北京城市夏季高温高湿天气过程分析及动力识别

分析了2002年7月30日~8月4日北京地区典型高温高湿天气的环流、温湿特征和水汽输送特征,指出在异常偏西和偏北的副热带高压控制下,下沉气流抑制了低层水汽的抬升,使得水汽积聚在对流层低层,是导致高温高湿天气的直接原因.考虑实际大气非均匀饱和的特性,通过引入广义湿位温的概念及广义湿位涡方程,对这种高温高湿天气进行了广义湿位涡异常的分析,表明高温高湿天气形成时大气低层有广义湿位涡的负异常.此负异常对高温高湿的发生有指示性,因而可利用广义湿位涡的异常来识别高温高湿天气的出现并进行短时预报.     

“快流形”湿斜压Ertel-Rossby不变量的导出及其在台风中的应用

位涡因在绝热无摩擦大气中具有守恒性而被当作一个较好的示踪物广泛的应用．然而位涡本身,对于大尺度“慢流形”更为有效．因此,需要寻找另外的守恒的不变量来描述速度和气压场等快速变化的强天气过程,比如增长期和成熟的热带气旋．本文将湿大气中的焓和熵引入绝对运动方程来消除气压梯度项,并利用Weber变换和Ertel形式的连续方程,推导了湿大气中的斜压Ertel—Rossby不变量,并证明了其守恒性．推得的湿斜压Ertel-Rossby不变量的表达式除了包含传统的位涡项,它还包括气压梯度、位能和动能梯度项等能反映“快流形”特征的因子,以及干Ertel—Rossby不变量所没有的湿度因子,因此能更完善地描述湿过程中强天气现象快速变化的动力学特征．通过个例分析,与湿位涡和干大气中的Ertel-Rossby不变量相比,这个守恒的不变量对于台风这类真实湿大气中快速变化的强天气过程是一个较好的诊断分析工具,能表征几个共存台风组成的多台风系统的移动和强度变化．湿Ertel-Rossby不变量在真实湿大气中有较为广泛的应用前景．     

大气边界层湍流的动力非平稳性的验证

首次用验证时间序列中是否存在动力非平稳性的一种简单图示方法——space time index法来分析大气边界层湍流的动力平稳性特征.本文以取自淮河流域和威斯康星森林下垫面条件下的三维高精度风速和温度、湿度湍流脉动资料对大气边界层湍流的平稳性特征进行了分析.结果表明space time index方法能有效地检验大气边界层湍流信号中是否存在动力平稳性.另外,均匀下垫面条件（水稻田）及复杂下垫面条件（森林）下的大气边界层湍流信号中几乎都存在动力非平稳性,大气湍流动力学非平稳性可能是边界层湍流信号相当普遍具有的一种特性.大气边界层湍流中的间歇性和相干结构使得其非平稳性图形的特征不同于一般时间序列非平稳性图形的“V”型特征;森林下垫面条件下的湍流信号比相对均匀下垫面（水稻田）下的湍流信号更有组织性,相干结构更强.     

基于常规测井数据的纵波本征衰减估计

地震波本征衰减反映了地层及其所含流体的一些特性,对油气勘探开发有重要意义.已有的理论研究与实验发现,地震频带内的衰减主要与中观尺度(波长与颗粒尺度之间)的斑状部分饱和、完全饱和岩石弹性非均匀性情况下波诱导的局部流体流有关.这种衰减与岩石骨架、孔隙度及充填流体的性质密切相关.本文着重讨论均匀流体分布、斑状或非均匀流体分布两种情况下部分饱和岩石的纵波模量差异.以经典岩石物理理论和衰减机制认识为基础,通过分析低频松弛状态、高频非松弛状态岩石的弹性模量,讨论储层参数(如孔隙度、泥质含量以及含水饱和度等)与纵波衰减之间的确定性关系.上述方法与模型在陆相砂泥岩地层与海相碳酸盐岩地层中的适用性通过常规测井资料得到了初步验证.     

海面动量、感热和水汽输送的动力学分析

基于大气边界层动量、感热和水汽通量的基本方程,定量地计算了波动海面的动量、感热和水汽通量。首先,应用Prandtl的混合长概念,推导出贴海面大气层中风速、位温和比湿的涡动交换率及其贴海面层厚度,并且证明了波面上位温或比湿贴海面层厚度与速度贴海面层厚度的比值,和平面上的相应比值完全相等。随后,利用空气动力学理论讨论了贴海面动量、感热和水汽输送的参数化问题。最后,对现有五种理论模式进行了比较说明。     

饱和土中浅圆弧状埋置基础对平面P波散射解答

在Biot饱和多孔介质动力学理论的基础上,利用Fourier—Bessel级数展开法,首次得到饱和土中浅圆弧状埋置基础对平面波散射问题的解答．并利用该解对有埋置基础的饱和土场地地面运动的幅值及其分布进行分析,研究了基础弹性对平面P波作用下饱和土地基与基础动力相互作用的影响。     

中层大气中重力波饱和机制的数值分析

通过对向上传播的重力波波包在中层大气中的非线性传播过程进行数值模拟,讨论中层大气中重力波的饱和机制.数值模拟结果表明,向上传播的重力波波包的扰动振幅在接近波包的本征水平相速度之前随高度单调增长,而当波振幅接近本征水平相速度时,在对流不稳定区域出现等位温面的翻转,同时波振幅的增长达到饱和（波振幅随高度不发生变化）.小尺度对流在等位温面的翻转和波饱和发生后产生,随后波包开始破碎,这些非线性过程的最终结果产生湍流.表明导致重力波饱和的关键因素是等位温面的翻转而不是诸如波破碎、湍流、波-流相互作用等其他的一些物理过程.     

平面P-SV波入射时非均匀饱和土 自由场地的响应

基于Biot多孔介质波动模型,研究了非均匀饱和土层对平面P-SV波入射时的动力响应.考虑饱和土地基的物理力学特性沿厚度方向连续变化,利用亥姆霍兹矢量分解原理和动力刚度法,分析了平面入射P-SV波在非均匀饱和土层中的反射和透射,并给出了基岩表面和自由表面处反射系数和透射系数的计算表达式.基于理论推导结果,数值分析了平面SV波入射下非均匀饱和土自由场地的动力响应,其中假设饱和土地基的物理力学性质沿土层深度按幂律梯度变化.数值结果表明,平面SV波入射所引起的地面位移与基岩位移之比均随土层厚度和土体的非均匀程度、波的入射角和入射频率的增加而减小,且其竖向位移比的减小更为显著,厚土层对地震波的耗散作用尤为明显.      

Rossby波的螺旋斑图

应用描写大气大尺度运动的准地转方程组，求得了大气Rossby波的三维定常流场以及相应的位温场、涡度场和散度场，其中的三维流场构成了物理空间的一个非线性自治动力系统. 研究表明，Rossby波具有     

轴对称二维任意非均匀介质中偏轴点源激励的位场数值解

对具有任意多平面分层，且每一平面分层中又具有任意多径向柱面分层的复杂非均匀介质中偏轴点源激励的位场分布进行了高效数值分析．对于这种三维非均匀位场分布，应用数值本征模展开描述其径向的基模和高阶模，用集合反射矩阵和集合透射矩阵匹配各平面界面的边界条件，各平面分层中的位场则用递推算法获得．偏轴点源位场的求解，为电法测井中高分辨薄五层探测提供了理论分析基础．     

基于配置法的局部重力场延拓模型构建与应用分析

在大地坐标系下利用Forsberg局部扰动位协方差模型（即DPM模型）导出了实用的局部重力异常协方差模型（即GAC模型）和局部扰动重力协方差模型（即GDC模型）,两种模型形式完全一致.针对GAC模型,提出了两种模型参数的拟合方法,即按照泊松积分向上延拓获得的不同高度数据进行拟合以及按照测量区域的平面实测数据进行拟合,通过某地区的实测数据检验得出两种参数拟合方法得到的参数值相差不大,这种差别在向上和向下延拓过程中的影响可以忽略.依据本文的算例,GAC模型作为配置法的协方差模型用于延拓时,其向上延拓的精度在1.8×10^－5 m·s^-2左右,向下延拓的精度在5×10^－5 m·s^-2左右,完全满足局部重力场在中等山区的延拓要求.通过对不同高度下GAC模型用于延拓效果的对比,可以得出基于GAC模型的延拓精度随着高度的增加而衰减,在满足测量精度要求下其最大向下延拓高度约为7 km.总体而言,本文推导的GAC模型能够很好地利用地形数据,较好地满足了航空重力测量在局部重力场的延拓要求.     

南北地震带北部5次（1561~1920年）M≥7级地震触发关系研究

以南北地震带北部的青藏高原东北边缘与华北构造区过渡部位为例,通过建立地震构造模型,计算静态库仑破裂应力改变量（ΔCFS）,研究了该区1561~1920年360年间5次M≥7级地震之间的触发过程.结果表明,在1561年罗山东麓7¹/₄级地震之后,下一次地震无一例外地发生在前面地震产生的应力触发区（ΔCFS>0）.在4条被触发的发震断裂中,有3条发震断裂的平均ΔCFS>0.2×10⁵ Pa,最大可达0.62×10⁵ Pa,超出目前普遍认为触发应力阀值（0.1×10⁵ Pa）.根据断裂库仑破裂应力变化量（ΔCFS）和构造应力累计率（δτ）,计算获得了下一次地震发生的提前量（ΔT）,地震活动提前量最大可以达到160a.在一条重要活动构造带或地区上,一次地震发生对下一次地震的触发缩短了地震重复发生所需要的累积时间,使得地震可以提前发生,这一方面使得某一特定的发震断裂在时间尺度表现出准周期性,另一方面使得空间上不同发震断裂的地震活动表现出丛集发生的现象.此项研究有助于认识断裂间相互作用特点、揭示地震丛集发生规律以及预测未来地震危险区.     

Generalized Potential Temperature in a Diagnostic Study of High Impact Weather over an Urban Station of India

The tropospheric atmosphere is neither absolutely dry nor completely saturated. It is, in general, moist. The purpose of the present study is to reveal the role of generalized potential temperature (GPT) in describing the humid state of the real moist atmosphere pertaining to understanding the prevalence of high impact weather systems over an urban station, Kolkata (22°32′N; 88°20′E), of India. A comparative study among GPT, equivalent potential temperature (EPT), potential temperature and relative humidity to reveal the significance of GPT in a precise understanding of the high impact weather of Kolkata is carried out. To attain the objectives, 50 cases of thunderstorms, 15 cases of tropical cyclones and 15 heavy rainfall days are selected during the pre-monsoon season (April–May) over Kolkata (22°32′N; 88°20′E), India. The condition—decision support system of rough set theory is adopted as the methodology. The result of the study reveals that GPT is the most pertinent convective parameter in estimating the prevalence of the high impact weather of Kolkata during the pre-monsoon season and is observed to be better than RH. The results, thus, show that the moist air is capable of describing the distribution of water vapour and thermodynamic properties of the real atmosphere more precisely than an absolutely dry and completely saturated state of the atmosphere.     

大地测量约束下的阿尔泰山岩石圈流变结构

本文根据大地测量数据得到过去50年左右阿尔泰山富蕴区域形变场,破裂带中段的相对位移最大,平均速率达6mm/a,总体上表现为沿断裂的走滑运动特征．该形变场可以用1931年富蕴8级地震的震后黏弹性松弛模型进行模拟,反演得到下地壳黏滞系数为1.6×10¹⁹～7.9×10¹⁹Pa·s,上地幔黏滞系数为16×1018～63×1019Pa·s,与华北、Nevada等地区利用震后变形资料推算的黏度基本一致．根据该地区最佳黏弹性分层模型,最近五十年由于岩石圈下部应力松弛引起的地震破裂带两侧最大水平速率约为4mm/a． 我们的研究表明：大陆7～8级大震在几十年后仍可能有可观的地表变形,GPS监测得到的现今变形场可能包含震后变形成分．     

Analyses of hot and humid weather in Beijing city in summer and its dynamical identification

The circulation, hygrothermal property and moisture transport character of typical hot and humid weather were analyzed in Beijing areas from July 30 to August 4, 2002. It was pointed out that, under the control of subtropical anticyclone which stretches to the west and north, downdraft suppresses the lifting of lower-troposphere moisture, which makes moisture keep in the lower troposphere. That is the direct reason causing hot and humid weather. Considering the non-uniformity saturated character in real atmosphere, generalized moist potential vorticity (GMPV) equation is derived by the introduction of generalized moist potential temperature concept. The analysis of GMPV shows that negative GMPV anomaly occurs in the lower troposphere. It has indicative sense to hot and humid weather. Thus, the GMPV anomaly can be utilized to identify this kind of weather and to make a short-term prediction.     

The derivation of moist baroclinic Ertel-Rossby invariant in fast manifold and its application to typhoons

Potential vorticity(PV)has been widely applied as a tracer because of its property of conservation in frictionless,dry adiabatic flow.However,PV itself is more effective in describing the slow-manifold flow at large scale.Therefore,we wish to find a materially conserved invariant other than PV to diagnose severe weather such as growing and mature tropical cyclones,whose velocity and dynamic pressure vary rapidly and locally.Starting from the absolute motion equation after elimination of the pressure gradient term by introducing moist entropy and moist enthalpy,the baroclinic Ertel-Rossby invariant(ERI)in moist flow is derived by the Weber transformation.Furthermore,the material conservation property of moist ERI is proven.Besides the traditional moist potential vorticity(MPV)term,the invariant includes the moisture factor that is excluded in dry ERI and the term related to gradients of pressure,kinetic energy and potential energy that reflects the"fast-manifold"property.Therefore,it is more complete to describe the fast motions off the slow manifold for severe weather than is the MPV term.The moist ERI is then applied to diagnose a triple-typhoon system,and is compared with MPV and dry ERI.Contrastive analysis shows that moist ERI is a better tool to diagnose the movements and intensity variations of several coexisting typhoons.The moist ERI can signify the movement and development of a multi-typhoon system.It has wide application prospects for a real moist atmosphere.     

天然气水合物形成条件与含量影响因素的半定量分析

天然气水合物形成条件及其含量的研究是天然气水合物调查研究中最为关心的两个问题.从天然气水合物形成过程的热动力学理论模型出发,半定量地探讨了不同因素（温度、压力、气体组成、孔隙水盐度、沉积物孔隙大小等）对天然气水合物形成作用及含量的影响程度.结果显示,气体组成特别是丙烷的加入对天然气水合物形成的温度和压力条件影响最大,孔隙水盐度也会对天然气水合物形成的温度和压力条件产生重要影响,沉积物孔隙在一定范围内（1×10^-6m～4×10^-8m）对天然气水合物形成的温度和压力条件影响有限.天然气水合物含量受孔隙大小和盐度影响较小,主要只与气体的供应大小有关.     

全球电离层TEC起伏特性分析

利用全球电离层TEC地图（GIMs）数据,在已经建立TEC气候学模式的基础上,计算了1998年以来固定UT时间的全球TEC起伏指数σ_DGEC．采用偏相关分析方法对σ_DGEC与太阳活动（F107指数）及其起伏（dF107）、地磁活动（Ap指数）、季节变化因子（太阳偏置角）等因素,以及上述因素的非线性组合等的相关性进行分析,发现σ_DGEC与F107、Ap指数具有最强的相关性,与F107指数和半年变化因子的交叉项F107×S、F107指数的二次方具有较好的相关性,同时,与F107指数与年变化因子的交叉项F107×A及F107扰动指数偏离值（dF107）的二次方也具有一定的相关性．据此,以这些因子作为驱动量,建立了σ_DGEC的多元回归模型．鉴于σ_DGEC反映全球范围内电离层TEC起伏的平均特性,并与太阳活动F107指数、地磁活动Ap指数具有良好的相关性,为此我们建议,将全球TEC相对起伏指数σ_DGEC作为描述全球电离层扰动状态及电离层天气特征的一个新参量．     

利用S波高频衰减参数对云南地区地壳Q值成像

根据35个数字地震台站记录的云南地区1999 ~2007年6429个近震的波形资料,采用遗传算法对S波位移谱的高频衰减进行拟合,得到19009条衰减算子t^*数据.根据这些衰减算子t^*数据,反演得到云南地区地壳Q值分布.结果表明,云南地区的地壳Q值分布存在显著的横向不均匀性,即红河断裂北侧地壳Q值整体偏低,而红河断裂南侧地壳Q值整体较高.云南地区1900年以来6级以上强震基本上位于低Q值区域,这可能由于强烈构造活动导致地壳产生大量裂隙,且裂隙中充满流体,从而表现为低Q值;但呈北西向的龙陵—澜沧—耿马—孟连一带的强震却位于高Q值区,这可能与该地区正发育一条新的构造带有关.此外,云南地区的高大地热流点(>80 mW/m²)基本上位于低Q值区域,热流值与衰减值成负对应关系.     

湿饱和流中的Richardson数和不稳定的研究

本文推导了干、湿饱和流中的Ri数方程.选取华北的一次降水过程,利用模式输出资料计算并对比分析干空气、湿饱和流中Ri方程中的各项,发现干过程中水平风速的垂直切变对干Ri数的变化和不稳定的影响占主导地位,而在湿过程中,湿饱和Ri的分子(Brunt_Vaisala frequency, 简称BVF)对Ri数的变化及不稳定的影响可达到与分母相当的量级. 既然BVF在湿过程中对不稳定有非常重要的影响,我们寻找了更符合湿过程中实际情况的BVF表达式,以对Ri进行修正,从而更好地判断湿过程的不稳定.研究发现,由于考虑了气块的虚温效应和总的水物质混合比的变化,即考虑降水过程中部分液态水脱离气块,有效地减小了雨区的稳定性,使得修正后的湿Ri公式可能更适合于诊断雨区的不稳定.