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。     

有关“浮力”一词的定名

取鲍雪尼斯克(Boussinesq)近似后,自由大气运动的垂直分量方程为静力平衡的,通常取为:     

适用于非静力大气模式的完全平衡多矩约束有限体积方法

大气数值模式离散垂直动量方程时,一般而言气压梯度力和重力不易维持严格的静力平衡关系。为精确平衡数值离散的垂直气压梯度力和重力,基于高精度多矩约束有限体积方法引入完全平衡数值公式,即以满足静力平衡关系的热力学参考态对重力源项进行数值离散构造,发展了适用于非静力大气的完全平衡多矩约束有限体积方法。一维标准数值试验表明,完全平衡多矩约束有限体积方法能在较粗糙的计算网格点上保持静力平衡参考态的数值计算误差在计算机的单精度（10-6）和双精度（10-14）水平,在具有小量级扰动的初始条件下,完全平衡多矩约束有限体积方法能较好地模拟扰动的传播,二维非静力热泡试验进一步验证了完全平衡多矩约束有限体积方法对非静力大气运动的模拟能力。数值试验结果验证了所发展方法的完全平衡属性和适用性,这为非静力大气模式发展提供了良好参考价值。     

大气垂直运动方程若干问题讨论

本文对大气垂直运动方程的尺度分析和小量可否忽略重新进行了讨论，认为如同存在水平地转平衡一样，在大气垂直方向应当存在垂直地转平衡。并提出在大气垂直方向可能存在更高阶平衡：一级平衡为静力平衡，二级平衡为静力偏差和垂直柯氏力的垂直地转平衡，可能还存在第三级平衡，即垂直地转偏差和重力异常的平衡，最后，重力异常偏差的最级有可能与大气行星波垂直加速度和引潮力垂直分量已处于同一量级。     

三维弹性套网格中尺度(β-γ)大气模式

本文建立了一个双向相互作用套网格非静力平衡中尺度(β-γ)大气模式。模式采用Gal-Chen地形坐标系中的全方程作为基本动力框架,采用Klemp分裂时步法计算声波,并考虑了准弹近似。模式引入和改进了Deardorff整体边界层参数化和三种显式湿过程处理方案:暖云、雹云和雪云双参数微物理参数化。地面温度由地面薄层土壤的能量收支方程预报,并考虑了云和山坡走向对短波辐射的影响。该模式不仅为将来发展成能充分应用常规和高时空分辨率的非常规观测资料的中小尺度灾害性天气数值预报系统提供了基本模式框架,也可作为数百公里范围内大气现象和污染输送的模拟研究工具。     

非静力AREM模式设计及其数值模拟I:非静力框架设计

AREM（Advanced Regional Eta-coordinate Model）对中国暴雨、台风等中尺度天气系统的模拟、预报能力突出。但是伴随模式分辨率的提高,制约该模式发展的一个问题日渐突出,即"静力平衡近似"的约束。本文通过对原静力平衡系统进行修正,引入高阶订正参数定义第三运动方程来构建该模式的非静力动力框架。我们基于Euler原始方程组,有效结合原静力平衡模式的标准层结扣除及IAP（Institute of Atmospheric Physics）变换方法,推导出了球面余纬坐标下的非静力框架,并在E网格和η坐标下进行了时空离散。采用时间两部分离技术进行积分运算以提高计算效率,并通过"追赶法"结合迭代法计算声波。此框架可方便地继承静力平衡框架的特点,最大限度地保留静力平衡框架的优势。理论推导和数值试验表明,当非静力框架退化为静力平衡框架后,方程形式及其模拟结果一致。在文章第二部分将通过理想和实例试验检验非静力模式性能。     

与天气系统发生和发展有关的非均匀饱和湿位涡理论分析

在动力气象理论方面,无论大尺度、中尺度还是小尺度大气运动,对于同一尺度之内大气运动演变机制,有着相当完美的讨论。然而,对于不同尺度天气系统之间转换演变机制讨论,即使因为它与天气系统的出现和发展密切相关而显得非常重要,却很少涉及。为了讨论这个重要的转换演变机制,在导出无粘滞非均匀饱和湿位涡（NUSMPV）方程的基础上,首先,通过对这方程进行数理分析证明：在非均匀饱和湿绝热大气运动中,干区和饱和区之间的不饱和区的NUSMPV是不守恒的,并进一步证明：只在次饱和区（0．78〈q/q1〈1）,NUSMPV不守恒才是明显的,而在其它不饱和区,NUSMPV是接近守恒的。接着,根据守恒的相对性原理,通过NUSMPV无因次形式的讨论,把大气运动分成三类,即NUSMPV守恒,准守恒和不守恒运动。然后用数理分析方法讨论了各类运动的出现条件,时空之间关系,物理机制和一些特征。最后分析了不同尺度之间天气系统的转换机制,指出：当与狭义NUSMPV（P0）有关的涡管项（A）和非绝热加热项（B）之间的动力不平衡（A＋B）／P0减少,以至NUSMPV守恒条件满足时,大气运动将主要通过非常快的频散适应过程继续失去不平衡能量,从较小尺度向较大尺度转换;而当（A＋B）／P0增加,以至NUSMPV不守恒条件满足时,大气运动将主要通过非常快的外源激发过程,而从较大尺度向较小尺度转换。无论上述两种转换过程是那一种,一旦产生都将持续进行,直至大气运动重新回到NUSMPV准守恒运动状态。     

A Multilevel Perturbation Method-Hydrostatic Deduction and Its Applicability to Designing the Nonhydrostatic Model

在尺度分析的基础上,利用大气垂直运动方程中各项量级的分布特点,提出了多级扰动法.通过它可以使该方程中量级最大的垂直气压梯度力项(VPGF)和重力项(G)的相应扰动项的量级随级次n的增加明显减小,而其他项的量级不变;而且,方程中最大的垂直截断误差的量级也随n的增加而减小,直到高级扰动项不再是扰动方程中仅有的最大项时为止.另外,因截断误差的量级和被离散项的量级成正比,在方程中VPGF的截断误差就是该方程中最大的垂直截断误差,可以表示该方程的总的垂直截断误差.故垂直气压梯度力扰动项的量级的减小还可以使该方程中最大的垂直截断误差减小,用多级扰动法可以使最大垂直截断误差控制在可容许的范围内,使垂直气压梯度力扰动项和重力扰动项计算准确,可以较好地描写对流活动.这样,最大垂直截断误差对倾向的影响就不致歪曲或掩盖垂直柯氏力项和曲率项对倾向的贡献.还可以证明:扰动平衡方程的解是静力扰动.多级扰动法实质上是多次利用扰动平衡方程的解,从低级扰动中扣除其所含和解大小相同的静力扰动部分,使高一级扰动项的量级减小,达到其与其他项量级接近,以减小方程中的最大量级差的一种方法.而且,n的变化不影响方程的性质.可以说,多级扰动法使大气基本态垂直廓线有较大的改善,使其与大气实际垂直廓线很接近,通过静力平衡,使基本模式大气不包含垂直声波.     

气象预报中的滤波技术

滤波(filtering)一词最早源于无线电技术,因为无线电波在空间传播过程中会受到干扰,使接收到的信号中夹杂有噪声。这时可用表达式 y(t)=s(t) η(t)来表示。其中y(t)为观测值,s(t)为有用信息,η(t)为噪声。这样,排除干扰、提取信息的技术称为滤波。 在本文中,我们把气象中所用的滤波技术分为动力滤波和统计滤波,两者的含意是有明显区别的。 动力滤波是在四十年代发展的。第一张数值预报图就是用天气方程经滤波后得到的正压地转模式作出的。早在1922年,英国的理查森(L.Richardson)试作数值天气预报,计算所得结果与实测值差异甚大,试验失败了。其原因是大气中包含着各种各样的波动,如声波、重力波、惯性波(快波)和长波、超长波(慢波)。作大尺度运动的预报,就需要滤除声波、重     

论热带纬圈半地转运动的建立

文中在赤道β平面上,在滤掉低频Rossby波的情况下,研究了纬圈半地转运动的建立。指出,只有当运动的纬圈尺度很大时,非地转风分量才能随着重力惯性波的频散而消失,从而建立起纬圈半地转平衡。应用位势涡度不变式,给出了纬圈半地转适应后物理场的解。同时指出,Kelvin波(对赤道对称情况)和混合波的Rossby波波段(对赤道反对称情况)将不参与适应运动,它们属于发展运动中的角色。     

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。     

闪电冲击波对云滴运动及碰併的影响

在自然闪电时,闪电通道中能量的瞬间释放造成闪电冲击波。本文计算了闪电冲击波的运动、冲击波内气象要素的分布以及闪电冲击波对云滴运动的影响,讨论了受闪电冲击波作用的云滴运动方程,对受冲击波作用的云滴运动作了个例计算。计算表明,闪电冲击波猛烈地“冲击”云滴,使它加速并在短暂的瞬间移动很长距离。体积不同的云滴获得不同的速度。讨论了闪电冲击波对云滴碰并增长的影响。     

与海南岛秋季暴雨有关的一类热带中尺度涡旋的动力学分析

对惯性重力内波方程组分别通过线性和非线性求解探讨造成2010年10月海南岛一次特大暴雨中一类热带中尺度涡旋生成发展的动力、热力机制,研究发现：（1）在副热带高压和大陆冷高压南侧反气旋性纬向水平风切变大值区、静力不稳定大气层结、积云对流潜热释放、低空急流、适当强度的冷空气有利于热带中尺度涡旋的形成和发展;（2）非线性惯性重力内波的孤立波解与这类热带中尺度涡旋有很好的联系,在静力不稳定的大气层结下,热带中尺度涡旋的形态主要由对流凝结潜热加热所决定,即潜热加热下的孤立波解要求热带中尺度涡旋在垂直方向是一个浅薄的涡旋系统;另外强盛的对流凝结潜热对热带中尺度涡旋垂直运动振幅的增强起主要作用,更有利于涡旋的发展和维持。基于天气事实分析的理论研究为深化影响海南的热带中尺度涡旋乃至南海中尺度对流系统的机理认识进行了探索。     

数字滤波初始化(DFI)在高水平分辨率模式中的应用

数字滤波初始化应用的前提假设之一是不平衡重力惯性波在频率谱上与有天气意义的波动不重叠。随着水平分辨率的不断提高,数值模式能够解析的重力波具有波长更短、频率更高的性质,模式中有天气意义的波动与高频噪声的界线更加模糊,因此,数字滤波初始化在高分辨率模式中的应用性能尚未明确。以一次深对流过程为例,在3 km水平分辨率条件下采用不同滤波参数配置进行数字滤波初始化试验,试图对高水平分辨率预报初始场中高频噪声特征、如何区分具有天气意义的高频信号和虚假噪声、数字滤波初始化在数值预报模式(WRF)高水平分辨率条件下的应用性能等一系列相关问题给出初步的认识。试验结果表明,在针对高分辨率模式进行数字滤波初始化时,原有应用于低分辨率模式的初始化配置参数已不适用,必须根据高分辨率噪声的特点重新设计相应的滤波方案。即使在"无噪声"状态下,有天气意义的信息在模式中也具有与虚假高频噪声一致的表现形式,即大的地面气压变化倾向。数字滤波初始化的确能对特定切断频率的高频振荡进行滤波,但无法区分其性质究竟是具有天气意义的高频信号,还仅仅只是虚假的高频噪声。如果要达到滤除初始场中高频噪声的理想效果、并且消除积分过程中的高频振荡,必须延长滤波时间窗,但这是以增加额外的积分时间、以及有可能损害气象上有意义的波动为代价的。滤波效果越显著,滤波结果对初始场的改变越大,这两个方面实质上是有冲突的,因此,在应用数字滤波初始化时必须在滤波效果可接受和保证预报性能两方面之间进行妥协。最后就数字滤波初始化在高分辨率有限区域数值模式中的可能应用提出了具体的建议。     

大气波动的波谱和谱函数──垂直切变基流中的波谱分析

作者研究了具有垂直切变基流时大气波动连续谱的重叠问题和临界层出现的情况。发现随着基流切变的增大和扰动波长的减小, 一支涡旋波和两支重力惯性内波的连续谱区会互相靠拢, 最后发生重叠, 这时已不能区分为快波、慢波, 而能否重叠的关键在于临界波长与扰动波长的相对大小, 基流切变越大, 扰动波长越短, 重叠现象就越严重。这可用作划分运动尺度的客观标准。当运动尺度大于临界波长时, 是大尺度的, 这时三支波动连续谱区互相不重叠, 涡旋波是准地转的; 当运动尺度小于临界波长时, 可认为是中尺度的, 此时出现连续谱重叠现象。采用该方法划分的尺度标准与通常的标准在量级上则相一致。     

EFFECTS OF OROGRAPHY AND HORIZONTAL DIFFUSION ON THE GENERATION OF THE ASYMMETRIC MOTION IN THE BAROTROPIC FILTERED MODEL ATMOSPHERE

By utilizing the barotropic vorticity equation including effects of orography and horizontal diffusion,the linearized equations describing symmetric and antisymmetric motions and their analytic solutions are pre-sented.It can be found from the solutions that no matter what kind of motion may be,each solution consistsof three waves,namely,Rossby wave related to initial values,marching wave propagating at Rossby wavevelocity and stationary wave.The latter two are closely related to orography and horizontal diffusion.However,if the motion is symmetric at the initial instant,then the antisymmetric components of orographyand of horizontal diffusion are likely to lead to the generation of antisymmetric motion.In the steady state,the symmetric flow is connected with symmetric orography and horizontal diffusion and the antisymmetricflow with antisymmetric orography and horizontal diffusion.Further,in order to verify the above analysis,three numerical experiments have been made.The results show that antisymmetric orography can produceantisymmetric motion.Finally,the atmospheric interactions between Northern and Southern Hemispheresare discussed.     

对流发展局部气象条件的初步理论分析

分析了线性化后的小尺度动力学方程组出现不稳定解的条件,从而讨论了对流发展的局部天气条件,指出盛行风的垂直二次切变是一个稳定因子。同时指出,大范围对流云成排出现与风速垂直二次切变的存在有关。     

局地积云降水过程对云结构的影响

本文考虑了降水过程中水滴对空气的拖带作用和降温作用,并考虑到含水量变化时,由于水滴对空气拖带力的变化,而对垂直运动产生的反馈影响,导出了局地积云的运动方程、热力方程和含水量方程,并由此研究在降水过程中云中空气垂直运动、云内外温差和含水量结构的变化。计算结果指出,局地积云在降水过程的影响下,云中空气的垂直运动、云内外温差和含水量都要明显变小,并且很快地由下向上逐渐出现下沉运动,云也由下向上逐渐消散。计算结果与实际观测现象是基本相似的。本文共做了五个不同条件的个例数值计算,并由此分析比较了不同降水强度、不同稳定度、不同云中初始条件和不同云外环境所起的不同作用。