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。     

斜压切变基流中横波型扰动的特征波动 Ⅱ:谱函数

“斜压切变基流中横波型扰动的特征波动Ⅰ谱点分布”一文中分析了斜压切变基流中横波型扰动的谱点分布，这里又对其谱函数进行了分析讨论。结果表明当基流在垂直方向存在切变时，重力惯性波与涡旋波的谱函数在垂直方向上均可出现临界层，临界层的高度随频率σ而变化，即重力惯性波与涡旋波都存在连续谱，但涡旋波与重力惯性波连续谱的结构却不同；对天气尺度扰动，两支重力惯性波和1支涡旋波的连续谱不重叠，此时每支波动仅有1个临界层；而对次天气尺度的扰动，重力惯性波与涡旋波的连续谱区会发生重叠，在连续谱的重叠区，重力惯性波仍只有1个临界层，但涡旋波则可以有2个或3个临界层。无论是涡旋波还是重力惯性波其连续谱的波包随时间都是衰减的，但涡旋波波包比重力惯性波波包衰减得慢。     

大气波动的波谱和谱函数──垂直切变基流中的波谱分析

作者研究了具有垂直切变基流时大气波动连续谱的重叠问题和临界层出现的情况。发现随着基流切变的增大和扰动波长的减小, 一支涡旋波和两支重力惯性内波的连续谱区会互相靠拢, 最后发生重叠, 这时已不能区分为快波、慢波, 而能否重叠的关键在于临界波长与扰动波长的相对大小, 基流切变越大, 扰动波长越短, 重叠现象就越严重。这可用作划分运动尺度的客观标准。当运动尺度大于临界波长时, 是大尺度的, 这时三支波动连续谱区互相不重叠, 涡旋波是准地转的; 当运动尺度小于临界波长时, 可认为是中尺度的, 此时出现连续谱重叠现象。采用该方法划分的尺度标准与通常的标准在量级上则相一致。     

大气横波型扰动连续谱的结构

采用数值方法计算了当基本气流有垂直线性切变、 层结参数为常值时横波型扰动的谱点和谱函数, 并将数值计算的结果与理论分析作了对照和讨论。当三支波动连续谱区相互不重叠时该计算结果与理论分析完全一致, 但当发生连续谱区重叠时则须采用谱函数重组的方法来得到连续谱的结构。重组的基本原则是在波谱重叠区对计算得到的谱函数作预处理后, 再对频率相邻的谱点和谱函数进行滑动平均, 并将该滑动平均后的结果作为重组后的谱点和谱函数。分析该重组后的谱函数可知, 此时扰动结构呈现涡旋－重力惯性混合波的形式, 出现了新波型。在连续谱三波重叠区域, 该混合波的谱函数在对流层中层有涡旋波的临界层并体现了涡旋波的性质, 在对流层的上、 下层则分别有顺、 逆传重力惯性波的临界层并体现了重力惯性波的性质。     

非线性垂直切变基流中横波型扰动的不稳定

通过数值计算扰动的波谱和谱函数,对垂直非线性切变基流中横波型扰动的不稳定作了数值研究,给出了不稳定谱函数的结构,讨论了不稳定的性质。主要结论有:在基流为非线性垂直切变时,对三支波动连续谱区互不重叠的天气尺度情况,此时出现的不稳定扰动其性质是准地转涡旋波的不稳定,即Rossby波的斜压不稳定。在中α尺度中高端,虽有涡旋波和重力惯性波连续谱区的部分重叠,但这时不稳定的性质仍是涡旋波的不稳定,即准平衡的斜压不稳定。在中α尺度低端,既有准平衡涡旋波的不稳定,又有非平衡的涡旋-重力惯性混合波的不稳定(第一类混合波不稳定)。中β尺度不稳定的性质则是非平衡的涡旋-重力惯性混合波的不稳定,包括第一类混合波不稳定和第二类混合波不稳定。上述情况与线性垂直切变基流的结论相一致,但这里因基流垂直分布较复杂,垂直方向会出现散涡比以1为界的多段交替分布。综上,对于横波型扰动,只要基流不是常数,且层结稳定,虽此时存在纯重力惯性波连续谱区,但均无纯重力惯性波的不稳定,只有涡旋-重力惯性混合波的不稳定。     

全球扰动的结构、演变及其球面Rossby波包表示

利用按谱函数展开的方法,计算和分析了正压球面Rossby波的连续谱和离散谱的波包结构、演变和传播特征,发现无论是结构、演变还是传播,连续谱波包和离散谱波包都很不相同.连续谱波包的传播速度不仅大小而且方向都随纬度变化;离散谱波包的传播速度只有大小随纬度变化,其方向在任何纬度上都是向西的.连续谱的波包和离散谱的波包在初始时刻虽然都表现为子午圈上不规则的波动,但随着时间的增加,二者的变化规律不同,连续谱的波包具有局部特征,主要表现在两个半球的中高纬地区,且随时间振幅迅速衰减;而离散谱的波包具有全球性质.将二者与整个扰动波包进行比较,发现:在中高纬度地区,连续谱波包的结构与扰动波包的结构相似,而在赤道地区,离散谱的波包与扰动波包相似.     

热带风暴中波动特征的研究进展和问题

在分析热带风暴眼壁和螺旋雨带中尺度波动特征最新研究的基础上，指出这些研究所忽略的问题，其中包括重力惯性波和涡旋Rossby波波解存在的前提条件和约束、理论分析与观测研究存在的差异等。提出一种基于准平衡动力条件下，热带风暴内中尺度扰动涡散运动共存时，区别于标准模混合的不可分的混合涡旋Rossby-重力惯性波，并讨论了位涡守恒条件下这一类不可分混合波的可能成波机制。利用高分辨率的模式大气资料，采用非对称波分量的分解方法分析了Bonnie飓风中的中尺度波动特征，结果表明，热带风暴中1波型扰动既具有涡旋波性质，但也存在散度扰动的变化，而2波型扰动则体现了明显的不可分混合波的特性。     

中尺度对称不稳定和横波不稳定的波动性质

使用纬向线性以及非线性切变基流下中尺度扰动的Boussinesq近似方程组，讨论了两种典型的中尺度扰动发生对称不稳定或者横波不稳定时，其不稳定的一些特征以及扰动的波动性质。研究结果表明：（1）对于扰动的等位相面平行于基本气流方向的对称性扰动来说，对称不稳定的波动实质是沿着与基本气流方向相垂直的方向传播的重力惯性内波的不稳定。基流二次切变对于中尺度对称扰动来说是一个不稳定因子，并且驱动不稳定的中尺度对称扰动在南北方向传播；（2）对于扰动的等位相面垂直于基本气流方向的横波性扰动来说，在基本气流为常数或者只具有线性切变的情况下，此时根本不存在涡旋Rossby波，横波不稳定的波动实质则是沿着基本气流方向双向传播的重力惯性内波的不稳定。如果考虑基本流场的风速存在二次切变或者非线性切变时，此时就会产生一支新的波动（涡旋Rossby波），涡旋Rossby波相对于基本气流^-U0是单向传播的，涡旋Rossby波产生的物理根源是基本流场的风速^-U二次切变（β＊=^-Uzz≠0），此时横波型不稳定可能是混合的涡旋Rossby——重力波的不稳定。实际大气中，涡旋Rossby波对于中够尺度对流云核、暴雨团等天气系统的发生、发展和演变的物理机制具有极其重要的意义。     

一次“北涡南槽”型广西强降水过程的数值模拟与诊断分析

利用一次台风的模拟资料,对台风内部的中尺度波动进行诊断。通过分析中尺度波的结构发现,台风内的中尺度波动具有重力惯性波和涡旋Rossby波的混合特征。一方面,波动的扰动高压对应于负的涡度扰动和反气旋性环流,扰动低压对应于正的涡度扰动和气旋性环流,波动的最大振幅出现在最大风速半径附近。另一方面,波动展示了强烈的辐合辐散和非地转特性。并提出了台风多边形眼墙和中尺度波动之间的联系机制模型。     

2007年3月3—5日辽宁省暴雪和大风天气的中尺度分析

使用中尺度数值模式WRFV2.2.1对辽宁省2007年3月3-5日的暴雪和大风天气过程进行了数值模拟,结合10min一次的地面自动观测站资料和数字化多普勒天气雷达探测资料,研究了中尺度重力波的结构及其环境场特征,探讨了波动的激发机制.对流层上层中尺度重力波生成在350-250 hPa(约9-11 km),周期为2-3h,水平波长30-40 km,波动沿水平方向传播约9h.地面气压扰动振幅约为2 hPa,周期为2-3 h,波动由西南向东北方向传播,方向与地面风向相反.沿波的传播方向,地面观测的逐时降水量呈波动特征,周期约为2h.对流层上层中尺度重力波减弱后,雷达降水回波强度出现显著的波动特征.对流层上层中尺度重力波生成在朝向脊区传播的高空急流出口区下方,300 hPa环境场具有显著的切变不稳定特征.波动生成在理查逊数小于0.25的地区,在中尺度重力波生成的高度上,暖平流强,风速低,风切变大.中尺度重力波生成地区出现显著的不平衡气流,拉格朗日罗斯贝数大于0.7,水平散度倾向出现明显的大值,其中-▽w·(e)v/(e)v的量级明显大于其他各项,表明对流层上层重力波的生成及发展与环境场的显著风切变有关.     

垂直切变基流中的非平衡不稳定

采用计算横波型扰动波谱和谱函数的方法,研究了当基本气流具有垂直线性切变、层结参数为常值时横波型扰动的不稳定,给出了不稳定扰动的结构,讨论了不稳定的性质。发现：对于三支波动连续谱区互不重叠的天气尺度情况,若此时出现不稳定扰动,其性质属于纯涡旋波的准地转不稳定,与Eady模态类似,是Rossby波的斜压不稳定;在中 尺度中高端,其不稳定性质仍是纯涡旋波的不稳定,即准平衡的斜压不稳定;在中 尺度低端则出现了第一类混合波的非平衡不稳定,包括涡旋-逆传重力惯性混合波的不稳定和涡旋-顺传重力惯性混合波的不稳定,前者低层体现了涡旋波的特点,高层体现了重力惯性波的特点,后者反之;在中 尺度波段,若存在不稳定则均为非平衡的涡旋-重力惯性混合波不稳定,其包括第一类和第二类混合波的不稳定,后者低层体现重力惯性波的特点,中层体现涡旋波的特点,高层则又体现了重力惯性波的特点。     

梅雨锋中尺度扰动的结构特征及稳定性研究

利用华东中尺度天气试验(1981—1983年)获得的1981年梅雨锋资料,分析表明梅雨锋降水带内大、暴雨雨团与中间尺度(medium scale)和中尺度(meso scale)扰动相联系,这些扰动是在baroclinic-CISK联合不稳定条件下发展的,最优波长的选择与二维波动的经、纬向波长变化、层结稳定、涡动粘滞性有关,中尺度扰动具有重力惯性波特征。     

华东飑线过程中的地面中尺度物理特征

本文利用华东中尺度天气试验资料和雷达回波,分析了9例强飑线过程中逐时地面物理量场的变化。提出中尺度散度场的配置及变化与中尺度强对流天气有十分密切的关系,而中尺度扰动辐合强度演变与锋前暖区内的中尺度扰动风场汇合线有关,这些关系往往能预示中尺度强对流天气的出现和发展。有时,在飑线发展的过程中具有中尺度重力波特征。     

β中尺度暴雨系统发生发展的一种可能物理机制I. 涡旋Rossby波的相速度

使用纬向基流下横波型扰动的Boussinesq近似方程组, 分析了这种沿着基本气流方向传播的中尺度扰动发生不稳定时, 大尺度背景流场在垂直方向上的各种分布特征.在大气层结比较稳定的情况下, 如果基本气流在低层和高层较大(有可能存在低空急流和高空急流), 此时产生的β中尺度不稳定扰动相对于基流向东传播, 甚至于快速向东传播.基本气流在垂直方向上的风速切变对于中尺度横波型的扰动起着不稳定的作用.如果考虑基流的二次切变, 可以得到涡旋Rossby波的相速度表达式, 涡旋Rossby波相对于基本气流是单向传播的.涡旋Rossby波产生的物理根源是基本流场的风速二次切变, 亦即基本流场y方向的平均涡度在空间z方向上的不均匀所致.涡旋Rossby波的相速度与纬向波数也有关, 它的能量是频散的, 其在纬向x方向也存在群速度.在基本流场的风速存在二次切变时, 横波型不稳定可能是混合的涡旋Rossby重力波的不稳定; 而在基本流场的风速仅仅存在线性切变, 不存在二次切变时, 横波型扰动的不稳定则是重力惯性波的不稳定.     

热带平流层多尺度波动分离方案的研究：多站点高分辨率无线电探空联合分析

利用太平洋地区台风过境期间6个热带气象站的高分辨率无线电探空资料,结合扩展经验正交函数（EEOF）展开,对热带下平流层行星波和重力波扰动进行了分离,给出了一种热带地区提取重力波扰动的新方案。对观测数据做EEOF展开后,选择表征行星尺度波动模态的特征向量和相应权重进行气象要素场的重建。结果显示,在不同的台风过程期间,温度、纬向风和经向风的重建扰动量显示出不同的动力学偏振关系:在准两年振荡（QBO）东风位相时与赤道开尔文波的偏振关系一致,而在准两年振荡西风位相时与混合罗斯贝-重力波（MRG）的偏振关系一致。把行星尺度波动模态从原始观测中剔除,得到新的扰动廓线,对其进行重力波垂直波数谱的谱型拟合。结果发现,与以往方法提取的重力波扰动相比,新方法所得谱型参数中特征垂直波长λ*在不同时期不同站点变化很小,稳定在1.7 km左右,且低频波数段谱斜率s的数值与理论假设1十分接近。综合其研究结果可以推测,用新方法提取的热带重力波扰动更加符合当前的理论垂直波数谱模型。      

β中尺度扰动的不稳定结构

计算分析了不同的环境场下,三种类型β中尺度扰动的不稳定结构,结果表明β中尺度对称不稳定的结构与α中尺度扰动不同,随水平尺度的减小,不稳定重力惯性波的垂直波数增大;斜交型扰动与横波型扰动不稳定的结构相似的,在Ri较小时,其流函数的垂直结构表现为"猫眼"流型,在Ri较大时,其流函数的垂直结构表现为不规则的波动流型,这说明在β中尺度范围内,这两种不稳定也是同源的.     

圆形涡旋大气中的横波不稳定

讨论涡旋大气中,存在沿切向基流传播的横波型扰动,并采用数值方法讨论了柱坐标系下圆形涡旋系统斜压气流中这类扰动的不稳定,这是一类中尺度的重力惯性波的不稳定.研究了涡旋环境大气的层结稳定度参数N2、切向风垂直切变Vz、凝结潜热、涡旋特性及科里奥利参数f0对不稳定增长率的影响.圆形涡旋中同样存在横波不稳定的Eady模态和中尺度模态,得到了中尺度模态的扰动场分布特征:流场的不规则"猫眼"结构及慢速传播的扰动均集中在低层,而快速传播的扰动均集中在高层的扰动特征.     

台风暴雨次天气系统影响因素及扰动传播路径

研究了台风暴雨次天气，中尺度系统发生、发展的影响因素。数值试验表明，台风外围环流与中纬系统相互作用可促发局地次天气尺度、中尺度系统的新生扰动、造成非均匀分布的台风暴雨动云团及雨，且一大地形强迫效应在暴雨系统形成中亦起重要作用。台风环流与地形辐合抬升作用可促发中尺度扰动，并以类似重力波特征的波列路径向外传播。     

β中尺度暴雨系统发生发展的一种可能物理机制Ⅱ.涡旋Rossby波的形成

使用二维中尺度横波型扰动的动力学方程组,探讨了该扰动的各种物理量场分布特征以及能量来源.结果表明,这种横波型的天气系统中扰动气压p'和扰动涡度ζ'在水平x方向上处于同位相或者反位相,扰动散度D'和扰动垂直速度w'在水平x方向上也处于同位相或者反位相,而扰动涡度ζ'与扰动散度D'在x方向上传播的位相相差π/2,只不过它们在垂直方向z上的分布结构有所不同.局地区域扰动发展的总能量来源主要是来自于平均场的有效位能和平均场的基流动能.最后,利用横波型扰动的总涡度守恒方程对涡旋Rossby波形成的物理机制做出了解释,并且提出了梅雨锋暴雨中β中尺度暴雨系统发生发展的一种可能物理过程.采用中尺度MM5模式的数值试验结果,也得到了与动力学理论上相一致的结论.     

中尺度斜交不稳定的波动性质及其数值模拟

使用三维中小尺度扰动动力学方程组,讨论了一类与基本气流方向成任意夹角的纬向线状扰动的斜交不稳定问题,其主要分析结论如下:(1)在基本气流的切变为线性切变的情况下,可以发生斜交不稳定。但是发生斜交不稳定必须要求沿着线状扰动方向的基本气流存在切变或者垂直于线状扰动方向的基本气流存在切变。此时,斜交不稳定的波动性质是重力惯性内波,而不存在涡旋Rossby波。(2)对于基本气流具有非线性二阶切变的情形,此时斜交型不稳定中的扰动除了包含重力惯性内波之外,还包含了涡旋Rossby波。对于本文所讨论的纬向线状扰动来说,涡旋Rossby波产生的物理根源是基本流场的经向风速V二次切变(β*=Vzz≠0),该涡旋Rossby波相对于基本气流V0是单向传播的。在中尺度斜交不稳定中,涡旋Rossby波的产生主要是由于在与线状扰动相垂直的方向上存在基本气流的二阶切变,而与线状扰动相平行的方向上基本气流是否存在二阶切变无关。(3)对于通常讨论的纬向线状扰动的情况,在基本流场的南北风速V存在二次切变(β*=Vzz≠0)时,即与线状扰动相垂直的方向上存在基本气流的二阶切变,则斜交不稳定有可能是混合的涡旋Rossby—重力惯性内波的不稳定。最后采用WRF模式,对2006年6月的一次福建闽江暴雨过程进行了数值模拟,部分验证了上述结论。通过分析6月6日13时降水区域平均的东西方向风速U随高度变化的曲线,发现在950—100 hPa的大气中,纬向风速U随高度的变化具有二次切变,在对流层低层以及高层附近纬向风速较小,而在对流层中层400 hPa附近的纬向风速则较大。在这种情况下,平均纬向风速随高度变化的二阶导数不为零,因此激发产生沿着纬向传播的涡旋Rossby波,这对于暴雨区域中β中尺度雨团的移动起到比较重要的作用。再分析6月5日23时和6月6日13时的850 hPa以及500hPa降水区域平均纬向风随南北方向的变化,发现在6月5日23时和6月6日13时的850 hPa层次上,都显示出平均纬向风速在南北方向具有二次切变;而在这两个时次的500 hPa层次上,平均纬向风速在南北方向不具有二次切变,只具有线性切变。说明在垂直方向上,对流层低层涡旋Rossby波容易被激发产生;而在对流层中层以上,由于不具备产生涡旋Rossby波的条件,因此不容易激发产生涡旋Rossby波,波动只是具有重力惯性内波的特征。