大尺度涡旋的正压不稳定

用极坐标中线性化的正压涡度方程，将大尺度圆形基流上扰动的稳定性问题化为广义特征值的问题，得到了扰动振幅增长率沿方位角方向波数的关系。然后以不稳定模态的扰动流函数场作为初始场，在强、弱两类圆形基流的条件下，用直角坐标中准地转正压模式，分别实施积分时间为６０ｈ的试验。结果在模式大气中，初始扰动均随时间而增幅；强圆形基流的扰动增幅更快，并形成与台风螺旋云系看似有些相近的结构。     

非线性正压临界不稳定

文中提出了一个新的广义能量作为Lyapunov函数,导出了包含两个联立不等式的一种新的非线性正压稳定性判据.并指出其中一个不等式是初始扰动振幅小于某一临界值,另一个则是摩擦系数大于另一临界值,前者对后者有很强的约束.该判据表明,在实际大气中对于有限振幅扰动容易产生正压亚临界不稳定,它大大地改进了以前的结果.     

1991 年江淮流域暴雨中不同尺度系统的相互作用

通过对1991年7月1～5日东亚地区网格点资料平滑滤波，将大气运动分解为大尺度背景场和中尺度扰动场。采用p坐标中湿大气动力学方程组，在两层模式中得到含有不同等压面、不同尺度系统非线性相互作用的方程组。经过简化，得到表征低层约700 hPa中尺度系统发展的物理量。低层系统的发展和衰减决定于该物理量的正负，也就是决定于200、500、700 hPa各等压面不同尺度的运动场、涡度场和温度场之间的相互作用。     

积云团对大气层结影响的模拟研究

文中设计了一个二维完全弹性的积云团数值模式 .模式中考虑了水平均一和时间定常的大尺度抬升速度的影响 .大度抬升速度只对热力学方程和水汽守恒方程有影响 .积云团的启动方式采用冷池和随机扰动相结合的方法 .文中对一个给定温湿层结和大尺度抬升速度情况下 ,就不同扰动结构、水平环境切变、模式区域大小和冷池强度等进行了 1 1个模拟试验 .结果表明 ,在不同扰动结构、是否有水平环境风切变、模式区域不同以及不同云型谱时 ,给定温湿层结和大尺度抬升速度下的积云团活动使得温湿层结向着同一温湿层结调整 .这说明大气由于积云团活动达到准平衡状态 ,这个准平衡状态主要依赖于初始温湿层结和大尺度抬升速度 .这与 Betts积云参数化方案的假设相一致 .     

一个大气定常波的线性初始方程谱模式

本文提出了一个可以用于大气定常波数值模拟的线性化初始方程三维谱模式。在模式中物理场的水平结构采用了球谐函数展开,而其垂直结构则采用了勒让德多项式展开。模式中包含了Newton冷却、Rayleigh摩擦及▽~4水平扩散等耗散作用。文中给出了模式参数选择、数值求解的详细方案以及该模式大气的扰动流函数场对于北半球大尺度地形和1979年1月平均非绝热加热场的响应的实际计算结果。     

干旱区绿洲诱发的中尺度运动的模拟及其关键因子的敏感性实验

利用一个非静力平衡的、高分辨的、二维中尺度大气数值模式，并在仅考虑简单过程的情况下，模拟了干旱区中绿洲所诱发的中尺度运动，并进行了这种中尺度大气运动的强度对绿洲水平尺度、绿洲与周围环境的水平热力差异、大尺度背景场水平风速和大尺度地表加热率等一些重要物理参数关系的敏感性实验研究。研究发现：中尺度大气运动强度随水平热力差异的增大而加强，随背景场水平风速和大尺度地表加热率增强而分别减弱。但随绿洲水平尺度的变化并不像前三个因子一样为单调函数，而是在绿洲水平尺度为20km时中尺度大气运动最强，绿洲水平尺度更大或更小时中尺度大气运动强度均会减弱。通过统计甘肃省河西地区的绿洲水平尺度分布规律，发现绿洲分布最集中的尺度在15－25km，与模拟所得到的能源发最强中尺度运动的绿洲水平尺度基本一致。     

夏季风时期南海扰动对大气热量、动量的调整

本文计算了1981年7月到9月南海区域的热量、动量收支,分析了扰动活跃期的运动场特征,讨论了次网格扰动对大尺度热量场和动量场的再分配作用。结果表明,扰动对大尺度场有两方面的贡献。一方面是释放凝结潜热,引起热成风调整,产生更有利于扰动发展的环境场,这是一个正反馈过程。另一方面是扰动对动量场的耗散作用,使运动场均匀化,破坏了扰动赖以存在的环境条件,构成负反馈过程。当正反馈过程占优势时,扰动发展;反之,当负反馈过程占优势时,扰动将消亡。      

平流层大气对对流层大尺度热力强迫的线性、定常响应

本文采用一个关于大气定常波的16层线性化原始方程三维谱模式,研究了冬季平流层大气对于对流层各种定常大尺度热力强迫的响应。研究结果表明,对流层中的热力强迫作用对于冬季平流层中垂直向上传播的行星定常波的维持有显著的贡献,平流层中强迫扰动的水平结构及其与对流层中扰动的差异与加热场的垂直结构有密切的关系。相对于强度和空间结构相同的强迫源而言,中纬强迫对于平流层的作用比低纬强迫更为显著。     

2008年1月我国南方持续雨雪过程的诊断分析

采用T213L31产品模式大气资料,对2008年1月我国南方雨雪过程的天气尺度的凝结函数降水、水汽通量辐合降水,以及对流不稳定与层结湿不稳定降水做诊断计算.结果表明,大尺度稳定性上升运动的凝结函数降水场和天气尺度波动的水汽通量辐合降水场,可以反映西风带天气系统,进而反映长波调整与更替及伴随"槽来脊去"的大尺度水汽场相变...     

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。     

非线性正压亚临界不稳定

文中提出了一个新的广义能量作为 L yapunov函数 ,导出了包含两个联立不等式的一种新的非线性正压稳定性判据。并指出其中一个不等式是初始扰动振幅小于某一临界值 ,另一个则是摩擦系数大于另一临界值 ,前者对后者有很强的约束。该判据表明 ,在实际大气中对于有限振幅扰动容易产生正压亚临界不稳定 ,它大大地改进了以前的结果     

一般多层准地转基本流的扰动发展 与非线性稳定性

考察了一般多层准地转模式中初值与参数共同扰动的情形。在初始扰动场仅依赖于初始扰动位势涡度、初始扰动边界速度环量与扰动参数的条件下,给出了扰动能量、扰动位涡拟能发展上（下）界精细的显式估计。进而在Lyapunov意义下广义非线性稳定性概念的基础上,得到了对应于Arnold 第二定理的非线性稳定性判据。本文工作推广了仅考虑模式中初值扰动情形所得到的相应结果。     

Generalized available potential energy

The kinetic energy generation in either the dry or moist atmosphere may be estimated by the same relationships if we introduce the new concept of generalized available potential energy. The largest magnitude of generalized availa-ble potential energy and corresponding reference state of either dry or moist atmosphere are calculated in terms of the initial conditions and entropy variation of the atmosphere. The obtained relationships are applicable for the statically unstable atmosphere as well. The generalized available potential energy associated with reversible processes reaches the maximum with respect to same initial state. While the generation of kinetic energy in irreversible processes is characterized by sudden changes. When the reference state is assumed to be saturated, we may predict the final tem-perature and moisture fields corresponding to provided initial state and entropy variation.     

THE LYAPUNOV STABILITY OF NONLINEAR WAVE MOTION IN THE BAROTROPIC NONDIVERGENT ATMOSPHERE

Introducing the concept of pseudo-momentum, a generalized Arnold-Dikii functional is established, and then thesufficient condition for stability of nonlinear wave motion in the barotropic nondivergent atmosphere is derived by useof variational principle. It is found that the stability of nonlinear wave motion depends not only on its streamfield distri-bution, but also on its phase speed for the propagating nonlinear wave motion. Moreover, the stability criterion of trav-elling modon is also obtained, and it is shown that the travelling modon is stable if the scale of disturbance superimposedon the travelling modon remains to be less than that of the travelling modon.     

热带和副热带湿大气的大尺度运动

本文对热带和副热带湿大气的大尺度运动的热力学性质和动力学性质进行了分析。结果表明,热带湿大气运动的性质与干大气有着巨大的差异,也与中、高纬度地区的大气运动有着很大的不同。指出热带是位势运动、辐合辐散和上升运动广泛盛行的地区。我们所得的结果与Charney对干大气的分析不一致,也与Murakami对湿大气的分析不一致。我们的结果与实际比较符合,从而证实了谢义炳教授最近提出的空气湿度对大气运动有重要影响的观点。同时,我们提出了一种反映热带大气具有强位势运动特点的风压场的关系,这种关系在任何中、高纬度地区风压场关系的研究中所不曾出现过的。     

梅雨期间次天气尺度扰动的动能平衡

计算了梅雨期间产生暴雨的次天气尺度扰动的动能分布及其乎衡。结果表明:1)在动能计算中不能略去风的散度部分;2)暴雨期间,扰动向周围大气输送动能;3)旋转风的动能产生率为负值,散度风在对流层下层和上层产生动能,两者之和仍是消耗动能。这样,次网格尺度对流在动能平衡中起着重要的作用。即在条件性不稳定的大气中,发展起来的温对流是湿斜压大气中重要的一种过程。上述结果有助于了解扰动的机制和改进数值模式的设计。     

广义非线性亚临界对称稳定性

从含摩擦耗散的f平面上Boussinesq近似下的非线性方程组出发,提出了一种新的广义能量作为Lyapunov函数,取消平均量是(x,z)的双线性函数的限制,并取平均量是(x,z)的任意函数,由此导出了一种新的广义非线性对称稳定性判据。此稳定性判据表明:不仅耗散系数必须大于某一临界值,而且同时初始扰动振幅也必须小于另一临界值。由此可见,后一条件对前一条件附加了一个很强的约束,当初始扰动振幅大于某一临界值时,容易出现非线性亚临界对称不稳定,它大大改进了以前同类工作的结果。     

大气中的耗散结构与对流运动

本文论证熵平衡方程可用来判断大气中对流和降水的发生,非线性热力学理论中的超熵产生可用来判断天气系统的产生.     

Applications of conditional nonlinear optimal perturbation to the study of the stability and sensitivity of the Jovian atmosphere

A two-layer quasi-geostrophic model is used to study the stability and sensitivity of motions on smallscale vortices in Jupiter’s atmosphere. Conditional nonlinear optimal perturbations (CNOPs) and linear singular vectors (LSVs) are both obtained numerically and compared in this paper. The results show that CNOPs can capture the nonlinear characteristics of motions in small-scale vortices in Jupiter’s atmosphere and show great difference from LSVs under the condition that the initial constraint condition is large or the optimization time is not very short or both. Besides, in some basic states, local CNOPs are found. The pattern of LSV is more similar to local CNOP than global CNOP in some cases. The elementary application of the method of CNOP to the Jovian atmosphere helps us to explore the stability of variousscale motions of Jupiter’s atmosphere and to compare the stability of motions in Jupiter’s atmosphere and Earth’s atmosphere further.     

Entropy production and coarse graining of the climate fields in a general circulation model

We extend the analysis of the thermodynamics of the climate system by investigating the role played by processes taking place at various spatial and temporal scales through a procedure of coarse graining. We show that the coarser is the graining of the climatic fields, the lower is the resulting estimate of the material entropy production. In other terms, all the spatial and temporal scales of variability of the thermodynamic fields provide a positive contribution to the material entropy production. This may be interpreted also as that, at all scales, the temperature fields and the heating fields resulting from the convergence of turbulent fluxes have a negative correlation, while the opposite holds between the temperature fields and the radiative heating fields. Moreover, we obtain that the latter correlations are stronger, which confirms that radiation acts as primary driver for the climatic processes, while the material fluxes dampen the resulting fluctuations through dissipative processes. We also show, using specific coarse-graining procedures, how one can separate the various contributions to the material entropy production coming from the dissipation of kinetic energy, the vertical sensible and latent heat fluxes, and the large scale horizontal fluxes, without resorting to the full three-dimensional time dependent fields. We find that most of the entropy production is associated to irreversible exchanges occurring along the vertical direction, and that neglecting the horizontal and time variability of the fields has a relatively small impact on the estimate of the material entropy production. The approach presented here seems promising for testing climate models, for assessing the impact of changing their parametrizations and their resolution, as well as for investigating the atmosphere of exoplanets, because it allows for evaluating the error in the estimate of their thermodynamical properties due to the lack of high-resolution data. The findings on the impact of coarse graining on the thermodynamic fields on the estimate of the material entropy production deserve to be explored in a more general context, because they provide a way for understanding the relationship between forced fluctuations and dissipative processes in continuum systems.