非线性大气动力学的进展

总结了自新中国成立以来中国科学院大气物理研究所在非线性大气动力学领域的进展,其中主要介绍了在非线性适应过程、非线性稳定与不稳定、全局分析理论、可预报性、低阶谱方法与多平衡态动力学、非线性波动、波流相互作用、阻塞高压非线性动力学、中小尺度非线性动力学等几个方面的研究成果及最新进展.     

东北夏季月低温事件的定义及大气环流年代际特征分析

利用1960-2009年东北地区150个地面测站的逐日气温资料,定义了东北三省夏季月低温事件（简称MCSE）,并将其分为5类。结果表明：MCSE发生频率在20世纪60-70年代较高,80年代逐渐减少,90年代显著减少; 6月和8月以第Ⅲ类MCSE为主,而7月则是第Ⅱ类;在冷气候背景下,第Ⅱ类MCSE正涡动能量是由高纬向中纬度传播,正常背景下是由中纬度向高纬度传播,第Ⅲ类则与之相反,暖背景下第Ⅱ类MCSE的能量传播方向与冷背景一样,而第Ⅲ类则先是由低纬度向高低纬度传播,然后是由高纬度向低纬度传播;同时还发现,在冷背景下第Ⅱ类和第Ⅲ类MCSE,中国东北地区都是处于大范围强冷空气带的覆盖下,而正常期气候背景下这两类MCSE的东北冷涡和乌拉尔山阻塞高压（西阻）都比较明显,在暖背景下,第Ⅱ类MCSE的阻塞高压（中阻）、鄂霍次克海阻塞高压（东阻）以及东北冷涡系统都很明显,而第Ⅲ类MCSE的阻塞高压（中阻）和东北冷涡明显。     

北大西洋涛动的纬向位置与大西洋-欧洲阻塞活动的关系以及对欧洲天气的可能影响

近几十年来,北大西洋涛动（NAO）出现了明显的年代际东移现象。而近十几年欧洲地区出现了频繁灾害性天气,它是否与NAO东移现象有关不清楚。本文拟通过NAO逐日指数挑选出1950～2011年冬季的所有in—situ（原地）NAO事件,并将其划分为偏东型（ENAO）和偏西型（WNAO）,然后研究了两种类型的NAO事件与大西洋-欧洲阻塞事件的关系以及它们对欧洲大陆气温和降水的影响。结果发现：当NAO是负（正）位相时,大西洋-欧洲阻塞呈西北·东南（西南-东北）分布,而且当NAO为负位相时,阻塞有两个活动中心：格陵兰阻塞和欧洲大陆阻塞。当NAO负位相事件偏东（西）时,阻塞趋于在欧洲大陆（格陵兰）产生。当NAO正位相事件偏东（西）时,阻塞趋于在南欧的下（上）游地区产生。同时发现偏东型的负位相（ENAO^-）会引起欧洲大陆大幅度的降温,并且范围和强度都要比偏西型负位相（WNAO^-）影响的要大,特别是它对中欧、东欧及南欧的降温影响更显著。而偏东型正位相（ENAO^＋）和偏西型正位相（WNAO^＋）会引起欧洲大陆升温,但偏东型正位相（ENAO^＋）引起的升温幅度较大且范围更偏东部和南部。此外还发现NAO^＋事件对应的欧洲地区降水正距平呈现出单支分布,并且ENAO^＋对应的降水更偏欧洲北部。而NAO^-事件期间降水则呈南北双支结构分布,但由于ENAO^-事件引起的大幅降温,使得欧洲南部特别是地中海地区容易发生极端降雪天气。最后,本文还讨论了偏东型和偏西型NAO事件产生的可能的物理机制。     

2003年夏季淮河流域梅雨期西太平洋副高结构和活动特征及动力机制分析

通过资料分析和诊断, 揭示了在2003年6～7月淮河流域暴雨期间, 西太平洋副高相对偏北并且呈现南北变化相对稳定、东西变化明显的特征; 强劲而稳定少动的中纬度西风急流使得西太平洋副高难以北抬, 从而造成了淮河流域降雨带的稳定少动. 同时, 分析表明每一次雨锋的出现伴有高层南亚高压的东伸, 并诱发500 hPa西太平洋副高西伸至我国沿海, 导致淮河流域多雨, 江南干旱高温.分析还发现高、低空副热带高压影响天气系统发展的如下机制: (1) 沿30°N东伸的高层南亚高压脊在东部30°N以北地区引起辐散和上升, 在30°N以南地区引起辐合和下沉; (2) 江南高层的辐合下沉气流在中低空的辐散增强了局地的负涡度, 诱发西太平洋副高西伸; (3) 沿增强了的西太平洋副高西北侧的偏西南气流在30°N以北辐合, 增强了局地的上升运动, 为暴雨的产生创造了大尺度的背景流场; (4) 副高西北侧的暴雨加强了低空的南风和高层的北风, 从而使高层东伸的南亚高压和低层西伸的西太平洋副高在我国东部稳定维持.     

亚太地区冬季海平面气压异常的偶极型结构及其与海温的关系

利用全球月平均海平面气压资料以及海表温度资料,采用旋转经验正交函数分解(REOF)、Morlet小波分析、相关分析及合成分析等方法研究了亚洲—太平洋地区(20°N～70°N,40°E～120°W)冬季海平面气压异常的空间结构与时间演变特征,并进—步分析了该地区冬季海平面气压异常与全球海温异常的关系.结果表明:亚太地区冬...     

计算任意方向矿井瞬变电磁场

为了满足矿井瞬变电磁法实际井下施工的需求,以全空间水平层状介质为背景建立模型,计算垂直和水平偶极子源的瞬变电磁场,进而得到任意角度的瞬变电磁场。从电磁场矢量位出发建立方程,根据边界条件求解,得到场分量的数值表达式,利用快速汉克尔变换求得频率域的场,再利用余弦变换多项式法变换到时间域。根据井下线圈架设方位的不同,计算了三层模型的磁场分量,皿、只随时间变化呈衰减趋势,在较早的一段时间内衰减很慢,基本保持稳定,之后迅速衰减,双对数坐标下具有线性规律。当架设方向不同时,磁场随时间变化规律不变,量值发生变化。这里还提出引入电偶极子源到井下进一步完善施工技术。     

基于经验正交函数分解的热带印度洋海温研究

利用1945—2011年的月平均Ishii海水温度数据,采用统计方法和经验正交函数分解(EOF)方法,对热带印度洋海温的时空分布特征进行研究。结果表明:海水温度方差最大值位于100 m深度,温度跃层处于50~150 m之间,偶极子现象存在于表层至150 m深度,其位置和强度随深度逐渐变化,在100 m深度偶极子现象达到最强。50 m深度层是偶极子现象转变的关键层,50 m之上由第二模态体现为偶极子现象;50 m之下则为第一模态。     

湖南重大雨凇过程大气环流特征分析

利用NCEP 2.5 °×2.5 °再分析资料,对湖南省1951—2010年出现的8次重大雨凇过程进行大气环流特征、水汽特征及温度特征分析得出,8次重大雨凇过程有6次出现在阻高环流背景下,2次出现在纬向多波型环流背景下;雨凇范围及持续时间与阻高轴线向东北倾斜程度、阻高东侧横槽位置、副高西脊点位置、南支槽位置、雨凇区700 hPa水汽通量强度、850 hPa冷涡位置、温度垂直结构等密切相关。并在此基础上,建立了湖南省重大雨凇过程概念模型,为雨凇预报提供技术支持。      

对瞬变电磁测深几个问题的思考(一)——瞬变电磁测深中偶极子源及其转换

偶极子源是电磁法研究的基本对象,是构成更复杂探测装置与资料解释的前提,也是电磁法勘探技术开发与创新的理论基础。从偶极子源的概念出发,导出了均匀大地表面上的主要偶极子源瞬变电磁场公式,并指明正垂直阶跃脉冲与负垂直阶跃脉冲激发的瞬变电磁场公式的异同,以加深认识。举例说明了相应于电性源与磁性源的场分量可根据电磁场的互易定理相互转换,便捷推导公式。重点阐述了由偶极子源的场强公式运用叠加原理可衍生更复杂的电磁场公式,诸如大回线源及其任意一点的瞬变电磁场公式,盘活了瞬变场的应用。      

偶极子在城区渗流场的结构物模拟中的应用

城区渗流场中地下阻水结构物众多,由于结构物的角点为奇异点,而且结构物的尺寸跟整个城区渗流场的尺寸相比非常小,这导致现有的计算方法难以对城区渗流场进行模拟分析。针对城区渗流场的这些特点,通过引进流体力学的复势、偶极子等理论,采用抽注水井对结构物进行模拟。通过控制井流量的大小,以形成强弱程度不同的阻水效果,而单元尺寸可以以井点间距为尺度,用较少的节点和单元即可对地下结构物进行处理,达到简化计算的目的。抽注水井法是一种简化的模拟算法,它忽略了结构物附近局部区域流场失真的情况,强调在宏观上与真实流场接近。