斜压性对地转动量Ekman流的影响—理论分析

本文研究了斜压效应对地转动量Ekman流的影响。利用两变量奇异摄动方法求得了边界层中风场及顶部垂直速度的前二级一致有效渐近解析解，解中明显地反映了斜压情形地转风随高度变化（即热成风）的影响，尤其是其中一级近似解完全由热成风影响所致。在边界层顶垂直速度的解中导出了三种由斜压效应引起的Ekman抽吸新物理因子，即热成风形变、热成内涡度及热成风涡度交叉项等抽吸因子。分析表明，这些因子只在具有水平温度梯度不均匀的系统（譬如锋区）中方能出现。文中还对锋区内上述三种抽吸因子的动力特征作了具体的分析，指出在锋区这 样的强斜压系统中，此三种抽吸因子的贡献是显著的。下一文中，我们将利用本文所得理论解对斜压效应进行具体的定量计算。     

线性与半地转斜压Ekman层中大气运动的动能耗散

本文分别用线性与半地转斜压Ekman层模式,解析地给出由宏观外参数来估计斜压Ekman层中动能耗散即变性能量的公式。结果表明,斜压性对变性能量有较大影响,其影响程度随系统特征与热成风特征的改变而改变,从而加深了对变性能量的认识。     

斜压性与非线性Ekman抽吸的动力特征

本文利用Ekman动量近似研究了斜压性对Ekman层动力学的影响,得到了一些新的结果。大气斜压性对Ekman层的水平风速分布及近地面的风速矢的水平分量夹角有重要的改变作用。斜压边界层顶部的非线性Ekman抽吸(垂直运动)由三个不同的物理因子决定,第一、正压性的地面地转涡度,第二、斜压性作用产生的热成风涡度,第三、正压性的地面地转涡度与斜压性的热成风涡度的非线性相互作用。这些理论结果为边界层的参数化及数值模拟结果的解释提供物理基础。     

非线性斜压Ekman层的动力特征

本文研究了斜压性对非线性Ekman层内的风场及顶部垂直速度的影响。结果表明,斜压性将改变其非线性Ekman层内的风场及顶部垂直速度,其影响随着系统特征与热成风特征的改变而改变。在本工作中,还用地转动量近似的方法作了相应的研究,并将其结果作了相应比较。     

初始扰动垂直结构对热带斜压大气半地转适应过程的影响

文中利用一个半位势涡度时间不变式对热带斜压大气地转适应过程中的尺度准则进行了研究。结果表明 :对深厚系统而言 ,只要初始扰动的纬圈特征尺度足够大 ,则不论其初始扰动的经圈特征尺度多大 ,适应后的压力场的变化都很大 ,而纬圈流几乎维持不变 ,压力场向纬圈流适应 ;至于浅薄系统 ,对纬圈和经圈特征尺度都很大的初始扰动而言 ,适应后的压力场易于维持 ,主要是纬圈流向压力场适应 ;但当初始扰动呈现出纬圈型扰动特征时 ,适应后的压力场变化也很大 ,压力场向纬圈流适应     

变化涡动沾性系数的Ekman动量近似模式风场结构

在边界层动力学中，涡动粘性系数是影响边界层风场结构的一个重要参数。本文利用边界层动力学中的Ekman动量近似理论，给出了涡动粘性系数随高度缓变条件下的Ekman动量近似边界层模式解，着重讨论了边界层的风场结构、水平散度、垂直涡度以及边界层顶部的垂直速度。结果分析表明：与常值涡动粘性系数情况相比，在边界层低层随高度增加的涡动粘性系数可以导致低层边界层风速随高度迅速增加，即风速垂直切变增加，同时风速矢与地转风之间的夹角减小。惯性项作用可以导致上述作用在气旋性区域减小、而在反气旋性区域增大。随高度增加的涡动粘性系数导致水平散度绝对值、垂直涡度绝对值以及边界层顶部的垂直速度绝对值在气旋性区域减小，而在反气性旋区域增大。涡动粘性系数与惯性之间的非线性相互作用是边界层动力学中重要过程。     

Wave-CISK的一个斜压半地转模式和低频振荡

本文建立了一个描写低纬大气运动的斜压半地转的wave-CISK模式,其中引入了一个反映CISK机制的无量纲的凝结潜热参数η(z),并求得了η=0和η≠0条件下wave-CISK模式的解析解,理论研究进一步说明wave-CISK机制对于大气低频振荡起重要的作用。     

斜压准地转气流周期的和非周期的演变

本文利用低谱途径,将二层准地转模式转化为八维的强迫耗散的非线性系统。随着非绝热强迫参数的渐变,以流场距离函数描述的斜压准地转气流的流型演变从周期态转为非周期态。与六组不同的Poincare截面图相应的指数均为正值,以示非周期的局部不稳定特征。     

经典Ekman流,Ekman层的平衡风场及其扰动稳定性

本文首先利用变分方法,考察了边界层运动能量的变化,指出经典Ekman流是在不可压缩条件下,能量积分达最小值时的一种平衡运动。这对Ekman层运动的物理本质有了进一步的认识。其次,讨论了Ekman动量近似下的Ekman层的平衡风场特征,研究了该平衡风场附近扰动的稳定性问题,结果表明,在自由大气气压场不发生扰动条件下,Ekman层中存在一类新的与惯性不稳定相类似的动力不稳定,且其不稳定性可与Ekman抽吸相联系,还讨论了一般性条件下的扰动不稳定性问题。     

地转动量近似下边界层中风场的调整

本文利用地转动量近似,并假设气压场为定常的圆形涡旋和初始风场不满足四力平衡(气压梯度力、科里奥利力、湍流粘性力和半地转惯性力)的条件下,求解了正压边界层中风场向气压场调整的初边值问题,得到了一些初步结论。本工作为利用四力平衡下的风速分布来诊断预报边界层风场提供了理论依据。     

准地转动量近似下风速切变线上的波动

利用准地转动量近似下的斜压两层大气的非线性方程组及非线性边界条件，研究了切变线上波动的稳定性，导出了切变线上孤立波解。较好地解释了切变线上易产生低涡等天气系统现象。     

Ekman边界层动力学的理论研究

大气边界层及其与自由大气之间的相互作用具有明显的非线性特征,而这些特征是经典Ekman理论所不能描述的,因此,发展中等复杂程度(介于完全模式与经典Ekman模型之间)的大气边界层动力学模式,简称中间模式,对人们从理论上认识大气边界层动力学过程的非线性特征具有重要意义。本文对目前最具代表性的几个中间边界层模型:地转动量近似边界层模型、Ekman动量近似边界层模型以及弱非线性边界层模型进行了总结和分析,阐述了Ekman层主要动力学特征。通过分析上述各模型的理论框架,揭示了各模型的物理意义及其在描述Ekman边界层基本动力特征上的优点和局限性,并指出尽管在细节定量描述上有差异,但各中间模型对Ekman层动力学特征的定性描述具有很好的一致性。对于这些Ekman边界层近似理论模型的进一步应用问题,主要回顾和总结了利用上述模型探讨地形边界层结构、大气锋生过程、低层锋面结构和环流以及边界层日变化、低空急流形成等动力学问题的研究,并对这些研究所揭示的Ekman层动力学特征及其对自由大气低层运动的影响进行了分析,结果表明,这些Ekman边界层近似模型可以较好地揭示大气边界层动力学特征,在大气边界层动力学及其与自由大气相互作用的研究上具有重要价值。另外,还对目前Ekman边界层理论研究中存在的问题进行了一些分析,提出了有待进一步研究的科学问题。     

地转动量假定下风场近似与扰动的稳定性

在大尺度系统中,由于Rossby数很小,大气呈准地转运动。但在低纬度地区或中小尺度系统中,Rossby数不是小参数,运动的非地转特征就很明显了。为了避免非线性问题中数学处理的复杂性,可以使用半地转近似,这不但可以使问题得到线性化,而且其结果又有非线性的主要特征。本文在半地转假定下,当风压场处于平衡状态时,我们得到了一种简单的表示式,并将它与Rossby近似和Phillips近似进行了比较。文中还对扰动的稳定性进行了研究,在某些条件下,例如风场发生扰动而气压场未受扰     

斜压不稳定理论的发展历程分析

斜压不稳定理论是中高纬度地区天气尺度扰动生成和发展的机制,是继长波理论之后大气动力学上的又一重大进展,对现代天气预报具有重要的指导意义。按照斜压不稳定理论发展的时间脉络,阐述了赵九章、查尼和伊迪在斜压不稳定方面开展的研究工作,分析了3位科学家各自的研究特点及历史贡献。赵九章1946年发表在《Journal of Meteorology》上的论文,最早提出了"斜压不稳定"这一概念,给出了不稳定的临界波长,并阐述了在不稳定扰动情况下能量的转换,以及不稳定波对大气环流带来的可能影响,尽管得出的不稳定临界波长与观测差别较大,但其对波-流相互作用的讨论在当时是超前的。查尼于1947年采用滤波和尺度分析等方法,将大气扰动方程简化为一个可以求解的系统,推导出大气稳定状态的判据,建立了斜压不稳定理论,其结果与实况比较接近;并据此把准地转模式成功应用于数值天气预报实践中,促使数值天气预报获得首次成功。1949年,伊迪在查尼研究工作的基础上通过合理的简化方法,得到了更为简洁的模型。最后,通过对比他们的研究思路,重点分析了赵九章未能使得斜压不稳定理论提前一年建立的原因:由于其研究思路始终局限在大气水平运动上,忽略了斜压系统发展中散度项的贡献,因而未能抓住天气系统发生、发展的本质,致使其最终与斜压不稳定理论的成功建立失之交臂,其论文本身存在的一些亮点也因此被后人忽视。      

非均匀对流边界层的地转强迫流动和动量输送

用大涡模拟方法研究地转强迫下的对流边界层流动和地表热力非均匀性影响.模拟重现了典型对流边界层的平均风廓线和动量通量垂直分布.地表热力非均匀性对区域平均风速和动量通量分布无明显影响,但边界层内的局地流动性状和湍流动量输送情况有系统性的改变.下风较热区近地面风速增强而高空流动受到阻塞,上风较冷区之上情况则正好相反.对应于平均流动场的畸变,地表较热区之上边界层大部可以出现动量向上输送的情况,较冷区成为大气动量下传的主要通道.地面应力在较热区增强、较冷区减弱的趋势明显.     

二维大气中定常广义地转流的稳定性分析

本文归纳总结了在绝热、无耗散对称二维大气中定常广义地转流稳定性分析中的扰动方程组的基本特征，并将其概括为具有这类问题共同基本特征的统一形式的扰动方程组的定解问题。在此基础上，统一地证明了：１）由统一的扰动方程组所确定的定解问题的解是存在唯一的；２）基态的性质是由Λｍｉｎ（Ｇ）的性质决定的：ａ．当Λｍｉｎ（Ｇ）＞０时，基态是稳定的；ｂ．当Λｍｉｎ（Ｇ）＜０时，基态是不稳定的。３）基态的全局稳定性质可以通过局部稳定性分析来确定；４）合理的、充分简化的局部稳定性分析结论在局部分析中是严格有效的     

再论地转流的正压不稳定

本文研究了考虑地转约束的情况下,正压不稳定的必要条件,并基于能量学和位涡动力学理论,对正压不稳定的必要条件的物理含义进行了诠释。对于满足地转平衡的基本流,瑞利—郭晓岚定理[(Rayleigh,1880)、Kuo(1949,1973)]修正为：若地转流可能出现不稳定,其位涡梯度需在某个纬度取极值。Fj?rtoft定理(Fj?rtoft, 1950)相应地成为：若地转流可能出现不稳定,需满足Q_y(位涡的经向梯度)与U-U_s(地转流速度与Q_y为零处的地转流速度之差)同号。即由原结论中的绝对涡度修正为位涡,这是地转约束也是位涡约束的结果。研究指出满足能量关系是正压不稳定可能出现的能量学要求,瑞利—郭晓岚定理是正压不稳定可能出现的位涡动力学条件,而Fj?rtoft定理则是能量学与位涡动力学两种要求的协调,能量关系、瑞利—郭晓岚定理和Fj?rtoft定理三者均须满足,正压不稳定才有可能发生。     

自适应斜压模式构造的理论问题

介绍了自适应模式的构造原理和方法,讨论了自适应斜压模式构造的基本理论问题。     

非地转平衡流激发的重力惯性波对梅雨锋暴雨影响的动力学研究

文中以 2 0 0 0年 6月 1～ 3日的一次梅雨锋暴雨过程为例 ,通过数值模拟 ,得到了降雨区和强度都与实况基本吻合的结果。进一步利用数值模拟场 ,比较详细地分析了大尺度环流调整后的地转平衡被破坏、非平衡流出现、低空急流建立、重力波发生与传播对暴雨过程的影响。研究表明 ,副高的西伸北跳可以造成局部地转平衡被破坏 ,引起环流的适应调整 ,以建立新的平衡。在这一过程中 ,会出现与之相适应、配合的低空急流和重力波的发生 ;重力波的频散有利于急流中心大风区的传播 ,引导气流和水汽集中区对传播方向有显著影响 ;低空急流的建立则是导致暴雨发生的重要条件之一。通过对高时空密度中尺度数值模拟资料的分析 ,可以较清晰地反映出上述结果。     

水平变量配置对地转演变模拟的影响

从描述准地转、β-平面近似下的Rossby波方程组出发，在Arakawa A-E网格上，从频率和群速方面讨论了这五种网格的计算频散性。结果表明：D、C网格比其它网格对Rossby波产生的歪曲都要小。