大气分层扰动位能控制方程及其应用——南海夏季风活动的能量收支

针对局地环流能量转换问题,本文推导了分层扰动位能一阶矩 (L_PPE1) 和动能 (K_E) 的控制方程,分析了方程中各能量项的空间分布和季节变化特征,并以南海夏季风为例,诊断了夏季风活动各相位的能量收支特征.结果表明,850 hPa高度上在赤道辐合带、大部分季风区、风暴轴地区是L_PPE1的源区,副热带的大洋东部和高纬度地区是L_PPE1的汇区,强源、汇的中心与L_PPE1的纬向偏差场的脊、槽分布对应较好.L_PPE1向K_E的转化项 (C_K)取决于垂直速度和大气稳定度,是连接K_E和L_PPE1的纽带,在暖 (冷) 空气上升 (下沉) 时,转化项为正,L_PPE1向K_E转化能量,反之K_E转化为L_PPE1.在850 hPa 高度上C_K的分布特征是在赤道辐合带以及大部分季风区有大值分布,北半球风暴轴和南半球西风带有连续分布的正值区.将这应用到南海夏季风活动的能量收支,在南海夏季风恢复相位,C_K增大,在南海夏季风活跃相位,C_K达到最大,且为边界输入能量的2~3倍,C_K是南海夏季风恢复、活跃的最重要因素.探讨了南海夏季风活跃的条件,当L_PPE1等于南海季风区的夏季气候平均值时,上升速度大于临界速度的情形,有利于南海夏季风由中断相位向活跃相位的转变.     

利用积分方程法的大地电磁三维正演

利用积分方程法实现了均匀导电半空间三维大地电磁响应的数值模拟。求取张量格林函数积分时,采用二次剖分算法解决计算中奇异值问题,对于含有贝塞尔函数的积分项,利用结合连分式展开的高斯求积代替常规的快速汉克尔变换方法,确保了张量格林函数的正确计算并提高了计算精度。最后通过数值模拟结果的对比及模型试算验证了算法的正确性,所实现的三维大地电磁数值模拟算法为理论研究三维地电构造的大地电磁响应的分布规律提供了有效的工具,也为研究三维反演算法奠定了基础。     

Lorenz系统误差方程的吸引子特性研究

将Lorenz方程及其导出的误差方程作为联立方程(即全误差方程)来研究误差的性质,结果表明联立方程可以变换为一个特殊的算子方程,误差轨线将收敛于一个有限的区域;此外联立方程对应的流的散度为负值,因此其在相空间中的体积不断收缩,最终趋向一个低纬曲面;联立方程的这两个性质使得Lorenz系统中初始误差不会无限放大,而是趋于一个吸引子.误差在吸引子上的概率分布是确定的,因此平均的绝对误差趋于常数,这个结果可以用来解释小初始误差经过一段时间的发展之后,趋向饱和的现象.利用稳定性分析方法研究了误差吸引中心的位置和个数,并使用数值试验进行了验证,结果显示误差吸引子的结构与解的吸引子位置、数量和结构均有不同.最后本研究将针对Lorenz方程的误差联立方程方法拓展到一般的常微分动力系统,展示了对一般误差方程的特征矩阵进行分析,研究其特征行列式性质的方法,得到了一般误差系统中稳定点和平衡态性质与原动力系统的稳定点和平衡态性质的关系,这些结果对于认识误差系统长期的动力学行为和性质是有意义的.     

2009/2010年北半球冬季异常低温分析

分析了2009/2010年冬季(2009年12月1日至2010年2月28日,简称09/10年冬季)北半球地面气温异常特征及同期的水平与垂直环流场的异常结构。结果表明地面气温的异常呈现出带状的分布,表现为在低纬度为正异常、中纬度负异常及高纬度正异常的"正负正"的分布特征,最大的降温区在欧亚大陆和美国东部,其中局部的降温超过了-4℃。09/10年冬季北半球中纬度的地面气温相比过去15年冬季的平均值下降了近1℃,而在欧亚大陆的局部地区降温超过了-8℃。水平环流场的异常特征为:海平面气压和位势高度均表现为高纬度正异常而中纬度负异常的"北高南低"的分布特征,与此同时,中纬度出现气旋式的异常环流而高纬出现反气旋式的异常环流,这种分布形势在高低层表现得较为一致。经圈环流异常特征为:费雷尔环流减弱,中纬度出现异常的上升运动而高纬度出现异常的下沉运动,与此同时,中纬度对流层气温降低,而低纬度和高纬度的对流层气温升高,副热带急流增强,而极地急流减弱。09/10年冬季北半球环流的异常特征与北半球环状模(NAM)负位相时的极为相似。对多年冬季北半球地面气温和NAM指数进行合成和相关分析,结果表明当NAM处于正(负)位相时,北半球中纬度地面气温出现正(负)异常带,并且在欧亚大陆和美国东部最为显著,局部升温(降温)的幅度达到2℃。在热带外地区,经向温度平流是控制温度局地变化的关键因子。NAM影响北半球地面气温的物理机制分析表明,NAM主要是通过影响经向温度平流来影响北半球中纬度气温的。当NAM为正位相时,北半球费雷尔环流加强,中纬度带和高纬度带发生大气质量的交换,海平面气压场表现为中纬度异常高压而高纬度异常低压的"南高北低"的分布特征,中纬度地表出现异常的南风,进而经向暖平流加强,最终导致中纬度地面气温升高,NAM负位相年时与之相反。这个结果揭示了NAM作为自然变率对中纬度地面气温的调控作用。     

高阶Runge-Kutta-Li算法对二维线性平流方程的计算检验

利用高阶Li空间微分方案(Li, 2005),实现了时间积分为3～6阶Runge-Kutta-Li(RKL)格式的求解算法。二维线性平流方程的试验结果表明:在计算稳定的条件下,各阶算法的计算误差随时间的推移基本上是线性增加的。非转动背景场的平流算例中（高斯型的初值）,高阶RKL算法可以取得较好的计算效果。与3、4、5、6阶RK算法配合的Li空间差分方案有效阶数可以达到5、7、9、10阶。RK 算法的阶数为5（6）阶时,总误差控制在10-7（10-8）以内。随RK阶数增加Li微分的有效阶数有增加趋势,且总误差逐渐减小。定常转速的背景场算例中（偏心的高斯型初值）,当RK阶数为3时,最优空间差分阶数为10;相应的阶数为4、5、6时对应的空间最优阶为16,22,22,总计算误差可以控制在10-15～10-16。随着精度的提高,误差的绝对值减小很迅速,说明算法是非常有效的。对于圆锥型初值（定常转速的背景场）,4、5、6阶RK算法和3阶算法的效果差不多。高阶算法对此类具有导数不连续点的算例,效果不如高斯初始场好,结果不能保持正定,有些地方误差出现下冲和上翘。随着空间差分精度的提高,非正定的解数量和数值减小,误差的绝对值减小,说明了算法在一定程度上是有效的,但并不适合追求极高的算法阶数。这与谱方法中的导数不连续问题有些相似,误差的产生主要源于导数的不连续性,差分类方法仅能获得与导数连续性阶数相当的算法精度。各种算例中,采用恰当的边界条件是必要的,例如旋转背景场算例,比较适合使用无穷远边界条件,否则会出现计算不稳定或无法将计算误差控制到较小的范围内。     

J-150B气动潜孔锤在水文水井钻探施工中的应用

通过在矿区供水勘察项目中的实践经验,介绍了气动潜孔锤钻进技术在水文水井工程施工中的应用,指出其操作要点,同时分别对断裂破碎带地层和较完整地层中的气动潜孔锤钻进技术的应用效果进行了探讨,并结合生产实践对其使用效果,生产效率,施工成本等进行了总结。     

泥河湾盆地东坡遗址ESR年代学初步研究

中国泥河湾盆地以发育我国北方晚新生代湖相地层和数目众多的古人类文化遗址而闻名于世,是研究中国北方第四纪地质与环境、新旧石器和早期人类演化的一个关键地区。东坡遗址是泥河湾遗址之一,形成时代一直没有确定。根据古地磁和区域地质等分析,初步认为东坡遗址形成时代不早于距今780ka。本文利用石英Ti心ESR法对泥河湾东谷坨剖面B/M界限样品进行了测量,年龄为 750±88ka,这表明利用该方法对泥河湾层水相沉积物进行测年是可行的。我们利用同样方法和参数对东坡遗址进行ESR年代学研究,结果表明东坡遗址文化层的形成时代为距今 304±12ka到333±23ka,平均年龄为321±15ka。     

两种四维SVD同化方法的比较及误差分析

4DSVD是最近提出的一种新的资料同化方法。目前还存在一些需要解决的问题,比如如何选取样本,如何得到支撑大气吸引子的基向量以及选取基向量的个数问题等等。作者利用奇异值分解(SVD)与经验正交函数分解(EOF)两种方法来获得支撑大气吸引子的基向量,推导了基于这两种方法的4DSVD分析场的理论公式,并用简单的数值试验比较了基于这两种方法的4DSVD分析场的空间相关系数和误差,初步分析了分析场与基向量个数的关系以及与样本选取的关系和分析误差的来源及各种误差对分析误差影响的相对大小。结果表明,用SVD方法作为获得支撑大气吸引子基向量的方法得到的分析场较EOF方法稳定,分析场与基向量个数有密切关系,观测误差、模式误差和观测代表性误差是分析误差的主要来源,且其引起的分析误差随着基向量个数增多而增大。     

青藏高原地区大气红外探测器（AIRS）资料质量检验及揭示的上对流层水汽特征

上对流层水汽（UTWV）是大气中最重要的温室气体,对全球气候变暖有重要贡献; 而青藏高原被认为是UTWV进入平流层的重要通道,在平流层－对流层水汽交换及平流层水汽变化中扮演着重要角色。首先利用高原探空站资料对大气红外探测器（AIRS）反演的水汽数据在高原地区的质量进行了检验,发现AIRS反演的水汽数据与探空实测数据是相当一致的。其中全年和夏半年AIRS的可信度较好,而冬半年,尤其是上对流层AIRS水汽可信度相对较低,但在缺乏高精密数据时仍部分可用。利用AIRS资料对青藏高原地区UTWV季节变化特征进行了分析,结果表明,高原冬季偏干,而夏季显著偏湿,并且空间分布具有明显的不均匀性。经验正交函数(EOF)分析显示,夏季高原UTWV主要存在三种空间分布型,即全区一致型,高原东西偶极型和南北带状偶极型。一致型分布具有明显的季节变化,而偶极型则以季节内振荡为主。在此基础上,重点研究夏半年高原地区UTWV季节内振荡特征,结果表明,UTWV季节内振荡的显著周期位于10～20天和30～60天。前者主要表现为纬向东传,并且可以越过高原进入我国江淮流域上空;而后者主要向南移动,基本表现为高原局地振荡。最后,进一步探讨了高原UTWV季节内振荡的可能机制,结果表明,高原地区UTWV的低频变化主要与高原热状况、南亚高压活动及其与二者相耦合的对流活动有关。     

晚春初夏西太平洋副热带高压南撤过程的气候学特征

利用1979—2006年多年平均逐日NCEP/NCAR再分析资料、NOAA的OLR和逐候CAMP降水资料,从气候学角度探讨了晚春初夏季节转换时期,西太平洋副热带高压(副高)脊线位置变化及其与亚洲夏季风爆发的关系。发现晚春初夏时期西太平洋副高在向北移动过程中存在一次显著的南撤过程,之后西太平洋副高发生第一次北跳,南撤主要发生在对流层高层和低层,南撤生命期可达2周,且高层的南撤过程结束时间比低层的南撤过程开始时间早约1旬,这为预测低层副高南撤及其第一次北跳提供了有意义的前期信号。低层西太平洋副高南撤的同时伴随着一次显著东退过程。在低层副高南撤结束后(约5月底),由于气温经向梯度的变化使副高脊轴倾斜发生反转。晚春初夏的西太平洋副高南撤过程与亚州夏季风爆发、强对流活动和降雨带的移动变化关系密切。在对流层高层西太平洋副高南撤过程的中后期(约4月底),夏季风在安达曼海和临近孟加拉湾爆发。在对流层低层西太平洋副高南撤过程开始后,南海夏季风开始爆发(5月14—15日);南撤过程结束后(6月初),印度夏季风爆发;在副高脊线返回日后(6月中),东亚夏季风爆发。西太平洋副高南撤过程不同阶段的建立时间为预知亚洲不同地区夏季风的爆发时间提供了非常有用的信息。此外,在西太平洋副高主体南北两侧存在两支强的雨带,与副高主体控制的少雨带构成一个典型的"湿干湿"三明治雨型,这个雨型的变化与西太平洋副高脊线移动有关。