非线性正压亚临界不稳定

文中提出了一个新的广义能量作为Lyapunov函数,导出了包含两个联立不等式的一种新的非线性正压稳定性判据。并指出其中一个不等式是初始扰动振幅小于某一临界值,另一个则是摩擦系数大于另一临界值,前者对后者有很强的约束。该判据表明,在实际大气中对于有限振幅扰动容易产生正压亚临界不稳定,它大大地改进了以前的结果。     

广义非线性亚临界湿对称不稳定

从含摩擦耗散与凝结潜热的f平面Boussinesq近似下的非线性扰动方程组出发,得到了湿空气中的广义能量方程,推导出非线性亚临界湿对称不稳定的必要条件,并将不稳定判据与干空气情况相比较,首先解析地分析得到凝结加热反馈机制对亚临界对称不稳定的影响。其次针对中尺度大气层结不稳定和稳定的情况,分别计算出初始扰动振幅的临界值,结果表明,相对干空气而言,饱和湿空气情况下,当中尺度大气层结不稳定时,亚临界对称不稳定更容易发生,即使中尺度大气层结稳定,亚临界对称不稳定也容易发生。这一结果改进了干空气下的非线性亚临界对称不稳定理论。     

一次梅雨期苏北大暴雨的时空结构及其非线性亚临界对称不稳定

利用WRF V2.2模式对2006年6月30日00时—7月1日12时（世界时）江苏宝应地区的大暴雨过程进行数值模拟,并利用从模拟结果提取出的环境风场和中尺度扰动风场对此次大暴雨过程的时空结构,尤其是风场的垂直切变和非线性亚临界对称稳定性进行分析,结果表明：整层大气平均风垂直切变矢量转为西南偏西风后其南风分量随时间增大到最大值,对暴雨的发生有提前5-4 h的指示意义,相应时刻绝对水平螺旋度亦达到极值;暴雨发生前3 h首次出现强烈的整层垂直上升气流,预示大暴雨发生;在暴雨发生前9 h,高层200 hPa涡度、散度两波呈π/2位相差,对应强烈地转不平衡重力波,随时间向下传播,至暴雨发生前3 h下传到800 hPa;中尺度扰动风场的加强与降水的加强关系密切,在暴雨发生前3 h,出现中尺度非线性亚临界对称不稳定,激发暴雨发生,并对大暴雨的发生有重要的指示意义。     

"1998年二度梅"暴雨与非线性亚临界对称不稳定的初步研究

对1998年7月20日00时8月1日12时这段梅雨暴雨过程进行诊断分析，并利用MM5V3中尺度模式作梅雨暴雨的数值试验，结果表明：(1)本次梅雨暴雨分为3大段过程，非线性亚临界对称不稳定可能是3段梅雨暴雨形成的重要机制；(2)扰动风场增长与降水增长关系密切，扰动风场的增长会超前于降水的增长，非线性亚临界对称不稳定的增强可能使降水增强；(3)非线性亚临界对称不稳定主要发生在高层200hPa，中层500hPa也有发生。非线性亚临界对称不稳定使线性对称稳定的大气变为不稳定。降水区和暴雨中心主要位于高层200hPa和中层500hPa扰动风场极大值南侧与低层850hPa扰动风场极大值北侧之间。(4)非线性亚临界对称不稳定扰动的P折时间和空间尺度，分别为5～8h和200～300km。     

一次暴雨过程中非线性亚临界对称不稳定的机制分析

对2005年7月5日20时-12日08时淮河流域、安徽中北部的降水过程诊断分析,并利用WRF模式对7月6日08时-7日20时安徽中部的暴雨过程进行数值模拟,结果表明:(1)2005年7月5日20时-12日08时降水过程可分为2大段,非线性亚临界对称不稳定可能是该时段强降水形成的重要机制;(2)u和v两分量扰动增强均超前于暴雨的增强,并对强暴雨的发生有指示作用;非地转作用达最强和冷暖空气达最强分别对强暴雨发生也有12或24 h的指示作用;(3)得到降水强度、高低空急流及其扰动风场这5者极大值的时空配置;(4)得到暴雨前期,高低层涡度场和散度场的时空配置特征.由以上4点及垂直上升气流的变化提出非线性亚临界对称不稳定激发强暴雨形成的新的物理机制.     

能量方程与对称不稳定判据

从对称型扰动能量方程出发,应用广义的normal mode方法,导出了不仅适用于常参数而且适用于变参数的对称不稳定判据。在热成风平衡或准热成风平衡的条件下,这个判据和Emanuel用气块法得到的判据及Hoskins使用normal mode方法得到的判据是完全一致的。还指出,在扰动的初生阶段,扰动的对称不稳定发展是和基本场能量向扰动场能量转换联系在一起的。     

广义非线性亚临界对称稳定性

从含摩擦耗散的f平面上Boussinesq近似下的非线性方程组出发,提出了一种新的广义能量作为Lyapunov函数,取消平均量是(x,z)的双线性函数的限制,并取平均量是(x,z)的任意函数,由此导出了一种新的广义非线性对称稳定性判据。此稳定性判据表明:不仅耗散系数必须大于某一临界值,而且同时初始扰动振幅也必须小于另一临界值。由此可见,后一条件对前一条件附加了一个很强的约束,当初始扰动振幅大于某一临界值时,容易出现非线性亚临界对称不稳定,它大大改进了以前同类工作的结果。     

纬向基流的非线性正压不稳定

本文从含Ekman摩擦的非线性正压涡度方程出发,应用Serrin—Joseph的能量方法,按变分原理,分别用总能量、总涡度拟能和两者的线性组合导得纬向基流的非线性正压不稳定判据。由于采用了对Euler方程作新的变换,使本征值的估计更为精确,较好地改善了作者以前的部分结果。     

斜压大气亚临界不稳定的数值试验

利用一个由表面摩擦和辐射线弛强迫驱动的斜压准地转两层模式作数值试验，来研究斜压大气中的亚临界不稳定现象。试验结果表明，当无量纲量β≥0.25时，斜压两层大气中能够发生亚临界不稳定现象。亚临界不稳定现象的发生与初始扰动的选择有关。科氏参数的经向梯度的大小又是影响斜压稳定性强度的一个重要因素，其值越大，斜压稳定性强度越小。     

维向切变流中的非线性对称不稳定

讨论了维向切变流中的非线性对称不稳定问题。中采用绝热无粘的非线性对称扰动方程组，利用多尺度摄动方法分析其不稳定波动的有限振幅特性。研究结果表明：不稳定波的有限振幅在强度上呈现出振荡趋势。无论是超临界切变情况，还是次临界切变情况，对称扰动振幅都随时间呈现出周期性的变化，振荡周期的大小不仅与基本场稳定度参数及波的特性有关，而且还与初始扰动的振幅及其增长率有关。     

NONLINEAR BAROTROPIC INSTABILITY INCLUDING FRICTION DISSIPATION,THERMAL DRIVING AND LARGE TOPOGRAPHY*

From a nonlinear quasi-geostrophic barotropic vorticity equation including frictional dissipation,thermal driving and large topography used by Charney in investigation of the multiple flow equilibria and blocking,using the Serrin-Joseph energy method and the variational principle,we found the nonlinear barotropic stability criteria of the zonal basic flow with the total energy,total enstrophy and their linear combination respectively,and compared the criteria with Charney's results.     

THE LYAPUNOV STABILITY OF NONLINEAR WAVE MOTION IN THE BAROTROPIC NONDIVERGENT ATMOSPHERE

Introducing the concept of pseudo-momentum, a generalized Arnold-Dikii functional is established, and then thesufficient condition for stability of nonlinear wave motion in the barotropic nondivergent atmosphere is derived by useof variational principle. It is found that the stability of nonlinear wave motion depends not only on its streamfield distri-bution, but also on its phase speed for the propagating nonlinear wave motion. Moreover, the stability criterion of trav-elling modon is also obtained, and it is shown that the travelling modon is stable if the scale of disturbance superimposedon the travelling modon remains to be less than that of the travelling modon.     

斜压性与非线性Ekman抽吸的动力特征

本文利用Ekman动量近似研究了斜压性对Ekman层动力学的影响,得到了一些新的结果。大气斜压性对Ekman层的水平风速分布及近地面的风速矢的水平分量夹角有重要的改变作用。斜压边界层顶部的非线性Ekman抽吸(垂直运动)由三个不同的物理因子决定,第一、正压性的地面地转涡度,第二、斜压性作用产生的热成风涡度,第三、正压性的地面地转涡度与斜压性的热成风涡度的非线性相互作用。这些理论结果为边界层的参数化及数值模拟结果的解释提供物理基础。     

非纬向基流的非线性斜压不稳定

本文从含Ekman摩擦的非线性两层斜压模式出发,应用Serrin-Joseph的能量方法,按变分原理,分别用扰动总能量、总位涡拟能和两者的线性组合导得了非纬向基流的非线性斜压稳定性判据。并和线性判据作了比较。     

经典Ekman流,Ekman层的平衡风场及其扰动稳定性

本文首先利用变分方法,考察了边界层运动能量的变化,指出经典Ekman流是在不可压缩条件下,能量积分达最小值时的一种平衡运动。这对Ekman层运动的物理本质有了进一步的认识。其次,讨论了Ekman动量近似下的Ekman层的平衡风场特征,研究了该平衡风场附近扰动的稳定性问题,结果表明,在自由大气气压场不发生扰动条件下,Ekman层中存在一类新的与惯性不稳定相类似的动力不稳定,且其不稳定性可与Ekman抽吸相联系,还讨论了一般性条件下的扰动不稳定性问题。     

A BAROTROPIC QUASI-GEOSTROPHIC MODEL WITH LARGE-SCALE TOPOGRAPHY, FRICTION AND HEATING

Based on the barotropic equations including large-scale topography, friction and heat factor, a barotropic quasi-geostrophic model with large-scale topography, friction and heating is obtained by means of scale analysis and small parameter method. It is shown that this equation is a basic one, which is used to study the influence of the Tibetan Plateau on the large-scale flow in the atmosphere. If the friction and heating effect of large-scale topography are neglected, this model will degenerate to the general barotropic quasi-geostrophic one.     

强迫和耗散作用下大气运动的非线性正压不稳定

本文从Charney研究多平衡态的包含摩擦耗散、热力强迫和大地形的非线性准地转正压涡度方程出发,应用Serrin-Joseph的能量方法,利用变分原理,分别用总能景和总位涡拟能导得纬向基流的非线性正压稳定性判据。      

纬向切变基流中的非线性正压Rossby波

在半地转近似下,用相角函数方法得到了包含纬向基流及其切变的非线性常微分方程。利用常微分方程解的拓扑性质的定性理论,直接得到该方程存在有限振幅的周期波解与孤立波解即非线性正压Rossby波解存在的条件,由此分析了纬向切变基流对波解存在的影响。最后利用函数逼近法求得了非线性正压Rossby波解的显式表达式。结果表明,纬向切变基流对波的影响不仅表现在波的存在方面,而且还表现在波的形态方面,反映了波的非线性特点和基流对波动的作用。     

两层正压涡旋稳定性问题分析

本文从柱坐标中线性化的两层均质流体的正压原始方程组出发，从广义能量的角度，研究了该模型中涡旋波的稳定性问题，发现此时不仅可存在广义正压不稳定和超高速不稳定，当上下层扰动厚度场反相时还有新的不稳定类型发生。