气候的数值模拟(摘要)

近年来,中国科学院大气物理研究所大气和大洋环流模式设计课题组和气候数值模拟课题组集中力量进行研究,现己设计出可供模拟全球大气环流中长期演变和气候平均状态及年际变化的模式,其中包括洋流模式和海气耦合模式;通过了比较系统和严格的检验(包括与计算精度有关的基础试验和一些模式性能有关的敏感性试验),并进行了气     

大气动力学和数值天气预报中的一些基本理论问题

当今,现代化的技术装备为大气科学迅速发展提供了良好的物质条件,能否实现大气科学的大发展,理论研究已经上升到很重要的位置了。就大气环流、气候形成、各种时效的天气预报理论来说,基本上属于动力学的范畴,近代的研究课题正处在气象学、流体动力学和数学这三者的汇合点上。因此,必须把这     

旋转二维可压缩流动的谱和特征函数 Ⅰ:谱点的分布

本文对旋转二维可压缩流(正压原始方程模式)中的谱和谱函数进行了分析和数值计算。这一部份主要讨论谱的分布,结果表明:在正压原始方程中存在三支谱系。当基流为稳定时,这三支谱系均是实的,其中两支为离散谱,分别对应于顺风和逆风传播的重力惯性波(快波),另一支则对应于Rossby波(慢波)。当基流无切变时,慢波由离散谱点组成,慢波相速以基流速度为聚点;且基流为零和科氏参数为常数时退化为无穷维重迭谱点,与聚点重合当基流有切变时,慢波由离散谱和连续谱组成,其中离散谱还可能不存在。当基流速度接近或超过C_0时,最靠近“慢波”的二个或几个原来的重力-惯性波转化为混合型波。当基流为不稳定时,则存在复数的谱点(此时该谱点必定是离散谱)。理论分析和数值计算都得到了广义正压不稳定、超高速不稳定和混合类型的不稳定,而广义正压不稳定属于慢波。我们将在本文的第二部分中讨论相应的谱函数。     

旋转二维可压缩流动的谱和特征函数 II：谱和谱函数结构的分析

本文第一部分(Ⅰ)已给出了线性化旋转二维可压缩流动方程的谱分布,并作了初步分析。本部分(Ⅱ)对这些谱及谱函数作进一步的分析讨论。设基流是低速流,此时可用摄动法求得谱和谱函数,将它们与用差分法所得结果进行比较,表明二者吻合得很好。摄动法中的离散谱初级近似就是无基流时的相应的谱,而连续谱对应的谱函数初级近似则与准地转模式的结果一致。由初级近似和一级修正项可以清楚地说明计算所得的谱和谐函数的许多重要性质。 在低速基流情况下:(1)重力一惯性波为准简谐波,基流和可变的Coriolis参数只给以较小的修正。(2)由于基流在Coriolis力作用下使自由表面有一坡度,Kelvin波必定具有横穿波射线的速度分量,同时顺传和逆传的Kelvin波不再在形态上相似;当基流愈强时上述两性质愈明显;Coriolis参数随空间的变化也改变了顺传和逆传波的相似性,此外,Kelvin波是准非频散的。(3)不为零的基流或科氏参数的变化使慢波离散谱变为非简并的即分立的,它们或者有无穷多个且基流流速为相速的聚点(当基流为常数时),或者只有有限个,甚至不存在;而当基流有切变时则有连续谱。对应于离散谱的谱函数为准简谐波;而对应于连续谱的谐函数则为广义解,但有有限能量。 本问题的谱函数与其伴随算子的谐函数正交,满足同样边界条件的一切扰动可按本问题的谱函数展开。在低速基流情况下,可用摄动法求解,初级近似下的伴随算子是自伴的。 关于高速基流情况的结果将在本文的第三部分(Ⅲ)发表。     

地转适应过程的数值试验

本文利用半球范围的非线性正压原始方程组的差分格式,对地转适应过程的一些问题作了数值试验,结果和以前的线性理论和非线性理论结果相一致,还给出了适应过程所需的时间等特征的定量资料。此外,丈中还模拟了四维分析问题,指出,只更新气压场而不同时对风场作更新或适当处理,是没有效果的。     

大气动力学的一些问题

大气动力学的基本问题,也是自然流体力学中的一些基本问题.大气运动是极其多种多样的.在时、空尺度上以及在形态和性质上都有很大差别.大体上说可以分为全球规模的和行星尺度的运动——即所谓大气环流、大尺度天气系统、涡旋、波动、对流以及边界层湍流.我们这里只讲关于前三者的一些问题. 一、大气环流和大尺度运动的动力学 1.在引力和旋转力场中流体运动的一般特点简言之,大气运动是由地球吸收太阳辐射能所推动的.然而它又是在地球重力场和旋转力场作用之下.     

旋转大气中运动适应过程问题的研究(二)

本文试图对旋转大气中运动适应过程问题的研究作一全面的评述,这里是全文的第二篇,包括三方面的内容,即球面上大气的地转适应过程和旋转适应过程;快波的激发以及涡旋和快波的相互作用问题;适应过程理论结果在天气分析和预报以及数值天气预报等方面的应用问题。     

扰动特性对大气适应过程的影响和測风資料的使用問題

本文推导出斜压大气中适应过程的最終状态的一些公式,在极限情况下这些公式趋向于正压大气情况;并且这些公式非常明显地反映出最終状态对初始扰动的水平尺度及垂直結构的依赖关系。分析表明,在正压大气情况下,或者在斜压大气中,如果初始扰动随气压的分布此較均匀或者近于对数規律(相当于溫度場是上下均匀的),則当初始扰动的水平尺度L小于某个特征尺度L_0时是涡度場維持,气压場向涡度場适应;而当L>>L_0时,結果相反.在一般的斜压情况下情况很复杂.当初始扰动在大气低层有强烈垂直切变时,却是有利于气压場維持,风場向气压場适应。 将所得結論应用到分析某些大气动力过程.指出在一般情况下,使用实測风場作初始资料,按准地轉模式对流函数作数值預告,比用重力位势場作初始资料时要更合理些。     

一种基于分析增量更新技术的台风初始化方案

台风初始化方案最大的困难在于其只能根据有限的观测资料（台风中心位置、最低气压、最大风速和大风半径等）来构造一个与模式动力-物理过程协调的涡旋模型。首先根据实际观测资料对背景场中的涡旋扰动进行重定位和风速调整,然后将分析增量更新（Incremental Analysis Update,IAU）技术应用于台风初始化方案中,将调整后的涡旋当作一个强迫项逐渐加入到模式预报过程中,通过模式自身调整来得到一个协调性较好的台风初始结构,从而改善模式对台风的预报性能。对“山竹”台风的多次预报结果表明:（1）台风初始化对于台风路径误差影响较小,对于强度预报改进则比较明显。特别是在台风生成初期,台风初始化技术能够有效地增强全球模式分析场中的涡旋强度,并解决预报过程中强度较弱的问题。（2）根据预先给定的三维风场,IAU技术能通过模式自身预报过程对其他变量进行调整,从而得到一个热力和动力协调的初始涡旋结构。相对于仅对初始风场的调整,它对24 h之后的路径和强度预报误差会有更进一步的改善。（3）对IAU中的松弛时间进行参数敏感性试验,发现该变量取3—6 h效果较好。      

一个近岸海流数值计算模式的开边界条件

为了计算的省时性,ＩＡＰ近岸海流数值模式采用了分解算法,即将控制方程分解为３个过程并用不同的时间步长进行积分。文章在此基础上对分解后的控制方程作局地线性化,得到了适合不同过程的开边界条件。对于适应过程,控制方程变换为等价的表示沿不同方向传播波动的特征方程。传出计算区域的波动用特征方程来描述,而传入波动则由无反射边界条件来消除。对于演变过程,求出了解析形式的通解。在流出点上,边界条件可以借助解析解由上一时刻区域内部或边界上的已知值求得;而在流入点上,边值保持定常。对于耗散过程,不需要边界条件。最后对所提出的开边界条件进行了数值检验,结果是令人满意的。