边界层动力学中的Ekman动量近似

自由大气中,大气运动的基本状态是地转风,近年来发展的地转动量近似,是为了进一步研究非均匀地转流的动力学问题,然而,在边界层大气中,运动的基本状态是经典的Ekman流,所以对边界层运动来说,地转动量近似是不合适的,需作一推广。本文提出了一种所谓Ekman动量近似,它相似于自由大气中的地转动量近似,并讨论了Ekman动量近似的物理基础,对边界层的风场结构及边界屋顶部的垂直速度也作了详细分析。     

均匀基流中非线性行波解的稳定性及其存在条件

本文利用地转动量近似＾「１」并结合行波解的方法,研究了均匀基本气流中的层结大气非线性波动,首先由绝热无磨擦的闭合方程组导得关于垂直Ｐ速度的单一变量的非线性方程,然后讨论了非线性方程解的稳定性,并求得近似的非线性方程的椭圆余弦波和孤立波解及其存在条件。     

副热带天气尺度系统短期演变的泛准地转机理

在 Rossbs数λ《1的情况下,如果在大范围降水区域中潜热增温率大于温度平流,或者因热力对流引起的动量铅直传递大于动量平流,都能使运动偏离准地转状态。散度场和垂直速度场都比准地转情况下强。但除少数极端情况外,涡度场仍是准地转的。基于这一点,关于西风带天气系统准地转演变的一些基本原理也适用于一般副热带场合。本文论证了上述观点,提出泛准地转演变的概念。并给出一种能够清晰、简洁地表述泛准地转演变中各种扰源制约场变化的一般规律近似解析解。特别讨论了水汽潜热和涡度的对流铅直传递在其中的地位。     

准地转动量近似下风速切变线上的波动

利用准地转动量近似下的斜压两层大气的非线性方程组及非线性边界条件，研究了切变线上波动的稳定性，导出了切变线上孤立波解。较好地解释了切变线上易产生低涡等天气系统现象。     

地转动量近似下边界层中风场的调整

本文利用地转动量近似,并假设气压场为定常的圆形涡旋和初始风场不满足四力平衡(气压梯度力、科里奥利力、湍流粘性力和半地转惯性力)的条件下,求解了正压边界层中风场向气压场调整的初边值问题,得到了一些初步结论。本工作为利用四力平衡下的风速分布来诊断预报边界层风场提供了理论依据。     

非线性斜压Ekman层的动力特征

本文研究了斜压性对非线性Ekman层内的风场及顶部垂直速度的影响。结果表明,斜压性将改变其非线性Ekman层内的风场及顶部垂直速度,其影响随着系统特征与热成风特征的改变而改变。在本工作中,还用地转动量近似的方法作了相应的研究,并将其结果作了相应比较。     

β-GMA与边界层动力学特征

本文研究了β平面中的地转动量近似(β-GMA)及其成立条件.利用β-GMA得到了一个描述Ekman动力学特征的动力学方程组.研究了β项和地转动量(GM)对Ekman层动力学的共同作用.结果表明,β-GMA下的解由两部分组成,一部分即为f-GMA下的解,另一部分为β项与GM的相互作用解.这样,一方面,β-GMA解由于β项存在,对一个定常纬向对称的高度场具有纬向非对称结构,而f-GMA解是纬向对称的.利用一个定常、轴对称的圆形涡旋例子计算了Ekman层的水平风速和边界层顶部的垂直速度,并与经典解、f-GMA解     

简单海气耦合的线性和非线性Rossby波

采用忽略Ｒｅｙｌｅｉｇｈ摩擦和Ｎｏｗｔｏｎ冷却的定常，线性大气模式和地转动量近似下的非线性海洋模式。这里包含了大气通过线性风应力影响海洋，海洋通过加热过程影响大气的物理机制。用相平面理论讨论了海气耦合作用对简单耦合线Ｒｏｓｓｂｙ波和非线性Ｒｏｓｓｂｙ波的影响。     

纯斜压基流上斜压波的发展和锋生过程

利用地转动量近似和水平坐标变换建立的三维半地转方程,讨论了具有均匀位涡的基态流上非线性斜压扰动的发展和锋面的形成过程。计算结果表明,对于纯斜压流,斜压波的发展既取决于初始扰动,也与基流的垂直切变有关,垂直切变越大,斜压波增长越快。不同的基流.扰动有不同的增长率。对于某个确定的基流,斜压波在各个时刻的特性仅取决于初始扰动。斜压扰动发展到一定程度,形成大的风速和等温线密集区,即产生锋。     

Ekman动量近似下中间边界层模式中的风场结构

发展了一个准三维的、中等复杂的边界层动力学模式，该模式包含了EKman动量近似下的惯性加速度和Blackadar的非线性湍流粘性系数，它进一步改进了Tan和Wu(1993）提出的边界层理论模型。该模型在数值计算复杂性上与经典Ekman模式相类似，但由于包含了Ekman动量近似下的惯性项，使得该模式比传统Ekman模式更近于实际过程。中详细地比较了该模式与其他简化边界层模式在动力学上的差异，结果表明：在经典的Ekman模式中，由于忽略了流动的惯性项作用，导致在气旋性切变气流（反气旋性切变气流）中风速和边界层顶部的垂直速度的高估（低估），而在半地转边界层模式中，由于高估了流动惯性项的作用，结果与经典Ekman模式相反。同样，该模式可以应用于斜压边界层，对于Ekman动量下的斜压边界层风场同时具有经典斜压边界层和Ekman动量近似边界层的特征。     

地转动量假定下风场近似与扰动的稳定性

在大尺度系统中,由于Rossby数很小,大气呈准地转运动。但在低纬度地区或中小尺度系统中,Rossby数不是小参数,运动的非地转特征就很明显了。为了避免非线性问题中数学处理的复杂性,可以使用半地转近似,这不但可以使问题得到线性化,而且其结果又有非线性的主要特征。本文在半地转假定下,当风压场处于平衡状态时,我们得到了一种简单的表示式,并将它与Rossby近似和Phillips近似进行了比较。文中还对扰动的稳定性进行了研究,在某些条件下,例如风场发生扰动而气压场未受扰     

热带大气和海洋的半地转适应和发展运动

半地转适应和半地转发展是热带大气和海洋运动的两种基本形态,它们在时间上是可分的,反映了不同的物理过程。当初始扰动作用于大气或海洋时,首先将激发出重力惯性波,当重力惯性波频散后,建立起半地转的平衡状态,此后运动进入到以Rossby波（长波或短波）、Kelvin波和混合波中的Rossby短波为主导的发展状态。文中研究的纬圈半地转适应和发展运动,是Gill长波近似模式的理论基础。同时研究了经圈半地转适应和发展运动,实际上这相当于短波近似模式,它可以应用到研究海洋经圈边界附近的一类问题。     

斜压性与非线性Ekman抽吸的动力特征

本文利用Ekman动量近似研究了斜压性对Ekman层动力学的影响,得到了一些新的结果。大气斜压性对Ekman层的水平风速分布及近地面的风速矢的水平分量夹角有重要的改变作用。斜压边界层顶部的非线性Ekman抽吸(垂直运动)由三个不同的物理因子决定,第一、正压性的地面地转涡度,第二、斜压性作用产生的热成风涡度,第三、正压性的地面地转涡度与斜压性的热成风涡度的非线性相互作用。这些理论结果为边界层的参数化及数值模拟结果的解释提供物理基础。     

气象出版社英文版气象专著五种

气象出版社英文版气象专著五种《地转波环流》ＹｏｎｇＭｃｈａｌｌ著，１６开本，５６万字，定价３０元。主要内容有：罗斯贝波、地转波、地转波动力学、动量和热量平衡、地形静止波、热力静止波、对流层中的变化、平均环流结构、非线性不稳定性和阻塞、平流层暖区、平流...     

准地转理论基本问题回顾与讨论

准地转理论是大气动力学的中心问题之一,它提供了从大气动力学基本原理入手分析大尺度天气系统演变的方法。准地转理论有助于预报员理解中高纬度大尺度天气系统的三维结构,分析、预报天气系统的发展和移动,因此被称为短期天气预报的理论基础。准地转理论具有完整的理论体系,它包含了较多的基本假定,故容易导致对其中的一些基本问题的理解有混淆。本文从基础的动力学知识出发,对准地转理论的基本概念、基本近似、核心理论及其在实际天气预报过程中的应用作了回顾和讨论。内容包括:准地转运动与准地转近似定义、准地转运动理论的范畴、天气图上的大尺度运动、准地转运动理论与短期天气预报的关系、由斜压二层模式下的准地转理论对高空槽脊和地面气旋发展与移动的判断等。     

边界层内冷锋流场的动力学特征

文中求解了锋面存在时地转动量近似下的大气边界层运动方程 ,得到了边界层内冷锋流场的一些特征 ,如冷锋坡度随地转涡度增加而增加 ,随地转风速时间倾向的增加而增加 ,随沿锋面传播方向的热成风分量的减少而增加。而边界层内冷锋面上下的流场与锋面坡度、地转风及其时空变化特征有关 ,共同特点是在冷锋面高度以下有下滑运动 ,而其上有一层上滑运动区。     

湍流边界层中平流与大气运动的动能耗散

本文从边界层运动方程出发,利用地转动量近似解析地给出了根据宏观外参数来求正压边界层中动能耗散的公式,得到了地转风及其平流与局地时变项及纬度的影响。指出了变性能量依赖于气压系统,改进了对变性能量的认识。本结果可直接应用于大尺度模式中以估计边界层的动能耗散,因而对大气动能平衡的研究,对从能量观点研究天气系统的生衰,发展有一定意义。     

高强度降水过程形成和发展的一种机制分析

应用Sawyer-Eliassen次级方程诊断分析了一次高强度降水过程中的湿球位涡场，结合诊断结果探讨了高强度暴雨形成和发展的原因。分析表明：条件性对称不稳定是这次强降水发生的不稳定机制之一由强盛的西南低空急流输送的水汽在雨区低层辐合，地转动量近似下的锋生强迫形成的锋面次级环流促使暖湿空气向上输送，使聚集在其内的不稳定能量得以释放，导致强降水发生。     

急流加速产生的高空锋生和低空锋生

本文用数值模拟方法证实了曾庆存提出的一种锋生机制,即高空急流加速或高空动量输入通过地转适应过程造成高空锋生.我们采用二维非弹性数值模式模拟了五种急流加速分布产生的锋生过程:三个低空锋生,分别由中尺度地面、中尺度低空和次天气尺度低空急流加速产生;二个高空锋生,分别由高空次天气尺度和天气尺度急流加速产生.模拟的结果表明:(1)通过地转适应产生的位温梯度的大小依赖于急流的空间结构以及Rossby变形半径和急流扰动尺度的比值,比值越大,适应锋生越强.(2)在相同的尺度条件下急流加速产生的高空锋生比低空锋生更强.(3)地转适应过程将加速的高空急流动量向下层传输,使锋区变陡并向对流层中、下层延伸,这种对流层高低层的非地转耦合可能是低空急流形成的另一种机制.(4)在模拟的五个过程中急流振荡的主频率约是惯性频率的1.7倍.     

非线性Ekman层的动力特征

本文研究了由于非线性平流作用所引起的对于Ekman层内风场及顶部垂直速度的影响。结果表明,非线性作用将减弱Charney与Eliassen所得出的垂直速度的强度,非线性的影响也是随着系统特征的改变而改变的。在本工作中,还将非线性解与地转动量假定下的解加以比较与分析。