amplitude of the perturbations superimposedon the strong circular basic flow grows quicker and forms a spiral-band-like structure.     

夏季副热带涡旋活动的气候学研究

引入新的涡旋识别方法,在全球副热带选取西北太平洋、东北太平洋、西北大西洋、东北大西洋和澳洲及其附近南太平洋5个涡旋活动代表性区域,用1985-2002年夏季ECMWF40年再分析资料统计,再用同期NCEP40年再分析资料对比,研究了副热带涡旋的气候学问题.结果表明(1)两种再分析资料得到的涡旋空间分布型在5个区域都有较好的一致性,其中西北太平洋区域两种资料的相关性最好.(2)NCEP再分析资料得到的涡旋频数和强度都明显弱于ERA40计算结果,这主要是由于两种再分析资料的模式分辨率不同而造成的.(3)5个区域的涡旋活动主要分布在近海和海陆交界处,向陆地和内海方向减少.(4)西北太平洋有两个涡旋活动的高值中心一个位于中国南海,另一个位于菲律宾东侧向北分布至中国黄海的西太平洋近海海域,为5个研究区域中面积最大.(5)西北大西洋的涡旋活动主要分布在从巴拿马地区向西侧太平洋延伸的纬度带内.(6)东北太平洋和东北大西洋的涡旋活动分布型相似,都位于5°-20°N的纬度带内,由海陆交界处伸向海洋.(7)澳洲及其附近南太平洋区域的涡旋活动不如其余4个区域强,主要分布在赤道一侧的近海区域.(8)除西北太平洋和西北大西洋区域外,其余两种再分析资料得到的3个区域涡旋活动年际变化有较大差异.(9)在西北太平洋和西北大西洋区域,涡旋活动的频繁程度没有表现出长期趋势,但具有清楚的阶段性特征,且两个区域的年际变化并不相同.(10)西北太平洋区域从20世纪80年代中期以来,涡旋个体强度呈增强趋势,这个增强的趋势在全球副热带地区最为明显.西北大西洋在90年代中期以前,涡旋强度有显著增强的趋势,而之后减弱.     

斜压大气中双涡自组织与台风形成的初步研究

从数值研究和个例分析两个方面讨论了斜压大气中双涡自组织与台风形成的关系.首先,利用PSU/NCAR 第五代数值天气预报模式(MM5),设计了6个弱环境流场下的理想试验,研究斜压大气中双涡自组织对台风形成的影响,结果表明:斜压大气中双涡自组织存在一个临界距离dc,其值在380 km左右.当双涡间距d≤dc时,双涡可以自组织形成台风环流,当d>dc时,自组织现象不能发生.其次,选取一个对我国有重要影响典型台风个例,分析双涡自组织对其形成的影响,结果表明双涡自组织过程是对我国有重要影响台风形成的典型方式之一.     

不同形状初始涡旋和热力强迫能量频散特征的数值研究

用谱方法求解球面无辐散正压涡度方程，讨论了不同形状初始涡旋和热力强迫能量频散特性的差异。结果表明：１．在不同结构的环境风场下，差异是没的。环境风场为零或西风时，不不形状的初始涡旋或热力强迫能量频散方向，１速度，强度的差异均较大，但在半球模式中经向频散均很小，能量以向东传播为主。有东风风场存在时，只表现为频散强度的差异，且向极传播的波形波长较长，向南传播的波列波长较短。２．以上线性结果中用波射线跟踪     

对称不稳定与初始扰动尺度关系的数值研究

采用两个不同的东亚夏季风指数分析了1951～1999年间东亚夏季风强度的年代际变化特征。结果一致表明，20世纪70年代中期左右，东亚夏季风经历了由强到弱的年代际变化。而且西太平洋副热带高压作为东亚季风系统的重要成员，其强度和位置也在1970年代中期左右发生了明显的年代际变化。这种大气环流背景的年代际变化造成了1970年代中期以后我国的华北地区干旱少雨；长江中下游地区洪涝多雨。     

涡旋自组织过程影响0604号热带气旋Bilis降水的数值研究

利用PSU/NCAR中尺度天气预报模式MM5,成功模拟了0604号热带气旋Bilis登陆后的移动路径和降水分布。在此基础上,讨论了不同尺度涡旋自组织过程对热带气旋Bilis产生局地暴雨的影响。结果表明:(1)引发强降水的对流系统不是来源于热带气旋螺旋云带内的对流云团,而是受热带气旋外围环流与局地地形影响下形成的多个中小尺度系统之间自组织的结果;(2)与0604号热带气旋Bilis登陆前后24小时的强降水相关的自组织过程是分阶段进行的,即第一阶段的双涡自组织过程和第二阶段的多涡自组织过程;(3)局地多尺度涡旋之间的自组织过程,是0604号热带气旋Bilis陆上强降水发生的主要动力机制。