摩擦和非线性对斜压初始扰动发展的影响

通过一个二维非线性斜压Eady波模式,讨论了斜压系统中初始扰动快速发展的动力学机制.由于斜压切变气流存在,其对扰动位涡的平流作用可引起初始扰动位涡的"位涡非屏蔽"(potential vorticity unshielding),导致线性系统初始扰动的快速增长.摩擦作用主要通过耗散局地扰动位涡,改变扰动位涡异常结构,特别是水平方向的位涡异常分布,从而减弱初始扰动位涡的"位涡非屏蔽"作用,抑制系统初始扰动动能的快速增长.非线性作用可以抑制较大振幅扰动的增长,同时引起扰动位涡异常丰富的垂直结构产生,导致初始扰动位涡的"位涡非屏蔽"的减弱,从而抑制初始扰动的快速增长.不同的初始扰动结构,可以产生不同的扰动位涡异常结构,相应存在不同的"位涡非屏蔽"作用,导致初始扰动的快速增长过程不同.位涡异常水平结构为"正负正"或"负正负"分布时,有利于初始扰动的快速增长,而上下层异号的扰动位涡异常在垂直方向间隔的距离越大,越有利于初始扰动的快速发展,这些结果进一步深化了对"位涡非屏蔽"的理解.     

华南前汛期一次大暴雨过程的扰动位涡反演与数值研究

利用NCEP 1°×1° 6h再分析资料、位涡反演和数值试验方法,分离与不同物理过程有关的扰动位涡进行反演诊断．在此基础上移除模式初始场中包含的与不同物理过程有关的扰动位涡反演的平衡场进行敏感性试验．对2006年5月21—22日一次热带扰动系统北上在广东珠江三角洲地区引发的大暴雨天气过程进行了探讨。结果发现：对流层中低层与潜热释放有关的正扰动位涡是影响热带扰动形成、维持及发展的主要因子之一;与潜热释放无关的扰动位涡对副热带高压的形成和维持有重要作用,影响热带扰动系统的移动路径;边界层内的扰动位涡有利于南海热带洋面北上气旋性扰动的发生、发展与维持;中高层扰动位涡对气旋性扰动系统的直接影响很小;下边界扰动位温不利于气旋性扰动系统的形成、维持与发展。数值敏感性试验表明,初始场中包含的与不同物理过程有关的扰动位涡在暴雨数值模拟中有重要作用,它们不同程度地影响热带扰动的强度、活动路径的模拟．并影响暴雨强度和落区;与非绝热物理过程有关的扰动位涡很大程度上影响暴雨强度,而与非绝热物理过程无关的扰动位涡很大程度上决定暴雨落区。     

近壁湍流边界层相干结构形成的动力学分析

以壁面脉冲扰动来构建湍流边界层近壁区对称与非对称相干结构理论模式,采用直接数值模拟的方法,研究了湍流边界层近壁区对称与非对称相干结构形成的理论机制和演化规律.计算结果显示非对称相干结构比对称相干结构更容易增长,这是由于非对称型结构能在湍流边界层近壁区域诱导产生较大的展向扰动速度,且不同初始结构类型分布对湍流边界层近壁区相干结构形成的动力学机制不同所致,从而加深了对近壁湍流边界层单个相干结构形成的某种动力学机制的认识理解.     

我国重大天气灾害形成机理及预测理论研究

1 长江流域中尺度暴雨系统的物理模型 分析了梅雨锋上两类低涡的发生、发展过程和动力、热力结构差异,发现边界层对降水模拟有至关重要 的作用。 数值试验表明低空急流和水汽输送为扰动的发展提供了丰富的“燃料”,动力过程可能在扰动发生阶段 有重要贡献,而热力过程可能在低涡的发展阶段作用更为明显。 诊断研究表明降水强弱与对流有效位能大小有较好对应关系;中β尺度环境表现出对流层中部为暖,而     

北半球阻塞高压的维持Ⅱ:瞬变扰动强迫和平均流位涡平流的形成

着重探讨大西洋阻高和东亚阻高个例中瞬变扰动位涡（涡度）输送强迫和太平洋阻高中平均流位涡平流的形成机理。结果表明，扰动在阻高西南部西风分流区因形变而产生的扰动拟能向更小尺度串级过程，并不是扰动位涡输送强迫形成的必要机理。扰－流相互作用在阻高西（北）部非分流气流中也十分显著。数值试验表明，这一相互作用也可能是扰动强迫作用形成的机理。而青藏高原和附近海陆对比的强迫作用则可能是太平洋阻高中平均流的位涡平流形成的重要因素。对比分析表明，阻高维持机制的地域性差别可能与其上游（如青藏高原地区、落基山脉）地形和热源强迫作用不同有关。     

一次东移西南涡对初始扰动的伴随敏感性试验

初始条件能否包含有足够的中尺度信息对西南涡的模拟至关重要,采用中尺度模式MM5对我国长江流域一次东移西南涡进行模拟试验,并结合一个伴随模式MAMS对这次西南涡进行敏感性试验,分析预报变量对初始条件的敏感性分布,根据敏感性分析结果对初始条件追加一个适当的扰动进行模拟对比,结果表明:追加扰动后的初始条件较成功地模拟出了本次西南涡的形成和移动情况,而原来的试验模拟的低涡与实况相比要落后十几小时;伴随模式MAMS较好地模拟出了本次西南涡的敏感性场分布,本次西南涡对西风扰动的大敏感性区域主要位于400hPa以下的西南地区,对南风扰动的大敏感性区域主要位于500hPa以下的西南地区,对温度扰动的大敏感性区域则主要位于500hPa与900hPa之间的西南地区;追加的风场扰动在中低层的西南地区表现为一个气旋性环流,在这个气旋性环流的西南方存在另一个反气旋性环流;在此基础上增加初始场水汽扰动则在一定程度上加强了模拟低涡的强度和移动速度。     

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。     

β中尺度暴雨系统发生发展的一种可能物理机制Ⅱ.涡旋Rossby波的形成

使用二维中尺度横波型扰动的动力学方程组,探讨了该扰动的各种物理量场分布特征以及能量来源.结果表明,这种横波型的天气系统中扰动气压p'和扰动涡度ζ'在水平x方向上处于同位相或者反位相,扰动散度D'和扰动垂直速度w'在水平x方向上也处于同位相或者反位相,而扰动涡度ζ'与扰动散度D'在x方向上传播的位相相差π/2,只不过它们在垂直方向z上的分布结构有所不同.局地区域扰动发展的总能量来源主要是来自于平均场的有效位能和平均场的基流动能.最后,利用横波型扰动的总涡度守恒方程对涡旋Rossby波形成的物理机制做出了解释,并且提出了梅雨锋暴雨中β中尺度暴雨系统发生发展的一种可能物理过程.采用中尺度MM5模式的数值试验结果,也得到了与动力学理论上相一致的结论.     

锋面波发展演变与气候形成的数值研究

西文将锋面作为密度的零级不连续面，对锋面上扰动的非线性发展演变进行了数值研究，所用的锋面模型ｆ平面上的浅水、两层模型，差分格式具有位涡拟能守恒和动能守恒的性质。锋面波的发展与初始扰动尺度有关，天气尺度的扰动可以维持较长的发展时间，形成较大振幅的波动，其结构类拟于具有锢囚锋结构的气旋，相反，较小尺度扰动不易形成锢囚锋结构。     

β中尺度暴雨系统发生发展的一种可能物理机制 II.涡旋Rossby波的形成

使用二维中尺度横波型扰动的动力学方程组,探讨了该扰动的各种物理量场分布特征以及能量来源。结果表明,这种横波型的天气系统中扰动气压p′和扰动涡度ζ′在水平x方向上处于同位相或者反位相,扰动散度D′和扰动垂直速度w′在水平x方向上也处于同位相或者反位相,而扰动涡度ζ′与扰动散度D′在x方向上传播的位相相差π/2,只不过它们在垂直方向z上的分布结构有所不同。局地区域扰动发展的总能量来源主要是来自于平均场的有效位能和平均场的基流动能。最后,利用横波型扰动的总涡度守恒方程对涡旋Rossby波形成的物理机制做出了解释,并且提出了梅雨锋暴雨中β中尺度暴雨系统发生发展的一种可能物理过程。采用中尺度MM5模式的数值试验结果,也得到了与动力学理论上相一致的结论。     

Interactions between the tropical ISO and midlatitude low-frequency flow

In this study, we investigate the interaction between the tropical Intraseasonal Oscillation (ISO) and midlatitude atmospheric low-frequency variability, using observational data and numerical models, with a special emphasis on the role of the synoptic eddy feedback. A statistical closure for the synoptic eddy-to-low frequency flow feedback is constructed, based on a singular value decomposition (SVD) method with observational data. Applying this statistical closure to a barotropic model and a baroclinic 2½-layer model, we study the role of the synoptic eddy feedback in the midlatitude response to the tropical ISO forcing. Both observational and modeling studies show that the strongest synoptic eddy forcing appears at the Pacific and Atlantic storm-track regions, and the synoptic eddy exerts a positive feedback to the midlatitude low-frequency flow induced by tropical ISO forcing. Our numerical experiments demonstrate the possible role of midlatitude disturbance forcing in the ISO initiation at the equator. The signal of the midlatitude perturbations propagates southeastward in the form of a Rossby wave package. It may reach the equator within several days under either easterly or westerly basic flow regimes. The response at the equator has observed ISO-like structure and eastward propagation characteristics.     

The effect of barotropic shear on baroclinic instability Part I: Normal mode problem

The effect of barotropic shear in the basic flow on baroclinic instability is investigated using a linear multilevel quasi-geostrophic β-plane channel model and a nonlinear spherical primitive equation model. Barotropic shear has a profound effect on baroclinic instability. It reduces the growth rates of normal modes by severely restricting their structure, confirming earlier results with a two-layer model. Dissipation, in the form of Ekman pumping and Newtonian cooling, does not change the main characteristics of the effect of the shear on normal mode instability.Barotropic shear in the basic state, characterized by large shear vorticity with small horizontal curvature, also effects the nonlinear development of baroclinic waves. The shear limits the energy conversion from the zonal available potential energy to eddy energy, reducing the maximum eddy kinetic energy level reached by baroclinic waves. Barotropic shear, which controls the level of eddy activity, is a major factor which should be considered when parameterizing the eddy temperature and momentum fluxes induced by baroclinic waves in a climate model.     

Numerical studies on flow fields around buildings in an Urban street canyon and cross-road

The questions on how vortices are constructed and on the relationship between the flow patterns and concentration distributions in real street canyons are the most pressing questions in pollution control studies. In this paper, the very large eddy simulation (VLES) and large eddy simulation (LES) are applied to calculate the flow and pollutant concentration fields in an urban street canyon and a cross-road respectively. It is found that the flow separations are not only related to the canyon aspect ratios, but also with the flow velocities and wall temperatures. And the turbulent dispersions are so strongly affected by the flow fields that the pollutant concentration distributions can be distinguished from the different aspect ratios, flow velocities and wall temperatures.     

THE INFLUENCE OF EDDY VISCOSITY ON THE SUBTROPICAL PLANETARY-SCALE CIRCULATION IN SUMMER

The influence of eddy viscosity on the distribution of subtropical quasi-stationary planetary waves in summeris analysed theoretically.It is found that since the basic flow is very weak,the eddy viscosity may play an impor-tant role for the subtropical planetary-scale motion in summer.A linear,quasi-geostrophic,34-level spherical coordinate model is also utilized to calculate the differencesof quasi-stationary planetary waves and of quasi-stationary disturbance pattern responding to forcing bytopography and heat sources under the different eddy viscosities.The computed results show that thecoefficient of eddy viscosity considerably influences the strength of the subtropical planetary-scale circulationin summer.     

涡旋粘性对于夏季副热带准定常行星尺度环流的影响

本文从理论上分析了涡旋粘性对于夏季副热带准定常行星波分布的影响,指出夏季副热带地区由于纬向气流很弱,涡旋粘性对于准定常行星尺度运动起着重要作用。 本文还利用一个线性34层准地转球坐标模式计算了不同涡旋热力扩散系数下地形与热源强迫所产生准定常行星波的差别及准定常扰动环流系统的差别,计算结果说明了涡旋粘性系数对于副热带准定常行星尺度环流的强度有很大影响。     

The effect of barotropic shear on baroclinic instability Part II: The initial value problem

The effect of barotropic shear on baroclinic instability has been investigated using both a linear quasi-geostrophic β-plane channel model and a multilevel primitive equation model on the sphere when a nonmodal disturbance is used as the initial perturbation condition. The analysis of the initial value problem has demonstrated the existence of a rapid transient growth phase of the most unstable mode. The inclusion of a linear barotropic shear reduces initial rapid transient growth, although at intermediate times the transient growth rates of the sheared cases can be larger than in the unsheared case owing to downgradient eddy momentum fluxes. Certain disturbances can amplify by factors of 4.5–60 times (for the L₂ norm), or 3–30 times (for the perturbation amplitude maximum), as large as disturbances based on the linear normal modes. However, linear horizontal shear always reduces the amplification factors. The mechanism is that the shear confines the disturbance meriodionally and therefore limits the energy conversion from the zonal available potential energy to eddy energy. The effect of barotropic shear on the transient growth is not changed much in the presence of either thermal damping or Ekman pumping. Nonmodal integrations of baroclinic wave lifecycles show that the energy level reached by eddies is not very sensitive to the structure of the initial disturbance if the amplitude of the initial disturbance is small. Although in some cases the eddy kinetic energy level reached by the wave integrated from nonmodal disturbance can be 25–150% larger than the normal mode integrations, barotropic shear, characterized by large shear vorticity with small horizontal curvature, always reduces the eddy kinetic energy level reached by the wave, confirming the results of normal mode studies.     

最敏感扰动的演变与夏季乌拉尔地区的持续性异常环流

通过数值实验对初始扰动不稳定发展建立异常环流型的过程进行了分析。选择了东亚夏季风异常的１９９１年和１９８５年两个典型年份的平均环流作为基流,以共轭敏感性分析得到的最敏感扰动作为初始扰动,分析其在不同的环流背景下的发展情况。结果说明,１９９１年欧亚地区的基流不稳定性较强,且初始扰动结构有利扰动发展,因而通过能量频散在乌拉尔地区激发扰动并强烈发展,建立起阻塞形势。而１９８５年的扰动在乌拉尔地区形成正涡度距平,不利于阻高的建立。从而导致１９９１年和１９８５年夏季乌拉尔地区几乎相反的异常环流。一系列对比实验说明,异常环流型的建立,不仅依靠能量的频散,更依靠扰动通过正压不稳定过程从基流吸收能量而发展。它既有赖于基流自身的不稳定,又取决于初始扰动的结构以及相对于基流的位置。基流选择了具有特定结构的初始扰动型,只要在有利位置上给予扰动,就能够激发出扰动波列,建立强的持续异常环流型。不论初始波列的位相在一定范围内如何改变,扰动总是倾向于在基流的特定不稳定区域发展。     

华北地区“16·7”极端强降水事件之环流及扰动能量变化特征

2016年7月18—22日在华北地区发生了一次极端强降水事件，其中19—20日降水较为集中，20日降水最强。本文利用NCEP/NCAR再分析逐日风场资料和国家级地面气象站基本气象要素日值数据集，研究了本次事件的Rossby波活动及能量变化，结果表明：本次极端强降水事件持续时间约5 d，雨带呈西南—东北走向。华北地区受对流层中低层的气旋性异常环流和对流层上层反气旋性异常环流的控制，水汽则主要源于孟加拉湾和中国南海地区。发生极端降水期间，波扰动能量在对流层低层主要呈经向传播而在对流层上层呈纬向传播，对流层低层的波扰动能量对华北地区的影响比上层更为明显。涡动动能在华北地区的增强和维持主要是涡动非地转位势通量散度项、涡动有效位能和涡动动能的斜压转换项以及其他剩余部分与摩擦耗散引起的能量损耗之和的共同作用，涡动动能在19日增强、20日维持，随后减弱。涡动热量通量变化显示低层有暖湿空气向北输送，高层有干冷空气向南输送，支持了正压和斜压转换，而华北地区上空涡动动量通量的变化则使得基本气流中的涡动动能增强，这些变化影响到极端降水事件的发生发展。     

A nonstationary nocturnal drainage flow model

The evolution and structure of the steady state of an idealized nocturnal drainage flow over a large uniformly-sloping surface are studied using a nonstationary model with a height-dependent eddy diffusivity profile and a specified surface cooling rate. The predicted mean velocity and temperature profiles are compared with Prandtl's stationary analytical solutions based on the assumption of a constant eddy diffusivity in the drainage layer. The effects of important physical parameters, such as the slope angle, surface cooling, atmospheric stability, and surface roughness, on the steady drainage flow are investigated.Affiliated with Oak Ridge Associated Universities (ORAU).     

季风槽中热带气旋生成初期扰动的扰动动能收支分析

热带气旋总是发生在天气尺度扰动中,本文利用NCEP/NCAR提供的FNL资料,选取了2004年8月11日—9月10日期间季风槽中5个热带气旋生成初期扰动,通过计算动能收支分析这些初期扰动的发展。其中4个热带气旋都是生成在向西北方向传播的天气尺度波列的气旋性环流中,气旋性环流可以和呈东北—西南方向倾斜西传的MRG波的逆时针环流耦合。动能收支计算表明,初期扰动动能在热带气旋生成前12~72 h不断增加,扰动位势通量的辐合对扰动动能增长起了主要作用。在季风槽东端的合流区时,能量聚集项有重要作用,随着扰动移入季风槽内,低频纬向风切变项成为能量增加的一个重要来源。Sarika生成于季风槽西撤阶段,非线性作用项对扰动发展起了关键作用。