对流对称不稳定的发展演变和环流特征

利用1999年6月一次典型梅雨锋暴雨过程和敏感性试验的数值模拟结果分析了对流对称不稳定的发展演变和环流特征.结果表明：条件对称不稳定是大气稳定状态和条件不稳定状态之间的中间纽带,大气由稳定向不稳定或者由不稳定向稳定的演变均通过条件对称不稳定来实现;对流对称不稳定环流的形成与不稳定层的配置有关,当低层为条件不稳定而高层叠加深厚的条件对称不稳定时,对流对称不稳定环流低层出现垂直上升气流,高层出现范围较广的倾斜上升气流,对称不稳定能量释放产生中尺度云带.当低层和高层出现条件不稳定,中间呈条件对称不稳定或弱稳定度层结时,从低层到高层出现较深厚的垂直上升气流,湿重力不稳定能量的释放导致了云带的形成.     

对称不稳定理论及其应用问题（一）线性理论

该文对对称不稳定理论及其应用的现状进行了全面的评述。这里是该文的第一部分，主要讨论线性理论。这包括无界和有界大气中静力平衡和非静力平衡条件下的对称不稳定，二维粘性对称不稳定和湿大气的对称不稳定等问题。      

"1998年二度梅"暴雨与非线性亚临界对称不稳定的初步研究

对1998年7月20日00时8月1日12时这段梅雨暴雨过程进行诊断分析，并利用MM5V3中尺度模式作梅雨暴雨的数值试验，结果表明：(1)本次梅雨暴雨分为3大段过程，非线性亚临界对称不稳定可能是3段梅雨暴雨形成的重要机制；(2)扰动风场增长与降水增长关系密切，扰动风场的增长会超前于降水的增长，非线性亚临界对称不稳定的增强可能使降水增强；(3)非线性亚临界对称不稳定主要发生在高层200hPa，中层500hPa也有发生。非线性亚临界对称不稳定使线性对称稳定的大气变为不稳定。降水区和暴雨中心主要位于高层200hPa和中层500hPa扰动风场极大值南侧与低层850hPa扰动风场极大值北侧之间。(4)非线性亚临界对称不稳定扰动的P折时间和空间尺度，分别为5～8h和200～300km。     

长江流域一次暴雨过程中的不稳定条件分析

文中分析了 1998年 7月 2 0～ 2 3日发生于长江流域的持续性降水和暴雨过程 ,在分析大尺度降水和中小尺度暴雨相对应的环流场和天气实况的基础上 ,主要分析相应大气层结的对流不稳定和条件性对称不稳定条件 ,并对切变线上涡层不稳定做了重点介绍和分析 ,计算了条件性对称不稳定判据和涡层不稳定判据。结果表明 :降水期间大气低层有对流不稳定和对称不稳定能量的积聚 ,在这两类不稳定条件都基本满足的情况下 ,涡层不稳定的维持对此次降水过程中暴雨的发生提供了有利的不稳定环境场 ,具体的计算分析还表明环境场的配置制约着切变线上低涡扰动的发展 ,是造成降水的重要原因之一。     

南岭静止锋上的对称不稳定性

春季5—6月,南岭山脉甫侧经常存在一条近于东西向的著名的南岭静止锋,它给这个地区造成大量的降水。本文从理论上讨论了南岭静止锋的对称不稳定问题。Hoskins[1]于1974年提出对称不稳定理论,指出在纬向流动的大气中,只有当位涡是负的时候,才会出现对称不稳定,摩擦和非绝热加热是产生对称不稳定的必要条件。Bennetts和Hoskins得到了在锋面雨带中大气不稳定的必要条件为q2=F2N2-S4<或q_w2=F2N_w2-S2N_w2<0。 本文的研究指出,在绝对涡度为正的基本流中,不稳定或弱稳定的层结会使扰动不稳定发展;而在负的绝对涡度中,稳定层结反而有利于扰动的发展。Wave—CISK机制与层结对扰动的共同作用是相互制约的。本文还讨论了地形强迫抬升引起的不稳定问题,指出当层结稳定时,向北倾斜的山坡上的锋面、南高北低的等乙线分布有利于扰动的不稳定发展,而在向南倾斜的山坡上则刚好相反。      

对称不稳定理论

本文从四个方面概述了对称不稳定理论的主要研究成果,其中包括:无粘性干大气的对称不稳定问题;粘性大气的对称不稳定问题;湿大气的对称不稳定问题;非线性对称不稳定的研究。     

强对流天气发生机制的一种研究

本文利用非地转的 Eady 模式进一步讨论了使得强对流发展的对称不稳定理论,着重指出,即使在大里查逊数下,只要层结合适,仍有对称不稳定发展的可能性。并用一次暴雨发生的天气过程说明了强对流天气发展对于对称不稳定理论的依赖性。     

暴雨中尺度系统不稳定理论的数值试验

针对已有的不稳定理论研究，提出把不稳定问题由求解特征值问题转化为求解初值问题，在考虑扰动气压和水汽作用的基础上建立一个二维线性化的非静力模式，以真实反映不稳定扰动特征。     

中尺度对称不稳定在远距离台风暴雨中的诊断应用

用中尺度对称不稳定“S”判据对9711 号远距离台风暴雨过程进行了诊断分析,结果表明:台风远距离雨区存在明显的对称不稳定降水。低层(700hPa 以下)S< 0的区域作为对称不稳定区,与后期台风远距离降水有比较好的对应,可以作为远距离台风暴雨落区的一个指标。高层的对称不稳定与200～300hPa 的非纬向高空急流的斜压性增强有关。高低层的对称不稳定对远距离台风暴雨有不同的作用。     

三层模式中的对称不稳定

用三层模式研究了对称不稳定。结果表明，当气层的厚度（扰动的垂直尺度）与扰动的水平尺度达到最佳配合时，有最大的对称不稳定增长率。而Ri数越小，出现最不稳定时所要求的气层厚度与扰动的水平尺度的比就越大。     

非静力平衡大气非线性层结对称运动的稳定性和突变

在假定了环境地转风具有水平和垂直的线性切变的情况下,考虑大气层结的线性和非线性切变的作用,建立了一个非线性常微分方程组,然后构造了一个Hamilton函数,通过讨论Hamilton函数的凸凹性,得到了非线性层结对称运动的不稳定判据,同时讨论了非线性层结对称运动产生突变的条件。     

中尺度大气波动的波谱和谱函数——数学模型和计算方法

作者得到了准二维Boussinesq方程组，并用其研究了中尺度大气波动的波谱和谱函数。在一定条件下对该方程组线性化并取标准模后，可将其初边值问题转化为矩阵的广义特征值问题来进行数值求解，这样就可知原问题波谱和谱函数的性质。当无基本流且取地转参数、层结参数为常数时，可求得其波谱和谱函数的解析解。此时该模式中仅包含有一对重力惯性内波模态，且各模态均是简谐波；模态越高，垂直波数越大则波动传播得越慢，所有的模态均为离散谱，并存在聚点。对此作者用数值解作了验算，结果表明，该数值求解方案合理可行，对不太高的模态其精度也令人满意。在无基本流然而考虑层结的垂直变化后，则一般无法求取解析解，为此进行了数值求解。这时该模式仍仅包含有一对重力惯性内波的离散谱模态，不过由于层结参数的变化，各模态结构与简谐波出现了偏差。     

大气层结对冷锋环流的影响

利用原始方程模式讨论了不同大气层结对冷锋环流的影响及其在激发锋区中尺度强对流系统中的作用，结果表明：层结对锋区环流有非常大的影响，随层结稳定度的减小，锋区非地转越锋环流和上升运动迅速增强，锋前暖区有可能产生中尺度强对流和多重中尺度上升运动带，并有利于对称不稳定的激发；层结对冷锋环流的影响和锋区中尺度强对流系统形成的作用主要由中低层的大气层结状态决定     

中尺度对称不稳定的诊断应用

通过个例诊断分析，讨论了黄土高原上暴雨的对称不稳定性及其判据的分布特征，结果表明对称不稳定层结在此类天气过程中具有重要作用。计算表明，暴雨区的判据值是小于零的。     

Study on Instability in Baroclinic Vortex Symmetric Disturbance under Effect of Nonuniform Environmental Parameters

With the aid of the baroclinicity parameter M2,inertial instability parameter F2 and the stratification instability paramter N2 as the slowly varying function both spatially and temporally,an energetic equation is derived of symmetric perturbation waves in baroclinic vortices in the framework of progressively changing wavetrain theory,or WKB,alongside the examination of effects of these parameters upon the vortex disturbance.     

The lower symmetric regime and its transition to waves in rotating annulus convection

Measurements of the temperature and zonal velocity fields which develop in a rotating annulus of fluid with an upper surface, differentially heated from the inner to outer cylinder, are described for the lower symmetric regime (small radial temperature differences). The temperature field is essentially conductive for moderate to large rotation rates, Ω (>1.0 sec⁻¹). The zonal velocity field is poorly approximated by the thermal wind equation.Measurements of the transition to waves from the lower symmetric regime at very large rotation rates are presented for positive and negative radial temperature differences. They suggest that the centrifugal buoyancy force and the free surface curvature may be important factors for the lower symmetric-wave transition at large Ω. By varying the stratification of the fluid over a range of 10³ independently of the radial temperature difference, Δr_wT, it is conclusively shown that several theories are correct in predicting that the lower symmetric transition is independent of the stratification at small Δr_wT > 0 for large enough Ω.     

正压涡旋中螺旋波失稳问题的研究

将柱坐标下线性化正压原始方程组与其边界条件构成的特征值问题，离散化为矩阵的特征值问题并进行数值求解，研究了正压涡旋中螺旋波的失稳问题。讨论了基流分布和静止流体厚度对正压涡旋内螺旋波失稳的影响，这对了解实际热带气旋中螺旋云带的发生和性质均是有意义的。     

A problem related to nonlinear stability criteria for multi- layer quasi-geostrophic flow

The second author studied the nonlinear stability of N-layer quasi－geostrophic flow subject to perturbations of parameters and initial data, and established the stability criteria for the flow in question, which involve finding out the lowest eigenvalue of an elliptic boundary value problem.In this paper when the domain is a periodic zonal channel, a formula of the lowest eigenvalue is established, which is useful for further studies and practical applications.