大气动力学模式的比较研究

本文对非静力平衡模式N、准静力平衡模式H及准地转平衡模式G进行了性能比较.给出N,H,G模式积分形式的解.指出常用的静力平衡假定将造成虚假高频重力波,同时漏掉中性到不稳定大气中可能存在的强大惯性对流.静力适应过程存在一个由层结稳定度决定的活动时间边界层.在中高纬度的稳定大气中,静力适应与地转适应具有阶段可分性,而当层结接近中性时,两种适应过程都很难完成.静力适应的主要机制是浮力波转为重力波,而不是声波频散. 文中给出了各简化模式的适用范围.分析表明:中尺度预报最好使用非静力平衡模式.准静力平衡近似要求三个条件,以往仅在L/H>>1这一几何条件下使用H模式是不充分的.     

完整Coriolis力作用下带有外源强迫的非线性ZK方程

在正压流体中,从包含完整Coriolis参数的准地转位涡方程出发,在弱非线性长波近似下,采用多时空尺度和摄动方法,推导出大气非线性Rossby波振幅演变满足带有外源强迫的二维Zakharov-Kuznetsov(ZK)方程.然后利用Jacobi椭圆函数展开法,求解了ZK方程的椭圆正弦波解和孤立波解.分析结果表明,Coriolis参数的水平分量将影响二维Rossby波传播的频率特征,而外源不仅对二维Rossby波动的传播的频率有影响,对振幅也产生一个调制作用.     

完整Coriolis力与弱地形作用下的非齐次mKdV-Burgers方程

本文研究了中高纬度含有完整Coriolis力的准地转位涡方程问题.利用时空伸缩变换方法,获得了描述Rossby波的振幅形态满足非齐次mKdV-Burgers方程的结论.方程的近似解表明,弱地形效应对Rossby波的振幅产生强迫作用,并推广了文献[12]中的结果.     

赤道地区大气波动的理论分析

本文将赤道地区的大气运动方程组,在β平面内描述,而以βy表示地转参数.作为大气的基本状态,文中考虑了含有东风切变的平均纬向风速.将正压原始运动方程组对这一基本状态,进行线性化,然后对特征波动,进行数值求解.在各种特征波动中,还计算了涡度和散度的分布,并对所得结果,进行了分析和讨论.     

正压大气模式下大地形和β变化的Rossby波

在正压大气模式下从准地转位涡方程出发,考虑地形和β随纬度变化下引进参数δ对Rossby波的共同作用,应用正交模方法得到在中高纬度具有大地形、Froude数以及参数δ的Rossby波相速度公式; 分析β变化下大地形和Froude数对Rossby波稳定度的影响,表明大地形、Froude数和参数δ对Rossby波的稳定性作用.     

准地转演变过程中的多时态特征

本文利用大气运动中多时态的概念,对准地转运动的物理特征进行了分析与研究,指出在不考虑非绝热及湍流摩擦等作用时,准地转运动中所出现的多时态或多阶段的特征,是与运动的水平尺度密切相关的.文中还对正压与层结大气中的准地转运动的特征进行了分析与比较,并讨论了二者差别的原因.     

光化-动力耦合重力波模式及其应用——Ⅰ. 模式的建立

利用数值模拟的方法研究了大气重力内波传播的扰动对中间层上部和低热层大气化学成分分布的影响. 着重探讨非线性、可压缩的二维光化-动力耦合重力波模式的建立、计算方法以及模式正确性分析. 该模式考虑了光化学反应产生的非绝热效应以及重力波对大气化学反应和对化学成分输运的影响. 模式在水平方向利用拟谱方法,对垂直方向和时间采用有限差分方法, 并利用FICE方法对模式求解. 对小振幅波动的模拟结果与线性重力波理论结果符合得很好, 证明了该模式算法的正确性, 它表明拟谱法和有限差分法相结合是大气重力波模拟研究的有效的、并且计算量较小的方法之一.     

全球大气重力波联测期间电离层扰动的台阵观测

本文利用武汉电离层观象台的加密频高图和三站Doppler图记录及新近提出的短波扰动反演方法,分析了1985年全球大气重力波联测(WAGS)期间10月18日这天白天的重力波扰动,发现在该日扰动中有两列不同形态的波列分别属于中尺度的内重力波和大尺度的导制重力波。本文还进一步估算了这两列重力波的水平传播参量,深入分析了它们的频谱结构的高度变化特征,发现了重力波功率谱谱峰的分裂和偏移等重要现象。本文结果表明,新的反演方法使电离层无线电汉诊断的简易短波实验系统,也能成为探测和研究重力波一类大尺度电离层动力过程的有效手段。     

有限振幅超长波的发展及对流层大气环流的指数循环

本文由一个描写超长波运动的准地转三层模式,利用多尺度分析法,得到了有限振幅超长波不稳定和西风不稳定的非线性理论.当考虑到超长波扰动和基本西风气流的非线性相互制约后,同时得到了超长波振幅和西风强度作周期性振荡(周期为2—6周),与超长波尺度和初始振幅有关.流场演交表现了类似低指数的阻塞形势和高指数的纬圈环流的转换.超长波发展过程中的热量输送,维持了指数循环的能量转换.因此本文证明了指数循环是大气的超长波和基本纬圈气流相互制约的非线性反馈过程.     

完整Coriolis力作用下的非线性近惯性波

从包含有完整Coriolis力作用下的大气运动原始基本方程组出发,通过尺度分析,采用多重尺度法及摄动展开法,推导了中高纬大气非线性近惯性波振幅演化所满足的Korteweg-de Vries方程.从演化方程的结果可以看出Coriolis参数水平分量对非线性近惯性波的影响,主要体现为对频散效应的修正及与基本流的相互作用.从理论上解释了完整Coriolis力作用下的中高纬地区大气非线性近惯性波运动的物理机制.     

盛夏青藏高原低涡发生发展的初步研究

本文应用斜压适应和高原加热作用的原理,研究了高原北侧低涡发展东移时高层辐散的形成和维持机制.认为高原西南部大的地气温差通过湍流和对流加热对流层大气后,经西南气流输向高原东北部,促使高原上200毫巴暖脊发展,脊顶西风急流增强,在强西风中心东南侧形成超地转风.当下层为准或次地转风时,则在该区产生超热成风,通过温度场向流场热成风调整适应后,出现暖平流.高空冷槽东移又不断破坏适应过程,使超热成风区及其派生的暖平流东移增强,凝结加热促使暖脊进一步发展,高层位势增高,变压风使高空辐散区东移加强.文中还定性地讨论了高原低涡发展的能源和能量转换方式.据此,我们认为高原低涡的预报方案既要考虑高原近地面生涡高频区的局地热力条件,又要根据长波位置预报外来影响系统的移动和发展.     

大气中点源重力波的求导法计算机模式

本文首先给出了等温大气中点源重力波的解析解.然后,在此基础上建立了水平等温分层大气中点源重力波的计算机模式.从而解决了在真实大气中对点源重力波传播的数值计算问题.对大气中点源声波的传播过程也可以借助本计算机模式进行数值计算.     

一类完整Coriolis力作用下的高阶非线性Schr?dinger方程的推导

在正压流体中,从含有完整Coriolis力的准地转位涡方程出发,采用摄动展开的方法推导了,一类新的高阶非线性Schr?dinger方程,用于描述地球流体力学中的非线性调制Rossby波.从方程中,讨论了调制波列.结果表明,完整Coriolis力下的水平分量和地形会影响均匀Rossby波调制不稳定,并且不稳定.区域也会随着改变.此外,均匀基本流也是影响Rossby孤立波调制不稳定性的的重要因素.     

一种长期数值天气预报方法的物理基础

本文对一种新的长期数值天气预报方法的物理基础作了探讨。在考虑了各种热源(汇)的参数化形式后,建立了海-气联合系统中的闭合运动方程组。对这组方程的频率分析指出,存在两类在性质上完全相异的运动形式,其中一类是振荡周期为几天的短期波,它本质上是Rossby行波;另一类则是时间尺度为月的长期波。在非绝热作用下,这两类波可以是发展的(不稳定)。为了避免短期波以及误差所造成的虚拟过程的强烈发展,而把作为预报对象的、振幅较小的长期波的演变给掩盖掉,作者认为,在方法论上可以把短期波看成是一种“干扰”长期波的“噪音”而滤掉它。文中给出了一种滤掉短期波的方法。最后,分析了海洋的表层温度和大气运动之间的相互适应过程,指出,对于长周期运动,大气运动主要向初始的海温场适应。这就进一步为滤波后的长期预报方法提供了理论根据。     

地形效应下正压准地转模式的能量守恒

基于正压大气模式,研究了地形对大气能量的影响.首先,利用尺度分析方法,将正压模式方程组无量纲化.然后,选定一个合适的小参数,再用小参数展开,依次得到无量纲的正压模式方程组的零级和一级近似方程.获得了地形效应下的正压准地转位涡方程.最后通过新的位涡方程推导了能量守恒的结论.并进一步从能量的角度分析和解释了地形对西风的影响.     

半球旋转适应过程的数值试验

为了验证文献[1]和[2]中提出的全球面大气的旋转适应过程理论,本文将先考虑半球问题时的情况,并作了大量数值试验.结果和理论分析完全相符:当半球上只有一个位涡度中心时,流场趋向于带状纬圈环流;若有二个或多个中心存在时,所有位涡度中心都始终存在,流场不趋向于带状纬圈环流.数值试验还给出低指数环流向高指数环流转变时期流场结构的一般特点,并给出旋转适应过程的特征时间依赖于扰动的尺度,一般为四天至半个月左右.     

地球物理流体中的非线性Rossby波

本文利用半地转近似和运行波方法研究了地球物理流体(大气和海洋)中的非线性Rossby波,它们满足KdV方程.     

层结流体中带有耗散和地形强迫的非线性Boussinesq方程及其解

本文研究在层结流体中非线性Rossby波的动力学模型.利用GardnerMorikawa变换和摄动展开法,从包含耗散、地形和外热源的准地转斜压位涡方程出发,推导了强迫非线性Boussinesq方程去描述非线性Rossby波振幅的演变和发展.利用修正的Jacobi椭圆函数展开法和同伦摄动法,得到强迫非线性Boussinesq方程的解析解和近似解.解的结果表明推广的β效应、基本流剪切效应和层结效应是产生非线性Rossby孤立波的重要因素,耗散和地形是影响非线性Rossby孤立波演变的外强迫因素.     

正压大气的孤立波

本文从正压大气运动模式的非线性方程组出发,用作者得到的关于常微分方程边值问题的一个结果,讨论了这类模式的孤立波的存在性问题。研究结果表明,惯性重力波和Rossby波在一定条件下都会出现孤立波。     

推广的β平面近似下带有外源和耗散强迫的非线性Boussinesq方程及其孤立波解

在推广的β平面近似下,从包含耗散和外源的准地转位涡方程出发,利用Gardner-Morikawa变换和弱非线性摄动展开法,推导出带有外源和耗散强迫的非线性Boussinesq方程去刻画非线性Rossby波振幅的演变和发展.利用修正的Jacobi椭圆函数展开法,得到Boussinesq方程的周期波解和孤立波解,从解的结构分析了推广的β效应、切变基本流、外源和耗散是影响非线性Rossby波的重要因素.