两层正压准平衡海洋模型的中纬度自由涡旋波动解

建立了具有瑞利摩擦且仅考虑大洋西海岸或同时考虑大洋东、西海岸的两层正压准平衡海洋模型,并做了解析求解,用以研究中纬度的自由涡旋波。得到的主要结论有:模型中该波动的解为波包。在仅考虑大洋西海岸时该波包的载频频率是连续谱;而同时考虑大洋东、西海岸时其为离散谱;且均有载频频率越高(周期越短)水平尺度越大的特点,对过分低频的波动,则会使准平衡的假定不再适用。模型中该波动波包载频的周期约在26天至24年。因考虑了摩擦,该波包的振幅随时间呈指数衰减,但摩擦系数的大小仅影响其衰减程度而不改变其空间结构,最终该波包振幅趋于0,故该两层正压海洋模型的解就趋于大气风场的强迫特解。模型中该波包的载频都是西传的;频率较高则西传较快,波包的特性和变形都很明显;频率低,则西传慢,其波形接近平面简谐波。在该两层正压模型中,该波动上层流场与正压模型中的流动类似,而下层海洋流动则其流速与上层海洋相同,而流向相反。该模型中该波动的性质是准平衡(准无辐散)的涡旋波,当摩擦不太大且其水平尺度在10km以上时,其性质则为准地转的Rossby波。     

两层正压准平衡海洋模型的中纬度定常风场强迫解

建立了风场强迫下考虑瑞利摩擦的水平二维两层正压准平衡海洋模型,并在中纬度大尺度理想风场强迫的情况下,进行了解析求解。结果表明,在西风急流强迫下,在理想海洋的西海岸以东的上层流场上,在西风急流处会出现较强的东向流;在接近β通道侧壁处则有西向逆流出现;在近西海岸处,在上述东向流的两侧有气旋性曲率与反气旋性曲率的流动;而下层流场的强度与上层流场大致相同,但流向大体相反。由理想西风急流异常强迫出的流场异常的分布形式与以上结果类似。与实际风场异常强迫下的北太平洋上层流场异常进行比较后可知,模型得到上层海洋的结果与实际情况有相像之处。最终,该海洋模型的解趋于风场强迫特解。     

正压准平衡海洋模型及其解（Ⅰ）：中纬度大尺度风场强迫情况

本文建立了风场强迫下考虑瑞利摩擦的水平二维正压准平衡海洋模型,并对中纬度大尺度风场强迫的情况做了解析求解。结果表明,在近地面西风急流的强迫下,在理想海洋的西海岸以东会出现由气旋涡与反气旋涡构成的涡旋偶;当西风强迫越大,粘性越小时其强度越大,而β越大,β通道的半宽越小,则其沿纬向的变化越剧烈;该涡旋偶的性质属准平衡的涡旋波。将该结果与北太平洋上层流场异常的复EOF分析的第一模态作比较后可见,两者有类似之处。最终,该海洋模型的解则趋于该风场强迫特解。     

致洪暴雨过程中尺度涡旋的结构和准平衡特征分析

利用2008年6月广西致洪暴雨过程高分辨率数值模式资料,分析引起暴雨的中尺度涡旋在移动和持续性发展过程中其内部结构的演变以及系统的动力学特征。研究结果表明,中尺度涡旋是导致此次广西暴雨的主要系统,其发展移动过程中伴随有强烈上升运动的深厚湿对流,并在中高层持续形成明显的暖心结构。此次涡旋系统移动过程可分为涡旋南移和涡旋东移两个阶段,由于受到环境场的影响,涡旋中心区域动量、热量和水汽的再分配为其持续性发展提供有利条件。同时诊断分析表明,涡旋内部存在具有继发特征的长时间维持的组织化深厚湿对流系统,以强非地转分量为特征的超地转流,并表现出涡散运动共存且同量级的特征,具有典型的准平衡特征。     

正压大气中地形波与自由Rossby波的四波准共振

本文研究了正压大气中一个地形波与三个自由Rossby波的四波准共振动力学特征。由含大地形的准地转正压涡度方程，引入双时间尺度，导得了地用波与自由Rossby波的四波准共振耦合方程组，并求得其低频周期解．由数值计算表明，对于Charney所用地形高度，此解正是准双周振荡。大地形强迫是激发三个自由Rossby波相互输送能量的重要物理机制，使得二个自由Rossby波同时向第3个2波型自由Rossby波输送能量以形成准双周振荡或阻塞。这一结果与观测事实也比较一致。     

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。     

台风涡旋系统的波动性质及其数值模拟

本文使用柱坐标系下的正压浅水方程组以及斜压扰动方程组,分析得出台风涡旋系统中的涡旋Rossby波划分为两种类型。由于切向基本气流的二阶径向水平切变或者基本气流的垂直涡度在径向方向的变化(β*因子)所导致的涡旋Rossby波称之为第一类涡旋Rossby波(正压涡旋Rossby波),它产生的根本原因是β*因子的作用。这种第一类涡旋Rossby波相对于切向基本气流是单向传播的,其传播方向则与β*因子的正负符号有关。当基本流场垂直涡度-ζz沿着径向r方向增大时,第一类涡旋Rossby波是沿着切向圆周方向逆时针方向传播的;反之则是沿着切向圆周方向顺时针方向传播。如果考虑切向基流的二次垂直切变时,可以得到台风涡旋系统中第二类涡旋Rossby波(斜压涡旋Rossby波)的相速度表达式,第二类涡旋Rossby波产生的物理根源是切向基本流场风速的二次垂直切变或者基本流场径向r方向的平均涡度在空间z方向上的不均匀性(亦即β**因子)。第二类涡旋Rossby波相对于切向基本气流也是单向传播的,当-ζr沿着空间z方向上增大时,第二类涡旋Rossby波就是相对于基本气流-V0是顺时针方向传播的;反之则是相对于基本气流逆时针方向传播。在基本流场的风速-V存在二次径向水平切变或者垂直切变时,台风中的波动可能是混合的涡旋Rossby波——重力波;而当基本流场的风速-V仅仅存在线性切变,不存在二次切变时,此时根本不存在涡旋Rossby波,台风系统中的波动则仅仅是重力惯性波。最后,采用WRF模式对“云娜”台风进行了数值模拟,验证了上述结论。     

致洪暴雨过程中尺度涡旋的涡散作用及准平衡流诊断分析

利用较高分辨率的观测资料与模拟结果进行分析表明,影响2008年6月中旬广西致洪暴雨的主要中尺度天气系统是准静止的中尺度涡旋,它是中纬度天气尺度西风带波动与低纬度暖湿气流带在地形效应下相互作用的结果,其生成、发展和移动对此次致洪暴雨过程的降水强度和持续有重要作用,该中尺度涡旋具有强涡散共存、涡散度达同量级并伴随有较长生命...     

两层海洋对风场气候异常响应的解析解及其讨论

利用一个β通道线性化两层正压准平衡海洋模型,解析求解了两层海洋流场对时变风场(风场异常)的响应,得到了时变风场强迫下该海洋流场响应的斜压模态,而该模型中的正压模态则因其与实际情况不符,应弃之.在海洋上层该斜压模态中,西边界附近的海洋流场响应表现为一对由气旋性曲率和反气旋性曲率组成的涡旋偶;在时刻t=0和t=T/2(T为风场变化周期),β通道中线上分别有西风异常和东风异常最大,故响应表现为东向流和西向流;而在β通道的南北侧边界上响应表现为逆流;此时响应变化较缓慢,但强度大.在时刻t=T/4和t=3 T/4,虽无大气风场异常强迫,但因海洋运动的惯性,响应仍不为0;此时,响应变化较剧烈,但强度小,且.其流向也发生反转,这时上述涡旋偶也表现得最清晰.存海洋下层,海洋流场响应的强度和时间变化与上层相似,但流向却相反,而这体现了响应的斜压性.该海洋流场响应的频率与时变风场异常的频率相同,但存在位相差.因模型中采用了无辐散近似,故响应的性质为准平衡涡旋波,当风应力强迫和瑞利摩擦不太大时,即为海洋Rossby波.对该流场响应的振幅做了估计,发现风应力越大,β通道半宽越大,耗散越小,风应力变化的频率越低,则该响应就越大;在其他因子相同时,低频的风应力异常比高频的能激发出更大的海洋流场响应.得到的斜压模态的解析解与中纬度北太平洋在日本本州岛以东、以南的实际海洋上层流场异常相像,故其在一定程度上能够反映中纬度北太平洋海洋上层流场对实际风应力异常的响应情况;且其较我们以前得到的结果要优,适用性也更广,而这有助于揭示该响应的性质和机理.     

线性准地转模型中副热带感热加热强迫的定常波

通过求取定常线性准地转位涡模式的解析解,研究了感热加热强迫所激发的副热带定常波的结构特征,讨论了基本流、牛顿冷却及地面摩擦等对定常波振幅和位相的影响。结果表明,东风时定常波在垂直方向上表现为上、下层反位相的第一斜压结构,且地面系统远强于中高层;西风时定常波呈现出向上的传播特征,在高层,随着风速增大振幅随高度的升高有增大趋势。在近地层,东风时气旋（反气旋）主体位于加热西（东）侧;西风时气旋（反气旋）主体位于加热东（西）侧,近地层以上相反。此外,发现东、西风基本流的作用具有对称特征,这与潜热加热显著不同。研究结果还表明,牛顿冷却对定常波有重要影响,基本流越弱影响越显著。在静止大气中,感热加热强迫下无斯韦尔德鲁普（Sverdrup）解,考虑牛顿冷却时,感热强迫在热源范围内的近地层和中高层分别激发出气旋式和反气旋式环流,气旋中心位于加热中心略偏西的位置。在非静止大气中,牛顿冷却项使地面系统中心向上风方向移动,东风时向东移。牛顿冷却对高、低层系统均有削弱作用。地面摩擦则明显不同,它总会使低层系统减弱,高层系统增强。     

人体热量平衡模型及其在人体舒适度预报中的应用

人对外界冷热的调节和舒适感,不能根据气温或其他单一的气象要素来评价.要真正全面表述环境对人体的影响必须运用人体热量平衡模型,人体热量平衡模型全面考虑了所有相关的气象要素、行为参数(活动和服装)和人体参数.运用上海有限域数值天气预报和热量平衡模型计算了体感温度,以衡量人体在环境中的热舒适状况.     

热带风压场平衡特征及其对GRAPES系统中同化预报的影响研究Ⅱ:动力与统计混合平衡约束方案的应用

研究I的结果表明:线性平衡方程(LBE)在热带地区不适用,而进一步改进方向是削弱LBE在该区域的约束程度。本文以此为基础,在GRAPES(global/regional assimilation and prediction system)全球变分同化系统中引入动力与统计混合平衡约束方案。新方案在逐层求解LBE的基础上增加垂直方向的线性回归,回归系数随纬度和高度变化。针对背景误差协方差的分析表明,新方案可以更好的保证独立分析变量间预报误差不相关的基本要求,并大幅度减小热带地区平衡气压预报误差方差的量值和占总方差的比例。单点试验结果表明,与LBE方案相比,新方案对中、高纬影响很小,但在热带地区成功实现了风、压场分析的解耦,两者分析更为独立。并且,虽未考虑具体波动模态,但新方案给出的风、压场协相关结构与研究I的理论分析结果相近。一个月的同化循环与预报结果表明,引入新方案后,赤道外地区的同化预报效果为中性偏正,而热带地区风场的同化预报效果显著提高,LBE方案中平流层低层的风场同化预报异常被基本消除。