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。     

准地转动量近似下风速切变线上的波动

利用准地转动量近似下的斜压两层大气的非线性方程组及非线性边界条件，研究了切变线上波动的稳定性，导出了切变线上孤立波解。较好地解释了切变线上易产生低涡等天气系统现象。     

非线性发展方程的非守恒格式的计算稳定性问题

针对非线性发展方程的非守恒格式,以一维浅水波方程为例,对非守恒格式的计算稳定性进行了研究分析,探讨了非线性发展方程的非守恒格式与初值的关系.理论分析和数值试验表明,在格式结构已经确定的情况下,非守恒格式的计算稳定性主要由初值的形式所决定.     

线性准地转模型中基本流和辐射冷却对感热加热强迫的副热带高压形态的影响

通过求取定常线性准地转位涡模式的数值解,研究了感热型垂直非均匀分布的冷、热源强迫所激发的副热带环流的结构特征,讨论了副热带背景风场和洋面辐射冷却对洋面副热带高压"三角形偏心"结构形成的重要作用。结果表明,基本流对感热加热强迫的副热带环流有重要影响,当基本流为常数时,感热加热强迫的气旋和反气旋主要集中在对流层中下层,且地面系统远强于中高层。当基本流为非常数时,其经向切变能改变气旋和反气旋中心的经向位置,使它移至0风速所在纬度附近;其垂直变化加强了中高层气旋和反气旋,中心位于对流层上层,与南亚高压的位置基本一致。研究结果还表明,在大洋东部洋面辐射冷却与副热带地区背景风场的共同作用下,形成了洋面副热带高压特有的"三角形偏心"结构。副热带高纬度的西风使感热强迫的洋面副热带高压东移,低纬度的东风使其西移,形成东北—西南走向的"平行四边形"结构,且中心位于大洋西部。大洋东部强洋面辐射冷却激发的洋面反气旋加强了大洋东部的副热带高压,使其中心东移至大洋东部,从而表现出东北—西南走向的"三角形偏心"结构。     

线性准地转模型中副热带环流对潜热加热的定常响应I.基本性质及特征分析

利用线性理论模型进行解析和模拟是大气科学的重要基础研究方法之一, 其简单明了, 解释了如Rossby波形成等重要的环流现象。近年, 有研究 (Chen et al., 2001) 运用定常线性准地转模型研究副热带高压的形成, 在相似加热强迫下, 其结果与理论研究和GCM的研究不同。本文运用该模型系统研究了由季风降水产生的潜热加热所激发的副热带定常波的结构特征, 以理解其结果与GCM不一致的原因。研究表明基本流对热强迫的定常波的结构有重要的影响: (1) 当基本流为东风或为零时, 定常波在垂直方向上表现为第一斜压结构, 波动振幅随东风的增大而减小; (2) 当基本流为西风时, 呈现向上的传播特征, 振幅随高度的升高而增大。而且存在一个临界风速Uc(约3 m/s), 此时, 波动振幅最强; 基本流的平流作用具有非对称性, 西风时平流作用远远强于东风。由此揭示了该线性模型解的本质: 加热在热源区所激发的经向地转涡度输送必须能够平衡加热的位涡制造和纬向位涡平流; 基本流的经向和垂直方向的变化使得气旋和反气旋中心偏向热源中心北侧, 并进一步发现当基本流为夏季亚洲季风区纬向平均的纬向风场时, 线性模型的解中位于中低层的反气旋中心显著抬升, 而不出现在地面上, 与完整的大气环流模式的结果接近。说明即使在线性模式中, 洋面副高的形成也不能完全用季风潜热加热来解释; 另外, 静力稳定度对热强迫的副热带环流的影响也很重要, 使热源的强迫作用放大。     

强迫耗散非线性发展方程显式差分格式的计算稳定性

基于计算准稳定的概念来分析强迫耗散非线性方程显式差分格式的计算稳定性，给出强迫耗散非线性大气方程组显示差分格式计算准稳定的判据，为设计强迫耗散非线性大气方程组计算稳定的显式差分格式提供了新的思路和理论依据。     

强迫耗散非线性发展方程准完全平方守恒格式的构造

从描述大气和海洋运动的强迫耗散非线性发展方程出发，对强迫耗散非线性大气和海洋方程组显式差分格式的计算稳定性进行了分析，构造了一类强迫耗散性发展方程的显式准完全平方守恒差分格式，理论分析和数值试验证明，这类显式准完全平方守恒差分格式是计算稳定的．值得推广应用。     

非静力平衡大气非线性层结对称运动的稳定性和突变

在假定了环境地转风具有水平和垂直的线性切变的情况下,考虑大气层结的线性和非线性切变的作用,建立了一个非线性常微分方程组,然后构造了一个Hamilton函数,通过讨论Hamilton函数的凸凹性,得到了非线性层结对称运动的不稳定判据,同时讨论了非线性层结对称运动产生突变的条件。     

模式含有开关时遗传算法求解条件非线性最优扰动的有效性研究

在基于条件非线性最优扰动(CNOP)的台风适应性观测研究中,针对预报模式的湿物理参数化产生的“on-off”开关导致传统伴随方法不能为最优化过程提供正确梯度这一现象,将模式含有“on-off”开关时求解CNOP的问题视为非光滑最优化问题,引入遗传算法,在给出详细的算法流程后,以一个在强迫项中含“on-off”开关的理想模式,分析了“on-off”开关对求解CNOP的影响,三个数值试验检验了模式含有“on-off”开关时遗传算法求解CNOP的有效性,并分析了不同初始种群对最优化结果的影响。结果显示,所采用的含有“on-off”开关的理想模式下,遗传算法能有效求解CNOP,最后对遗传算法求解CNOP的优缺点进行了详细讨论。     

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。     

The Impacts of Initial Perturbations on the Computational Stability of Nonlinear Evolution Equations

The impacts of initial perturbations on the computational stability of nonlinear evolution equations for non-conservative difference schemes and non-periodic boundary conditions are studied through theoretical analysis and numerical experiments for the case of onedimensional equations.The sensitivity of the difference scheme to initial values is further analyzed.The results show that the computational stability primarily depends on the form of the initial values if the difference scheme and boundary conditions are determined.Thus,the computational stability is sensitive to the initial perturbations.     

Arnol’d’s Second Nonlinear Stability Theorem for General Multilayer Quasi-geostrophic Model

Arnol’d’s second nonlinear stability criterion for motions governed by a general multilayer quasi-geostiophic model is established. The model allows arbitrary density jumps and layer thickness, and at the top and the bottom of the fluid, the boundary condition is either free or rigid. The criterion is obtained by the establishment of the upper bounds of disturbance energy and potential enstrophy in terms of the initial disturbance field.     

非线性平流方程计算稳定性对初值的依赖性研究

对一维平流方程向前差格式的一个计算不稳定特例进行了讨论，给出了四个命题，并得出结论：在一定的条件下，可以对初值稍加改变，使其在x轴一侧分布而达到计算稳定，从而改进并修正了已有的相关结论。     

东北春玉米非线性积温模型参数改进

结合我国东北地区春玉米生长发育的实际情况,以观测年份较多、观测地点较广为原则选取4个春玉米品种,分别为东农248、龙单13、四单19和丹玉13,利用生长发育观测资料和同期气象观测资料,判断4个玉米品种的相对熟型并对沈国权非线性积温模型（简称NLM）进行参数拟合,讨论参数的生物学意义及其与品种熟型的关系,对NLM进行有效改进及验证。结果表明:4个春玉米品种NLM均不存在无效参数,参数K与参数Q存在显著的相关性,说明K可能仅是一个统计参数,没有明确的生物学意义;积温在品种间存在显著差异,全生育期模型参数Q与多年站次平均有效积温或活动积温有较好的相关性,由于不同的积温意味着不同的玉米品种熟型,说明Q与玉米品种的熟型有关,将模型参数Q和K用反映玉米品种熟型的参数（有效积温、活动积温）表示,建立了适用于不同品种的通用积温模型,取得较好的应用效果。     

发展方程计算稳定性的比较分析

对线性与非线性发展方程的几种差分格式,以一维线性和非线性平流方程为例,对线性与非线性发展方程差分格式的计算稳定性进行了比较分析,揭示了差分格式结构和初值形式与非线性计算稳定性的关系。     

Estimation of Scalar Source/Sink Distributions in Plant Canopies Using Lagrangian Dispersion Analysis: Corrections for Atmospheric Stability and Comparison with a Multilayer Canopy Model

Source/sink distributions of heat, water vapour andCO₂ within a rice canopy were inferred using aninverse Lagrangian dispersion analysis and measuredmean profiles of temperature, specific humidity andCO₂ mixing ratio. Monin–Obukhov similarity theorywas used to account for the effects of atmosphericstability on _w(z), the standard deviation ofvertical velocity and _L(z), the Lagrangian timescale of the turbulence. Classical surface layer scaling was applied in the inertial sublayer (z > z_ruf)using the similarity parameter = (z - d)/L, where z is height above ground, d is the zero plane displacementheight for momentum, L is the Obukhov length,and z_ruf 2.3h_c, where h_c iscanopy height. A single length scale h_c, was usedfor the stability parameter 3 = h_c/L in the height range 0.25 < z/h_c < 2.5. This choice is justified by mixing layer theory, which shows that within the roughness sublayer there is one dominant turbulence length scaledetermined by the degree of inflection in the windprofile at the canopy top. In the absence of theoretical or experimental evidence for guidance,standard Monin–Obukhov similarity functions, with = h_c/L, were used to calculate the stabilitydependence of _w(z) and _L(z) in the roughness sublayer. For z/h_c < 0.25 the turbulence length and time scales are influenced by the presence of the lowersurface, and stability effects are minimal. With theseassumptions there was excellent agreement between eddycovariance flux measurements and deductions from theinverse Lagrangian analysis. Stability correctionswere particularly necessary for night time fluxes whenthe atmosphere was stably stratified.The inverse Lagrangian analysis provides a useful toolfor testing and refining multilayer canopy models usedto predict radiation absorption, energy partitioningand CO₂ exchanges within the canopy and at thesoil surface. Comparison of model predictions withsource strengths deduced from the inverse analysisgave good results. Observed discrepancies may be dueto incorrect specification of the turbulent timescales and vertical velocity fluctuations close to theground. Further investigation of turbulencecharacteristics within plant canopies is required toresolve these issues.     

大气湍流的非线性动力学参量与其经典统计量之关系

本文利用大气边界层近地层中观测得的风和温度时间序列讨论计算了湍流的非线性动力学统计参量与其经典统计量的关系。初步结果表明:当层结稳定参数z/L处于-0.7相似文献   

Idealized Experiments for Optimizing Model Parameters Using a 4D-Variational Method in an Intermediate Coupled Model of ENSO

Large biases exist in real-time ENSO prediction, which can be attributed to uncertainties in initial conditions and model parameters. Previously, a 4 D variational(4 D-Var) data assimilation system was developed for an intermediate coupled model(ICM) and used to improve ENSO modeling through optimized initial conditions. In this paper, this system is further applied to optimize model parameters. In the ICM used, one important process for ENSO is related to the anomalous temperature of subsurface water entrained into the mixed layer(T_e), which is empirically and explicitly related to sea level(SL) variation.The strength of the thermocline effect on SST(referred to simply as "the thermocline effect") is represented by an introduced parameter, αT_e. A numerical procedure is developed to optimize this model parameter through the 4 D-Var assimilation of SST data in a twin experiment context with an idealized setting. Experiments having their initial condition optimized only,and having their initial condition plus this additional model parameter optimized, are compared. It is shown that ENSO evolution can be more effectively recovered by including the additional optimization of this parameter in ENSO modeling.The demonstrated feasibility of optimizing model parameters and initial conditions together through the 4 D-Var method provides a modeling platform for ENSO studies. Further applications of the 4 D-Var data assimilation system implemented in the ICM are also discussed.     

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。