非线性斜压Ekman层的动力特征

本文研究了斜压性对非线性Ekman层内的风场及顶部垂直速度的影响。结果表明,斜压性将改变其非线性Ekman层内的风场及顶部垂直速度,其影响随着系统特征与热成风特征的改变而改变。在本工作中,还用地转动量近似的方法作了相应的研究,并将其结果作了相应比较。     

斜压性与非线性Ekman抽吸的动力特征

本文利用Ekman动量近似研究了斜压性对Ekman层动力学的影响,得到了一些新的结果。大气斜压性对Ekman层的水平风速分布及近地面的风速矢的水平分量夹角有重要的改变作用。斜压边界层顶部的非线性Ekman抽吸(垂直运动)由三个不同的物理因子决定,第一、正压性的地面地转涡度,第二、斜压性作用产生的热成风涡度,第三、正压性的地面地转涡度与斜压性的热成风涡度的非线性相互作用。这些理论结果为边界层的参数化及数值模拟结果的解释提供物理基础。     

经典Ekman流,Ekman层的平衡风场及其扰动稳定性

本文首先利用变分方法,考察了边界层运动能量的变化,指出经典Ekman流是在不可压缩条件下,能量积分达最小值时的一种平衡运动。这对Ekman层运动的物理本质有了进一步的认识。其次,讨论了Ekman动量近似下的Ekman层的平衡风场特征,研究了该平衡风场附近扰动的稳定性问题,结果表明,在自由大气气压场不发生扰动条件下,Ekman层中存在一类新的与惯性不稳定相类似的动力不稳定,且其不稳定性可与Ekman抽吸相联系,还讨论了一般性条件下的扰动不稳定性问题。     

山地上空的Ekman抽吸

在本文中,利用文献的理论结果,设计了一个椭圆形的大小地形,研究西风急流通过这些地形时,边界层顶部垂直速度的分布特征。     

用遗传算法重构副热带高压特征指数的非线性动力模型

用遗传算法从离散时间序列资料中反演重构了非线性动力模型。首先, 用Lorenz系统的时间积分数据进行模型重构试验,随后,对十年平均的副热带高压形态指数时间序列进行动力模型参数反演和仿真预报试验。结果表明,遗传算法具有的全局搜索和并行计算优势能够较为准确地描述和刻画副热带高压活动,能对副高活动进行较为准确的描述与建模,是诊断和预测副热带高压等复杂天气系统活动的一条有效途径。     

稳定边界层中Ekman螺旋的异常及湍流二阶矩的特征

本文利用二阶矩湍流模式着重讨论了有地形条件下Ekman螺旋的特征,结果表明,在北半球一定的环境地转风场结构下,斜坡Ekman螺旋可以变为反时针旋转。另外,还研究了地形对稳定边界层二阶矩湍流量的结构和垂直分布的影响。     

线性与半地转斜压Ekman层中大气运动的动能耗散

本文分别用线性与半地转斜压Ekman层模式,解析地给出由宏观外参数来估计斜压Ekman层中动能耗散即变性能量的公式。结果表明,斜压性对变性能量有较大影响,其影响程度随系统特征与热成风特征的改变而改变,从而加深了对变性能量的认识。     

强天气过程中近地面层风速的非线性动力学特征

强天气过程中大气边界层不同尺度运动之间存在强烈的相互作用,这种相互作用使得近地层风速的变化表现出很强的非线性,风速的非线性特征可以用近代非线性物理中奇异性、大偏差和多重分形等特征量来刻划.作者研究了两次沙尘暴和一次冷锋时期超声风温仪观测资料的这些特征.4组资料奇异指数的概率分布基本一致,只有最强的奇异性存在差异.但最大风速的奇异性并不是最强的.风速的大偏差特征表明,不同时间长度相同的风速时间序列中出现某种极值的概率几乎不变,而大偏差谱能反映不同天气系统影响的差异,天气系统越强,越能维持涡旋运动规律不变.     

Ekman边界层动力学的理论研究

大气边界层及其与自由大气之间的相互作用具有明显的非线性特征,而这些特征是经典Ekman理论所不能描述的,因此,发展中等复杂程度(介于完全模式与经典Ekman模型之间)的大气边界层动力学模式,简称中间模式,对人们从理论上认识大气边界层动力学过程的非线性特征具有重要意义。本文对目前最具代表性的几个中间边界层模型:地转动量近似边界层模型、Ekman动量近似边界层模型以及弱非线性边界层模型进行了总结和分析,阐述了Ekman层主要动力学特征。通过分析上述各模型的理论框架,揭示了各模型的物理意义及其在描述Ekman边界层基本动力特征上的优点和局限性,并指出尽管在细节定量描述上有差异,但各中间模型对Ekman层动力学特征的定性描述具有很好的一致性。对于这些Ekman边界层近似理论模型的进一步应用问题,主要回顾和总结了利用上述模型探讨地形边界层结构、大气锋生过程、低层锋面结构和环流以及边界层日变化、低空急流形成等动力学问题的研究,并对这些研究所揭示的Ekman层动力学特征及其对自由大气低层运动的影响进行了分析,结果表明,这些Ekman边界层近似模型可以较好地揭示大气边界层动力学特征,在大气边界层动力学及其与自由大气相互作用的研究上具有重要价值。另外,还对目前Ekman边界层理论研究中存在的问题进行了一些分析,提出了有待进一步研究的科学问题。     

地形与Ekman边界层中的气流

利用σ坐标讨论地形与边界层气流是有很多方便的地方,因为,在此坐标中,下边界条件较为简单.在本工作中,首先将混合长理论加以推广并将它用于σ坐标,于是导得了用以描述地形上空边界层气流的控制方程,对边界层气流的特征,特别是对于Ekman抽吸作用进行了详细分析.指出有三种因子影响边界层顶部的垂直运动,第一种因子是边界层内涡度分布,这是与边界层中由于摩擦作用所引起的辐合辐散有直接联系;第二种因子是由于边界层顶部的气流爬坡运动所引起的;第三种是由于边界层中跨越等压线的分量爬坡所引起的,它出现于当等压线与地形等高线相平行时,或地转风呈现绕流情况时,这一作用最为明显.     

边界层动力学中的Ekman动量近似

自由大气中,大气运动的基本状态是地转风,近年来发展的地转动量近似,是为了进一步研究非均匀地转流的动力学问题,然而,在边界层大气中,运动的基本状态是经典的Ekman流,所以对边界层运动来说,地转动量近似是不合适的,需作一推广。本文提出了一种所谓Ekman动量近似,它相似于自由大气中的地转动量近似,并讨论了Ekman动量近似的物理基础,对边界层的风场结构及边界屋顶部的垂直速度也作了详细分析。     

EFFECTS OF OROGRAPHY AND AIR FLOW IN EKMAN BOUNDARY LAYER

It is convenient to use σ-coordinates to discuss the dynamic effect of orography and the flow inEkman boundary layer.In this paper,the theory of mixing length is generalized to the σ-coordinate system.Then the governing equations,describing the motion in the boundary layer over the mountain regions arederived.The features of flow in the boundary layer,especially the effects of Ekman pumping,are discussed indetails.It is pointed out that there are three factors affecting the vertical motion at the top of the boun-dary layer:(1)vorticity distribution in the boundary layer,which is directly related to the divergence andconvergence of air flow caused by friction,(2)the upslope or downslope motion of flow over the mountainslopes,and(3)the mutual effect of orography and friction induced by the ageostrophic component climbing up-ward or downward in the boundary layer over mountain regions.     

THE ADJUSTMENT OF WIND TO EKMAN FLOW WITHIN THE PLANETARY BOUNDARY LAYER

By using simple barotropic boundary layer equations with constant eddy viscosity,the analytical solution is obtained under the initial condition that the distribution of wind for a given pressure is not the well-known Ekman flow.We have found that the wind will finally adjust to the Ekman flow at a rate faster than that of geostrophic adjustment.We have also found that the thinner the boundary layer,the faster the rate of adjustment.     

变化涡动沾性系数的Ekman动量近似模式风场结构

在边界层动力学中，涡动粘性系数是影响边界层风场结构的一个重要参数。本文利用边界层动力学中的Ekman动量近似理论，给出了涡动粘性系数随高度缓变条件下的Ekman动量近似边界层模式解，着重讨论了边界层的风场结构、水平散度、垂直涡度以及边界层顶部的垂直速度。结果分析表明：与常值涡动粘性系数情况相比，在边界层低层随高度增加的涡动粘性系数可以导致低层边界层风速随高度迅速增加，即风速垂直切变增加，同时风速矢与地转风之间的夹角减小。惯性项作用可以导致上述作用在气旋性区域减小、而在反气旋性区域增大。随高度增加的涡动粘性系数导致水平散度绝对值、垂直涡度绝对值以及边界层顶部的垂直速度绝对值在气旋性区域减小，而在反气性旋区域增大。涡动粘性系数与惯性之间的非线性相互作用是边界层动力学中重要过程。     

BAROCLINITY AND NONLINEAR EKMAN PUMPING DYNAMICS

With the Ekman momentum approximation,the influence of atmospheric baroclinity on the dynamics of boundarylayer is studied.Some new results are obtained.These results show that the atmospheric baroclinity plays an importantrole in altering the horizontal velocity of Ekman boundary layer and its angle with the horizontal wind velocity compo-nent near the surface.There are three different physical factors affecting the nonlinear Ekman suction,the vertical mo-tion at the top of boundary layer:first,barotropic geostrophic relative vorticity at the ground;second,the thermal windvorticity induced by the baroclinity;and third,the nonlinear interaction between the barotropic geostrophic relativevorticity and the baroclinic thermal wind vorticity.These results may provide a better physical basis for theparameterization of boundary layer and the interpretation of the numerical modeling results.     

下垫面粗糙度突变时的内边界层研究

本文介绍了下垫面粗糙度突变时内边界层的形成过程,阐述了内边界层研究的意义,总结和分析了内边界层在理论研究、实验和观测以及数值模拟方面的主要成果。