旋转大气中运动的多时态特征和时间边界层(Ⅱ)

在前一文中,我们利用尺度分析的方法与时间边界层的概念,对大气中大尺度运动的多时态特征进行了分析和讨论,指出这种多时态的特征是旋转大气中的一种固有现象,但是这种多时态特征是否会因运动尺度的改变而改变呢?这就是本文所要继续进行分析的问题。     

论大气运动的多时态特征——适应、发展和准定常演变

对中国气象学家在地转适应和运动多时态特征方面的研究作了概要性总结。其中主要介绍在风、压场的地转适应以及适应过程完成后,尚可区别出以Rossby波频散为特征的发展过程,和以平流过程为特征的准定常演变过程。文中指出,运动的多时态特征是由于动力系统中存在多种物理过程造成,因此在小尺度、中尺度以及热带大尺度运动中都存在适应、发展和准定常演变过程。文中进而指出,这种多时态特征也存在于海气耦合的气候系统中,以及更复杂的气候系统中,也即带有一定的普遍性。     

正压大气中尺度半平衡和准平衡动力学模式

应用描写正压大气运动的基本方程组，分析了中尺度大气运动的物理特征，指出非平衡强迫运动是引起中尺度重要天气演变的根本原因。中尺度动力学方程组是中尺度动力学理论研究的基础，因此，结合中尺度大气运动的基本特征，依据严格的尺度分析理论和摄动理论，简化基于流体力学和热力学的大气动力学方程组使之能够恰当地描述出中尺度运动的基本特征，对于中尺度动力学的发展是极为必要的。基于非线性平衡方程所得到的半平衡和准平衡动力学模式分别与半地转和准地转模式极为相似，它们可以较精确地描述中尺度大气运动的基本特征，因而，可作为中尺度动力学研究的理论基础。将准平衡动力学模式应用于中尺度涡旋系统的研究，结论表明中尺度平衡涡旋系统主要是受梯度风控制，其流场和气压场的发展演变则由一个演化方程来描写，获得了较为理想的结果。     

低纬斜压两层模式大气半地转适应过程

利用斜压两层模式研究了赤道平面近似下的低纬热带大气适应过程。指出低纬斜压大气适应过程主要受重力惯性内波控制。通过重力惯性内波对初始非地转能量的频散，使纬向运动达到地转平衡，而经向维持非地转运动，正压模式下称为半地转平衡，斜压模式下称为半热成风平衡。通过对垂直运动方程的求解，可知，垂直运动只与重力惯性内波相联系，其产生与初始斜压位涡度无关，而只与初始时刻的垂直运动和垂直运动倾向有关，半地转适应使运动趋向水平运动。讨论了半热成风平衡的建立及其物理机制，指出由于重力惯性内波激发出垂直运动，与垂直运动相联系的水平辐合辐散调整流场和温度场之间的关系，使温压场最终达到半热成风平衡。通过对适应过程终态的分析，指出平均温度场和切变流场之间的适应方向决定于初始非半地转扰动的尺度与斜压Ｒｏｓｓｂｙ变形半径有关的特征尺度的比值，当比值大于１时，切变流场向平均温度场适应；当比值小于１时，平均温度场向切变流场适应     

准地转理论基本问题回顾与讨论

准地转理论是大气动力学的中心问题之一,它提供了从大气动力学基本原理入手分析大尺度天气系统演变的方法。准地转理论有助于预报员理解中高纬度大尺度天气系统的三维结构,分析、预报天气系统的发展和移动,因此被称为短期天气预报的理论基础。准地转理论具有完整的理论体系,它包含了较多的基本假定,故容易导致对其中的一些基本问题的理解有混淆。本文从基础的动力学知识出发,对准地转理论的基本概念、基本近似、核心理论及其在实际天气预报过程中的应用作了回顾和讨论。内容包括:准地转运动与准地转近似定义、准地转运动理论的范畴、天气图上的大尺度运动、准地转运动理论与短期天气预报的关系、由斜压二层模式下的准地转理论对高空槽脊和地面气旋发展与移动的判断等。     

热带大气半地转适应理论的尺度分析和物理机制

对热带大气行星尺度运动所做的尺度分析和物理分析表明:热带大气 的行星尺度运动在y方向容易实现气压梯度力与Coriolis力的平衡，它称为纬圈的 半地转运动。半地转平衡的建立过程，也就是半地转适应过程相对是很短暂的，它不需 要考虑f=β0y随y的变化，因而主要依靠惯性重力波为频散；而半地转平 衡建立后的演变过程相对是很缓慢的，它主要受Kelvin波和Rossby波控制。     

正压大气动能梯度与地转偏差的关系及其对暴雨的诊断

本文从正压大气原始方程组出发,分析了不同尺度天气系统中动能梯度与地转偏差之间的关系。结果表明:在天气尺度和α中尺度运动中,动能梯度的模与地转偏差的模大致成正比。对天气尺度该比例系数为地转参数,且与运动本身无关。对较小尺度天气系统,该比例系数与运动本身密切相关。在β中尺度运动中,动能梯度的模小于等于两项之和,两项中的第一项与地转偏差的模成比例,第二项则是地转偏差时间导数的模。在动能梯度的高值区,运动的非平衡性和暴发性强。本文还以上海"08.8.25"暴雨过程为例,对500 hPa上的动能梯度做了诊断,发现动能梯度大值区与强降水的分布有很好的对应关系,并与以上理论分析相一致,这对暴雨等灾害性天气预报具有应用价值。     

大气行星尺度运动的动力特性

本文首先利用尺度分析方法分析了行星尺度运动的动力特性,指出第二种地转运动方程——Burger方程只能描述经向度很大的而不能描述经向度较小的行星尺度运动. 本文还利用一个包含涡旋粘性、Newton冷却的β平面近似准地转模式,计算了中纬度地形与热源强迫所产生的准定常行星波,并且与用Burger方程的计算结果相比较,表明了准地转模式适用于经向度不太大的行星尺度运动,而Burger方程则不能正确描述这类行星尺度运动.     

第十二讲 大气中的地转适应过程

大尺度大气运动的重要特点之一,是运动处于准地转平衡状态。因此大气中必定存在着一种物理过程,使得一旦偏离平衡状态时能迅速恢复,这就是“地转适应过程”,这是四十年代C.G.Rossby首先提出的。早期的研究都认为气压场主要向风场适应,通过重力波的频散来完成。重力波将有限空间内风、压场间的不平衡能量带到了整个空间,于是单位空间中的不平衡能量就接近于零了。     

定常行星波的垂直传播及其动力学效应

本文用一个β平面准地转模式考察了定常行星波在大气中垂直传播的特性，讨论了波的水平尺度和基本气流的结构等对定常行星波垂直传播的影响，指出了高低层大气之间相互作用的特点及条件。     

■矢量与湿ω方程及其应用

一、引言用准地转ω方程诊断大气的垂直运动是一种比较常见的方法。但用常规ω方程进行垂直运动的定性定量分析时,有其不可忽视的缺陷。Hoskins等指出这些缺陷,并对此作了分析。在此基础上,他们对ω方程作了重新推导,用一种新的表示方法来描写强迫项。经改写后的ω方程,不仅强迫项的形式简单,而且还有物理意义明确等优点。大气中的垂直运动仅依赖于Q的散度,通过考虑等压面上的高度场和温度场即可推断出天气图上垂直运动的分布。但准地转ω方     

大气垂直运动方程若干问题讨论

本文对大气垂直运动方程的尺度分析和小量可否忽略重新进行了讨论，认为如同存在水平地转平衡一样，在大气垂直方向应当存在垂直地转平衡。并提出在大气垂直方向可能存在更高阶平衡：一级平衡为静力平衡，二级平衡为静力偏差和垂直柯氏力的垂直地转平衡，可能还存在第三级平衡，即垂直地转偏差和重力异常的平衡，最后，重力异常偏差的最级有可能与大气行星波垂直加速度和引潮力垂直分量已处于同一量级。     

半地转近似下的非线性波

本文应用半地转的概念分析和求解了正压和斜压的大气运动。指出:(1)在水平无辐散或准地转条件下求单波解无法表现非线性作用的困难,可以应用半地转的假定来解决。为了避开上述困难,不得已仅保留部分非线性项,但为了准确表征大尺度运动,最好应用半地转假定,保留全部非线性项。(2)准地转的假定可以滤去快速波动,半地转的假定同样也可以滤去快速波动,而且半地转条件下的Rossby波具有充分的非线性特征。所以,它为讨论非线性问题提供了一个途径。     

青藏高原和中国东部汛期环流

本文试图通过讨论地形对流体运动的影响,说明青藏高原对东亚大气环流的动力作用。带地形的线性化正压原始方程的分析指出,地形存在时,虽然有地转绕流的平衡态,但是,从任意初态演变的结果不一定趋于该终态。流体运动的过程和结果都已明显区别于一般大气适应过程。本文设计了一个三层半球准地转模式,用于模拟青藏高原对我国东部汛期环流的影响。模拟得到的环流对应着华南、江淮、华北的雨季形势。     

用线性模式分析形成相当正压性的物理因子

用两层的线性准地转模式讨论了形成大气环流异常的相当正压性的物理因子。指出大气扰动的水平尺度、β效应和热成风，即平均西风在垂直方向上的梯度，是形成相当正压性的三个最主要的因子。另外还讨论了相当正压性所造成的对流层中层的流函数和厚度场的同相关系。最后指出了线性模式的缺陷。     

旋转大气中运动的多时态特征和时间边界层

一、引言 众所周知,旋转大气中的运动,存在两个在时间尺度和动力学特征上都有明显差别的过程,即适应过程和发展过程。最近,叶笃正、李麦村等进一步指出:在发展过程中,大气运动还具有迅速变化和缓慢变化的两个阶段,对于这种发展过程中的双时态特征,巢纪平从物理上作了进一步的解释。因此,联合适应过程与发展过程,运动至少存在三个时态,事实上,这种多时态特征是旋转流体中运动的一种固有现象,在本文中,我们将对此作进一步的分析与讨论。     

低纬大气滤波模式研究

本文从描写低纬大气运动的方程组出发,采用半地转模式和准地转模式对低纬快速波动进行了滤除,这些模式仅含低频的Rossby波。分析指出:低纬半地转模式可以滤去高频波动,但得到的是波数k→0的Rossby波;而低纬准地转模式不但可以滤去高频波动,而且得到的是不受歪曲的Rossby波。 在滤波的基础上,本文分析了由Rossby波引起的低频振荡周期。      

地转动量假定下风场近似与扰动的稳定性

在大尺度系统中,由于Rossby数很小,大气呈准地转运动。但在低纬度地区或中小尺度系统中,Rossby数不是小参数,运动的非地转特征就很明显了。为了避免非线性问题中数学处理的复杂性,可以使用半地转近似,这不但可以使问题得到线性化,而且其结果又有非线性的主要特征。本文在半地转假定下,当风压场处于平衡状态时,我们得到了一种简单的表示式,并将它与Rossby近似和Phillips近似进行了比较。文中还对扰动的稳定性进行了研究,在某些条件下,例如风场发生扰动而气压场未受扰     

边界层动力学中的Ekman动量近似

自由大气中,大气运动的基本状态是地转风,近年来发展的地转动量近似,是为了进一步研究非均匀地转流的动力学问题,然而,在边界层大气中,运动的基本状态是经典的Ekman流,所以对边界层运动来说,地转动量近似是不合适的,需作一推广。本文提出了一种所谓Ekman动量近似,它相似于自由大气中的地转动量近似,并讨论了Ekman动量近似的物理基础,对边界层的风场结构及边界屋顶部的垂直速度也作了详细分析。     

超长波活动若干问题的分析

超长波和Rossby长波的动力学特征不同。许多作者采用沿纬圈方向分离出波数为1,2,3波的波动进行研究超长波的特征,得到有一定实践意义的结论。在理论分析上,章基嘉从Burger模式出发,首次得到超长波活动很有意义的动力学特性。实际大气运动中,各种尺度的波动总是重叠在一起,彼此作用,互为影响。但超长波受地形、热源及比它更小的波能量反馈控制的,是一个被动系统。因此在准地转近似下,有可能将超长波单独处理。