凝结加热条件下垂直切变基本流中的混合波不稳定研究

在实际大气中凝结加热对中尺度系统的发展起着重要作用,通过数值计算方法研究了扰动的波谱和谱函数,重点讨论在凝结加热条件下扰动不稳定的性质及特征。研究结果表明:考虑凝结加热时,在相同垂直切变条件下,随着波长的减小,不稳定增长率增大,即加热放宽了不稳定出现的条件,且尺度越小的扰动,对不稳定的条件要求越低。当Nse2 <0时,在大尺度和中α尺度波段,风切变有利于不稳定的发展,由风切变造成的动力学不稳定是主要的,而凝结加热造成的热力学不稳定处于次要地位;而在中β尺度波段,风切变则抑制不稳定发展,此时凝结加热造成的热力学不稳定处于主要地位。      

积云对流在非地转非线性斜压扰动发展中的作用

本文得到积云对流潜热释放和非地转非线性效应控制增辐斜压扰动解析式及CISK-斜压联合不稳定性对波长的选择机制.以一个包含了Ekman层效应的二层模式分析表明: (1)在适宜的积云对流情况下,由平流扩散、Ekman层摩擦、静力稳定度和加热系数等物理因素相互制约,扰动最大增长率的波长是属中型扰动范围,即2000一4000公里波长的扰动是联合不稳定的最不稳定的波. (2)积云对流潜热是引起中型扰动不稳定的主要能量源,它既是扰动发展的驱动机制,又对发展的爆发提供了比从基本气流得到的能量大得多的有效位能,它激发了斜     

非线性斜压不稳定问题中的摩擦和对流凝结加热作用

本文用β平面两层准地转斜压模式,讨论了具有摩擦耗散作用和对流凝结加热作用的斜压不稳定有限振幅问题,并对所得的有限振幅斜压波的振幅控制方程进行了数值积分。结果指出,在无耗散作用时,斜压不稳定波的振幅是周期振荡的。当摩擦耗散作用仅存在于下层时,不稳定波振幅最终趋于一个为零的平衡态;当上下层都存在摩擦耗散时,对流加热强度较弱(即m~*<1),则存在着一个振幅为零,另外两个为非零的多平衡态,而扰动波振幅最终趋于非零的平衡态。对流加热较强时(即m~*≥1),则仅存在振幅为零的单个平衡态,扰动波振幅最终趋于这个平衡态。     

对流凝结加热与不稳定波

本文用综合考虑Ekman-CISK和CMM-CISK机制的柱对称模型,讨论了对流凝结加热廓线对不稳定波的影响。分析和计算结果表明,对流凝结加热廓线对不稳定波有显著影响。 通过CISK 机制对流凝结加热不仅可以产生常定不稳定波并且还可以产生一种有周期性变化的振荡型不稳定波,低层有最大的凝结加热分布更有利于振荡型不稳定波的产生。积云摩擦作用是形成最不稳定波的波长选择性的重要因素,而凝结加热廓线也对这种选择性有直接影响。不稳定波的垂直结构随加热廓线的不同而有明显的差异。 对流凝结加热廓线还直接影响能量的产生和转换。最大加热层越高,则产生最大有效扰动位能的高度就越高。更有意义的是,这时有效扰动位能向扰动动能转换的效率也愈高。因此,对流凝结加热廓线的不同可能是热带低压扰动仅部分发展为台风而另一些不能发展的重要原因之一。     

大尺度加热与东西风带中不稳定扰动的激发

文中通过一些简化假定,得到了包括非绝热加热的一参数模式。导得加热存在下的正压不稳定的必要条件是β-d~2u/dy~2 q~2u S~2H/K=0,研究了大尺度加热对东西风带不稳定扰动及定常波型扰动的作用。结果指出,加热场对东西风带正压不稳定扰动的影响与加热和流场的相对配置有关。此外,大尺度加热可以在西风带激发出定常波型扰动,而在东风带只能产生衰减型扰动。激发西风带定常波型扰动的非绝热加热场的水平半径尺度,应大于L_c=(u/β)~(1/2)。最后还考虑了摩擦的作用。     

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     

大尺度环境场和CISK与西南低涡发展的动力学分析

本文根据文献1)提出的用CISK理论研究西南低涡发展的设想,采用早期最简单的积云参数化模式,把积云对流同低层次天气尺度扰动联系起来,用描述大尺度环境场和积云对流对次天气尺度扰动作用的方程组,在简单两层模式中求解,分析了影响西南涡发展的各个因子,讨论了发展型西南涡在模式中的简单结构。     

论江淮气旋生成的一种机制

本文从理论上探讨了夏季江淮气旋生成的一种机制。理论分析和理论计算说明,江淮气旋的生成是积云对流与天气尺度的气旋性扰动间正反馈的结果,其机理类似于热带海洋上台风的形成。较深厚的积云对流所造成的凝结加热和涡度混合是气旋生成的主要原因。没有积云活动,仅仅是大尺度凝结加热不大可能促成这种气旋的生成。     

北太平洋SST涛动与华北夏季降水异常

本文给出了热带地区大气边界层顶的垂直速度,并以此对积云对流加热进行了参数化。用垂直二层楼式讨论了在积云对流加热作用下赤道波的线性稳定性性质。结果表明,在加热强度因子η=O(1)的情况下,由波动自身在大气低层的辐散辐合进行参数化的积云对流加热仅仅引起波动的频率修正,它对波动的不稳定增长率没有贡献;而由边界层旋转抽吸进行参数化的积云对流加热可直接引起波动的不稳定增长。当η>0.5时,由边界层旋转抽吸进行参数化的积云对流加热便使赤道波出现不稳定增长;重力型波动均存在有限波长的最大增长率;Rossby型波动的不稳定增长率远较重力型波动大。此外,由边界层旋转抽吸进行参数化的积云对流加热也会引起波动的频率修正。在此修正下,Kelvin波成为频散波.     

第二类条件不稳定理论及其进一步研究

第二类条件不稳定(CISK)最初是由 Charney和 Eliassen 以及 Ooyama 提出的。CISK 理论的实质是天气尺度的低压扰动和小尺度积云对流间的相互促进。也正是由于考虑了台风发生发展过程中低压扰动和积云对流间的正反馈过程,CISK 概念能较好地解释台风发生发展的一些基本特征,并成为目前公认的台风发生发展的重要机制。CISK 理论的出现也不是偶然的,它是台风天气学和动力学发展的结果。CISK 理论之前的许多天气学分析已经指出,水汽凝结加热对于台风的形成和维持有重要的作用,而且 Riehl 和 Malkus等又将“热塔”(hot tower)概念引入台风研究,认为台风中的凝结加热主要来自为数不多的深厚积云塔(其云顶可达12公里以上)。在理论上,CISK 之前已有了静态(steady-state)理论,即将台风作为一个对称的,自由转动的涡旋处理。静态理论不仅说明了台风系统中风场、气压场和温度场     

增长模在热带地区发展的分析研究

利用T63L9全球谱模式对制作集合预报的增长模繁殖法(BGM)在热带地区的适用性进行研究,分析了在热带地区扰动增长的机理。设计与物理过程、积云对流参数化方案及湿物理过程有关的3个敏感性试验及1个控制试验。为了讨论不同物理过程对BGM生成扰动的影响,定义扰动动能变化率对试验结果进行分析。结果表明:在热带地区积云对流强盛区内风场扰动能够快速增长。扰动增长机制在热带地区与中高纬地区有本质区别,热带地区扰动的发展主要受物理过程的作用,其中模式积云对流及湿物理过程对扰动中快速增长的部分起着至关重要的作用。中高纬地区扰动发展与背景场的斜压不稳定有关。     

初始扰动对冰雹云发展影响的数值研究

在水平均一的初始场中触发对流的发生可采用热力扰动和强迫抬升两种方法,但扰动的方式、强度和范围的不同对模拟的对流云的发展有着重要的影响。本文利用一次冰雹云发展前期的实测探空资料,对热力扰动的强度、范围进行了数值试验,结果表明：在同样的层结条件下,随着扰动强度、厚度的增加,所模拟的冰雹云的强度也增加,且以湿热泡扰动触发的冰雹云最强,其次是湿泡,而热泡扰动最弱。但无论以何种方式启动,只要模拟的冰雹云的云顶高度相当,云体的宏微观特征差异就不大。     

加热场的三维结构对亚洲夏季风环流的影响

本文利用原始方程线性波模式考察了加热场的三维结构对夏季定常行星波特性的影响;比较了不同加热方式对亚洲夏季风坏流的形成及维持所起的作用。指出与低纬深厚积云对流相联的凝结加热对亚洲夏季风环流所起的重要作用和大气定常行星波响应对加热场的垂直结构的敏感性。     

大气凝结水汽汇、凝结潜热作用与积云对流参数化

从引入包含质量(水汽)源、汇的连续方程出发,重新推导出大尺度凝结降水和积云对流凝结降水之水汽汇起作用的热力学方程,从而重新给出气压、气温预报方程及地面气压与高空位势高度预报方程。发现,在此基础上,才能实现凝结3个作用:气块水汽质量流失与气压降低;气块虚温降低;加热气块;和通过大气运动方程,实现大气凝结潜热“热机”作功。这时,对于预报气压、气温场,积云对流参数化方案中的参数在凝结3个作用中保持一致。否则,通过积云对流参数化方案,虽可以近似实现对于预报气压和气温场的凝结3个作用,但不可能调好参数的降水物理特性及其时空分布特征。且对于静力模式预报地面气压和高空位势高度场,不可能实现上述的第一凝结作用。最后表明,当模式分辨率提高到只用降水显式方案、不再用积云对流参数化方案后,则必须引入包含水汽源、汇的连续方程。因在热带海洋面上的水蒸发过程,水汽进入大气将改变地面气压场,且蒸发潜热可分为内潜热(水汽内能)和外潜热(水汽压力能),内潜热立即成为大气热能的一部分,而外潜热直接对大气层作功,使得大气位能增加。文中研究了大气中的大尺度凝结降水和积云对流凝结降水对气压场与位势高度场的影响。一般积云对流参数化方案都已考虑内潜热对大气的加热作用,但还须考虑因凝结与降水造成地面气压场及高空位势高度场的变化,后者应是外潜热作用的结果。在上述研究过程中,必须引入考虑凝结作用的连续方程,且最终可以改变有降水(包括大尺度凝结降水和积云对流凝结降水)发生时的数值预报模式动力框架。     

暴雨中尺度环境场特征及积云对流的反馈作用

本文利用一套具有中尺度分辨率的观测资料,对发生在1983年6月下旬的一次长江流域梅雨暴雨过程进行了诊断研究,并比较了该过程的对流降水活跃期和非活跃期的中尺度环境场特征。结果表明,两个时期的动量场存在明显差异,而水热场差异不大,Q₁和Q₂以及涡度收支也存在明显差异。在降水活跃期（暴雨集中期）,积云对流对能量和涡度的垂直输送有着重要作用;在水热收支中,起主要作用的是垂直输送项,潜热加热基本上为抬升冷却所平衡,水汽的垂直输送是积云对流的主要水汽源;在涡度收支中,低层散度项和扭转项制造正涡度,并通过积云对流向上输送,无论在低层或高层积累的正涡度都被平流非线性过程所耗损。      

地形与积云对流对重力惯性波不稳定增长的影响

利用一个带有地形的二层均质流体模式,引入参数化形式的积云对流加热反馈,研究了重力惯性波的不稳定增长及传播,得到并讨论了一些接近天气实际情况的结果。      

EFFECTS OF THREE-DIMENSIONAL STRUCTURE OF HEATING FIELD ON THE SUMMER MONSOON CIRCULATION IN ASIA

In this paper,a primitive equation linear wave model is used to examine the effects of three-dimen-sional structure of heating field on the behavior of stationary planetary waves in summer and to comparethe roles of different heating functions for the formation and maintenance of summer monsoon circulationin Asia.It is shown that the aloft heating connected with the latent heating,especially the deep condensationheating associated with the cumulus convection in low latitudes,plays a crucial part in the Asian summer mon-soon and the structures of planetary wave responses are quite sensitive to the vertical distribution of heating.     

A DIAGNOSTIC STUDY OF AN EXPLOSIVELY DEEPENING OCEANIC CYCLONE OVER THE NORTHWEST PACIFIC

The vertical motions and secondary circulation of an explosively deepening oceanic cyclone,which oc-curred over the Northwest Pacific Ocean and was in conjunction with 200 hPa-level jet stream and hascentral pressure falls of 33.9 hPa/24h,have been computed from seven-level nonlinear balance model and Saw-yer-Eliassen-Shapiro equation for the transverse ageostrophic circulation.The vertical motions are partitionedinto contributions from large-scale latent heat release,effect of cumulus heating,thermal advection,differen-tial vorticity advection,etc.,while the secondary circulation stream function is partitioned into contributionsfrom geostrophic deformation,transfer of momentum and heat in the area of cumulus and diabatic heating.The principal results are the following.Large-scale latent heat release is very crucial to the explosive de-velopment of cyclones.If there is enough transfer of moisture,the positive feedback process between ascentof air and large-scale heating would work.The cumulus heating and the transfer of momentum and heatin the area of cumulus play an important role during the explosively deepening stage.Thermal advection isthe initial triggering condition for large-scale heating and the conditional instability for the convection ofcumulus.     

积云凝结加热对海陆风的作用

本文用参数化方法研究积云凝结加热对海陆风的作用。第一部分是线性理论,在静力稳定度参数和湍流扩散系数为常数时,加热使风场的结构发生很大的变化。积云加热还起到修正静力稳定度的作用。第二部分是数值模拟,加热作用的主要贡献是使垂直速度增大,若海陆风是暴雨的触发机制,则积云凝结加热使这一机制加强。比较两部分结果,它们之间有一定的差异,但在风场的变化与加热场分布的对应关系上,两者是一致的。