大气中惯性重力波的传播

本文根据Whitham和Lighthill等人的射线理论,研究了具有非均匀层结和流场切变的大气中惯性重力内波的传播和折射问题。定义了一个由背景场参数N2(静力稳定度)、ξ_a(惯性稳定度)和U_x(与斜压稳定性有关)的梯度组合而成的所谓“环境稳定度”矢量 ,它对重力波的折射有决定性的作用。结果表明:局地波导方向垂直于矢量 ;稳定度中心之间的过渡地带沿稳定度等值线方向为波能传播的有利通道。      

地球流体惯性重力内波的波作用量与稳定性

本文首先导出了地球流体中惯性重力内波的波能密度和波作用量;然后,用WKB方法和多尺度方法建立了波作用量方程,并讨论了惯性重力内波的稳定性;最后,定义惯性重力内波的广义波作用量,并在非均匀介质中论证了它的守恒性.     

非均匀层结大气中的重力惯性波及其激发对流的物理机制

本文用WKBJ方法求解Boussinesq近似下的重力波方程,导出非均匀层结大气中重力惯性内波的一个守恒波作用量(称为广义波作用量)。根据广义波作用量守恒原理,着重讨论了重力惯性内波在发展过程中尺度变化的规律;在适当的条件下,重力波随着其尺度的变化而可能崩溃(或破碎),从而激发对流的发展。      

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.     

青藏高原地形重力波拖曳的初步分析及数值模拟研究

针对目前对青藏高原大地形激发的重力波拖曳相关问题还不十分清楚,在GRAPES_Meso模式中引入次网格地形重力波拖曳参数化方案,通过数值试验初步研究了青藏高原地区次网格地形重力波拖曳的一些相关参数,结果指出:(1)沿30°N地形重力波拖曳的垂直分布显示,阻塞拖曳主要存在于模式的低层(第1—5层),重力波拖曳主要存在于模式的第5—10层;从水平分布看,模式第3层以阻塞拖曳为主,主要位于青藏高原边缘地区,阻塞拖曳大值区沿喜马拉雅山脉走向和青藏高原东坡;模式第5层以重力波拖曳为主,主要位于青藏高原东部地区和云贵高原的北部边缘。(2)弗劳德数和气流绕流高度分析表明,在青藏高原喜马拉雅山脉一带和高原东部边缘地区,气流爬坡能力强,同时在这一地区绕流高度最高;弗劳德数越大的地区绕流高度距离地表越高。(3)采用次网格地形重力波拖曳参数化方案后,对于低层和高层地形重力波破碎的发生有更准确的描述,地形重力波是向上垂直传播的。(4)个例和批量试验检验结果表明,采用次网格地形重力波拖曳参数化方案对于风场和降水模拟有正效果,提高了模式预报的准确率。     

GRAPES中地形重力波拖曳物理过程的引进和应用试验

在中国新一代全球中期/区域中尺度同化与预报系统(GRAPES)模式中引进了ECMWF地形重力波拖曳物理过程,填补了GRAPES全球中期数值预报系统中物理过程的空白。重新计算了地形重力波过程需要的地形静态资料数据,并与原ECMWF模式的地形静态参数进行了对比分析,验证了模式地形参数的正确性。利用GRAPES模式,进行了地形重力波拖曳物理过程影响的敏感性数值试验;结果表明:引进地形重力波拖曳过程以后,在存在大地形的区域,风场会发生变化,当纬向风遇到青藏高原时,一部分气流会产生爬坡效应而越过高原,使高原上空的西风气流减弱;另一部分气流会绕过高原,在高原的南侧产生绕流;随着模式积分时间的延长,风场变化会越来越明显,地形越复杂,风场的变化也越复杂;连续的模式积分试验结果显示,引进地形重力波过程,可以延长GRAPES模式的可用预报时效,提高了全球形势预报的准确率。通过对一次降水过程的模拟,对地形重力波过程影响降水预报的原因进行了简单分析。结果显示:引进地形重力波拖曳过程后,改变了大气流场的分布,使预报的流场更接近于大气真实状态,从而提高了降水预报的准确率。     

溃变理论在滇东南暴雨预报中的应用

根据溃变原理的非规则结构分析方法,对红河州1980—2015年259场暴雨过程进行了检验分析、合成分析和预测应用,计算分析了超低温及低频重力波指数与暴雨出现的相关性。结果表明:暴雨前12~36h,(低涡)切变暴雨、孟湾风暴(南支槽)暴雨、副高外围暴雨、西行台风暴雨和辐合区暴雨在探空站的V-3θ结构信息图上分析出明显的先兆特征,集中表现为对流层高层出现超低温、3θ曲线的非均匀结构、中低层的充沛水汽条件和整体顺滚流;超低温越强,未来12~48h降雨也会增大,但是超低温现象出现频率较大,需配合其他条件判断暴雨的出现;低频重力波稳定指数与未来24h降雨存在显著负相关,即低频重力波稳定指数越小,降雨量越大,前24h的低频重力波稳定指数值对暴雨指示意义最强,当低频重力波稳定指数值为-0.2^-0.4时发生暴雨的频率最高。     

副高与阻高形成的Rossby孤立波理论I:不存在临界层

针对不存在临界层情况下非均匀纬向流中的Ｒｏｓｓｂｙ孤立波，从正压、无辐散、准地转自由大气涡度方程出发，经过变量替换，用小参数展开法，得到流函数的各阶近似方程，推导出振幅函数满足的ＫｄＶ方程及修正ＫｄＶ方程（ＭＫｄＶ），并给出它们的孤立波解。对不同风速分布下伴随这些孤立波而出现的流场进行了近似计算，分别得到了副高型Ｒｏｓｓｂｙ孤立波流场、阻高型Ｒｏｓｓｂｙ孤立波流场及偶极子型流场，它们移动的规律性与实际大气的流场移动情况较一致。     

青藏高原东北边坡复杂地形重力波的数值模拟

基于2007年7月青海祁连站的野外加密探空资料,结合高分辨率的三维边界层模式,模拟研究了青藏高原东北边坡复杂地形条件下,边界层对流引起的干动力过程对该地区地形重力波产生及传播的影响机理。结果表明:在不同的背景场强迫下,高原东北边坡复杂地形上空对流和重力波的空间结构存在较大差异。当背景风向与山体垂直时,随着风速增加,山脊背风坡混合层顶附近大气不稳定能量加强,激发了下游区域较强的重力波信号,此时对流线组织性增强、重力波波列较长,高水汽含量的空气被波峰传输到较高的高度,为对流云发展提供了有利条件;当背景风向与山脊走向平行时,山顶上空对流发展旺盛,山脊背风坡混合层顶大气状态较稳定,激发的地形重力波信号较弱且波列较短,整个混合层顶附近水汽较少,对流云形成条件减弱;当背景大气浮力频率减小时,整个区域上空对流发展更加旺盛但组织性减弱,背风坡下游重力波向上传输的距离减小,信号不显著,混合层顶附近水汽分布均匀且变化幅度较小,有利于层状云发展。     

条件不稳定湿大气中三维理想地形上空对流的动力学特征

条件不稳定湿大气情况下,气流经过三维地形可以形成不同性质的对流系统以及不同特征的地形流结构,其对流系统、地形流的性质主要取决于地形上空的对流触发、对流-地形流-重力波三者之间的相互作用,同样这些过程对于地形降水的性质、分布起重要的作用.根据不同湿Fr数(Froude number),湿条件不稳定大气经过三维小尺度山地上空时其对流和地形流动存在4种不同的流域(flow regirnes):(1)下游传播对流模态;(2)上游传播和下游传播共存对流模态;(3)山峰附近准静止和下游传播共存对流模态;(4)下坡稳定和下游传播对流共存模态.地形上空对流系统主要可以通过两种不同机制形成:(1)地形直接的抬升或减速作用;(2)在地形流形成后,由于地形流本身特性(如上游分离、背风涡旋和下坡重力波破碎)触发.在较大的Fr数情况下,地形上空对流生成后反过来可以破坏上、下游的地形流结构,但对背风坡的重力波破碎影响较小.不同初始对流有效位能(CAPE)不仅可以影响对流系统的传播、发展,而且可以影响整体地形流性质.较低的初始CAPE有利于地形流的形成,此时对流对地形流结构特征的影响相对较小,其流场性质与低Fr数流域性质相似.     

低空急流和非均匀层结条件下重力惯性波的传播与发展

本文从基流背景下线性化Boussinesq方程组出发,采用WKBJ方法,首先求得重力惯性波的广义波作用量变化方程及波参数随波包的变化方程,讨论了基流切变对重力惯性波传播和发展的影响;然后用Runge-Kutta方法讨论了不同层结(含降水影响)下重力惯性波的传播路径。得到了降水强度大、静力稳定度小的区域对重力惯性波有“吸引”作用,因而引起重力惯性波能量的集中,进而触发和强化对流天气的结论。      

一次暴风雪过程中的中尺度重力波特征及其影响

应用地面自动气象站观测资料、数字化多普勒天气雷达探测资料和WRFV2.2.1中尺度数值模拟资料,分析了中尺度重力波与基本气流的相互作用,以及重力波活动对暴雪和大风天气的重要影响。结果表明,在波导中传播的中尺度重力波能够与基本气流进行动量交换,使得对流层中上层4.5—8 km气层内的水平平均风速趋于均匀,形成斜穿整个对流层的饱和湿空气急流,即"湿急流"。在高空急流出口区激发的垂直向下传播的重力波,使基本气流的水平风速在垂直方向上出现了加速和减速的交替变化,水平风加速的气层,反射率增大;水平风减速的气层,反射率减小。随着波动下传及其随基本气流的移动,反射率回波强度沿高空风的方向(由西南向东北)出现周期性变化,回波带呈西北—东南走向,强回波中心之间为宽约40 km的弱回波区。重力波下传期间,当地面气压迅速下降时,东北风快速增长,风向有明显的改变,反射率强度开始减弱;气压脊线过后,反射率降低到最低点。地面大风中心出现在反射率回波强度周期性变化的地带,沿西南—东北方向间隔着分布。雷达探测表明,对流层低层风速在风向切变层上下边界对称相等,因此推测在重力波与切变层汇合的高度层存在垂直环流,由风切变层上下边界附近的西南气流和东北气流与受重力波影响形成的垂直方向上的上升和下沉气流共同组成。切变层上方的动量通过垂直环流的下沉支到达地面,强风中心对应着下沉气流,出现在降水回波开始减弱之际。     

EFFECTS OF TOPOGRAPHY ON PROPAGATION AND DEVELOPMENT OF INERTIA GRAVITY WAVE

Effects of topography on the propagation and development of inertia gravity waves areinvestigated by means of WKBJ method.The equation of wave action conservation is obtained.It isfound that the inertia gravity wave tends to propagate to the higher elevation area,meanwhile theamplitudes of the waves increase.While the inertia gravity waves propagate to a lower elevation area,their amplitudes decrease.     

Shear instability and gravity wave saturation in an asymmetrically stratified jet

Motivated by the mean current and stratification structure associated with the equatorial undercurrent (EUC), we examine the stability and wave propagation characteristics of a highly idealized model flow: the asymmetrically stratified jet. This is a parallel shear flow in which the depth-varying current has the sech² form of a Bickley jet. The stratification has a step function structure: the buoyancy frequency takes uniform values above and below the center of the jet, with the larger value occurring below. The spectrum contains three classes of unstable normal modes. Two are extensions of the sinuous and varicose modes of the unstratified Bickley jet; the third has not been described previously. The asymmetric stratification structure allows instabilities to radiate gravity wave energy from the upper flank of the jet to the lower flank, where it encounters a critical layer. From here, wave energy may be reflected, absorbed or transmitted. Absorption results in wave saturation and momentum transfer to the mean flow, in close analogy with the breaking of orographic gravity waves in the middle atmosphere. Transmission beyond the lower flank may partly account for wave signals observed in the deep equatorial oceans. All of these processes exert zonal forces on the jet that alter its speed and shape. The wave structures and associated fluxes developed by the idealized model are compared with observations of the EUC.     

On the low-frequency,planetary-scale motion in the tropical atmosphere and oceans

Scale analyses for long wave, zonal ultralong wave (with zonal scale of disturbance L1~104 km and meridional scale L2~103 km) and meridional ultralong wave (L1~103 km, L2~104 km) are carried out and a set of approximate equations suitable for the study of these waves in a dry tropical atmosphere is obtained. Under the condition of sheared basic current, frequency analyses for the equations are carried out. It is found that Rossby waves and gravity waves may be separated for n ≥ l where n is the meridional wave number, whereas for n = 0 and L1~1000 km, the mixed Rossby-gravity wave will appear. Hence it is confirmed that the above results of scale analyses are correct. The consistency be-tween frequency analysis and scale analysis is established.The effect of shear of basic current on the equatorial waves is to change their frequencies and phase velocities and hence their group velocities. It increases the velocity of westward travelling Rossby waves and inertia-gravity and mixed waves, but decelerates the eastward inertia-gravity waves and the Kelvin wave. The recently observed low-frequency equatorial ocean wave may be interpreted as an eastward Kelvin wave in a basic current with shear.     

Investigating the Dominant Source for the Generation of Gravity Waves during Indian Summer Monsoon Using Ground-based Measurements

Over the tropics,convection,wind shear(i.e.,vertical and horizontal shear of wind and/or geostrophic adjustment comprising spontaneous imbalance in jet streams) and topography are the major sources for the generation of gravity waves.During the summer monsoon season(June-August) over the Indian subcontinent,convection and wind shear coexist.To determine the dominant source of gravity waves during monsoon season,an experiment was conducted using mesosphere-stratosphere-troposphere(MST) radar situated at Gadanki(13.5 N,79.2 E),a tropical observatory in the southern part of the Indian subcontinent.MST radar was operated continuously for 72 h to capture high-frequency gravity waves.During this time,a radiosonde was released every 6 h in addition to the regular launch(once daily to study low-frequency gravity waves) throughout the season.These two data sets were utilized effectively to characterize the jet stream and the associated gravity waves.Data available from collocated instruments along with satellite-based brightness temperature(TBB) data were utilized to characterize the convection in and around Gadanki.Despite the presence of two major sources of gravity wave generation(i.e.,convection and wind shear) during the monsoon season,wind shear(both vertical shear and geostrophic adjustment) contributed the most to the generation of gravity waves on various scales.     

急流与定常强迫Rossby波包和大气中的遥相关

本文利用波包概念和WKB方法,给出在一定地形和基流背景条件下Roosby波包的整体特性,并得到波包的发展方程和条件。应用波包发展条件于西南和东南急流的背景流场,提出波包断裂和波传播波道分叉的概念,即:根拐Rossby波包在急流区所处的位置和定常波包所须满足的条件,其槽(脊)线要变形,产生弯曲、断裂直至分离,波传播波道从而也发生分叉,产生两个波包和两支波道。对于西南风急流,一个波包向高纬传播,并可上升到平流层;另一个向低纬传播,但不如前者传得远,升得高。应用西南风急流中Rossby波包演变和波道分叉的这种特性,可以解释Wallace等提出的PNA型和EU型两种遥相关,从而为这两种类型的遥相关提供了一种物理机制。     

Rossby wave propagation in a barotropic atmosphere

The ideas of ray tracing from geometrical optics and wave propagation in a slowly varying medium are applied to Rossby waves propagating in a barotropic atmosphere.The propagation of low-frequency Rossby waves in a zonally symmetric basic state is compared with that for stationary waves presented by Hoskins and Karoly (1981). These ideas are then used to study the propagation of Rossby waves in a basic state with zonally varying middle latitude or low latitude jets. Conditions which allow cross-equatorial wave propagation are presented. For a zonally varying middle latitude jet, there is weak wave convergence in regions of decreasing jet speed, However, this is not sufficient to explain the enhanced wave amplitude found in numerical-model experiments using a zonally varying basic state.     

正压大气中长波的演变

本文研究正压大气中非均匀气流(特别是非平直基流)上扰动的演变过程,对[1]进行了推广,对迭加于超长波基流之上的长波扰动和迭加于超长波或长波基流之上的中、短波的扰动的演变特性进行了统一的处理.结果表明:当小槽、小脊的波长变长时,其振幅(能量)增大,扰动发展;波长变短时,振幅变小,扰动衰减.当小扰动已经发展成长波的时候,或者当我们一般地研究长波的演变过程的时候,则上述规律更为明显,即长波发展时,波长变长更为明显;长波衰减时,波长变短也更为明显.利用这些结果,可以解释大气中槽、脊发展时总是伴随着扰动加宽,而槽、脊收缩时,波长很快减小.其次,扰动发展与否完全由扰动的结构所决定,其中主要是由扰动轴线的方向及其与基流的相对位置所决定.北半球发展型扰动的轴线是:在急流以北呈东北—西南向,急流南呈西北—东南向;而衰减型的轴线是:急流北呈西北—东南向,急流南呈东北—西南向.这些结论和角动量传送理论结果以及天气实际都是符合的.