湍流的粘性和频散效应

本文应用Prandtl混合长理论导得了既包含湍流粘性又包含湍流频散的新的Reynolds平均运动方程组.分析指出:(1)湍流不仅存在粘性效应,而且存在频散效应;(2)正是湍流的频散效应可能导致能量逆转(即常说的负粘性现象,实质为一定条件下的负频散现象),并给出了能量逆转的必要条件和充分条件;(3)给出了湍流的KdV-Burgers方程模型.     

二维均匀剪切湍流的湍涡闭合方案

通过仔细分析Thorpe与Woods等对湍流的典型实验,得到如下结论:(1)提出了湍流的太极模型;(2)指出了湍流串级的内容包括2个内容,一是湍流外圈层(大涡)在内旋到内部时产生新的圈层(小涡),二是在阴阳旋臂相切的锋面由于依然存在较大切变而产生新的次尺度湍涡;(3)指出湍流的耗散机制是通过湍涡,把具有切变的2流场的交界面通过旋转而无限拉长以增大2者的接触面积,加强了交界面之间的分子交换,从而实现了湍流层层混合的高效率;(4)基于湍涡结构,提出了湍涡闭合方案,给出了Reynolds应力的表达式,闭合了雷诺方程;(5)混合长反映了湍涡的大小,Karman常数则反映了湍涡内外半径比的关系;(6)指出Reynolds方程算子是湍流方程推导的关键,提出了湍流算子的概念;(7)推导出了新型的湍流运动方程;(8)提出了关系不变性原理。     

一次典型的平流层爆发性增温中的局地多尺度洛伦兹循环

利用一种新的工具,多尺度子空间变换(MWT),以及基于MWT的局地多尺度能量与涡度分析(MS-EVA)与Lorenz循环诊断方法,对2009年1月中下旬平流层发生的一次强爆发性增温(SSW)事件的内在动力学过程进行了研究。首先用MWT将各个场重构于三个尺度子空间,即平均尺度、爆发性增温尺度(或SSW尺度)和天气尺度子空间上。结果表明,极地迅速增长的温度主要是由于SSW尺度子空间上极区内的斜压不稳定引起的正则传输(有效位能从平均尺度子空间传输到SSW尺度子空间)造成的,显著增加的有效位能(APE)转换到了SSW尺度子空间的动能(KE)中,加之快速增温前极区内正压不稳定引起的正则传输(动能从平均尺度子空间传输到SSW尺度子空间)的作用,共同导致了极夜急流的反转。     

黄土高原半干旱区异常能量闭合率特征分析

以兰州大学半干旱气候与环境观测站（简称SACOL站）4 a的陆面通量数据为基础,利用普通最小二乘法（OLS）和能量平衡比率（EBR）方法,对能量平衡的异常闭合特征及其与相对垂直湍强（RIw）的关系进行了研究,并进行了能量滞后分析。结果表明,能量过闭合和负闭合现象分别主要发生在白天和夜间,大小遵从正态分布;较大异常闭合产生的原因主要是日出日落时净辐射与地表热通量接近以及降水影响造成湍流通量出现异常大值。一般来说,垂直湍流运动越强,异常闭合越少,闭合度越向1收敛,反之亦然。强湍流或极弱湍流都不利于产生异常闭合,过闭合、负闭合的最适相对垂直湍强RIw约为0.11、0.14。另外,能量支出项的相对滞后也是造成包括负闭合在内的异常闭合的原因之一。剔除湍强较弱的点或将地表热通量G0、感热H、潜热LE相位相对净辐射Rn提前30 min后,异常闭合所占比重减少;月平均EBR法过闭合度降低,OLS法闭合度提高。     

次天气尺度与天气尺度系统间动能交换的诊断分析

本文应用低通滤波器分离天气尺度和次天气尺度运动,计算了暴雨系统中这两类运动之间的动能交换。次天气尺度运动在高空将动能转换给天气尺度,最大的动能转换发生在对流层上层300—100毫巴,500毫巴以下则相反。次天气尺度系统在动能平衡中起重要作用。这种分析方法还可用于研究大尺度运动之间的相互作用。     

理想热带气旋增强过程中的多尺度涡度收支特征分析

基于中尺度WRF模式,研究了无背景气流环境假设条件下理想热带气旋中低层大气多尺度涡旋运动的发展演变特征。精确的尺度分离是基于傅里叶变换实现的,且原始涡度场被划分为三个尺度范围：系统尺度(大于150 km)、中间尺度(50～150 km)、对流尺度(小于50 km)。研究结果表明：热带气旋的非轴对称本质主要是由于中间尺度和对流尺度上的运动造成的,且中间尺度涡度演变特征与热带气旋增强的阶段性有很好的对应关系,尤其是其快速增强阶段;全尺度涡度收支特征主要表现为两两抵消效应：STR/HAD和TIL/VAD,且前者的净贡献明显强于后者;系统尺度涡度收支特征与全尺度基本一致,但中间尺度涡度收支表现出明显不同特征：积分70 h之前,各收支项均表现出了与系统尺度相反的贡献,之后,各收支项的符号转变与系统尺度相同,但收支项净贡献明显大于系统尺度。总的来说,水平分辨率5 km下模拟的理想热带气旋的快速增强主要与中间尺度上STR/HAD净贡献的快速增长有关。此外,进一步研究了特定时段中间尺度涡度收支项的空间演变,结果表明：在热带气旋增强阶段,各收支项均在涡旋内核的轴对称化中有不可忽视的作用,且TIL在中心负...     

对边界层湍流系数日变化的探讨

本文根据摩擦平衡方程,导出了湍流交换系数K(z)的表达式,然后借助于K(z)的有限差分式,直接应用双经纬仪实测风资料,计算了该地Ekman层中湍流交换系数K(z)。计算和分析的结果如下:(1)Ekman层中的湍流交换系数具有显著的日变化特征,日变曲线的基本形式呈双峰双谷型,就整个Ekman层的平均而言,K的平均扰动值约为K的四倍。(2)K的日变规律同气温、位温变化的平均趋势基本一致。(3)K的日变程同风速的涨落有关,例如,黄昏显著的风速涨落,对应于K廊线的特定日变程。其中特别有趣的是:夜间平均风速的变化同平均K的变化趋势完全一致,但二者在白天的变化趋势恰恰相反。这种根据实溅风资料得到的微妙关系,客观地揭示出Ekman层中风速日变化的物理本质,那就是湍流混合强度的日变化。本文还给出了若干个典型的实例。      

植被内部及其上方湍流场的数值模拟

植被内部及其上方的湍流流场对于了解植被与大气之间的动量、热量和质量交换过程极其重要。本文把高阶湍流封闭模型的Reynolds应力方程模型(RSM)应用于植被湍流的计算,得到了风速、湍流动能、Reynolds应力及能量耗散率的垂直分布,与现场观测数据比较,甚为满意。     

南海夏季风建立前后的大气能量收支

本文用总动能、总有效位能、扰动动能和扰动有效位能四个收支方程计算了1980年4-6月南海南部(0-15°N,100-120°E)夏季风建立前(4月1日-5月9日)和夏季风建立后(5月18日-6月25日)各时段的大气能量收支,并对其结果进行了分析讨论,发现:(1)总动能主要是在制造项G(K)(汇)与耗散项D(K)(源)间达到平衡,夏季风建立后源汇强度值都增大了40%左右。(2)非绝热加热所直接制造的有效位能并不重要,高层总有效位能的水平通量辐合、中低层与总动能间的转换和由于参考气压的变化而引起总有效位能的增减对于总有效位能的收支作用较大,其作用在夏季风建立前后也明显不同。(3)扰动动能同总动能一样主要在制造项G(K)(汇)与耗散项D(K)(源)间平衡。夏季风建立后源汇强度增强。(4)扰动有效位能主要由非绝热加热制造,夏季风建立后制造量增大了16倍多。夏季风建立前,扰动有效位能主要因参考气压的改变而减少;夏季风建立后,扰动有效位能主要被转换为扰动动能和平均有效位能。      

一次梅雨锋暴雨过程中多尺度能量相互作用的研究I.理论分析

本文是讨论梅雨锋暴雨过程中多尺度能量相互作用问题的开始部分。为了分析梅雨锋暴雨过程中的多尺度能量相互作用,从z坐标系中的运动方程和热力学方程出发,把基本物理量分成大尺度背景场（>2000 km）、α中尺度（200~2000 km）和β中小尺度系统（< 200 km）分量,利用滞弹性近似,推导了大尺度背景场、α中尺度和β中小尺度系统三个尺度的动能方程和位能方程。能量方程中包含了各尺度动能之间的转换、位能之间的转换以及动能和位能之间的转换。动能方程主要包括各尺度动能之间转换项、动能输送项、水平气压梯度力做功项、垂直方向扰动气压梯度力做功项、浮力做功项、地转偏向力分量做功项以及摩擦力做功项。位能方程主要包括各尺度位能之间转换项、位能输送项、浮力做功项以及非绝热加热做功项。其中浮力做功项为位能和动能之间的能量转换项,是暴雨发生发展过程中比较关键的能量转换项。关于将能量方程用于梅雨锋暴雨过程中并且诊断能量相互作用影响暴雨发展和消亡过程的物理机制等问题,将在以后的研究中给出。     

REYNOLDS EXCHANGE IN THE ATMOSPHERIC MULTI-SCALE MOTIONS

In this paper the system of Reynolds equations of the multi-scaled atmospheric motions is set up based on the con-cept of decomposing the meteorological elements into multi-scale disturbances.It is proved to be true that the Reynoldsexchange term in the averaged motion is equal to the sum of averaged nonlinear terms in all sub-averaged motions.Inorder to avoid the higher order closure in Eulerian approaches,a new K-theory based on the multi-scaled Reynoldsequations is given in which the subscale motions are described by Langevin equation as the air particles are moving inthe Eulerian average background.From the new K-theory are derived the momentum,heat and mass exchangecoefficients as the functions of statistical variables such as variances and Lagrangian time scales of velocity,temperatureand other meteorological elements in disturbances.The new K-theory also expounds the causes for the differences be-tween the exchange coefficients of one element and another and gives the ambient conditions in which the buoyancyand/or Coriolis force Will build the chaotic disturbances into the orderly gradient of mean values of the correspondingelements.In consequence the K-theory can be used to explain some of negative viscosity phenomena in atmospheric mo-tions.     

用二阶闭合理论确定扩散系数

大气扩散研究中,K理论是很重要的一个研究方向,但如何将扩散系数K表示为可测气象参数和时空坐标的函数,仍没有公认的办法。本文从Donaldson以二阶闭合方法导出的污染物湍流脉动通量方程出发,求出了污染物湍流脉动通量与平均浓度梯度间关系的完整形式,与K理论相比,得到了扩散系数。      

一种“准拉格朗日法”和“欧拉法”统一算法时间积分方案

从欧拉算符出发,用泰勒级数展开,给出二阶时空微商余项预报方程,进而讨论一种数值分析新算法——双三次曲面拟合（插值）的准拉格朗日时间积分方案与数值模式。它是将大气运动描述成为非线性的“三次”运动,即是通过对原始大气运动方程中包括标量、矢量的压、温、湿、风、以及“旋转地球上广义牛顿力”加速度场和散度场等,做双三次曲面拟合,实现对各个大气运动变量场的二阶可导,即限定气块上游点在各个不同双三次曲面（片）、具有斜率、曲率和挠率的非线性“三次”变量场上活动,从而可对各个大气运动方程做时间离散积分,即为“双三次曲面拟合—时间步积分—双三次曲面拟合……”,实现成为一种新动力框架数值模式。由于双三次曲面具有数学定律“收敛性”和二阶可导“最优性”,故选用双三次曲面插值求算二阶余差“上游点”,具有“充分必要”的数学理由：它包含了大气运动变量场之斜率、曲率和挠率。因此,埃尔米特双三次曲面片具有对“网格”变量场二阶可导运算“等价性”、及其数学“收敛性”与最佳曲率“最优性”,并且将“准拉格朗日法”与“欧拉法”,以及柯朗 弗里德里希斯 列维判据统一起来。容易实现全球“网格”变量场的双三次曲面拟合,和可按双三次曲面变量场的斜率、曲率或挠率判断,作变量场局域或单点平滑,以此保持“三次”模式的时间积分稳定性。     

On the dispersion effects of atmospheric motion

In this paper a set of new Reynolds averaged equations which contain both the dissipation and dispersion effects are derived by using Prandtl's mixing length theory. The dispersion effects. (b) The dispersion effects alone could result in the inverse energy cascade dispersion effects. (b) The dispersion effects alone could result in the inverse energy cascade which represents the eddies giving up kinetic energy to the mean flow in large-scale motion. The dispersion effects are also necessary for the eddies to gain kinetic energy from available potential energy. The necessary and sufficient conditions of an inverse energy cascade are given. (c) The dispersion effects are used to analyse atmospheric balance motions of the planetary boundary layer and produce a more satisfactory Ekman spiral fit to the observed wind hodograph.     

SYMMETRIC AND ASYMMETRIC MOTIONS IN THE BAROTROPIC FILTERED MODEL ATMOSPHERE

By expressing the stream function in terms of the symmetric and the antisymmetric components with respect to the equator,the barotropic vorticity equation can be separated into two equations,one describing the behaviours of the atmospheric symmetric motion,and the other those of the atmospheric antisymmetric motion.From them,for the entire global surface at the equivalent barotropic level,the conservations of several basic quantities,such as vorticity,angular momentum etc.in the symmetric and antisymmetric cases,have been discussed.In addition,the energy budget equations and the energy conservation expressions for the two kinds of motion are given.It can be seen from them that there are not only the conversion between the zonal mean kinetic energy and the disturbed kinetic energy in the atmosphere,but also the conversion between the kinetic energy generated by the symmetric and antisymmetric motions.In the case of including orography and horizontal diffusion into the vorticity equation,a mechanism of the generation of asymmetric behaviours of the atmosphere is proposed.The results show that the asymmetric distribution of orography and that of horizontal diffusion coefficients are likely the causes leading to the asymmetric motion.Finally,a theoretical comparison between the global model and the hemispheric one from the physical point of view is made.     

Estimates of integral time scales from a 100-M meteorological tower at a plains site

Four distinct types of autocorrelograms were observed using high-frequency vertical velocity data measured at 100 m above a flat terrain. Several types of nonstationary atmospheric motions due to low frequency fluctuations were examined. Under nighttime stable conditions, these phenomena were found to lead to abnormally slow exponential decay of the autocorrelation function. Several different techniques for estimating Eulerian integral time scales were compared in order to select an appropriate method of estimation. When grouped by stability classes, the Eulerian integral time scales decrease slightly with increasing stability, but generally exhibit no significant correlation with other meteorological parameters. Using a postulated relation, estimates of the Lagrangian to Eulerian integral time scale ratio range from 3 to 5 under unstable conditions and 15 to 25 under stable conditions. Under unstable conditions the average Lagrangian integral time scale is on the order of 40 s and exhibits no significant correlation with several pertinent meteorological parameters. Under stable conditions, the Lagrangian integral time scale correlates well with the Monin-Obukhov length and temperature lapse rate.Work conducted while a visiting scholar at Systems Applications, Inc.     

斜压大气中的地形扰动

本文主要讨论地形对天气系统的影响,研究了斜压大气中地形背风气旋的问题。用小参数法简化基本运动方程,利用青藏高原和落基山脉的实际地形,采用FFT的数值方法,考虑了不同地形、风切变、大气层结等诸因素对地形扰动的影响。结果表明:青藏高原和落基山脉东侧的地形扰动与统计结果较一致;层结对地形扰动的影响较敏感。     

EFFECTS OF OROGRAPHY AND HORIZONTAL DIFFUSION ON THE GENERATION OF THE ASYMMETRIC MOTION IN THE BAROTROPIC FILTERED MODEL ATMOSPHERE

By utilizing the barotropic vorticity equation including effects of orography and horizontal diffusion,the linearized equations describing symmetric and antisymmetric motions and their analytic solutions are pre-sented.It can be found from the solutions that no matter what kind of motion may be,each solution consistsof three waves,namely,Rossby wave related to initial values,marching wave propagating at Rossby wavevelocity and stationary wave.The latter two are closely related to orography and horizontal diffusion.However,if the motion is symmetric at the initial instant,then the antisymmetric components of orographyand of horizontal diffusion are likely to lead to the generation of antisymmetric motion.In the steady state,the symmetric flow is connected with symmetric orography and horizontal diffusion and the antisymmetricflow with antisymmetric orography and horizontal diffusion.Further,in order to verify the above analysis,three numerical experiments have been made.The results show that antisymmetric orography can produceantisymmetric motion.Finally,the atmospheric interactions between Northern and Southern Hemispheresare discussed.     

A brief review of the Eulerian variational principle for atmospheric motions in rotating coordinates: Research note

Abstract

The Eulerian variational principle in a rotating coordinate system is briefly reviewed. It is shown that the principle leads to the equation of motion of adiabatic flow of an inviscid fluid including Coriolis force. This principle can be used for studying atmospheric motions.     

正压过滤模式大气中的对称运动和非对称运动

把流函数分成对赤道对称和对赤道反对称的两部分,可以把正压涡度方程分离为描写大气对称运动和反对称运动的两个方程。根据它们,讨论了在全球范围内几种基本物理量,如涡度和绝对角动量等在对称和反对称情况的守恒性。还给出了这两类运动的能量收支方程和能量转换表达式。可以看出,在大气中不仅有纬圈平均动能和扰动动能之间的转换,也有对称运动产生的和反对称运动产生的动能之间的转换。 还在涡度方程中考虑地形和水平扩散的情形下,提出了大气非对称性质产生的机制。结果表明:非对称的地形分布和水平扩散系数的分布可能是导致非对称运动的原因。 最后,还对全球预报和半球预报,从物理观点作了理论比较。