Variational Principle of Instability of Atmospheric Motions

Problems of instability of rotating atmospheric motions are investigated by using nonlinear governing equations and the variational principle. The method suggested in this paper is universal for obtaining criteria of instability in all models with all possible basic flows. For example, the model can be barotropic or baroclinic, layer or continuous, quasi-geostrophic or primitive equations; the basic flow can be zonal or nonzonal, steady or unsteady.Although the basic flows possess a great deal of variety, they all are the stationary points in the functional space determined by an appropriate invariant functional. The basic flow is an unsteady one if the conservation of angular momentum is included in the associated functional.The second variation, linear or nonlinear, gives the criteria of instability. Especially, the general criteria of instability for unsteady basic flow, orographically disturbed flow as well as nongeostrophic flow are first obtained by the method described in this paper.It is also sh     

复杂地形风场的精细数值模拟

风能是一种重要气候资源,随着我国风电规模的迅速增大,发展风能资源评估系统和风功率预测系统已成为一项重要的研究内容。国内外对复杂地形风场结构的数值模拟有大量研究,随着计算机能力增强,以往用于空气动力学精细流场计算的计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)模式越来越多地在气象领域得到应用,人们开始研究用中尺度预报模式和CFD模式结合进行复杂地形风场的数值模拟。本文的耦合模式系统采用中尺度气象模式(WRF),通过嵌套网格到内层尺度(一般是几公里),然后通过耦合CFD模式Fluent软件获得高分辨率(水平30~100 m,垂直150 m高度以下10 m)的风速分布资料,得到精细化的风场信息。通过对鄱阳湖北部区域和云南杨梅山复杂地形的风场模拟,提供了风能评估和预报的一种可行的方法。     

从自然控制论看黄河上游人工增雨

用自然控制论原理和方法,从理论上探讨了用人工增雨来解决黄河断流所遇到的一些问题及解决方案.结果表明,只有在黄河上游地区增加降水才可以缓解黄河断流问题,河曲地区是最佳人工增雨区.针对河曲有限区域人工调控天气问题,首次提出了解决人工增雨的正问题与反问题的概念.在此基础上,给出了河曲地区人工增雨的概念模型.     

非饱和土壤水流方程的极值原理

讨论了非饱和土壤水流问题及其数值计算方案的极值原理,在理论上证明了连续问题及其数值格式均满足极值原理,即在一定的条件下,预报变量的最大值和最小值只能在边界上达到,从而描述了特定的物理性质.这些问题在讨论入渗、蒸发问题的研究中是重要的.     

不同时间尺度上的热带海气耦合扰动

本文从热带地球流体运动的物理特征出发,建立了适合热带地区特点的海气耦合模式方程组并对之进行了系统的尺度分析,指出时间尺度不同的运动其受控的物理过程各异。基于这种时间尺度的差异,我们有可能将不同时间尺度的运动分开来研究。计算结果表明,去掉海洋中的波动过程,仅仅考虑与海洋表面温度场的变化相联系的扰动形式会对耦合系统及耦合扰动的性质造成很大影响。由此看来,Ｎｅｅｌｉｎ所谓的“快波极限”不是一种好的近似。     

大气环境污染优化控制的实际问题

讨论了大气环境污染优化控制理论和应用中的几个实际问题以及可以采用的一些分析和解决实际问题的方法,包括系统化分析方法、数据库的设计与实现、实用空气质量模式、优化控制问题的数学描述和求解、污染物方程及其伴随方程的线形规划求解等,同时给出了在大气环境容量规划和总量控制研究中的实现步骤。     

华北和北京的酷暑天气 Ⅱ. 模拟实验和机理分析

利用Ｐｅｎｎ／ＮＣＡＲ 的ＭＭ５ 中尺度模式对１９９９ 年６ 、７ 月华北的两段高温过程进行了模拟研究, 并利用模拟输出量对高温形成的机理进行了一些探讨。结果表明, 在利用了Ｎｕｄｇｉｎｇ 同化以后, 中尺度模式能对整个过程作较长时间的模拟, 对高压的移动过程、强度和维持能较好的复制出来。分析结果表明, 大陆副热带高压中的下沉增温和辐射增温是造成此高温酷暑天气的主要原因。     

大气污染的最优调控与污染源反演问题Ⅰ:离线模式非完整伴随算子的应用

人为大气污染的最终根治,依赖于产业和能源结构的调整与升级,在这些问题解决之前,进行合理和经济的减排调控是有效手段.文章利用自然控制论原理和方法,首先在已知污染源时空分布情况下,用数值天气预报作输入,离线作出污染物浓度分布,求解污染源最优减排方案的非完整伴随算子问题,从而可简便地求解出优化减排方案.所谓非完整伴随算子问题,是指就方程的线性部分求出伴随算子并求解,而非线性项则用迭代算法.如欲验证或求更高精度,则以此作为最优减排方案的第一近似,迭代求高阶近似,直至空气质量满足要求;其次,文章还讨论了由已知污染物浓度时空分布情况下,反演污染源的动态分布问题,提出一种可行的数学方法,有助于解决排放源不确定性大的问题,以便保证最优减排调控的实施.     

季风指数及其年际变化Ⅱ.南海夏季风分量动能强度指数及其年际变化

计算了各年南海夏季风建立前后流场的场相似度、场比幅、季风分量动能强度指数和突变度.指出按变差度最大或相似度绝对值最小及其变化最陡以及比幅最小,可客观定量地定出季风来临的预兆日期,在大多年份该日期比用天气气候学方法得到的季风来临(爆发)日期要早些,且两者有较好正相关.绝大多数年份季风建立时有环流突变发生,但也有少数年份呈调和变化或二次突变.季风分量动能强度指数能够反映各年南海夏季风建立后的强度.最后分析指出,南海850hPa夏季风的前兆日期,突变度和强度指数都有明显的年际和年代际变化.     

大气环流的季节突变与季风的建立Ⅰ.基本理论方法和气候场分析

将曾庆存等提出的大气环流的季节划分和计算季风的理论方法作了改进,使之更便于研究季风的建立过程.该理论方法将环流突变和季风建立时段,其"变差度"和与其前和其后场的"相似度"等由空间场的泛函随时间的变化(即数学名词上的"流"[flow])一起求出来.研究Ⅰ先分析气候平均场,Ⅱ分析各个别年份的情况及年际变化.研究Ⅰ的结果表明:(1)该方法可以客观定量地定出"突变"时段的关键日期;与季风建立过程联系,即是季风建立的"预兆日期",它比人们用天气-气候学方法(甚至用别的气象要素)定出的可以明显感觉到的或有明显实用价值的"季风来临日期"要早2至4天.(2)在北半球亚澳季风系统区域,夏季风的来临在许多关键地区伴有明显的环流突变,建立和推进者很快,但也有许多区域不表现为当地环流的突变,推进速度也慢.(3)北半球亚澳季风系统低空的热带季风分支,在6月中以前可明确区分为3个子系统,(a)西太平洋暖池和邻近低纬区域,4月中下旬建立;(b)热带东北印度洋(北界与孟加拉湾相邻,但不包括其在内)及索马里东边海洋,4月末至5月初建立;和(c)南海区域,5月上旬从南到5月下旬到北部.南海夏季风向北推进最快,于5月末候即可达北回归线附近,然后与暖池西北区域风场的突变一起,于6月中旬影响到东亚30°N区域;印度洋季风于6月初到达印度半岛东南端,然后逐渐推向印-巴次大陆.7月中以后,热带季风才连成一片,由非洲东岸直至长江下游和菲律宾附近.副热带季风分支于6月中旬可以感到其影响,于7、8月盛行于东亚和西太平洋区域,且结构和演变都比较复杂;6～7月间只表现为在(5～20°N,120～150°E)区域有强的环流突变(与副高增强并北移对应),7月中至8月底,则在上述区域和沿30°N的长江下游和日本以南的洋面上有3个强的环流突变中心(对应于副高又一次增强北移和西伸).这里暂不讨论温寒带季风分支.(4)季风具有鲜明的三度空间斜压结构,尤其是在低空季风"爆发"之前,平流层早已有强的环流突变,季节调整完成,然后突变向下延伸(虽然强度大减),跟着就有当地的低空季风"爆发"(建立).平流层和对流层环流的相互作用及其与季风建立的关系很值得进一步研究.