斜压性对地转动量Ekman流的影响——理论分析

本文研究了斜压效应对地转动量Ekman流的影响。利用两变量奇异摄动方法求得了边界层中风场及顶部垂直速度的前二级一致有效渐近解析解,解中明显地反映了斜压情形地转风随高度变化(即热成风)的影响,尤其是其中一级近似解完全由热成风影响所致。在边界层顶垂直速度的解中导出了三种由斜压效应引起的Ekmon抽吸新物理因子,即热成风形变、热成风涡度及热成风涡度交叉项等抽吸因子。分析表明,这些因子只在具有水平温度梯度不均匀的系统(譬如锋区)中方能出现。文中还对锋区内上述三种抽吸因子的动力特征作了具体的分析,指出在锋区这样的强斜压系统中,此三种抽吸因子的贡献是显著的。下一文中,我们将利用本文所得理论解对斜压效应进行具体的定量计算。      

地面锋附近重力流的产生及其锋生作用

本文用旋转大气的两维非静力模型,用Simpson和Linden[1]的级数展开方法和数值积分方法讨论了地面锋附近由于非地转平衡所产生的重力流及锋生作用。     

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。     

变分连续同化中优化步长的推导方法及数值试验

一个好的变分同化方法,必须考虑到预报模式具有误差,并对模式误差进行纠正.变分连续同化(VCA)通过在模式方程中引进一个修正项,连续地调整模式变量,从而达到以上目的.在变分连续同化的迭代过程中,优化步长的选取方法对于同化迭代是否收敛、收敛速度快慢与否都至关重要,文中推导了一种有效利用观测资料计算优化步长的新方法,并以大气运动方程中一维非线性平流波和二维惯性波为例,进行了四维变分资料同化数值试验.数值结果表明,VCA方法和计算优化步长的公式都是有效的.     

一个双波地形重力波拖曳参数化方案

当地形次尺度强迫的作用与显式的经典动力作用效应相当时,地形重力波拖曳力对于环流的维持,以及动量和热量通量输送的动力效应变得十分显著。这种地形次尺度拖曳作用项可通过参数化的方法,在动力方程中加入额外的小项而引入数值模式。目前成熟的地形重力波拖曳参数化方法,如第1代基于线性单波理论的参数化方案;以及侧重考虑了临界层作用等因素对拖曳力的额外贡献的第2代参数化方案,都无法有效表达风速垂直变化引起的波动应力随高度变化的特征。基于上述考虑,本文给出了一个双波参数化方案用于计算地形重力波拖曳中由线性自由传播重力波造成的波动应力的垂直分布。通过二阶WKB近似,它对由风速垂直变化引起的对波动应力的选择性临界层吸收过程和经典的临界层吸收过程做了显式处理;而在不发生临界层吸收现象的地区,则用两个单波同时在垂直方向上进行应力的传播,并利用波饱和标准进行应力耗散。进一步地在真实地形(以大别山地区为个例)条件下的测试结果表明,通过在不同理想风速廓线以及北半球冬季中纬度纬向平均风廓线下对波动应力垂直分布的计算,证明该方案确实能有效地给出应力随高度变化的特征。     

冷空气入侵对热带气旋发生发展的影响

本文从梯度风方程出发,证明温度梯度增强对涡度起到增强作用.因此当冷空气侵入热带气旋外围时,只要没有破坏热带气旋的暖心结构,就会引起温度梯度的增长,从而促进热带气旋的发生发展.本文采用NCAR/PSU研制的非静力中尺度模式MM5,研究北半球冷暖空气入侵在热带气旋形成和加强过程中的作用.通过研究冷暖空气对热带气旋发展影响的试验发现,冷暖空气在入侵热带气旋外围时,最主要改变的是外围的环流场.北半球冷空气的入侵将会增强热带气旋北面的北风,形成指向热带气旋中心的推力,即辐合增强,暖空气入侵减弱北面的北风,形成背向热带气旋中心的拉力,即辐合减弱.由于拉力作用,一方面把边界上由于冷空气入侵而生成的能量往热带气旋中心输送,另一方面导致温度梯度的增加.因此从天气学形势来看,在热带气旋发生发展的过程中,北方的冷高压将会增强热带气旋北面的风速,从而导致热带气旋的增强;南半球澳高的增强,将使越赤道气流增强,热带气旋南面的风速也因此增强,从而引起热带气旋的增强.     

中国气候与环境演变评估(I):中国气候与环境变化及未来趋势

近百年来,全球气候正经历着一次以变暖为主要特征的显著变化,全球气候与环境的重大变化对中国的气候与环境演变也产生了重大影响。来自气候、环境、海洋和经济社会科学等领域的百余位专家和学者对中国气候与环境的演变及其对自然生态系统和社会经济部门的影响进行了评估,在此基础上,提出了适应和减缓气候变化的对策。本文主要阐述在全球气候变化背景下中国气候与环境的演变,并对未来气候变化的趋势做出了预测。     

旋转大气中运动的多时态特征和时间边界层

一、引言 众所周知,旋转大气中的运动,存在两个在时间尺度和动力学特征上都有明显差别的过程,即适应过程和发展过程。最近,叶笃正、李麦村等进一步指出:在发展过程中,大气运动还具有迅速变化和缓慢变化的两个阶段,对于这种发展过程中的双时态特征,巢纪平从物理上作了进一步的解释。因此,联合适应过程与发展过程,运动至少存在三个时态,事实上,这种多时态特征是旋转流体中运动的一种固有现象,在本文中,我们将对此作进一步的分析与讨论。     

地形对于气流运动影响的数值研究

建立了二维、非静力平衡的数值模式，研究地形对上游气流的阻挡以及大振幅背风波谷与下坡风的形成。结果表明：地形的阻挡效应受地形高度、大气层结及地形非对称性等因子的影响。数值试验与理论分析都证明地形越高、层结越稳定时阻挡作用越强；同样条件下，迎风坡坡度大的地形容易对气流形成阻挡。此外，分析了地形高度、大气层结、地形非对称性以及基本入流大小对背风波谷及下坡风强度影响的规律，并通过一次实际观测对数值模拟结果进行了检验。     

The Role of β-effect and a Uniform Current on Tropical Cyclone Intensity

A limited-area primitive equation model is used to study the role of the β-effect and a uniform current on tropical cyclone (TC) intensity.It is found that TC intensity is reduced in a non-quiescent environment compared with the case of no uniform current.On an f-plane,the rate of intensification of a tropical cyclone is larger than that of the uniform flow.A TC on a β-plane intensifies slower than one on an f-plane.The main physical characteristic that distinguishes the experiments is the asymmetric thermodynamic (including convective) and dynamic structures present when either a uniform flow or β-effect is introduced.But a fairly symmetric TC structure is simulated on an f-plane.The magnitude of the warm core and the associated subsidence are found to be responsible for such simulated intensity changes.On an f-plane,the convection tends to be symmetric,which results in strong upper-level convergence near the center and hence strong forced subsidence and a very warm core.On the other hand,horizontal advection of temperature cancels part of the adiabatic heating and results in less warming of the core,and hence the TC is not as intense.This advective process is due to the tilt of the vortex as a result of the β-effect.A similar situation occurs in the presence of a uniform flow.Thus,the asymmetric horizontal advection of temperature plays an important role in the temperature distribution.Dynamically,the asymmetric angular momentum (AM) flux is very small on an f-plane throughout the troposphere.However,the total AM exports at the upper levels for a TC either on aβ-plane or with a uniform flow environment are larger because of an increase of the asymmetric as well as symmetric AM export on the plane at radii ＞450 km,and hence there is a lesser intensification.