全型涡度方程和经典涡度方程比较

在简要回顾经典涡度方程和全型涡度方程推导的基础上,比较了两种涡度方程的异同.集中讨论全型涡度方程新的物理内涵,证明了与稳定度和斜压性变化(锋生、锋消过程)相联系的内部强迫以及与摩擦耗散和非绝热加热相联系的外部强迫所诱发的涡度发展的机制.最后,指出了全型涡度方程的天气和气候应用前景.     

低纬度大气中涡度方程各项量级的计算

近几年来随着低纬度观测资料的增加,特别是卫星资料的应用,为研究热带大气运动提供了大量的基本资料,对于热带大气的研究亦从定性的分析研究逐步向客观的、定量的数值计算、数值试验和数值模拟等方面发展.对于低纬度大气中的斜压作用的计算,也得到与传统观念并不一致的结果.     

全型垂直涡度倾向方程和倾斜涡度发展

文中证明了不仅包括动力因子,而且包括热力因子、摩擦耗散及非绝热加热作用的和可用于三维空间的全型垂直涡度倾向方程。证明经典的、平面上的涡度方程只是它的特例。并且用该全型涡度方程严格证明了倾斜涡度发展（ＳＶＤ）理论。沿着倾斜等熵面下滑的气块,当热力参数ＣＤ减小时,其垂直涡度将发展。最后通过用θ坐标模式模拟一次西南低涡的形成,证明ＳＶＤ引起的涡度发展要比传统所考虑的辐合项的贡献大一个量级。     

正压大气非线性波的二级近似(一)——涡度方程和散度方程的求解

本文是用摄动法求取正压原始方程一类非线性大尺度慢波解的二级近似的第一部分,通过求解二级问题中的涡度方程和散度方程,给出了速度势和非地转位势的二级修正的解析表达式,并计算了准地转性参数ε=0.3时散度和非地转涡度的分布.     

正压大气中大尺度运动的涡度熵

本文在引入涡度熵概念的基础上,在绝热和无摩擦作用的情况下,对正压大气中大尺度运动的涡度熵的产生进行了讨论。指出β效应,辐散效应和地形作用是产生涡度熵的因子,而且我们还用涡度熵的概念对大气中偶极子阻塞的形成过程进行了解释,加深了我们对偶极子阻塞形成过程的理解。     

大气边界层中散度、涡度、铅直速度的计算

前几讲介绍的散度、涡度、铅直速度、水汽通量散度的计算,都没有考虑地形起伏和摩擦作用。很显然,这与实际情况有出入。本文介绍作上述物理量时,怎样考虑地形和摩擦等。 一、地面附近散度、涡度、水汽通量散度的计算 当地面各测站拔海高度差别较大时,则不能用第一讲中介绍的公式求散度,而应加上地形坡度的影响。这是因为辐散、辐合现象是对同一个水平面上的风场     

正压大气非线性波的二级近似(二)——位涡度方程的求解

本文是用摄动法求取正压原始方程一类非线性大尺度慢波解的二级近似的第二部分,提出了一种在电子计算机上进行某些初等函数非数值运算的方法,由此求得了二级问题中位涡度方程的解.数值试验的结果表明,所求得的二级近似是合理的.     

全型垂直涡度倾向方程的另一导出形式

地球大气运动同时满足牛顿第二定律与热力学第一定律,利用大气动力与热力方程对热力与动力变量的联系,直接将变形处理后的大气运动方程(涡度方程)与热力学方程结合起来,导出了显式包含热力与动力作用的全型垂直涡度倾向方程。     

滞弹性系统中对称扰动的涡度方程的特征分析

采用滞弹性近似下的三维中尺度大气动力学方程组,得到了滞弹性系统中对称扰动的涡度方程,并对涡度方程中各物理量进行分析。研究结果表明,相对于浅对流的情况而言,深对流情况下对称扰动的涡度方程较为复杂,滞弹性近似对于研究深对流运动是有效的。     

涡度的计算

天气图上流线的形状,各式各样,经过分析归纳,不外乎由平移、辐合、辐散,变形、旋转等几种型式组合而成。涡度这个概念,就是为了定量描述空气旋转情况而引入的。     

关于大气运动湿位涡不守恒性问题

本文建立湿位涡方程、提出不守恒基本判据、分析不守恒运动的动力特征,尤其指出在湿中性层结区域非绝热加热和外作用力场对运动的激发作用。     

广义涡度与位势涡度守恒定律及其应用

在文中推得了广义涡度守恒定律,并利用此定律在一般情况下求得了广义位势涡度定律。它放宽了最初Ertel的位势涡度定律的限制条件。并对涡度拟能、螺旋性守恒定律的物理意义作了讨论,这些定律能够描述大气运动的重要动力学性质。     

切变涡度和曲率涡度在正压大气中的相互轉化及其在天气預报中的应用

从日常正压数值預报中发現,在500毫巴图上即便初始场是盛行的平直西风,仍常有气压系統发展或新生等現象。这意味着气压系統和涡度系統的发展不是一回事.考虑前者的发展和曲率涡度的变化有密切的关系,作者推导了曲率涡度和切变涡度的預报方程.可以証明,这两个物理量不是保守的.在某些情况下即便不考虑地球自轉的作用,在气流汇合和散开的地区二者仍可能相互轉化。利用这些結果前面的問題可以得到合理的解释. 最后,为了便于在实际工作中应用,作者还給出了一些适用于天气預报的規則。     

大气密度方程

通过一个思想实验把大气密度的时空分布函数与一个概率分布函数联系了起来,又利用最大熵原理导出了一个新的全球大气的方程,即大气密度方程。文章给出了它的通解并指出等温大气的压力高度公式是它的一个特解。对这个新的理论思路,新的方程和它的应用潜力作了初步讨论。     

关于大气涡动热通量参数化问题研究

用NCEP/NCAR等再分析资料计算和分析表明,月平均瞬变涡动热通量和月平均温度梯度的局域相关性很低,甚至在一些纬度是负相关,更严重的是二者之间存在非线性的多值对应函数关系.如果用非局域参数化,参数化水平将有所提高,但改进并不明显.通过与分子运动论输运理论进行数学、特别是物理类比提出了考虑"风暴路径"效应的瞬变涡动热通量的参数化方案,经再分析资料的检验,结果表明它能大大提高参数化的水平.其次,还证实采用空间非局域参数化仍然是进一步提高瞬变涡动热通量参数化水平的方法之一.此外,资料分析显示中高纬度纬向平均温度梯度和纬偏涡动温度通量之间也存在负相关及多值函数关系,说明仅用温度梯度去参数化纬向平均涡动热通量难以得到好的结果,需要考虑多元参数化或非同步参数化等.     

2009年河南一次大暴雨过程的涡度方程诊断分析

利用NCEP/NCAR再分析格点资料、常规气象资料及中尺度WRF模式,对2009年8月28-30日发生在河南南部的一次暴雨过程进行中尺度数值模拟及诊断分析。结果表明,WRF模式对此次暴雨过程模拟效果较好,模拟物理量能够较好地反映暴雨的实际特征,模拟暴雨强度及落区与实况较一致。高空槽、副热带高压、超低空东风急流及低层风切变是此次暴雨的主要影响系统。利用涡度方程对暴雨过程进行诊断分析发现,涡度方程各项收支中,涡度平流作用与辐合辐散作用对涡度局地变化的贡献最大,垂直输送项与扭转项对涡度局地变化的贡献较弱。涡度平流项对中低层涡度局地变化表现出正反馈作用,垂直输送项、扭转项及辐合辐散项起着负反馈作用。涡度平流作用使得中低层气旋式环流加强,有利于中低层辐合加强,局地涡度增加。垂直输送项、扭转项及辐合辐散项使得低层辐合减弱,气旋性涡度减小。此外,利用垂直螺旋度等模拟产品对暴雨诊断分析发现,暴雨落区与垂直螺旋度大值中心、水汽通量散度负值中心等相对应,此次暴雨正是在良好的动力、水汽及热力条件下产生的。     

2009年河南一次大暴雨过程的涡度方程诊断分析

利用NCEP／NCAR再分析格点资料、常规气象资料及中尺度WRF模式,对2009年8月28—30日发生在河南南部的一次暴雨过程进行中尺度数值模拟及诊断分析。结果表明,WRF模式对此次暴雨过程模拟效果较好,模拟物理量能够较好地反映暴雨的实际特征,模拟暴雨强度及落区与实况较一致。高空槽、副热带高压、超低空东风急流及低层风切变是此次暴雨的主要影响系统。利用涡度方程对暴雨过程进行诊断分析发现,涡度方程各项收支中,涡度平流作用与辐合辐散作用对涡度局地变化的贡献最大,垂直输送项与扭转项对涡度局地变化的贡献较弱。涡度平流项对中低层涡度局地变化表现出正反馈作用,垂直输送项、扭转项及辐合辐散项起着负反馈作用。涡度平流作用使得中低层气旋武环流加强,有利于中低层辐合加强,局地涡度增加。垂直输送项、扭转项及辐合辐散项使得低层辐合减弱,气旋性涡度减小。此外,利用垂直螺旋度等模拟产品对暴雨诊断分析发现,暴雨落区与垂直螺旋度大值中心、水汽通量散度负值中心等相对应,此次暴雨正是在良好的动力、水汽及热力条件下产生的。     

湿位涡和倾斜涡度发展

从完整的原始方程出发，在导出精确形式的湿位涡方程的基础上，证得绝热无摩擦的饱和湿空气具有湿位涡守恒的特性。并由此去研究湿斜压过程中涡旋垂直涡度的发展。结果表明，在湿等熵坐标中，涡旋的发展与对流稳定度的减少，等熵面上的辐合和潜热的释放有关。由于等熵位涡分析的应用受等熵面倾斜的限制，又进而发展了Ｚ坐标及Ｐ坐标中的倾斜涡度发展理论。指出无论是湿对称不稳定或对流不稳定大气，还是湿对称稳定或对流稳定大气，除对流稳定度的影响外，风的垂直切变的增加或水平湿斜压的增加均能因湿等熵面的倾斜而引起垂直涡度的增长。湿等熵面的倾斜越大，这种由干湿斜压性加强所引起的涡旋发展更激烈。在梅雨锋附近及其南侧暖湿区的北端，湿等熵面十分陡立，是涡旋发展及暴雨发生的重要地区。对１９９１年６月１２—１５日江淮流域暴雨过程的湿位涡分析表明，湿位涡分析，尤其是等压面上湿位涡量ＭＰＶ１和ＭＰＶ２的分析不仅在中高纬有效，在低纬度及低对流层也十分有效，是暴雨诊断和预报的有力工具。     

多台风的相互作用和水平涡度与垂直涡度的关系

利用WRF模式较成功地模拟出2009年发生在西太平洋上的三个台风("天鹅"、"莫拉克"和"艾涛"),并在此基础上,对三个台风中的水平涡度、垂直涡度及它们的相互作用进行分析和诊断。结果发现,在这三个台风演变过程中,水平涡度与垂直涡度的合矢量有较固定的模式,在900 h Pa以下低层有水平涡度的辐合,900~800 h Pa左右有水平涡管的流出,800~700 h Pa有水平涡管的流入,当有多个风速中心存在时,在风速中心之下有水平涡管向台风中心辐合、之上有自中心向外的辐散。特别是在低层通过涡管形成的垂直环流相互作用,这种环流主要由自西向东、或自东向西的水平涡度矢量构成,其上升支有云和降水产生,多从左台风的东北部流向右台风的西南部。由完全涡度方程分析可见,在850 h Pa以下的最大风速中心附近有水平涡度向垂直涡度转化,其转化最剧烈的时期与台风的风速增长期一致,涡度平流的作用与之相反,起到减弱台风的作用。800~600 h Pa有垂直涡度向水平涡度转化,低层最大风速之上风速减小。