低空急流和非均匀层结条件下重力惯性波的传播与发展

本文从基流背景下线性化Boussinesq方程组出发,采用WKBJ方法,首先求得重力惯性波的广义波作用量变化方程及波参数随波包的变化方程,讨论了基流切变对重力惯性波传播和发展的影响;然后用Runge-Kutta方法讨论了不同层结(含降水影响)下重力惯性波的传播路径。得到了降水强度大、静力稳定度小的区域对重力惯性波有“吸引”作用,因而引起重力惯性波能量的集中,进而触发和强化对流天气的结论。      

台风中－α尺度重力惯性波的发展与暴雨增幅

通过数值模拟和诊断研究得出，９２１６号台风暴雨的增幅过程与台风中－α尺度重力惯性波的发展、传播，非均匀层结的分布以及积云对流潜热反馈有关。大尺度非线性平流项的作用激发出大尺度的重力惯性波，积云对流潜热加热作用导致非地转风场扰动大大加强，从而使重力惯性波波幅加大，上升运动增强，暴雨加大。当重力惯性波向稳定度减小的方向传播时，波能量最易加强     

层结大气中重力惯性波的发展

应用WKB方法讨论了非均匀层结大气条件下重力惯性波的发展。分析表明,在水平方向上,当波动由层结不稳定度小的地方向不稳定度大的地方传播时,波将发展,从而修正了文献[2]的结论。     

影响惯性重力波活动规律的动力学因子研究

通过探测发现大气重力波有明显的活动规律:重力波强度在冬、春季强于夏、秋季,在5月和10月发生急剧减弱和加强的转变,无天气过程时晚上比白天强,尤其短周期的重力波,周期为40~80min的重力波平均强度最强,其他较弱。在斜压大气和考虑积云对流加热条件下,运用积云对流参数化、Taylor公式展开等方法,推导出惯性重力波的非线性KdV方程,求出其孤立波解,以此解释以上得出的大气重力波的活动规律:惯性重力波强度随风速垂直切变增大而增大,急流是最重要的惯性重力波波源,是重力波强度在冬、春季强于夏、秋季的主要原因,亚洲急流在5月和10月的北跃和南落,是重力波强度发生急剧变化的原因,急流下方是激发惯性重力波最强的地方。一般情况下,惯性重力波强度随着大气背景流场绝对涡度增大而增大,正涡度对惯性重力波起激发和增强的作用。当惯性重力波向下传播时,波的强度随层结稳定度(N2)增大而增大,由于太阳辐射的作用白天大气层结稳定度比晚上小,这解释了在无天气过程时晚上重力波强度强于白天的原因。惯性重力波强度和波的频率成正比,这解释了周期为40~80 min比周期为140~160 min的重力波强的原因。重力波强度还与非线性积云对流参数常数b及科氏力参数f成正比。     

梅雨暴雨期重力惯性波的发展与雨带的活动

由1991年7月5—6日一次梅雨期暴雨过程的中尺度扰动场分析, 发现高低层重力惯性波的发展与传播和雨带、低涡的发展与传播有密切的联系, 高低层重力惯性波有明显不同的传播形式。结果表明:降水初期, 对流不稳定激发出重力惯性波, 低层南部相对稳定, 有向南传播的重力惯性波, 高层出现传播的重力惯性波, 高低层向南传播的重力惯性波有利于多条雨带的形成; 降水中期, 高层的重力惯性波出现围绕低层涡旋中心逆时针旋转, 降水也开始加大并东移; 高层向北传播的重力惯性波可导致低层的涡旋和降水发展。     

中高纬地区与低纬地区重力惯性波特征的比较分析

通过引进无量纲动力学参数μ=(fK_y)/(fK_z),研究了非静力平衡模式中重力惯性波的特征。发现:由于地球自转角速度水平分量的影响,中高纬地区与低纬地区重力惯性波的频谱、传播特征和结构都有着明显的差异;详细讨论了波的色散关系,指出:在一定的不稳定大气层结下,存在着重力惯性波不稳定发展的临界波长,波长略长于该临界波长的低频重力惯性波,在水平方向传播时可以向波的下游频散能量,从而激发起新的波动。它们和雷暴高压:飑线等一类强对流天气的特征和结构颇为相似。     

静力稳定度对大地形降水影响的数值模拟研究

利用ARPS模式,通过调节过大地形山脉的湿大气静力稳定度进行敏感性试验,研究了湿大气静力稳定度对大地形降水的影响。结果表明,湿大气静力稳定度的改变影响了地形重力波的形成、维持和传播机制。当静力稳定度偏小时,地形重力波容易破碎,得不到有效维持;当静力稳定度偏大时,地形重力波又不易形成;仅当静力稳定度达到适合的强度时,地形重力波才能得到有效维持和传播。此外,垂直上升速度分布、辐合辐散运动及水汽的凝结输送等是影响大地形降水强度及分布状况的重要因素。     

大气层结的非均匀性对重力内波波射线的影响

文中利用ＷＫＢ近似，讨论了非均匀层结对惯性重力内波和纯重力内波能量传播路径的影响，得到了波的能量密度，广义波作用密度，和广义拟能密度守恒的条件，导得了重力内波不稳定的必要条件，给出了在波的传播过程中控制波射线折射的方程，得到了两类不同的临界层，最后还利用四阶Ｒｕｎｇｅ－Ｋｕｔｔａ方法计算了不同层结分布下的波射线。     

大气中的惯性重力内波作用密度守恒性

陈英仪等将大气中的波作用密度与稳定度问题联系在一起,阐述了 Rossby 波的稳定度和一些参数的关系,从而说明了波作用密度研究的重要性。本文采用 WK B 方法导出大气中惯性重力内波的波作用密度守恒。     

关于热带气旋尺度变化机制的初步分析

应用小参数方法和缓变波包理论分析了热带气旋尺度变化的主要原因。分析指出：热带气旋尺度变化主要决定于其内部要 通常的热带气旋内惯性性重力波由中心外传播的情况下，当层结稳定度和惯性稳定度参数随着离中心的距离增加而增加时，热带气旋尺度增加，它可以称为热带气旋“膨胀”；而当层结稳定度和惯性稳定度参数随着离中心的距离增加而减小时，热带气旋尺度减小，它可以称为热带气旋“收缩”。     

风速垂直切变下非均匀层结大气中重力惯性内波的稳定性

本文应用WKB方法研究了在弱非均匀层结大气中,当基本气流具有弱垂直切变时,重力惯性内波的稳定性问题.由导得的波能量方程出发,分析了风速垂直切变及非均匀大气层结对重力惯性内波波能变化率的影响.     

Properties and stability of a meso-scale line-form disturbance

By using the 3D dynamic equations for small- and meso-scale disturbances, an investigation is performed on the heterotropic instability (including symmetric instability and traversal-type instability) of a zonal line-like disturbance moving at any angle with respect to basic flow, arriving at the following results: (1) with linear shear available, the heterotropic instability of the disturbance will occur only when flow shearing happens in the direction of the line-like disturbance movement or in the direction perpendicular to the disturbance movement, with the heterotropic instability showing the instability of the internal inertial gravity wave; (2) in the presence of second-order non-linear shear, the disturbance of the heterotropic instability includes internal inertial gravity and vortex Rossby waves. For the zonal line-form disturbance under study, the vortex Rossby wave has its source in the second-order shear of meridional basic wind speed in the flow and propagates unidirectionally with respect to the meridional basic flow. As a mesoscale heterotropic instable disturbance, the vortex Rossby wave has its origin from the second shear of the flow in the direction perpendicular to the line-form disturbance and is independent of the condition in the direction parallel to the flow; (3) for general zonal line-like disturbances, if the second-order shear happens in the meridional wind speed, i.e., the second shear of the flow in the direction perpendicular to the line-form disturbance, then the heterotropic instability of the disturbance is likely to be the instability of a mixed Rossby–internal inertial gravity wave; (4) the symmetric instability is actually the instability of the internal inertial gravity wave. The second-order shear in the flow represents an instable factor for a symmetric-type disturbance; (5) the instability of a traversal-type disturbance is the instability of the internal inertial gravity wave when the basic flow is constant or only linearly sheared. With a second or nonlinear vertical shear of the basic flow taken into account, the instability of a traversal-type disturbance may be the instability of a mixed vortex Rossby – gravity wave.     

梅雨锋中尺度系统及其与大尺度运动相互作用的能量学研究

本文导出了二维非均匀介质中重力惯性波的频散方程、波列传播路径方程和考虑了中尺度与天气尺度运动之间相互作用的动能收支方程,并用于讨论了一个典型的梅雨锋过程。研究发现,由一条中尺度雨带强迫产生的重力惯性波的能量频散可能成为另一条中尺度雨带生成和维持的机制;中尺度与天气尺度运动之间相互作用所产生的动能交换是中尺度系统发展的一个非常重要的动能来源,在中尺度系统的维持中也有重要作用。      

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。     

层结大气中非线性椭圆余弦波和孤立波的研究

在前文采用半地转近似和行波法来研究层结大气中的非线性波动的基础上,进一步探讨非线性方程及其级数近似方程的解的稳定性,波动解的存在条件和波动的一些特征。研究指出,在平衡点附近,将非线性方程用其级数近似方程代替是可行的、合理的。在初始拟能满足一定的条件下,椭圆余弦波和孤立波是存在的。文中还求得了椭圆余弦波解的周期、ｘ向波长和振幅以及孤立波的宽度和振幅。并指出,孤立波的宽度和振幅不但与波速有关,还与β因子和层结稳定度有关,而且在相同的某条件下,西行的混合Ｒｏｓｓｂｙ－重力孤立波比起东行的惯性重力孤立波来,宽度要小但振幅却大。     

非均匀大气层结中大气惯性重力波的发展

本文用WKB近似方法导出了非静力平衡下惯性重力波的能量增长与大气层结在时间和空间上不均匀性的关系,并定义了一种新的重力惯性波的广义波作用量。     

DEVELOPMENT OF INTERNAL INERTIAL GRAVITY WAVES IN THE ATMOSPHERE WITH HETEROGENEOUS STRATIFICATION

In this paper,by the WKB method the relation between the energy increase of internal inertial gravity waves andheterogeneous atmospheric stratification is derived,and a new generalized wave action is defined and its conservation isproved.     

斜压切变基流中横波型扰动的特征波动──Ⅰ:谱点分析

文中对谱点的分布作了定性分析和数值计算。结果发现：当基流存在切变时,无论是重力惯性波还是涡旋波都存在连续谱。在通常的环境下,对天气尺度的扰动,3支波动的连续谱不重叠,3支波动明显可分;当扰动尺度小于临界波长l0时,可出现涡旋波和一支重力惯性波的两波连续谱区的重叠,当扰动尺度小于l0／2时,可出现涡旋波和一对重力惯性波的三波连续谱区的重叠,此时两种波动不可分。当出现重叠谱时,若出现不稳定扰动,其频率的实部落在重叠谱区。     

多单体雷暴的形变与列车效应传播机制

本文利用变分多普勒雷达分析系统(Variational Doppler Radar Analysis System,简称VDRAS)基础上构建的四维变分(4 Dimensional Variational assimilation,简称4DVar)低层热、动力反演系统,针对发生在北京地区的几次多单体雷暴系统演变过程,研究了线性多单体对流系统传播过程中发生的形变过程、强弱变化和“列车效应”等现象的物理机制.结果表明:(1)对于雷暴单体的传播方向与雨带的移动方向基本一致的多单体雷暴系统(如飑线系统),单体的传播速度不同最终造成多单体雷暴在形态上发生变化(如由直线形回波演变为“弓”形回波等),以及雷暴单体传播过程中的强弱变化等,是雷暴单体传播过程与低层环境大气相互作用的结果:如果雷暴前端的入流本身是暖湿的,并存在较强的水汽辐合现象时,雷暴单体发展更旺盛,传播速度更快,反之则趋于减弱,传播速度减慢.因此,对飑线系统的临近预报而言,需要特别关注多单体雷暴系统传播方向与近地面层中尺度水汽通量辐合带的交叉区域,该区域的雷暴单体“移动”速度更快、发展更为强烈.(2)对于“列车效应”多单体雷暴而言,其传播环境、传播机制与上述多单体雷暴系统几乎完全不同:“列车效应”一般发生在低空暖湿气流或低空急流附近,环境大气表现为条件性静力不稳定.雷暴单体的传播机制可能是惯性重力波的激发、传播的结果,由于西南暖湿气流或急流是一支暖湿气流输送带,惯性重力波由假相当位温θ_se的高值区向低值区传播,重力波将从背景场中不断获得能量而发展.因此,雷暴传播过程中不断增强的现象造成波动排列的多单体雷暴形成的最大降水中心往往出现在波列的前端.