非线性动力学和湍流

湍流的发生和发展湍流的描述是一个基本问题。浑沌运动的最近研究表明,确定性的系统可以有不规则的浑沌结果,因此浑沌的研究对解释湍流现象是非常重要的。 浑沌和湍流的特点是敏感初条件,并且长时间以后是不可预测的。 非线性耗散系统中运动的形态是非常复杂的。可以有定常吸引子,周期吸引子,拟周期吸引子和奇怪吸引子。 当控制参数变化穿过分岔点,吸引子的拓扑性质就要发生变化。 一般,湍流经过极少数几次分岔即可出现。     

湿大气方程组解的渐近性质

研究无穷维Ｈｉｌｂｅｒｔ空间中,湿大气运动系统解的长期行为,在导得了湿大气运动方程是Ｈｉｌｂｅｒｔ空间中一个非常特殊的算子方程之后,利用算子的性质讨论了全局吸收集和全局吸引子的存在性,揭示出系统解的渐近行为表现在吸引子的结构上及系统向非绝热加热的非线性适应过程。最后指出了几个简化方程组与原方程组在解的长期行为上的根本不同,从而给出长期天气或气候研究中简化方程组必须遵循的原则。     

次天气尺度与天气尺度系统间动能交换的诊断分析

本文应用低通滤波器分离天气尺度和次天气尺度运动,计算了暴雨系统中这两类运动之间的动能交换。次天气尺度运动在高空将动能转换给天气尺度,最大的动能转换发生在对流层上层300—100毫巴,500毫巴以下则相反。次天气尺度系统在动能平衡中起重要作用。这种分析方法还可用于研究大尺度运动之间的相互作用。     

集合平均所构成的动力系统及其特性研究

以Lorenz系统为例,推导出集合平均所定义的完整动力方程(均值方程),将初值的集合平均问题作为一个广义的动力系统问题来进行研究;对于双初值和多初值的均值方程,利用定性理论分析了其吸引中心的位置和个数,并使用数值试验进行了验证,结果表明平均值的吸引子的结构与原解的吸引子位置、数量和结构均有不同。对均值方程的特征矩阵分析表明,定点附近的稳定性与原方程相同,而且特征方程所对应的特征值也与原方程相同。均值方程对应的相流散度为负值且数值上与原系统相同,因此其在相空间中的体积收缩速度和原系统相同,最终趋向一个低纬曲面,均值方程的这个性质使得Lorenz系统的集合平均解趋于一个吸引子。均值方程可以保持原方程的耗散特性、吸引子特性,但稳定点位置和个数发生了变化,非定点处的Jacobian矩阵特征值与原系统也有不同。简而言之,一旦使用了集合平均方法,那么集合数值解并不是原系统的解,仅保持了原系统的部分特征,因而集合平均是否有效需要根据具体问题和其他外部限定条件才能确定。     

山脉地形对热带风暴Fitow结构和运动影响的数值试验

热带风暴自东向西穿越琼州海峡时常常与海南西部的强天气相对应,尤其当风暴中心在海峡中部或海峡西端出口处有向西南方向的偏折时。Fitow(0114)是这类热带风暴的一个典型。通过对Fitow热带风暴的研究和分析,揭示了一个事实:Fitow在沿海峡西行过程中,其外围中尺度结构发生明显变化———风暴中心西南象限有一个中尺度对流(MCS)小涡生成和发展。受到这个诱生MCS小涡的“吸引”,Fitow在穿行海南岛北部和琼州海峡时,路径向西南方向偏折。数值模拟结果表明,海南岛中部的五指山地形对Fitow自东向西穿行海峡时的这种结构变化有显著影响:(1)当热带风暴Fitow(0114)自东向西穿过岛屿北部和琼州海峡时,其外围西北气流与山脉的辐合地带往往会诱生出中尺度强对流涡旋系统(MCS)。这种系统经过尺度分离和滤波处理后便会在山脉西北麓显现出来。(2)MCS小涡只生成在地形高度之下的大气层;地形高度之上并不显现这一小涡。用0高度作敏感试验的结果,在相同位置并不生成这种MCS小涡。(3)诱生小涡(MCS)的存在,对Fitow会产生“吸引”作用,使其向西南方向MCS所在处偏折。且MCS越深厚,维持时间越长,对Fitow中心的“吸引”程度越大,其中心向西南方向的偏折和移动越明显。0.0 km高度无MCS小涡时,Fitow中心并无这种偏折,而是向西北方向移动,在雷州半岛登陆。     

各种时间尺度的预报技术综述

大气的运动状态可以划分成各种不同的时间尺度(或空间范围的系统尺度)运动系统。尽管这种划分的界限不是绝对的或唯一的,但是不同时段预报所使用的预报技术是明显不同的。因此世界气象组织的基本系统委员会大体统一了一个关于时间尺度和预报时段的规定,这就可以在一个统一的概念上     

混沌、奇异吸引子和天气(二)

四、在天气和气候中吸引子的研究确定吸引子的Hausdorff-Besicovit-ch维数具有极其重要的意义。因为一个吸引子无论是否为分形,其维数表示在相应的动力学系统演变过程中出现的最少变量个数(亦即吸引子必须嵌入一个至少等于其自身维数的状态空间)。所以,吸引子的Haus-dotff-Besicovitch维数(亦或任何其它广义维数的问题)的测定,也就给出了预测系统演变的模式所必须满足的一些约束条件。如果给出动力学系统的数学表达式,那     

各种时间尺度的预报技术综述

大气的运动状态可以划分成各种不同的时间尺度(或空间范围的系统尺度)运动系统。尽管这种划分的界限不是绝对的或唯一的,但是不同时段预报所使用的预报技术是明显不同的。因此世界气象组织的基本系统委员会大体统一了一个关于时间尺度和预报时段的规定,这就可以在一个统一的概念上讨论预报技术的发展。当然,讨论某种时间     

天气预报的局限性

一、引言本文根据大气的可预报性对天气预报及其局限性作了探讨.为了说明造成这种局限性的原因,将大气预报与潮汐预报作了比较,并用一个数值试验的例子说明在简单的非线性系统中误差的增长情况.从而研究不同的时间尺度中误差的增长和大气的可预报性.二、非线性系统的可预报性从一个初始状态出发,根据支配流体运动的物理定律,就可以预报流体随时间的演变.但是由于流体的性质不同,流体中发生的现象不同,在可预报性上就会产生很大的差别.这里以海洋潮汐为例.海洋潮汐的可预报性很好.事实上,甚至无需知道当时的状态能作出很准确的潮汐预报.然而,大气在可预报性上却有明显的局限性.大气系统与潮汐现象的这种差     

当代气候变化的原因及其影响

一、引言 在地球形成与演化的漫长历史中,地球大气环境和气候经历了激剧的变化。这种变化是一个非常复杂的自然过程。天体运行、地球运动、地壳和地表变动、海陆分布以及大气运动都是引起气候变化的重要自然因子。人类本身在很长时间内则是被动地适应这种变化而生存、发展的。从世界工业革命的近二百多年来,尤其是本世纪以来,情况发生了根本变化。由于世界人口的剧增,先进科学技术的迅速发展,经济建设和生产规模     

热带气旋移动理论

本文是关于热带气旋移动理论的一个简要评论。理论研究表明,精确到一阶近似,热带气旋的移动是由平均环境气流的引导作用和以Rossby波方式西传作用的线性组合造成的,这种移动是由离气旋中心大约100—300公里范围内的相互作用决定的。因此这种运动对气旋大小和外围风速强度的变化是很敏感的,而中心强度大小变化的影响是微不足道的。观测到的向极Rossby偏移可解释为一种指向极地的次级引导气流发展的结果,这种气流是由气旋环流与地球涡度场的相互作用而造成的。地面摩擦作用也使气旋运动发生微弱变化,这种影响可能是通过改变基本气流而起作用的。在气旋的整体运动上可能迭加有一种附加的气旋眼的振动型扰动。虽然提出过一些理论,但引起这种振动的机制仍很不清楚,还需要进一步研究,以弄清基本气流非对称性的影响,如垂直的和水平的风切变,以及在环境场变化过程中发生的非线性相互作用的影响(如转向运动)等问题。     

一次华北暴雨过程中“质量强迫”的数值模拟

在暴雨系统中,大量降水会造成湿空气质量的亏损,这种湿空气质量亏损对暴雨系统的发生、发展有一定的强迫作用,称之为"质量强迫".本文首先从理论上通过对连续方程进行修改,重新推导了ARPS模式中考虑质量强迫作用的扰动气压倾向方程,并利用该模式对一次华北冷锋暴雨过程进行质量强迫作用的数值模拟试验,详细分析了质量强迫引起的云微物理过程的变化.对比分析表明:(1)质量强迫项影响系统的降水量.在本文个例中,质量强迫项起主要作用的高度在5.75 km左右,使得大气产生了由该层向上、向下的运动调整,其中向下的运动调整不利于低层对流的上升运动,减弱了系统的对流强度,导致中心降水量有所减少.(2)云水场的分布与质量强迫项的分布吻合较好;降水率的变化和质量强迫项的变化趋势相似,且在5.75 km高度上表现明显;降水粒子下落末速度项是引起质量强迫项变化的主要原因.(3)湿空气质量场发生改变将使局地气压发生变化,这种变化又使动力场发生相应的调整,产生辐合、辐散及垂直运动.反之,运动场的调整也影响到气压场的调整,它们之间将是一个相互影响的过程,近而对天气系统发展强度产生较明显的作用.(4)对对比试验中模式控制方程各项的差别分析发现:造成扰动气压局地变化项差的主要原因是由散度项差与垂直速度项差共同作用造成的,其中,质量强迫项差起了间接的作用;造成水汽及云水物质局地变化项差的主要原因是微物理源汇项差,其次是降水粒子下落末速度项差.     

正压无辐散模式中双涡的相互作用

本文在无环境流场的情况下,利用正压无辐散模式对双涡的相互作用以及β效应的影响进行了数值模拟研究。一系列的试验结果表明:双涡的相对运动对双涡间的初始距离及双涡的相对强度是十分敏感的,双涡间的非线性涡度平流可导致两个系统的气旋隆互旋;同时可造成两个系统的相互吸引和合并或相互排斥,吸引或排斥的临界距离取决于双涡的结构及相对强度:"合并"的快慢取决于双涡的联合强度,联合强度越强越难于"合并"β效应对双涡的相互作用具有显著的影响。它可以改变双涡相互吸引或排斥的性质,还可以使两个相互吸引的同等强度的涡旋"合并"后较平直地向西北方向漂移,而使两个不同强度的涡旋"合并"后的运动表现为β漂移和陀螺运动的叠加。      

大气运动非平衡强迫与“98·7”突发性特大暴雨诊断分析

应用常规气象和卫星资料,对1998年7月21日发生在武汉附近地区的突发性特大暴雨过程进行了分析,结果显示(1)引发本次突发性特大暴雨的系统是一个中-β尺度对流云团.(2)该中-β尺度暴雨系统在对流层高低层没有独立的负、正涡度大值中心区与之对应,辐合层并不十分深厚(低于500hPa),且气流散合强度(10-4s-1)较旋转强度(10-5s-1)大一个量级(D＞＞ζ).(3)在暴雨发生前10余小时,大气运动已处于较强的非平衡状态,且越临近暴雨发生,U＜0的非平衡性越强;而在暴雨达到强盛期后,大气运动即由U＜0的非平衡态转为U＞0的非平衡态.(4)对流层低层大气运动非平衡动力强迫与200hPa等压面上的中-β尺度强辐散是本例暴雨和中-β尺度暴雨系统发生发展的重要动力启动机制.     

一种短期降水预测技术的应用

1前言大气运动是非常复杂的，其复杂性在数学上表现为非线性。欧阳首承[1]从实际出发，经过多年对流体演化特征和一系列非线性模型的研究和分析，指出在流体运动过程中非线性外迫力可导致原函数的连续性崩溃及逆转；而方程自身的非线性则可导致流体辐合，通过不连续逆转演变为辐散，并称这种过程为溃变，即旧结构的破坏，并通过不连续产生新结构。这种过程正好与天气演变中的转折性变化相对应。Zt意使型图1为概念化的系统演变的模型。fo表示初始时刻，t。表示终极时刻或预报时效，黑点表示一个孤立系统，矢量V可抽象地表示为系统演变方向，…     

平流层垂直运动的计算方法与1958年1月平流层热源热汇的分布

本文利用平流层平均温压场的资料,用定常情况下的热力方程计算了1958年1月份北半球平流层各层(10—200毫巴)的冷热源分布。发现平流层中层的冷热源分布和流场一样,是以波数为1,2的超长波系统占优势的。文中还讨论了这些大尺度冷热源的地理分布以及它们和气压系统相互配置的关系。 为了计算平流层中与垂直运动相平衡的加热分量,本文提出了一个把涡度方程自大气顶向下逐层积分的计算垂直运动的新方法。结果证明,这种计算方法对于计算平流层的垂直运动是比较适宜的。     

准线形对流系统中强度—速度负相关性的特征研究

准线形对流系统(如飑线、弓形回波)是常见的强对流性系统,伴随它出现的一般是大风、旋风甚至冰雹等严重的灾害性天气现象.弓形回波有的是由一个单体产生的,也有嵌套在飑线或其他线形系统中,作为整个线形回波的一个部分.弓形回波能在很长的带上产生灾害性的直线风.在我们的研究中发现,准线形对流系统中,反射率因子(R)和径向速度(V)之间存在一定的负相关性,对发生在中国东部地区(24.5°-34.29°N,116.01°-119.52°E)的16个个例进行统计分析,发现在这些系统中都存在这种R-V负相关的特征,负相关的程度随高度有规律性的变化.通过对2006年6月29日个例的风场分析证实这种特征确实存在.对流系统与雷达射线方向接近垂直时,R-V负相关特征明显,这是因为该方向上,观测到的径向速度近乎等于实际风速,数值最大;而因垂直运动造成的水平风速减小并不因探测位置的不同而有很大变化.文中通过分析,推断R-V的这种负相关性与准线形系统中对流的强弱、中层径向辐合的强弱以及后向入流都有很大的关系.     

Lorenz混沌的控制

在混炖的Ｌｏｒｅｎｚ系统中,相点坐标ｘ与ｙ之间的符号关系决定相点能否通过ｙ－ｚ面,从而决定了相点在吸引子的哪一“翼”中运动。通过在一定位置对ｙ施加微小的影响,使系统未来发展方向只剩下一种可能性,系统便成为周期性的,并且通过选择对ｙ实施影响的位置,可以选择系统的周期性运动的方式,从而达到对Ｌｏｒｅｎｚ混沌的控制,这就说明内在随机性这一对预测不利的因素,却为对Ｌｏｒｅｎｚ混饨的人为控制提供了有利的时机。     

大气中的浑沌运动

1963年,著名气象学家洛伦茨在进行热对流的数值计算时,发现在确定性的微分方程组中,当控制参数变化到某一临界值时,方程的数值解就会有非周期的混乱结果.1971年Rulle和Takens把耗散系统中出现的这种非周期流称为奇怪吸引子或浑沌.自此以后,关于浑沌问题的研究日益增多.通过计算或实验,人们发现很多问题中存在浑沌运动.现在全世界至少有几千名学者热衷于浑沌理论.人们期望对浑沌理论的探讨将有助于揭开宇宙中的许多秘密.     

台风移动规律的研究 Ⅰ.非绝热加热与水平温度分布的影响

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、地形与摩擦等各种可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作用所作分析表明,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;温度场上的冷区对台风有吸引作用。