风的垂直切变对滞弹性大气中静力适应过程的影响

本文基于描写滞弹性大气静力适应过程的线性方程组,从波动频散关系、气团运动规律和能量转换的角度出发,研究了水平基流及其垂直切变对该模式大气静力适应过程的影响.构造四种水平基流垂直分布模型进行比较,分别为常数型、线性切变型、反气旋切变型和气旋切变型,得到结论：（1）具有重力波性质的波动是滞弹性大气静力适应过程中扰动能量传播的方式,当垂直折射指数大于零时,基本气流及其垂直切变的存在,不仅改变了波动频率的大小,而且改变波动传播的方向;（2）在静力适应过程中气块的运动轨迹呈椭圆形,水平基流及其垂直切变影响椭圆的扁率,同时也影响扰动物理量之间的偏振关系;（3）水平基流的垂直切变是扰动能量和水平基流能量发生转换的媒介,当存在垂直向上的动量输送时,正的垂直风切变对应扰动能量的衰减,水平基流能量的增加,负的垂直风切变对应扰动能量的增加,水平基流能量的衰减;（4）不同的风的垂直切变模型,对静力适应过程的影响不同;对于水平基流呈反气旋切变型和气旋切变型,扰动发展的波动垂直结构为,急流轴上方波动等相位线自下而上向西倾斜,急流轴下方波动等相位线自下而上向东倾斜,反之亦然.

     

GRAPES全球非静力大气模式的正规模分析

为分析数值模式动力学框架中不同波动的特性及对数值天气预报模式计算稳定性的影响,文章对GRAPES（Global/Regional Assimilation and PrEdiction System）全球非静力大气模式进行了正规模分析.首先,建立了静止大气状态下模式的线性化系统,并在适当的边界条件下将线性化系统分解成具有垂直与水平结构方程的本征值、本征函数耦合问题.然后在等温大气条件下,利用耦合问题的数值结果分析得出：GRAPES非静力模式除了有几乎和对应的静力模式一致的向东、向西传播的重力惯性波及向西传播的Rossby波外,还有一个向东、向西传播的声惯性波;特别是,只有当纵横比较大时,非静力模式对重力惯性波才会有显著影响.     

风垂直切变对大气静力适应过程的影响——第三部分:能量转换

基于前两部分的研究,第三部分从能量转换的角度揭示了风垂直切变对大气静力适应过程的影响.研究显示,对非静态等温大气,初始时刻加以有效势能和有效弹性势能的强迫后,风垂直切变改变了适应过程中扰动能量在各能量形式中的分配比例,这种作用随扰动尺度和时间的变化有显著差异,系统尺度越小影响越显著.比较东风急流模型和西风急流模型显示,负的风切变应力使得四类扰动能量谱随系统尺度的变化趋于平缓,使得微尺度和小尺度(中尺度)系统中扰动垂直动能(扰动水平动能)的比例随时间减小,正的风切变使得扰动能量谱随系统尺度的变化显现跳跃的特征,使得中尺度(微尺度和小尺度)系统中扰动垂直动能(扰动水平动能)的比例随时间减小.风垂直切变引起的动量通量输送是扰动能量与基本气流能量之间交换的通道,当风切变应力和动量输送方向相同时,风垂直切变使得能量向基本态转移,维持基本气流,削弱扰动能量,缩短静力适应过程的周期;当风切变应力和动量输送方向相反时,风垂直切变作用相反;此作用随着扰动尺度的变化差异明显.     

初始扰动对静力适应过程的影响

本文从描述非静态、可压缩、等温干大气静力适应过程的线性模型出发,利用均匀介质中的波动理论,研究了初始扰动对静力适应过程中物理量场适应方向的影响;从能量分配和转换的角度探讨了静力平衡破坏后大气运动的物理本质.理论结果显示,当大气静力平衡被破坏后,垂直气压梯度场和密度场、垂直气压梯度场和水平流场u分量之间相互适应的因果关系受波动螺旋结构、水平基流及初始扰动性质等因素的影响,其中,初始扰动性质决定了声重力波各分支在静力适应过程中的贡献大小,从而影响各物理量场随时间的演变.在水平基流为西风急流的条件下,中尺度系统对初始扰动性质较敏感,初始速度扰动和密度扰动破坏静力平衡的前20分钟内,有垂直气压梯度场向浮力场适应,初始气压扰动破坏静力平衡的前期和后期,有浮力场向垂直气压梯度场适应,而中期,适应方向相反;垂直气压梯度场和水平流场u分量之间的适应关系对初始扰动性质不敏感但对扰动尺度较敏感;实验表明,当静力平衡被破坏后,在微尺度系统中,垂直气压梯度场是大气运动的因,而在中尺度系统中,水平流场u分量是大气运动的因.同时,初始扰动的性质影响适应过程中扰动能量的分配比例和扰动能量之间的转换情况,不同性质的初始扰动,引起大气运动的物理本质不同.

     

论不同模式大气中的静力适应过程

为了研究大气静力平衡适应过程的本质,利用波动理论和能量转换角度,分别对完全可压缩的等温大气模型、滞弹近似下的等温大气模型和层结中性大气模型进行研究比较.结果表明：大气静力平衡适应过程的本质是声波和混合声重力波对扰动能量的频散过程,滞弹近似模型和层结中性模型均不能完全描述此适应过程;在波动假设下,此三类大气模型中扰动物理量之间的偏振关系同波动的性质有关,气团的运动方程均为椭圆方程,声波和混合声重力波对气团运动的作用差异较显著.
大气静力平衡适应过程中扰动能量以有效势能、有效弹性势能、动能或波动能量的形式存在并相互转换;扰动有效势能与其他形式能量之间的转换与混合声重力波或者重力内波有关,扰动有效弹性势能与其他形式能量之间的转换与声波有关.在完全可压缩的等温大气模型中,扰动有效势能增加1个单位,其中69.9%来自扰动垂直动能,其余30.1%来自扰动有效弹性势能.     

热源激发重力波特征以及波流作用的数值模拟研究

本文在二维等温可压大气中引入了一个随时间和空间变化的热源扰动,分别以静止风和中纬1月份月平均向东的纬向风急流为背景,对不同背景下热源激发的重力波的传播详细过程及其特性进行了数值模拟研究.热源激发出来的重力波在初始阶段有很宽的频谱范围,随后由于重力波的传播效应,水平波长和垂直波长分布范围随时间都有所减小.顺风传播的重力波的小尺度和低频部分会容易被急流吸收,从而加强了对流层急流,而逆风传播的重力波更容易上传,会导致中间层区域向西的背景风增强.这体现了低层大气急流对中间层大气风场结构的影响.热源的尺度直接决定激发波的尺度;激发波的垂直尺度和时间尺度对热源的变化比其水平尺度更敏感.     

青藏高原东南缘边界层对流与湍能结构特征

通过对青藏高原东南缘大理2008年3~8月大样本边界层铁塔观测系统超声和梯度资料、风廓线雷达和GPS探空资料的综合分析,研究发现高原东南缘湍能分量(湍流动能、切变项和浮力项)强弱依赖于下垫面植被的变化状况,且与局地稳定度特征及其动力、热力条件存在显著关系.近地层处于中性层结时,机械湍流较强,湍流动能主要贡献来源于切变项;当不稳定层结时大气湍流运动则以热力湍流为主,即浮力项较强,切变项较弱;在稳定层结时湍流发展呈间歇性特征,其中浮力项与切变项亦较弱,且湍流动能显著小于中性和不稳定状态.研究亦发现春季位于青藏高原大地形南坡的林芝站浮力项贡献显著大于高原大地形东南缘大理站,这反映了青藏高原南坡强对流活动过程中热力湍流的重要贡献,但位于高原东南缘山谷起伏、复杂地形区域的大理站近地层的机械湍流却显著大于高原南坡林芝站;从湍流-对流运动不同尺度相互作用视角,研究发现高原东南缘午时对流边界层CBL(Convective Boundary Layer)顶高可达1500~2500 m,边界层湍流动能、切变项、浮力项与对流边界层顶高、局地垂直运动均呈显著相关,且白天地面感热通量或浮力项的热力湍流作用对CBL发展高度亦有明显影响,而机械湍流的剪切作用影响却相对小;另外,近地层切变项机械湍流输送对垂直运动影响显著,尤其午前其对垂直运动影响高度可达2500~3000 m;春、夏季浮力项、切变项与垂直运动相关的日变化峰值均为大气层结显著不稳定阶段,尤其夏季层结不稳定背景下浮力项午后对垂直运动贡献显著.本文研究结论揭示出高原东南缘对流活动的湍能源驱动特征及其两者的相互作用.     

第二科里奥利力

认为科里奥昨力有两种形式。当物体在平行于地球表面的水平曲面上,从高纬度向低纬度（从低纬度向高纬度）运动时,会受到向西（向东）的偏转力。这是第一科里奥利力。当物体在地球内部或外部重力场中,沿垂向上升（下降）时,会受到向西（向东）的偏转力。这是第二科里奥利力。大气气流上升或下降,地幔热柱上升,是否会受到第二科里奥利力作用值得研究。     

东亚一次典型切断低压引起的平流层空气深入侵过程的分析

利用ERA-Interim再分析资料、卫星资料以及轨迹模式,对2010年6月19-23日东亚夏季一次典型切断低压（COL）过程中的动力、热力及化学结构进行了分析,并详细分析了平流层空气深入侵过程和路径.AIRS臭氧资料与臭氧探空资料分析表明,在COL发展成熟阶段,由极区高位势涡度、高臭氧库区脱离出来的空气在COL的中心形成一个局地高位势涡度与高臭氧浓度区域,并在对流层中上部出现臭氧次峰结构.前向轨迹模式模拟结果表明：COL形成前期,高空槽加深,槽后偏北风急流可以引起极区下平流层空气向中纬度对流层中低层侵入,从而使对流层中低层臭氧浓度升高;COL发展成熟阶段,可以引起平流层空气的＂旋转式＂入侵.最后,应用后向轨迹模式对成熟阶段COL内部及周围空气块源地做进一步模拟分析.结果表明：（1）COL中心高浓度臭氧空气块源地有两个,一是中西伯利亚北部上空的副极地涡旋,这部分气块对COL中心的高臭氧浓度起主要作用;二是90°E以西,50°N附近的温带急流轴左侧的气旋式风速切变区.（2）COL周围低臭氧浓度的气块源地也有两个,一是COL底部臭氧浓度相对较低的空气块主要来自急流轴右侧反气旋式风速切变区,以平流运动为主;二是COL前部及后部的空气块主要来自COL南侧低层暖区,以上升运动为主.     

与东北冷涡相伴的高空急流诱发平流层重力波的数值模拟研究

使用中尺度数值模式WRF-ARW,针对2010年6月发生在中国东北地区一例伴随对流层高空西风急流（位于~9 km高度）演变过程出现的平流层重力波活动特征开展了数值模拟. 事件发生期间,对流层区域环流处在一个东北冷涡系统的控制之下. 模拟结果再现了该东北冷涡的发展和维持过程,以及与之相伴的高空急流的特征. 模拟结果揭示出在急流区域上空的平流层中存在显著重力波活动现象. 分析结果显示,重力波活动与急流存在紧密联系,在水平方向上,重力波呈显著的二维结构,出现在急流出口区上部并逆背景流向西传播. 功率谱分析结果表明盛行波动具有~700 km水平尺度、9~12 h时间尺度以及4~5 km垂直波长. 由于急流的存在,造成其与平流层中下部之间存在显著的水平风速垂直切变,与切变相伴的耗散使得上传的重力波动量通量数值随着高度升高而递减. 同时,在18~20 km高度间出现的西风-东风转换带极大地抑制了波动在垂直方向的传播,形成显著动量通量沉积效应. 估算结果表明,在11~20 km高度之间,这种效应的整体作用相当于对该层背景流施加强度为0.86 m·s-1·day-1的动力阻曳.     

低频大气声重波的非线性Schr?dinger方程

本文采用多重时空尺度展开的方法,对于不可压缩等温大气,导出了二维情况下低频声重波的非线性Schr?dinger方程,讨论了声重波的非线性性质.在垂直方向上,声重波具有可传播性和幅度随高度增长的特性;在水平方向上,声重波能表现为孤子包络调制的波列.     

低频大气声重波的非线性Schrdinger方程

本文采用多重时空尺度展开的方法,对于不可压缩等温大气,导出了二维情况下低频声重波的非线性Schrdinger方程,讨论了声重波的非线性性质.在垂直方向上,声重波具有可传播性和幅度随高度增长的特性;在水平方向上,声重波能表现为孤子包络调制的波列.     

电离层对台风响应的全过程的特例研究

作为特例研究,本文对1988年和1990年两次强台风影响期间的电离层多普勒记录及相应的台风资料进行了细致的相关分析,目的是利用多普勒记录的连续性优点来了解电离层对登陆（或近海）强台风通过声重波响应的演化全过程.分析表明,在这两次台风影响期间,电离层形态中除有明显的波状扰动（中尺度声重波）出现外,还有一些值得注意的新现象：波动的时间演化表现出明显的幅度逐渐增加以及频率由高频向低频转变,在振幅很大的情况下日落后同时出现扩展F（Spread-F）现象,显示了声重波在激发电离层不规则结构方面的种子作用.这一演化过程与电离层中TIDs的线性传播理论一致,文中开展了对这一现象的非线性数值模拟,模拟结果基本上也与上述观测现象相吻合.     

Latitude variability of acoustic-gravity waves in the upper atmosphere based on satellite data

Based on satellite measurements, we investigated the properties of acoustic-gravity waves in different geographical areas of the Earth’s upper atmosphere. To study wave activity at high latitudes, we used the concentration of neutral particles measured by the low-altitude polar satellite Dynamic Explorer 2 and measurements from the equatorial satellite Atmosphere Explorer-E for analysis of waves at low latitudes. In the range of heights 250–400 km, there are observed latitudinal variations of amplitudes, together with variations in the morphological and spectral properties of acoustic-gravity waves. In the polar regions of thermosphere, the wave amplitudes amount to 3–10% in terms of relative variations of density and do not exceed 3% at low and middle latitudes. At low latitudes, regular fluctuations induced by the solar terminator are clearly seen with a predominant wave mode moving synchronously with terminator. Moreover, at low and middle latitudes, there are observed sporadic local wave packets of small amplitudes (1–2%) that can have origins of various natures. We also investigated the relation between some of the observed wave trains and the earthquakes.     

Observations of acoustic-gravity waves in the ionosphere generated by severe tropospheric weather

Atmospheric waves influence the dynamics and energetic budget of the upper atmosphere. Using the continuous HF Doppler sounder, we study the wave activity in the ionosphere during tropospheric convective storms in western and central part of the Czech Republic. The study is focused on acoustic-gravity waves in the period range 2–30 minutes. We discuss possible methods of distinguishing the waves emitted by meteorological sources from waves of different origin, particularly waves of geomagnetic origin. In two cases out of twenty-five analysed, we found waves in the infrasonic period range which might be generated by exceptionally intense meteorological activity in the troposphere. The results differ considerably from those previously obtained in North America. In the central part of the United States, infrasonic waves were frequently observed during convective storms. As a possible reason, we discuss different intensity and dynamics of weather systems in both regions.     

Acoustic-gravity modons in the atmosphere

It is shown that the equations governing low-frequency acoustic-gravity waves in a stable stratified atmosphere can have localized dipole-vortex solutions (modons). They propagate in the horizontal direction with a speed that is larger than that of all possible linear internal waves.