梅雨锋中尺度系统及其与大尺度运动相互作用的能量学研究

本文导出了二维非均匀介质中重力惯性波的频散方程、波列传播路径方程和考虑了中尺度与天气尺度运动之间相互作用的动能收支方程,并用于讨论了一个典型的梅雨锋过程。研究发现,由一条中尺度雨带强迫产生的重力惯性波的能量频散可能成为另一条中尺度雨带生成和维持的机制;中尺度与天气尺度运动之间相互作用所产生的动能交换是中尺度系统发展的一个非常重要的动能来源,在中尺度系统的维持中也有重要作用。      

不同源区雷达回波的汇合与暴雨的形成

一、引言 暴雨是一种中尺度天气现象。关于暴雨形成的大尺度背景条件以及中尺度系统的天气学特征,有过许多分析研究。至于暴雨的触发机制,一些理论研究主要分析了不同条件下重力波对暴雨的触发作用。李麦村根据大尺度天气系统发展时的非地转平衡能激发重力波,指出其在条件不稳定大气中传播时,可以是发动暴雨的一种机制。最近又根据两     

《中尺度数值模拟》介绍

《中尺度数值模拟》共分十三章,在第一章引言中重新定义了什么叫中尺度天气系统,第二章、第三章讨论建立适用于中尺度系统的方程组,并加以简化,第四章介绍了时空平均方程组的建立,第五章讨论模式的类型,一类是物理模式,即相当于在实验室中做物理试验的方法,另一类是线性模式,用数学分析的方法讨论中尺度系统的特性,第六章是坐标变换,第七、八、九章讨论参数化问题,即讨论中尺度数值模拟中如何考虑近地面层中的乱流作用、辐射作用及水汽和热力作用等物理过程的问题。第十、十一章分别介绍方程组的求解方法和边界条件及起始条件等问题。第十二章讨论模式的鉴定,第十三章介绍了用中尺度模     

垂直切变流中非线性重力波及其相互作用

利用多重尺度摄动法，推导出斜压大气中(基本风场具有垂直切变)两个非线性重力波相互作用方程，这两个方程联立组合为耦合非线性schrǒdīnger方程组。两个重力波相互作用时可激发出重力驻波。数值计算表明：两个孤立重力波相遇，相追会使波振幅增大，波宽变窄。强烈对流天气突然爆发的可能原因之一是中尺度重力波非线性相互作用的结果。     

非线性惯性重力内波的特征及天气意义

对大气非线性惯性重力内波方程组,利用相平面分析法导出了相应的ＫｄＶ方程。采用直接积分法求出两类有意义的孤立波解,讨论了波解的基本特征,并着重分析了一类奇异孤立波与某些天气系统（如青藏高原５００ｈＰａ低涡）的可能联系。     

与海南岛秋季暴雨有关的一类热带中尺度涡旋的动力学分析

对惯性重力内波方程组分别通过线性和非线性求解探讨造成2010年10月海南岛一次特大暴雨中一类热带中尺度涡旋生成发展的动力、热力机制,研究发现：（1）在副热带高压和大陆冷高压南侧反气旋性纬向水平风切变大值区、静力不稳定大气层结、积云对流潜热释放、低空急流、适当强度的冷空气有利于热带中尺度涡旋的形成和发展;（2）非线性惯性重力内波的孤立波解与这类热带中尺度涡旋有很好的联系,在静力不稳定的大气层结下,热带中尺度涡旋的形态主要由对流凝结潜热加热所决定,即潜热加热下的孤立波解要求热带中尺度涡旋在垂直方向是一个浅薄的涡旋系统;另外强盛的对流凝结潜热对热带中尺度涡旋垂直运动振幅的增强起主要作用,更有利于涡旋的发展和维持。基于天气事实分析的理论研究为深化影响海南的热带中尺度涡旋乃至南海中尺度对流系统的机理认识进行了探索。     

热带风暴中波动特征的研究进展和问题

在分析热带风暴眼壁和螺旋雨带中尺度波动特征最新研究的基础上，指出这些研究所忽略的问题，其中包括重力惯性波和涡旋Rossby波波解存在的前提条件和约束、理论分析与观测研究存在的差异等。提出一种基于准平衡动力条件下，热带风暴内中尺度扰动涡散运动共存时，区别于标准模混合的不可分的混合涡旋Rossby-重力惯性波，并讨论了位涡守恒条件下这一类不可分混合波的可能成波机制。利用高分辨率的模式大气资料，采用非对称波分量的分解方法分析了Bonnie飓风中的中尺度波动特征，结果表明，热带风暴中1波型扰动既具有涡旋波性质，但也存在散度扰动的变化，而2波型扰动则体现了明显的不可分混合波的特性。     

重力波浅谈

正如绵延起伏上下不息的水面波一样,在地球大气中重力波真是无时不在无处不有,而且它们的波长可从10~1公里的短重力波,到波长为10~4公里的长重力波,在大气中构成了堪称为重力波的大家族。在这个重力波家族中,几乎每一种重力波成员,对于大气环流的演变以及天气的变化,起着各自不同的作用,扮演着不同的角色。所以,在探索大气运动规律以及正确做好天气预报过程中,大气重力波也是很值得注意和研究的一个问题。     

大气中尺度重力波的监测与应用

随着人类社会活动的现代化进程加快,中尺度气象研究引起了气象工作者的日益高度重视。90年代将是中尺度气象学取得显著发展的10年。重力波是大气中一种重要的中尺度波动,众多研究表明,低空急流、温带气旋、线、锋面、晴空湍流和暴雨系统云雨带中的中尺度结构都和重力波的活动有关。     

台风暴雨次天气系统影响因素及扰动传播路径

研究了台风暴雨次天气，中尺度系统发生、发展的影响因素。数值试验表明，台风外围环流与中纬系统相互作用可促发局地次天气尺度、中尺度系统的新生扰动、造成非均匀分布的台风暴雨动云团及雨，且一大地形强迫效应在暴雨系统形成中亦起重要作用。台风环流与地形辐合抬升作用可促发中尺度扰动，并以类似重力波特征的波列路径向外传播。     

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。     

热力强迫的非线性奇异惯性重力内波与高原低涡的联系

利用相平面分析法,由非绝热大气运动方程组导出了与非线性惯性重力内波有关的KdV方程,然后用直接积分法得到两类有天气意义的孤立波解,重点分析了与青藏高原暖性低涡有联系的一类具有间断点的奇异孤立波解的特征,进而讨论了高原非绝热加热对高原低涡生成、移动及高原低涡暖心结构的作用。     

重力波对特大暴雨的触发作用

暴雨是一种中尺度天气现象,但是它是在一定的大尺度背景下发生的,如发展着的锋面、低涡和气旋。由于这些系统的发展总是非地转平衡的,因而会激发出强的重力波。这种重力波在条件不稳定大气中传播时,低层辐合和上升气流能组织积云加热,这种积云加热反过来会促使重力波发展,在地面形成中尺度高低压系统。本文在线性绝热情况下求解大气运动方程,得到了重力波解。这种重力波解在位相上涡度中心比散度中心落后π/2,因而暴雨区落在中低压与中高压之间,且由于降水扩散,暴雨中心偏向中高压一边。在垂直结构上在对流层上层可以得到暖性中高压。理论上估计了暴雨团移动的速度和中高低压的强度等。并将理论结果与一次特大暴雨的实例进行了比较,两者是一致的。因而提出重力波在条件不稳定大气中可以是发动暴雨的一种机制。     

近几年中尺度动力学研究进展

近几年,中尺度气象由于在逐日天气预报中的重要作用和在气象灾害预报中的显著贡献,已经成为一个热门的研究课题.中尺度气象研究并预测中尺度天气系统的发生发展及其引发的灾害性天气,如暴雨、冰雹、龙卷风等.本文主要总结了2007年以来我国在中尺度研究中取得的显著性成果.主要包括:波动、涡旋、锋面、稳定性、Q矢量和不变量.在波动方面包括重力波的形成和传播的研究,包含旋转Rossby波、混合低频旋转Rossby波和高频惯性重力波在内的台风波动以及考虑水汽作用的中尺度波作用守恒.涡旋部分主要介绍了青藏高原低涡(TPV)和热带气旋内部的涡旋问题.除了涡旋之外,锋面在中国也是一个关键系统.在锋面方面的进展有:梅雨锋中的β中尺度双雨带机制的产生和维持的实验性研究,以及基于广义位温的锋生函数的提出,这些成果使得对锋生过程的描述更接近于实际大气状况.在不稳定问题上,主要介绍了采用Energy-Casimir方法建立的拟能量波作用方程和基本气流具有线性和非线性切变时的横波扰动的不稳定.关于Q矢量,介绍了从地转Q矢量,半地转Q矢量到非地转Q矢量,非地转湿Q矢量的发展,以及由湿地转Q矢量和垂直风切变耦合得到的新型散度方程.最后,讨论了有关质点的两个不变量位温和位涡的相关研究新进展.     

青藏高原地区夏季两次强降水过程中重力波特征分析

为了更为全面地认识高原地区重力波对暴雨发生发展的影响,利用中尺度数值模式WRF(V3.5.1)对青藏高原东部地区2007年8月25日和2011年8月14日发生的两次强降水过程进行了模拟,分析了降水过程中的重力波特征及其与强降水之间的联系。结果表明,模拟结果较好地再现了这两次强降水过程,降水过程中的垂直速度场和散度场交替式运动完整地表现出波的传播特征,其伴随的上升运动和降水也有着密切的联系。分析Richardson数表明,5~6 km高度上垂直切变不稳定出现的时间先于这些波传播的发生,随着波动的增强,垂直切变逐渐减弱,垂直切变的不稳定气流为重力波提供能量,垂直切变和Richardson数可作为下游地区暴雨预报的指标和依据。同时,Morlet小波分析的结果表明,两次过程中主要是中尺度重力波,其中较长波长的重力波出现时间早,持续时间长,对强降水过程的加强起主要作用。这些表明中尺度重力波是该地区中尺度强降水发生的动力机制之一,在该地区夏季强降水过程中扮演着重要角色。重力波的分析有助于对该地区强降水过程的理解,进而提高青藏高原地区降水的预报能力。     

夏季风期间南海低纬地区中-β波的观测研究

利用南沙群岛的加密观测资料，对南海低纬地区西南季风爆发时，大尺度季风环流下存在着的中小尺度系统进行了研究探讨；揭示了低纬热带地区中尺度重力波对天气的影响，并从动力学的角度对该地区中尺度重力波的产生、传播进行了初步的分析。     

相向而行的重力波与暴雨

本文对１９８８年７月２１日天津地区大暴雨的天气过程进行了详细分析，发现这次暴雨是两个中尺度系统引起的两片雨区相向移动、合并而后加强形成的。研究表明这是两个相向而行的大气重力内波叠加的结果。     

切变流中的CISK机制与惯性重力波

利用板对称，有切变的大气动力学方程组，由行波法导出非线性微分方程，通过非线性稳定性理论讨论方程的稳定性，求解了ＫＤＶ方程，并讨论了线性ＣＩＳＫ，非线性ＣＩＳＫ，惯性稳定度参数和大气风速垂切变对惯性重力孤波强度和宽度的影响，目的早通过了解影响惯性重力孤波发展的因子，更深入地理解低纬中尺度天气系统形成和发展的过程。     

热带大气和海洋的半地转适应和发展运动

半地转适应和半地转发展是热带大气和海洋运动的两种基本形态,它们在时间上是可分的,反映了不同的物理过程。当初始扰动作用于大气或海洋时,首先将激发出重力惯性波,当重力惯性波频散后,建立起半地转的平衡状态,此后运动进入到以Rossby波（长波或短波）、Kelvin波和混合波中的Rossby短波为主导的发展状态。文中研究的纬圈半地转适应和发展运动,是Gill长波近似模式的理论基础。同时研究了经圈半地转适应和发展运动,实际上这相当于短波近似模式,它可以应用到研究海洋经圈边界附近的一类问题。     

2006年4月28日山东强飑线过程中尺度结构和动力机制分析

利用探空、地面自动气象站、多普勒天气雷达和NCEP/NCAR再分析等资料,对2006年4月28日影响山东大部的强飑线过程的中尺度结构进行了诊断分析。此次强飑线是由东北冷涡横槽沿西北气流下滑激发对流发展形成的,冷涡横槽底部为后倾的干冷下沉气流区,干空气侵入有利于位势不稳定能量的储存。冷涡横槽在300 hPa最为强盛,并连接横槽前后南北两支急流,对流层顶折叠特征明显;高空横槽区的地转调整运动引发中尺度重力波,促进了高空急流动量向对流层中下部的传输,加剧了地面大风灾害。风暴发生区具有明显的等熵面倾斜、对流不稳定和垂直风切变,具有倾斜涡度剧烈发展的条件。风暴发生区中低层散度场、垂直速度场和地面风压扰动场均具有典型中尺度重力波的结构特征,风暴和中尺度重力波相互耦合促进,是强飑线发展维持的重要动力机制。