用细胞自动机模拟雪花

雪花是自然界的增长现象,它具有复杂的树枝状形态。我们利用细胞自动机模型在计算机上模拟出许多种类的雪花图象,反映出实际雪花生长的一些物理过程。 “奇偶规则”考虑到水汽冻结时要释放大量潜热这个物理特点,“限制规则”和“优先规则”考虑到水汽扩散到冰晶表面要选择不同的着陆位置这个物理特点。 所有模拟出的雪花和实际观测到的雪花非常相似,且具有分数维的形式。 看来,细胞自动机是模拟像雪花那样在耗散非线性动力系统中所出现的复杂形态的有力工具。     

气象界如何看待当前科学界关于“确定论和随机论”的讨论——兼论非线性和浑沌的研究

一、引言 1963年著名气象学家E.N.Lorenz发表了题为“确定的非周期流”的文章,内容是从确定的大气运动方程组中算出了非周期的结果。这篇文章当时并没有引起人们的重视,直到1971年Ruelle将这种非周期流与实践中的湍流现象的发生联系起来,提出了奇怪吸引子(strange attractor)和浑沌(chaos)的概念,Lorenz的文章才受到重视。     

层结切变流体非线性惯性重力内波的稳定性

本文从层结切变流体的非线性惯性重力内波的方程组出发,设解为行波的形式并将非线性项在平衡点附近作Taylor展开,导得了两个变量的一阶自治动力系统的常微分方程组。应用常微分方程的稳定性理论,讨论了惯性重力内波的稳定性。分析指出:在考虑了速度垂直切变和非线性作用后,惯性重力内波的稳定性发生了变化,当LL_0时是稳定的结论只是在时才是正确的,当时,L_0~2<0和L>L_0成为不稳定的条件。 本文还讨论了某些条件下非线性惯性重力内波的解析解。     

形态的多样性和复杂性——耗散结构简介

正象天气状况时刻都在变化一样,自然界的事物也都不断地发生演变。科学家们花费大量的劳动去探索事物演化的过程和规律。 人们对事物的认识总是由浅到深,随着科学技术的发展,认识仍在不断的深化。在很长时间内,古典的科学把对复杂世界的研究简化。例如,无摩擦的单摆,月球绕地球的运动轨道等。直到本世纪初,物理学家几     

微波遥感大气温度层结的原理和试验

一、引言 利用5毫米微波段大气辐射的地面遥感,反演大气温度压力层结。本文将讨论它的原理、仪器和试验结果。这项工作最初在北京大学进行原理性的探索。随后分别与上海气象仪器厂和北京768厂合作研制成A型微波辐射计及B型微波辐射计两种试验样机,并对两种试验样机作了野外考察试验。从观测结果上看,可以用它遥感十公里以下大气温度层结,低空逆温能够明显地反应,高空逆温反演误差较大。5公里以下均方根误差在2—3°K以内,5公里以上误差还要大些。     

从二维地转风到三维涡旋运动

给出了大气三维涡旋运动基本态所满足的简洁的偏微分方程. 大气涡旋运动存在低压辐合上升和高压辐散下沉的基本状况，基本态的三维速度场可以用流函数和对流速度势分解，且具有螺旋结构. 当Reynolds数Re→∞时，涡旋运动就化为地转风，涡旋运动近似就化为地转风近似.     

龙卷风的漏斗结构理论

龙卷风是大气中风速和垂直速度极大的小尺度系统.本文用气压梯度力、惯性离心力、黏性力三力平衡的柱坐标(r,θ,z)下的大气动力和热力学方程组,求龙卷风的三维速度场(vr,vθ,vz),从理论上绘制出龙卷风的三维漏斗型结构.充分说明龙卷风由涡旋流和急流这两种流叠加而成,涡旋流是由惯性离心力造成的,急流是由水平辐合辐散而引起的强对流.龙卷风是在极端不稳定的大气层结中形成的.     

大气流场的拓扑结构

用简化的大气运动方程,定性分析了大气中几种常见天气系统流场的拓扑结构. 研究表明,气旋反气旋流场与中心点附近的流形相对应;长波演化形成阻塞高压流场,与鞍点和中心点从合并到分离的流形相对应;台风和龙卷风的流场与三维空间中鞍-焦点附近的流形相对应. 研究大气流场的拓扑结构,可以直观清晰地揭示大气运动的形态和形成机理,有助于认识大气运动的规律. 文中讨论基于一定假设,结果与实际大气有差异,因而具有局限性.     

气候序列的层次结构

一个气候时间序列含有多个时间尺度 ,形成不同尺度的气候层次。气候是冷还是暖是随着尺度而变化的。文中用北半球地表月平均气温气候资料的子波变换分析表明 :气候突变点既随尺度有规律的变化 ,也具有随尺度变化而不变的性质 ,即标度不变性。不论什么尺度 ,气候总是有冷暖之分 ,这种自相似性可以帮助笔者从气候资料的子波变换中建立一个一维映射动力系统 ,它反映出气候突变时间的演变规律和气候的层次结构。     

大气边界层湍流速度场的层次结构分析

对大气边界层的速度脉动时间序列进行了统计分析,发现在大气边界层湍流场中存在She-Leveque(SL)层次相似律,以及在水平速度场、垂直速度场和不同条件下垂直速度场的层次相似律所满足的情况不同,并给出了对应的可能解释.结果指出大气边界层自组织结构的复杂性以及层次相似律对大气边界层湍流脉动描述的有效性.