斜压不稳定理论的发展历程分析

斜压不稳定理论是中高纬度地区天气尺度扰动生成和发展的机制,是继长波理论之后大气动力学上的又一重大进展,对现代天气预报具有重要的指导意义。按照斜压不稳定理论发展的时间脉络,阐述了赵九章、查尼和伊迪在斜压不稳定方面开展的研究工作,分析了3位科学家各自的研究特点及历史贡献。赵九章1946年发表在《Journal of Meteorology》上的论文,最早提出了"斜压不稳定"这一概念,给出了不稳定的临界波长,并阐述了在不稳定扰动情况下能量的转换,以及不稳定波对大气环流带来的可能影响,尽管得出的不稳定临界波长与观测差别较大,但其对波-流相互作用的讨论在当时是超前的。查尼于1947年采用滤波和尺度分析等方法,将大气扰动方程简化为一个可以求解的系统,推导出大气稳定状态的判据,建立了斜压不稳定理论,其结果与实况比较接近;并据此把准地转模式成功应用于数值天气预报实践中,促使数值天气预报获得首次成功。1949年,伊迪在查尼研究工作的基础上通过合理的简化方法,得到了更为简洁的模型。最后,通过对比他们的研究思路,重点分析了赵九章未能使得斜压不稳定理论提前一年建立的原因:由于其研究思路始终局限在大气水平运动上,忽略了斜压系统发展中散度项的贡献,因而未能抓住天气系统发生、发展的本质,致使其最终与斜压不稳定理论的成功建立失之交臂,其论文本身存在的一些亮点也因此被后人忽视。      

含经圈环流的基流的斜压不稳定

基本气流含有经圈环流的斜压不稳定充要条件为:K~2<2F和(U_sk+V_s1)~2>U_0k~2.因而,对纯经向基流也可以出现斜压不稳定。在西风基流和给定经向波数1>0情况下,正经圈环流使不稳定区域增大,反经圈环流使不稳定区域减小,而在东风基流情况下,特征相反。 含有经圈环流的基流的不稳定增长率随波数变化特征与纯纬向基流的情况有着显著的不同。     

远距离台风暴雨过程的正/斜压不稳定

利用正／斜压联合不稳定计算方法，分析了由9711号台风引起的远距离台风暴雨(实况及MM4模拟结果)过程中不同时段、不同位置的正／斜压项。结果表明：台风暴雨初始时段的降水主要由台风系统本身正压不稳定扰动引起，随着台风与西风带系统的结合，其南北部出现了2个雨区，均是正／斜压联合不稳定的产物；北部雨区的斜压不稳定较明显，且有随高空急流的非纬向性增强而增强的趋势。     

物理守恒保真计算与理想斜压不稳定波模拟的改进

斜压不稳定是大气波动动力学最重要的机制之一,离散数值方案对斜压不稳定发展的描述能力是模式评估的重要内容和模式改进的重要依据。利用斜压原始方程全球谱模式,进行了Jablonowski-Williamson斜压不稳定理想试验,对传统计算方案和物理守恒律保真两方案进行了模拟结果比较,发现通过保持时间离散过程中的全能量守恒,物理守恒律保真方案能够有效地改进传统方案中斜压扰动发生时间延迟的问题,并且在同等条件下增大斜压扰动的发展强度。对涡动动能收支的分析表明,斜压扰动发生时间和发展强度的改进与能量转换的特征有直接联系;在传统方案的基础上,物理守恒律保真方案由于在时间离散中保持了整体物理守恒性质,能量转换率(尤其是斜压转换率)得到显著增强,从而增大斜压扰动的强度,消息改善与中尺度相关的梯度特征等。     

赤道不稳定波能量收支的数值模拟分析

最新海表温度卫星观测资料分析表明在赤道东太平洋和大西洋附近存在赤道不稳定波（tropical instability waves）。赤道不稳定波通常于每年春末夏初出现,以约0.6 m/s速度向西传播,周期为20~40天左右,波长约为1 000~2 000 km,可改变赤道附近海洋的热量平衡,并引发强烈的局地海气作用。利用CCSR/NIES/FRCGC AOGCM MIROC 100年的模式输出结果,计算了赤道不稳定波的爆发时间、波长、传播速度、周期,并与观测资料作对比分析,以考察模式对赤道不稳定波的模拟能力。结果表明,模式较好地再现了热带太平洋的海洋内部中尺度动力-热力作用过程,成功模拟了赤道不稳定波的基本特征,发现赤道不稳定波主要存在赤道南北不超过6个纬度的浅层海洋中,除赤道表层外4~6 ?N海洋温跃层中也有赤道不稳定波。对赤道不稳定波的能量进行诊断分析表明其能量主要来自赤道附近洋流经向切变产生的正压不稳定,赤道以北海洋温跃层中赤道不稳定波能量主要来自由浮力作用产生的斜压不稳定,两者的共同作用形成了赤道不稳定波的赤道不对称结构。     

圆形涡旋中心非对称扰动的斜压不稳定研究

涡旋中的非对称扰动又是一种较为常见的流体运动现象,如不成熟飓风中出现的中尺度深厚对流云区（又称圆形抽气云CEC）,热带风暴发展时的不对称性以及环流中心往往位于浓密云区的边缘等,都是涡旋中存在不对称扰动的表现形式。然而对于涡旋中非对称扰动的稳定性问题的研究,目前还比较少。文中从柱坐标下的斜压模式出发,研究了热带气旋等一类涡旋中心的非对称扰动的不稳定问题,结果表明：（1）与平直的基本流相比,涡旋中更容易出现斜压不稳定,扰动更容易发展;（2）不稳定可以使涡旋中的能量由基本场向扰动场转换,涡旋变得不对称。扰动是一种重力内波,其传播速度远小于基本流角速度,有些甚至逆基本流缓慢倒转;（3）在通常的稳定度参数条件下,发展扰动主要集中在高层,从结构上看,扰动的倾斜度大。当稳定度参数很小时,扰动可扩展到整个对流层,倾斜度较小;（4）高层反气旋也可以激发出不稳定内波,这种扰动在低层表现明显。当稳定度参数较小时,扰动发展较快,并且也以很小的速度倒转。     

“95.1”大雪的对称不稳定数值诊断分析

利用一次较成功地模拟了“９５．１”青藏高原东北部大雪过程的ＭＭ５中尺度模式输出资料,根据条件对称不稳定（ＣＳＩ）的非线性理论判 据对这次大雪过程进行了动力学诊断分析,结果表明,大雪的发生发展过程与σ＾２正值区的分布和演变非常一致,表明“９５．１”大雪是由明显的湿对称不稳定所致。     

新疆和田“2010.3.12”区域性黑风能量及不稳定条件分析

利用地面自动站观测、MICAPS预报产品以及NCEP/NCAR 1。×1。再分析资料,对2010年3月12日发生在新疆和田地区的一次区域性黑风天气过程进行能量和不稳定条件诊断分析。结果表明：(1)纬向转经向环流的调整和中、低空不断加强的西北锋区结合地面强冷锋的配置结构为黑风天气的暴发提供了强大的动力背景;(2)黑风天气暴发在高能且极不稳定的大气环境条件下;(3)代表能量和不稳定条件的螺旋度、有效位能、对流抑制指数、粗理查森数和假相当位温在时间、落区、强度上与黑风天气的演变极为吻合,具有很好的预报指示意义。     

重力惯性波及其不稳定——急流附近飞机颠簸产生的可能机制

基于不可压缩流体运动方程组研究了急流附近重力惯性波及其不稳定,结合飞机风速变化方程,分析指出重力波失稳破碎为湍流是飞机颠簸产生的可能机制。斜压大气在急流轴北侧气旋切变区是惯性稳定的,当满足条件σ=f[f-/y] N2m2/n2<0时,由于天气尺度对流不稳定发展而引起重力惯性波不稳定破碎为湍流,可能是急流北侧气旋切变区对流性天气引起飞机颠簸产生的一种机制。但是在急流轴南侧反气旋切变区是惯性不稳定的,当满足条件σ=f[f-/y] N2m2/n2<0时,可能由于惯性不稳定的作用,急流重力波不稳定发展破碎为湍流,可能是急流南侧反气旋气流中晴空湍流和飞机颠簸产生和发展的一种机制。揭示了急流附近晴空湍流和飞机颠簸产生的物理本质,有利于增强航空飞行颠簸的预测能力。     

低空急流形成发展的一种可能机制——重力波的惯性不稳定

当斜压大气在高空急流轴附近满足条件f(f-/y)＜0时,非地转运动激发出的重力惯性波将得到进一步的发展.此时,斜压大气的地转适应过程无法实现,非热成风和垂直环流之间将发生正反馈作用, 负的非热成风将激发并加强南部上升北部下沉的垂直环流,垂直上升流的加强将导致低层低压系统的发展和低层流场的辐合,使得低层低压系统南侧的气压梯度力增大,结果在辐合区南侧形成低空急流.此外,非热成风的分布对垂直环流和低空急流的形成发展也具有非常重要的作用.     

“21·11”极端暴雪过程多系统结构演变及热动力机制

利用多种实时观测资料和ERA5再分析资料,对造成2021年11月6—8日华北、东北极端暴雪过程多系统的结构特征及热动力机制进行分析。结果表明:此次过程先后由500 hPa高空横槽、河套西风槽及高空冷涡接力影响,其上空的高空急流不断加强并呈现“S”型弯曲,同时低空偏南风急流形成与加强,并在东北地区与高空急流耦合。此次过程阶段性特征明显,其影响系统的结构特征和水汽输送存在差异。回流冷锋形成的冷垫锋面较为浅薄,暖湿气流在其上倾斜上升。寒潮冷锋则较为陡立,上升气流随高度西倾。而锋面气旋结构较为深厚直立,使得气流呈垂直上升运动。随着斜压强迫的不断增强,850 hPa切变线由准东西向分布转为南北向分布,再演变为低涡切变结构。对应的水平涡度由弱转强,其上空正涡度垂直分布也逐渐加强,由弱倾斜上升运动逐步演变为较强垂直上升运动区,并在系统东侧形成次级环流下沉支。此次过程的发生发展与锋生作用密切相关,降雪落区和强度与锋区走向及锋生函数大小较为一致。假相当位温锋区在降雪3个阶段逐渐加强,垂直锋区和低层锋生函数由倾斜状态演变为近乎直立结构;湿位涡诊断表明,3个阶段降雪落区均发生在湿位涡正压项>0而斜压项...     

1992年Andrew飓风眼壁区倾斜上升运动发展的可能机制——非线性对流对称不稳定

在1992年Andrew飓风数值试验输出高分辨资料的中尺度扰动结构分析基础上,对眼壁区倾斜上升运动进行了动力分析,指出存在一种非线性对流-对称不稳定的发展机理.梯度风不平衡是涡旋大气中提供对称不稳定的物理基础,并用模式资料诊断研究了倾斜上升气流存在的这种发展机理的可能.