冷涌结构及冷涌期中低纬环流相互作用的数值试验

本文利用1982年12月下旬一次冷涌过程的数值试验结果,分析了冷涌的结构并初步讨论了冷涌期中低纬环流的相互作用。结果表明,冷涌仅在近地面反映清楚,水平流场上表现为由大地形激发的开尔文波引起的东北大风沿青藏高原东侧迅速南下,而冷涌前沿则是以重力波特征向南传播。Hadley环流随冷涌南进不断加强。冷涌在涡度场和散度场上分别为一条状北倾的正涡度区和辐合区,它对应于冷锋南下时造成的上升运动区。冷涌能引起赤道地区的扰动加强和中纬度对流层高层西风急流的增强。冷涌期中低纬地区能量增大,通过能量的频散作用把中低纬环流连结起来了。      

中尺度大气运动中孤立重力波特征的研究

通过对斜压大气(基本风场有垂直切变)运动中重力内波的研究发现:对于小振幅扰动(弱非线性问题),考虑波动之间的非线性相互作用以后,控制重力内波波包(调制波)的演变方程是非线性Schrodinger方程.然后通过对冷锋爆发冷涌过程的计算表明:冷涌主体前沿的宽度约10km,行进速度约为13/s,随着冷涌的增强,其宽度变窄.这些计算结果与实际的观测结果比较一致.     

不同形状初始涡旋和热力强迫能量频散特征的数值研究

用谱方法求解球面无辐散正压涡度方程，讨论了不同形状初始涡旋和热力强迫能量频散特性的差异。结果表明：１．在不同结构的环境风场下，差异是没的。环境风场为零或西风时，不不形状的初始涡旋或热力强迫能量频散方向，１速度，强度的差异均较大，但在半球模式中经向频散均很小，能量以向东传播为主。有东风风场存在时，只表现为频散强度的差异，且向极传播的波形波长较长，向南传播的波列波长较短。２．以上线性结果中用波射线跟踪     

两次冷涌过程的分析

本文利用两次船舶航行实测资料及部分常规观测资料研究了两次冷涌过程的时—空结构。除进一步证实了冷涌具有重力波特征的论点外,还得出了几点初步结论:(1)这两次过程前缘的传擂速度为20—2米秒-1,很接近重力内波波速的动力气象理论值;(2)某海区冷涌到达之前的大气层结决定了冷涌是否具有重力波特征:(3)以重力波传播的冷涌比平流移动的更有效地把能量传至低纬洋面。      

半地转近似下的混合Rossby－重力椭圆余弦波

在半地转近似［１］下，利用层结大气中的涡度方程、散度方程、连续方程和绝热方程结合行波解的方法得到了关于垂直速度的单一变量方程。这是与ＫｄＶ方程相应的非线性常微分方程，可得到椭圆余弦波或弧立波。此波动的频率有两种，表明层结大气中存在着两种性质不同的非线性波动。其一是东传的惯性重力椭圆余弦波，另一是混合Ｒｏｓｓｂｙ－重力椭圆余弦波，其性质介于Ｒｏｓｓｂｙ椭圆余弦波与西传的惯性重力椭圆余弦波之间。这两种非线性波的相速不但与波数和振幅有关，而且与β因子和静力稳定度有关，即纬度越低，则传播越慢；大气越稳定，则传播越快。     

深对流系统中初始误差增长和传播的热动力机制

利用WRF模式模拟一个典型的超级单体风暴,揭示了深对流系统中初始误差增长和传播的热动力机制,讨论了系统的高度非线性作用和可预报性等问题。结果表明：影响深对流系统发展强度的不稳定能量和潜热释放是影响误差增长和空间分布的主要因素;误差增长主要集中在对流区,对流区域外的初始扰动有向对流区域传播的趋势,并可在对流区域内迅速增长。随着对流系统的强烈发展,量级为O(10^-2)的初始扰动在210 min时即可达到量级O(10⁰),反映了系统高度的非线性作用和单一确定性预报显著的局限性。另外还发现,初始扰动对的相关性迅速增加,这将导致集合离散度偏低,给集合预报捕获极端天气的能力设置了障碍。误差的传播主要以声波和重力波两种波动形式传播。声波主要表现在积分初期,能量较小。重力波则能够在对流系统以外的区域激发新的对流中心(目前这种误差是不可预报的),进而限制了系统的可预报性。     

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.     

南海夏季风爆发前后扰动演变及其数值研究

以球面正压涡度方程为数学模型,建立了线性和非线性的数值积分模式,通过在模式中设置不同的基本流场和初始扰动场,研究基流和初始场对扰动发展的作用,揭示在球面正压大气中扰动发展的动力学机制。数值试验结果表明:在线性模式中,扰动的移动和发展与基流的分布有着很密切的关系,基流影响着扰动纬向传播的速度和方向; 在非线性模式中,当基流稳定时,扰动的移动以及传播与线性模式的结果相同,但与线性情况的最大区别在于,此时扰动能量的增长存在上限。同时发现,扰动的发展既依赖于基本气流的分布,也依赖初始扰动的结构;南海夏季风爆发前后的基本流场是正压不稳定的,且这种不稳定在季风爆发时达到最强,这可以成为季风爆发的动力学解释。     

GRAPES区域扰动预报模式动力框架设计及检验

设计了适用于四维变分同化系统的扰动预报模式GRAPES_PF。根据GRAPES的地形追随坐标非静力原始方程组,采用小扰动分离方法推导微分形式的线性扰动预报方程组,并利用与GRAPES非线性模式相似的数值求解方案求解线性扰动微分方程组。在设计扰动预报模式时采用了两个时间层半隐式半拉格朗日方案对动量方程、热力学方程、水汽方程和连续方程进行时间差分,空间差分方案的变量分布水平方向采用Arakawa C跳点网格,垂直方向采用Charney/Phillips跳层。利用代数消元法进一步推导得到只包含未来时刻扰动Exner气压的亥姆霍兹方程,进而通过广义共轭余差法（GCR）求解,在此基础上得到未来时刻扰动量的预报值。基于所开发的扰动模式开展了数值试验。首先在非线性模式中施加一个中尺度初始扰动高压,得到初始扰动在非线性模式中的后续演变,然后将相同的初始扰动作为扰动模式的初值进行时间积分,将扰动模式预报的结果与非线性模式的结果做了对比。结果表明,所开发的扰动模式GRAPES_PF较好地模拟了惯性重力内波的传播过程:初始高压扰动激发了一个迅速向外传播的惯性重力内波,在气压场向风场适应的过程中,水平风场、垂直运动、位温和湿度等变量均出现了扰动增量,与非线性模式得到的结果相当接近。GRAPES_PF作为GRAPES非线性模式的合理线性模式为建立基于线性扰动预报的区域四维变分同化系统奠定了科学基础。      

切变基流对赤道大气波动稳定性的作用

在赤道β平面近似条件下，使用纬向切变基流下线性化Boussinesq方程组，分析了在纬向切变基流下几种赤道大气波动的稳定性特征。研究结果表明，基本气流的水平切变对赤道大气波动起到不稳定的作用，但是对赤道大气Kelvin波的频率、稳定性以及传播的相速度并不起作用。基本气流的水平切变使得相对于基本气流向东传播的重力惯性内波相速度减慢，而使得相对于基本气流向西传播的重力惯性内波的相速度加快，却造成相对于基本气流向西传播的Rossby波相速度减慢。基本气流的水平切变对于对赤道混合Rossby-重力惯性内波的影响主要取决于纬向波数k值的范围大小。当纬向波数k值较小时，基流的水平切变使得相对于基本气流向西传播的混合Rossby-重力惯性内波相速度加快；而当纬向波数k值较大时，则使得相对于基本气流向西传播的混合Rossby-重力惯性内波相速度减慢。在半地转近似下，风速水平切变的存在，会使得波长较大（纬向波数k→0）的赤道Rossby波相对于基本气流向西传播的相速度减慢；而风速垂直切变的存在，必然会引起这种波长较大（k→0）的Rossby波出现不稳定增长，同样也会造成赤道Rossby波相对于基本气流向西传播的相速度减慢。最后通过扰动发展能量方程，说明了基本气流的水平切变和垂直切变可以为扰动的发展提供能量来源。     

理想海域中台风引起的潮、流及波的分析 Ⅱ.海岸及陆架的影响

采用理想的大陆架地形和台风模型计算了不同方向登陆的台风所激发的海洋响应。结果表明,岸边的潮位变化主要是由于台风引起的强迫振动造成的。而对于登陆型台风来说,在远离台风路径的地方,潮位的变化则是由于边缘波效应。对地平直海岸和二维大陆架,自由边缘波的振幅远小于强迫波的振幅。平行海岸移行台风在岸边产生随台风一起移动的强制波,其中当台风沿着与Kelvin波相同的方向移行时,岸边有陆架波产生,反之则没有陆架波。此外,还讨论了与风暴潮相关的近岸环流。     

大气动力学中三种Rossby波作用通量的特征差异和适用性比较

大气动力学诊断Rossby波的传播时,通常用波作用通量来表示。常用的三种波作用通量分别为Plumb波作用通量,T-N波作用通量和局地E-P通量。本文详细讨论了这三种方法的特征差异,并结合2016年1月的一次寒潮事件,比较了三种方法在该事件中的适用性。结果表明:1)Plumb波作用通量的纬向分量较大而经向分量较小,适用于振幅较小的纬向均匀的西风带Rossby长波的诊断。2)T-N波作用通量是对Plumb波作用通量的改进,经向分量得以增强,能更好地描述纬向非均匀气流中的较大振幅的西风带Rossby长波扰动。T-N波作用通量计算时,背景场取多年平均的当月气候场较合适,能更好地反映当前季节内的Rossby波传播异常。3)局地E-P通量可以诊断一段时间内天气尺度瞬变波对背景场(定常波)总的调控作用,但无法直接反映Rossby长波的逐时演变(T-N波或Plumb波作用通量则可以)。     

论陆架波系动力学及其在厄尔尼诺信号传播中的作用

文中讨论了陆架波系和赤道波系在动力学上的相似性，和赤道波系一样，陆架波系也由惯性重力波、Ｋｅｌｖｉｎ波、Ｒｏｓｓｂｙ（长、短）波和有条件的Ｒｏｓｓｂｙ－重力混合波组成。指出，当　海洋三边存在陆架而一边为赤道时（如北太平洋），则陆架波系和赤道波系中的Ｋｅｌｖｉｎ波，　将以逆时针方向携带信号绕海盆一周，而两个波系中的Ｒｏｓｓｂｙ长波，将以顺时针方向绕海盆一周，即通过陆架波和赤道波为海洋中某些信号的传播组织成一个绕海盆的环路。这种物理　过程可望用以解释发生在海洋中的某些长周期现象，如Ｅｌ　Ｎｉ　ｏ现象。文中进一步　讨论了陆架波的各种简化运动。     

垂直切变流中非线性重力波及其相互作用

利用多重尺度摄动法，推导出斜压大气中(基本风场具有垂直切变)两个非线性重力波相互作用方程，这两个方程联立组合为耦合非线性schrǒdīnger方程组。两个重力波相互作用时可激发出重力驻波。数值计算表明：两个孤立重力波相遇，相追会使波振幅增大，波宽变窄。强烈对流天气突然爆发的可能原因之一是中尺度重力波非线性相互作用的结果。     

低纬大气Kelvin波和Rossby波的非线性相互作用

利用多重尺度摄动法,对低纬大气Kelvin波和Rossby波的波包演变进行了分析,得到两波的非线性相互作用方程为耦合的非线性复系数Landau方程组。数值计算表明两波相遇将使波振幅变化,波宽变窄;两波非线性相互作用可能是低纬强烈天气突然爆发的原因之一。     

副热带环流系统在福建春季中期预报中的应用

应用谐谱分析同天气图相结合的方法，将１９８９－１９９２年春季２－４月（其中缺１９８９年４月资料）副热带地区超长波分东进型，西退型和稳定加深（强）型；长波分为准静止长波、不连续西退长波和东进长波三种类型，不同的超长波，长波流型给福建春季带不同的中期天气过程。     

北半球冬季准定常行星波的三维传播及其年际变化

作者回顾了应用叶笃正先生所创立的Rossby波频散理论,来研究准定常行星波在三维大气的能量频散以及在北半球冬季三维大气中的传播规律,并应用NCEP/NCAR再分析资料和由大气环流数值模拟所得的模式资料的40年风场、温度场资料计算了冬季北半球准定常行星波的E-P通量.计算结果表明了北半球冬季准定常行星波在三维大气传播具有沿两支波导的传播特征,这与从理论分析所得的结果相吻合.作者还分析了冬季准定常行星波的E-P通量分布的年际变化,分析结果表明了准定常行星波在北半球冬季三维大气中传播的这两支波导有明显的年际振荡;并且,从冬季准定常行星波的E-P通量辐散辐合的年际变化与北极涛动的年际变化相比较,发现准定常行星波两支波导的年际振荡直接影响着北极涛动(AO),因而说明了准定常行星波活动的年际变化可以影响对流层的气候变化.     

Seasonal Variation of Stationary and Low-Frequency Rossby Wave Rays

The wave rays and their seasonal variation of stationary and low－frequency Rossby waves are studied by using the Runge-Kutta scheme. The results show that for stationary waves the rays can reach lower latitudes in winter, and are limited in higher latitudes in summer. The main differences between the stationary and low-frequency wave rays are that low-frequency waves can propagate across the equator and the easterlies will not be an obstacle on their propagation. It explained to some extent the interaction of disturbances between the Northern and Southern Hemi-spheres. The lower wave frequencies and the stronger easterly flow are, the more difficult low-frequency waves will be to propagate across the equator. The waves with 20-day period are easier to propagate across the equator than that with 50-day period. The winter is the most favorable season for low-frequency waves to propagate into another hem-isphere.     

二维波状地形上的流场

在一个简化的二层模式中，求解大气波动方程，得到了二维波状起伏地形上扰动流线的分析解。研究了在上、下两层大气中，不同的温度廓线和风速廓线情况下，地形引起扰动的流场形式，同时讨论了支配扰动振幅的大气因子和地形特征。分析解的结果表明:若大气低层为深厚的不稳定层，地形引起的波动很微弱;如低层大气强稳定，上层大气弱稳定，则可能产生较强的波动;而当上层稳定度增加时，可产生非陷波，有利于高层动量下传，造成较大的地面风速。