斜交型不稳定谱点分布侧半圆定理及其增长率上界的估计

本对斜交型扰动不稳定谱点的分布做了理论分析，得到了该谱点分布的半圆定理一该谱点分布在复一面上以原点为圆心以R0为半径的上半平面上，同时还对该不稳定增长率的上界作了估计。发现水平永度越小，模式顶越高则该估计值越大；垂直风切变的增大和纬度的增高对该增长率的增大有正贡献；当层结稳定度减小时，最大增长率随相对最大增长率得增大而减小。     

WAVE-CISK对称不稳定谱点分布的半圆定理

采用滞弹性近似研究了WAVE-CISK下对称性扰动的谱点分布,得到了WAVE-CISK下对称不稳定扰动谱点分布的半圆定理,用其可估计该对称不稳定增长率的上界.发现存在WAVE-CISK时加热反馈和层结参数对该不稳定的增长率均有重要影响.WAVE-CISK加热反馈越强、基流的垂直切变越大,扰动的垂直结构越简单则该不稳定增长率的上界就越大.存在WAVE-CISK时滞弹性近似下的对称不稳定发生的条件也较Boussinesq近似下的更苛刻.     

湿层结参数非常数时雨团模型中的位势不稳定

建立了圆柱坐标下湿层结参数在垂直方向不为常数时的非轴对称雨团数学模型,着重讨论了其中的位势不稳定问题。抽象出了暴雨发生前期、盛期和发生后的三种典型湿层结参数的垂直分布。得到了此时位势不稳定的判据,分别给出了不稳定扰动增长率与稳定扰动振荡圆频率的上、下界。并在该参数取分2段常数的情况下,进行了解析求解。得到以下结论:该模型雨团在水平方向可有螺旋结构,这与用雷达资料得到的实际情况一致。在暴雨发生前期,有位势不稳定发生;且螺旋臂条数越多,雨团半径越小,不稳定增长率的上界越大。在暴雨盛期,整层为弱位势稳定层结,无位势不稳定发生;扰动螺旋臂条数越少,半径越大,其振荡圆频率下界越大。在暴雨结束后,整层为强位势稳定层结,也无位势不稳定发生;扰动螺旋臂条数越多,半径越小,其振荡圆频率的上界越大。在该参数取为2段常数情况下,且下层与上层其分别为负、正值时,有位势不稳定发生,且雨团的螺旋臂越多、半径越小及不稳定层次越厚,其增长率越大。该不稳定雨团的垂直结构在下层大体为半个正弦波,波长随不稳定层次的增厚而增大;在上层则为指数分布,且随高度增加迅速趋于0。     

再论球面上正压准地转运动的半圆定理

进一步了球面上正压准地转运动中不稳定波的Ｈｏｗａｒｄ半圆定理，发现在某些特定的基本流分布下，该定理可以发展成圆弧定理，由此得到不稳定扰动增长率的更为精确的估计式。     

热带气旋螺旋云带动力不稳定的性质

热带气旋螺旋云带的不对称特征,在热带气旋的路径和强度变化中起着重要作用,对其动力性质的研究是整个热带气旋研究中的重要组成部分.文中分别对一个正压无辐散涡旋模型和正压原始方程涡旋模型进行线性化,采用标准模方法计算扰动的谱点和谱函数,研究扰动在基本流场中的不稳定问题,从而讨论了热带气旋中螺旋云带动力不稳定的性质.将一指定的基流廓线代入这两个模型,均会出现不稳定扰动.前者的流动为涡旋运动,仅在不稳定扰动的两个峰值之间可以看出螺旋状的结构特征,在距涡旋中心140 km的外围,不稳定扰动沿径向没有波动分布,没有螺旋云带状结构.此处相应于涡旋Rossby波的停滞半径(stagnation radius),在此半径之内出现的螺旋结构称为内螺旋云带,而在此半径之外出现的螺旋云带称为外螺旋云带.也就是说前者仅出现了眼壁(最大风速半径之内的最大扰动中心)、内螺旋云带,而后者则出现了眼壁、内螺旋云带和外螺旋云带.这说明滤去重力惯性波的正压无辐散涡旋模型(前者)只适合于解释热带气旋不稳定内螺旋云带的形成和结构,当综合考虑不稳定内、外螺旋云带的形成时,水平辐合、辐散的作用不能忽略,此时必须要用正压涡旋模型(后者).在该模型中因最不稳定扰动随涡旋半径的不同,其分别体现了涡旋Rossby波和重力惯性波的特点,故其是不稳定的涡旋Rossby-重力惯性混合波,其不稳定的性质是非平衡的.由此可知,要同时解释内、外螺旋云带的生成和结构,则非平衡的涡旋Rossby-重力惯性混合波不稳定理论应是更合适的选择.     

垂直风切变对螺旋波不稳定的影响

通过建立一系列局地准二维直角坐标系,用以研究垂直风切变对热带气旋中螺旋波不稳定的影响,并计算了螺旋波不稳定增长率在螺旋线上的分布,得到了以下结论:不稳定增长率开始随热带气旋半径增大而增大,在最大风速圈处达最大;然后随半径减小,以后再随半径增大,出现一个局地极值,再以后又减小,即在螺旋线上有两个极值中心;这与实际热带气旋的情况相一致。不稳定螺旋波的增长率与基流的垂直切变和层结参数密切有关,基流垂直切变越大,层结参数越小,则增长率越大;也即Richardson数越小,则不稳定增长率越大。     

β中尺度扰动的不稳定增长率分布

本文采用线性化、无粘、绝热的 Boussinesq方程组 ,研究了 β中尺度波段的不稳定问题 ,讨论在不同理逊数下扰动的稳定性增长率分布。在不同的 Ri下 ,不稳定的出现对波长有选择性 ,在小 Ri 时 ,即 Ri<0 .95 ,β中尺度波段存在对称不稳定 ,Ri 数越小 ,对称不稳定的增长率越大 ,此外还存在横波型扰动的不稳定和斜交型扰动的不稳定。当 Ri 数增大时 ,Ri>1时对称不稳定已不存在 ,但其余两类不稳定仍存在 ,且在 β中尺度波段中较大尺度的扰动以横波型扰动的不稳定占优 ,而较小尺度的扰动以斜交型扰动的不稳定占优。     

斜压切变基流中横波型扰动的特征波动──Ⅰ:谱点分析

文中对谱点的分布作了定性分析和数值计算。结果发现：当基流存在切变时,无论是重力惯性波还是涡旋波都存在连续谱。在通常的环境下,对天气尺度的扰动,3支波动的连续谱不重叠,3支波动明显可分;当扰动尺度小于临界波长l0时,可出现涡旋波和一支重力惯性波的两波连续谱区的重叠,当扰动尺度小于l0／2时,可出现涡旋波和一对重力惯性波的三波连续谱区的重叠,此时两种波动不可分。当出现重叠谱时,若出现不稳定扰动,其频率的实部落在重叠谱区。     

旋转二维可压缩流动的谱和特征函数——Ⅰ:谱点的分布

本文对旋转二维可压缩流(正压原始方程模式)中的谱和谱函数进行了分析和数值计算。这一部份主要讨论谱的分布,结果表明:在正压原始方程中存在三支谱系。当基流为稳定时,这三支谱系均是实的,其中两支为离散谱,分别对应于顺风和逆风传播的重力惯性波(快波),另一支则对应于Rossby波(慢波)。当基流无切变时,慢波由离散谱点组成,慢波相速以基流速度为聚点;且基流为零和科氏参数为常数时退化为无穷维重迭谱点,与聚点重合当基流有切变时,慢波由离散谱和连续谱组成,其中离散谱还可能不存在。当基流速度接近或超过C_0时,最靠近“慢波”的二个或几个原来的重力-惯性波转化为混合型波。当基流为不稳定时,则存在复数的谱点(此时该谱点必定是离散谱)。理论分析和数值计算都得到了广义正压不稳定、超高速不稳定和混合类型的不稳定,而广义正压不稳定属于慢波。我们将在本文的第二部分中讨论相应的谱函数。     

旋转二维可压缩流动的谱和特征函数 Ⅰ:谱点的分布

本文对旋转二维可压缩流(正压原始方程模式)中的谱和谱函数进行了分析和数值计算。这一部份主要讨论谱的分布,结果表明:在正压原始方程中存在三支谱系。当基流为稳定时,这三支谱系均是实的,其中两支为离散谱,分别对应于顺风和逆风传播的重力惯性波(快波),另一支则对应于Rossby波(慢波)。当基流无切变时,慢波由离散谱点组成,慢波相速以基流速度为聚点;且基流为零和科氏参数为常数时退化为无穷维重迭谱点,与聚点重合当基流有切变时,慢波由离散谱和连续谱组成,其中离散谱还可能不存在。当基流速度接近或超过C_0时,最靠近“慢波”的二个或几个原来的重力-惯性波转化为混合型波。当基流为不稳定时,则存在复数的谱点(此时该谱点必定是离散谱)。理论分析和数值计算都得到了广义正压不稳定、超高速不稳定和混合类型的不稳定,而广义正压不稳定属于慢波。我们将在本文的第二部分中讨论相应的谱函数。     

三维层结大气随高度变化基流的不稳定性及半椭圆定理

本文应用Ｈｏｗａｒｄ（１９６１）所用的精巧积分方法研究了三维非静力平衡层结大气随高度变化基流上重力内波的不稳定性质。给出了不稳定产生的必要条件和相速度在相速复平面上的分布规律；发展了Ｍｉｌｅｓ定理和Ｈｏｗａｒｄ半圆定理；得到了有限深度气层的半椭圆定理。并指出在随高度变化的基流中，重力内波的不稳定范围与基流的垂向结构及波传播方向有关；半椭圆的位置和长轴分别重合于Ｈｏｗａｒｄ半圆的位置和直径，而短轴则依赖于与Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ数相关的参数Ｊ０，Ｒ０和波数｜ｋ｜及流场厚度参数ｋ０     

热带气旋内中尺度波动的不稳定机理研究进展

在回顾了近年来热带气旋波动动力学研究的基础上,介绍了热带气旋内中尺度波动不稳定机理研究方面的进展,分别对热带气旋三类中尺度特征波动的不稳定,即经典重力惯性波、涡旋Rossby波和具有物理性质不可分的混合波的不稳定进行了物理分析,给出了热带气旋内对称不稳定、横波不稳定、对流对称不稳定、涡旋Rossby波正压不稳定及混合波不稳定的动力解释,进一步说明热带气旋内中尺度扰动发展是与基本气流的动力(水平和垂直切变)及热力状态之间的相互作用密切相关。     

A note on a semicircle theorem

A new semicircle theorem is derived for unstable barotropic disturbances to a class of rectilinear barotropic currents u(y) in systems with an ambient potential vorticity gradient (f/h)_y which satisfies (u—u_s)(f/h)_y ? 0 throughout the y domain, where u_s is some value of u. In the conventional semicircle theorem for this flow, the radius of the semicircle is a function of both the range of u and the maximum speed of the stable Rossby waves that can exist in the system when u = 0. In the new semicircle theorem, the radius is only a function of the former when it is small compared to the latter. Currents which do not satisfy the above condition, as well as stable modes and baroclinic systems, are also discussed.     

圆形涡旋大气中的横波不稳定

讨论涡旋大气中,存在沿切向基流传播的横波型扰动,并采用数值方法讨论了柱坐标系下圆形涡旋系统斜压气流中这类扰动的不稳定,这是一类中尺度的重力惯性波的不稳定.研究了涡旋环境大气的层结稳定度参数N2、切向风垂直切变Vz、凝结潜热、涡旋特性及科里奥利参数f0对不稳定增长率的影响.圆形涡旋中同样存在横波不稳定的Eady模态和中尺度模态,得到了中尺度模态的扰动场分布特征:流场的不规则"猫眼"结构及慢速传播的扰动均集中在低层,而快速传播的扰动均集中在高层的扰动特征.     

Linear baroclinic instability of a nonzonal flow with special regard to thermal internal forcing

The linear baroclinic instabilities of a basic geostrophic shear flow in a stratified, thermally active ocean are considered, including the β-effect. It is shown that the internal heat production, even if it introduces only minor changes into the geostrophic balance, may deeply modify the stability properties of the stationary solutions. If density, geostrophic basic flow, and heat production are all regarded as arbitrary functions of depth only, and if a linear nonzonal assumption is made about the geostrophic pressure field, it can be shown how the geostrophic equilibrium is altered and how the internal heating affects both the directions of propagation and the growth rates of quasi-geostrophic disturbances. A semicircle theorem valid for every direction of propagation is proved, by generalizing well-known results obtained for adiabatic geostrophic flows.Finally, it is found that the modified instability can be described adequately by a directional Richardson number related to the perturbed stationary geostrophic flow.     

Note on the Symmetric Stability of Quasi－Homogeneous and Incompressible Rotating Ocean

The general property of zonally symmetric stability of quasi-homogeneous and incompressible rotating ocean can be determined by a nondimensional parameter Rs which is similar to the Richardson number in Howard’s paper. The results indicate that the rotating effect leads to stabilize the basic flows and the horizontal shear effect leads to destabilize the basic flows. In addition, the most unstable growth rate is obtained and the semicircle and semiellipse theorem about the distributions of the unstable phase velocity are given in this paper.     

集合预报多尺度奇异向量初值扰动方法研究

目前国际上采用的奇异向量集合预报初值扰动法对于初值不确定性的描述存在一定的不足,为了更有效地反映初始误差的时空多尺度特性,基于GRAPES全球奇异向量计算技术,计算了不同空间分辨率及不同最优时间间隔的多个尺度的奇异向量,并采用基于高斯分布的线性组合法来构造多尺度奇异向量的扰动初值,以代表在相空间中增长最快的多尺度初值误差模态。通过2019年1月19日的初值扰动集合预报试验,对比分析了单一尺度奇异向量初值扰动法与多尺度初值扰动法的扰动特征及集合预报效果。结果表明,多尺度奇异向量初值扰动法为区域集合预报提供的初始扰动场是合理的,扰动的大小随时间增长,且在空间分布上较好地反映了当前大气的斜压不稳定特征。此外,多尺度奇异向量扰动可以描述一定的大尺度以及中小尺度运动误差特征,较单一尺度奇异向量扰动能反映出更多初始场的不确定性信息。检验分析表明,GRAPES多尺度奇异向量集合预报在集合一致性、连续等级概率评分、离群值等方面有一定的优势,相比于单一尺度奇异向量法有较好的预报技巧。因此,基于GRAPES的多尺度奇异向量初值扰动法对于集合预报的预报效果有一定的提高,能为构建一套完善的GRAPES区域奇异向量集合预报系统提供一定的科学依据和应用基础。      

Charney's Model—the Renowned Prototype of Baroclinic Instability—Is Barotropically Unstable As Well

The Charney model is reexamined using a new mathematical tool, the multiscale window transform(MWT), and the MWT-based localized multiscale energetics analysis developed by Liang and Robinson to deal with realistic geophysical fluid flow processes. Traditionally, though this model has been taken as a prototype of baroclinic instability, it actually undergoes a mixed one. While baroclinic instability explains the bottom-trapped feature of the perturbation, the second extreme center in the perturbation field can only be explained by a new barotropic instability when the Charney–Green number γ 1, which takes place throughout the fluid column, and is maximized at a height where its baroclinic counterpart stops functioning.The giving way of the baroclinic instability to a barotropic one at this height corresponds well to the rectification of the tilting found on the maps of perturbation velocity and pressure. Also established in this study is the relative importance of barotropic instability to baroclinic instability in terms of γ. When γ 1, barotropic instability is negligible and hence the system can be viewed as purely baroclinic; when γ 1, however, barotropic and baroclinic instabilities are of the same order;in fact, barotropic instability can be even stronger. The implication of these results has been discussed in linking them to real atmospheric processes.