Spin-up of a two-layer fluid in a rotating cylinder

Abstract

we report the results of experiments on the spin-up of two layers of immiscible fluid with a free upper surface in a rotating cylinder over a wide range of internal Froude numbers. Observations of the evolution of the velocity field by particle tracking indicates that spin-up of the azimuthal velocity in the upper layer take much longer than in a homogeneous fluid. Initially, spin-up occurs at a rate comparable to that of homogeneous fluid but, at high internal Froude number, a second phase follows in which the remaining lative motion decays much more slowly. Quantitative comparison of these measurements to the theory of Pedlosky (1967) shows good agreement.

Visualization of the interface displacement during spin-up detected the presence of transient azimuthal variations in the interface elevation over a wide range of Froude (F), Ekman (E), and Rossby (ε) number. nalysis of the occurrence of the asymmetric variations using the parameter space (Q, F), where Q = E ^1/2/ε, suggested by the baroclinic instability theory and experiments of Hart (1972), showed that the flow was stable for Q > 0.06 with no discernable dependence on F. This result, together with the prediction of Pedlosky's theory that radial gradient of potential vorticity in the two layers have opposite signs, suggests at the baroclinic instability mechanism was responsible for the asymmetries. The location and timing of these instabilities may account for the discrepancies between the observations and the Pedlosky (1967) theory.     

南海夏季风爆发的环流特征及指标研究

使用美国NCEP/NCAR高度场和风场资料及外逸长波辐射(OLR)资料,分析了4～7月南亚和东亚上空环流场,给出了南海夏季风爆发的定义及1953～1999年季风爆发的时间序列,指出季风爆发存在3种类型的环流场,发现东印度洋赤道两侧涡旋对的出现对季风爆发有很好的指示意义.综合季风爆发过程中热力学和动力学要素的特征,建立了适合南海夏季风爆发的指数计算经验公式.     

蒙古东部冷涡造成河北中南部雹暴过程的地闪特征分析

应用地面闪电定位系统、多普勒雷达、加密自动雨量站资料,对2007年7月8～9日蒙古东部冷涡天气系统下,发生在河北中南部的两次雹暴过程进行了分析.结果表明:两次雹暴均产生大量地闪活动,且以负地闪占优势,闪电集中发生时段与强对流发生及维持时间相当.雹暴和强降水在时空分布上对应的地闪极性有明显差异,降雹发生在雹暴云团中正地闪最活跃的阶段,正地闪集中出现在强回波中心及其邻近区域,降雹点落在正地闪聚集区附近;对流性强降水云团中负地闪频繁发生,强降水区出现在负地闪密度高值中心附近,负地闪簇集区域预示着对流性强降雨的落区.多单体风暴中:闪电的频率及聚集区域主要取决于雷暴单体的数目、强度和相互接近的程度,其造成的强降雹主要发生在总地闪的活跃期.本次个例分析显示,总闪电频数跃增、正闪频数突增,仅先于降雹数分钟(几乎同时)发生.因此,根据闪电频数变化可监测对流强度的演变和冰雹天气的发生.     

北半球10 hPa极地涡旋环流指数定义及分析

利用NCEP/NCAR再分析值10 hPa月平均高度场资料定义和计算了1948-2007年北半球10 hPa极地涡旋的强度指数(P)、 面积指数(S)和中心位置指数(λc, φc)。用它们分析了北半球10 hPa极地涡旋的季节变化和年际异常规律, 研究了它们与全球增暖、 臭氧（O3）异常和极地涛动（AO）的关系。结果表明： (1）北半球10 hPa层高纬6~8月为反气旋（A）控制; 9月~3月为气旋（C）控制。春季环流转型（C→A）缓慢; 秋季转型（A→C）迅速。(2）P、 S异常的年际变化具有同步性, 故异常分析仅取P进行。隆冬（1月）P的异常主要表现为年际尺度（10年以下周期）振荡, 不存在明显的年代际变化; 盛夏（7月）极地反气旋强度年代际变化显著。(3）隆冬极地气旋中心位置的异常明显大于盛夏反气旋。(4）极区中平流层平均气温的演变1、 7月迥异, 但它们与P的演变同步; 与全球增暖趋势无显著相关, 但7月P与O3异常有显著正相关。(5）隆冬（1月）10 hPa气旋强度指数P与极地涛动指数AO存在显著正相关, 故可用10 hPa ′表示AO。     

冷涡内部中尺度变形场的多普勒雷达观测和分析

2005年4月20日,哈尔滨新一代天气雷达观测到东北冷涡内部具有中尺度的变形场结构,即在雷达速度图上,存在两负两正且互为准对称的现象.在变形场中通常会引起锋生效应,而雷达观测具有高时空分辨率,可以及时发现这种中尺度的变形场.本文应用实时雷达资料,配合卫星云图及常规资料场,对该次过程进行分析.说明变形场在冷涡发展的过程中起到了重要作用.     

一次大暴雨过程中高原低涡与西南低涡相互作用机制探讨

对2007年7月16-19日高原低涡东移形成的川渝地区大范围大暴雨过程,利用自动气象站雨量资料、常规观测资料、FY-2C TBB云图资料和T213分析场资料,采用天气动力学和中尺度诊断方法,分析了大暴雨的形成机制.结果表明:此次大范围大暴雨过程是高原低涡诱发西南低涡发展从而形成耦合系统造成的,其垂直上升运动气柱和涡柱的耦合发展与维持是低涡发生发展并产生持续性强降水的动力机制,对流层下部深厚不稳定层结的形成和维持是低涡发展并形成持续对流性降水的热力层结条件.     

冷空气对两例高原低涡移出高原影响的分析

利用NCEP再分析资料对2002年8月12~20日托勒涡及2003年7月12~14日诺木洪涡两例高原低涡在冷空气影响下移出高原的斜压性和温度平流进行诊断分析,结果表明:(1)受切变线影响的托勒低涡移出高原时主要受东北方冷空气不断伸入涡区的影响,西风槽前的诺木洪低涡主要受西北方冷空气伸入涡区的影响。(2)高原低涡是在600 hPa以上涡柱内斜压性较强、500 hPa涡区内斜压性加强情况下移出高原的。不同的是:托勒低涡移出高原,涡柱内对流层中上层斜压性、500 hPa涡区内斜压性都比诺木洪低涡弱;托勒低涡涡柱内北冷南暖现象比诺木洪低涡强。(3)高原低涡是在低涡区内大部分受冷平流控制,涡区西部冷平流比东部强时移出高原的;低涡西部的冷平流加强将会使低涡发展加强,在高原以东持续。不同的是:受切变线影响的托勒低涡移出高原时低涡西部冷平流区强度比受西风槽前诺木洪低涡弱;而托勒低涡区冷平流区比诺木洪低涡移出高原时大。     

一次东风波中尺度暴雨的Q矢量与MM5预测能力对比

利用NCEP 1°×1°再分析资料对2001年8月3～4日的浙南闽北的东风波暴雨过程进行了分析。根据Q矢量散度分析讨论了这次过程中的暴雨演变以及东风波诱生中尺度低涡发生发展的原因。同时,利用中尺度有限区域模式MM5V2对该东风波诱生中尺度低涡进行模拟。结果表明:Q矢量散度大值中心强度和位置的演变较好反映了暴雨落区和中尺度低涡的诱生,其预示能力较MM5V2预报的准确率高,将中尺度模式和Q矢量计算结合起来可以提高风暴路径和雨区的预报准确率。     

广西一次强降水天气成因初探

利用M ICAPS提供的常规资料和卫星资料,对广西一次强降水天气成因以及几家数值预报产品进行初步分析,结果表明,西南涡沿切变线东南移是这次过程的主要原因,数值预报产品对这次过程的预报效果较好,深入数值预报产品的释用研究是提高重大天气预报质量的有效途径。     

一种人工鱼礁的水动力学研究与建设效果评价

针对舟山群岛的海洋环境和渔业资源等情况,设计了一种正六棱柱式人工鱼礁用于改善当地的海洋生态和渔业资源。选用反映鱼礁通透性的ε值和反映鱼礁附着能力的η值两个参数对人工鱼礁的结构进行评价,通过比较发现所设计的正六棱柱式人工鱼礁在具有良好通透性的情况下还能够为海洋生物提供更大的附着面积,满足设计需求。使用Fluent软件对鱼礁进行CFD仿真,发现鱼礁迎流面前部上升流的最大高度随来流速度的增加而增加,鱼礁后方背涡流的长度约为鱼礁高度的9.3~9.6倍,表明其具有很好的水动力特性。为进一步验证鱼礁的水动力学性能,在相同尺寸、相同水域环境下对鱼礁模型设计了水槽实验,与仿真结果相互验证,证明了正六棱柱式人工鱼礁水动力性能的有效性。最后采用实地调查的方法对正六棱柱式鱼礁礁区与箱形鱼礁礁区进行建设效果的对比评价,发现两种鱼礁均能对各自所处的海洋环境起到增殖作用,正六棱柱人工礁区的平均生物密度大于对比礁区的生物密度,证明了其良好的水动力特性对增殖效果的有效性。