斜压二层模式框架下的准地转理论及其应用

准地转理论是短期天气预报的理论基础.针对中纬度大尺度运动得到的准地转运动方程组是准地转理论的核心.在斜压二层模式框架下,由准地转运动方程组得出的准地转位势倾向方程和准地转垂直运动方程,可以更为明确地解释高空和地面天气系统的移动和发展.结果显示:500 hPa高空槽的移动取决于本层的涡度平流,500 hPa高空槽的发展取决于本层的涡度平流和250与750h Pa层的微差温度平流;地面气旋系统的移动和发展取决于500hPa的正温度平流,250与750 hPa层的微差涡度平流.由实际天气过程对上述应用进行的分析表明,在斜压二层模式框架下得到的准地转位势倾向方程及准地转垂直运动方程,可以更好地确定中纬度天气尺度斜压发展系统的特征,并有助于对天气系统发展客观规律的了解和对数值预报产品内含的物理依据的认识.     

缓变下垫面对浅水方程的动力学订正

讨论了当下垫面随时间缓慢变化时浅水方程的形式. 从控制大气运动的连续性方程和动量方程出发, 将下垫面的缓慢变化作为一个小量叠加到固有下垫面函数上, 利用大气的上下边界条件, 得到改进的浅水方程. 在改进的浅水方程中, 由缓变局部水平体积散度, 订正了局部水平体积散度和流体局部厚度变化之间的平衡, 在此基础上得到包含下垫面缓变的涡度方程.     

强对流降水过程动力因子分析和预报研究

利用对流涡度矢量垂直分量,湿热力平流参数和波作用密度等动力因子对2009年7月8日发生在我国华北南部地区的强对流降水过程进行诊断分析,结果表明,这些动力因子能够综合描述降水系统水平风场垂直切变,涡度扰动以及位温平流和广义位温(及其扰动)的经向梯度等动力学和热力学特征,在降水区对流层中低层表现为强信号,在非降水区表现为弱信号.利用美国NCEP/NCAR 0.5度GFS的6 h,12 h,18 h和24 h预报资料计算分析2009年6月2日至10月1日动力因子对观测降水的指示预测作用,结果表明,动力因子对观测 关键词： 对流涡度矢量垂直分量 湿热力平流参数 波作用密度     

有限区域风场分解方法及其在台风SAOMEI研究中的应用

介绍了有限区域水平风场分解的调和-余弦计算方法,该方法把函数分成两部分之和.第一部分是Laplace方程在给定边界条件下的解,由于Laplace方程的解是调和函数,这个部分可称为调和部分,又因为其与区域内部值无关,也称外部部分.第二部分是原始函数与调和部分之差,这个函数是齐次边条件下Poisson方程的解,只与区域内部的涡度或散度有关,故称为内部部分,可以展开成双傅氏的余旋函数系列.调和-余弦计算方法的求导都是用谱系数进行,计算精度比常用的差分方法高两阶以上.而且,由于外部部分对应的边界条件物理意义清楚,边界光滑,成功克服了有限区域流函数和速度势迭代求解出现的计算不稳定、原始风场无法还原、边界上的系统缺失等问题,可以准确分解和重建有限区域的风场.利用NCEP/NCAR 1°×1°的实时分析资料和日本气象厅区域谱模式(RSM)20km分辨率的再分析资料,利用调和-余弦算法得到的无辐散风分量和无旋风分量,对2006年的8号超强台风“桑美"(SAOMEI)进行风场结构的比较分析.结果发现,低层无辐散风比原始风场与台风中心的对应关系更好;同时,无旋风分量能更好地显示原始风场上并不明显的低层辐合高层辐散的特征,大尺度无辐散风分量可以更清晰地显示出台风的水汽输送通道.从与台风中心的对应关系看,台风在海上发展阶段,SAOMEI台风的旋转中心与辐合中心并不是时时重合,这个特点只能通过风场分解才能得到.此外,SAOMEI登陆以后,南部洋面上发展起来的对流活动从水汽和能量补充方面都不利于SAOMEI的维持.可见,分解后的无辐散风场和无旋风场能更清楚地体现出SAOMEI的风场结构,在台风结构分析中有重要的推广应用价值. 关键词： 台风 水平风场分解 调和-余弦算法     

对气象常用坐标系中位涡形式的探讨

气象常用垂直坐标系中的位涡方程及位涡形式是位涡理论及位涡诊断技术的基础.本文依据坐标转换的观点,分别用两种不同的方法推导出等压坐标和等熵坐标中的位涡方程及相应的位涡表达式.一是从三维矢量运动方程出发,由三维涡度方程、连续方程和热力学方程推导位涡方程;二是直接从等压坐标和等熵坐标中的标量运动方程组出发推导位涡方程.结果表明,用两种方法所得到的等压坐标中的位涡方程和位涡表达式形式有所不同,而等熵坐标中用两种方法所得到的位涡方程和位涡形式相同.对垂直坐标系的物理本质分析表明,采用第一种方法时尽管矢量运动方程中的 关键词： 位涡 坐标转换 等压坐标 等熵坐标     

台风莫拉克(2009)暴雨过程中位势切变形变波作用密度诊断分析和预报应用

在水平风场切变形变的基础上引入物理量——位势切变形变, 把水平风场的垂直分量和切变形变与广义位温的空间梯度结合起来. 该物理量的二阶扰动被定义为波作用密度, 在局地直角坐标系中推导了能够描述中尺度扰动系统发展演变的波作用方程. 对2009年登陆台风莫拉克引发的暴雨过程进行诊断分析, 结果表明, 台风中心区切变形变向涡度的转化显著, 该转化通过纬向风的经向梯度实现. 纬向风速的经向梯度与广义位温垂直梯度的耦合引起位涡和位势切变形变之间的转化, 以至于位势切变形变和位涡的异常值区分别位于台风环流的外侧和内侧. 波作用密度因能够描述水平扰动风场的垂直切变和切变形变以及凝 结潜热函数扰动梯度而与观测降水联系紧密. 相关统计分析表明, 2009年夏季波作用密度与6 h观测降水存在明显滞后相关性, 对未来6 h降水有一定的指示意义. 另外, 波作用密度通量散度和扰动非地转风位涡是影响波作用密度局地变化的主要物理因素. 基于波作用密度与观测降水的良好相关性, 建立了波作用密度暴雨预报方程. 2009年登陆台风"苏迪罗", "天鹅", "莫拉菲"和"巨爵"的暴雨预报个例分析和长时间序列的ETS评分计算表明, 波作用密度对台风暴雨具有较好的预报效果, 其预报降水能力略优于美国全球预报系统(GFS)的直接降水预报. 关键词： 位势切变形变 波作用密度 波作用通量散度 台风暴雨     

有限区域风场的分解和重建

对有限区域进行旋转风和辐散风的分解,是中尺度系统结构分析的一种诊断方法,可提高对中尺度系统动力结构的认识. 一方面,有限区域风场的分解可以给出总风场中无辐散风与无旋转风的不同分布,还可根据这两种风场的分布特征进行不同要求的分析;另一方面,由于耦合边界条件不能直接计算,计算过程中必须简化处理,使有限区域风场分解本身还有许多问题没有很好解决. 目前,对风场进行有效分解的方法是对有限区域里的流函数和速度势进行求解,然后对流函数和速度势求导得到对应的无辐散风与无旋转风. 有限区域流函数和速度势求解的准确程度主要以分解后的风场能否还原到原始风场（即风场重建）为标准. 本文总结了有限区域风场分解和重建的方法,重点介绍了调和正弦/余弦方法,该方法可较准确有效地解决有限区域风场的分解和重建问题,对进一步研究天气系统的动力结构有较好效果.     

有限区域风场的分解和重建

对有限区域进行旋转风和辐散风的分解,是中尺度系统结构分析的一种诊断方法,可提高对中尺度系统动力结构的认识. 一方面,有限区域风场的分解可以给出总风场中无辐散风与无旋转风的不同分布,还可根据这两种风场的分布特征进行不同要求的分析;另一方面,由于耦合边界条件不能直接计算,计算过程中必须简化处理,使有限区域风场分解本身还有许多问题没有很好解决. 目前,对风场进行有效分解的方法是对有限区域里的流函数和速度势进行求解,然后对流函数和速度势求导得到对应的无辐散风与无旋转风. 有限区域流函数和速度势求解的准确程度主要以分解后的风场能否还原到原始风场（即风场重建）为标准. 本文总结了有限区域风场分解和重建的方法,重点介绍了调和正弦/余弦方法,该方法可较准确有效地解决有限区域风场的分解和重建问题,对进一步研究天气系统的动力结构有较好效果. 关键词： 有限区域 风场分解和重建 调和正弦/余弦方法 流函数和速度势     

完全变光滑长度SPH法及其实现

提出完全变光滑长度SPH法及其算法实现.方程组基于对称形式核函数近似,SPH密度演化方程与变光滑长度方程隐式关联;在Springel提出的全守恒SPH方程组基础上,通过将分散核近似形式改进为对称核近似形式得到SPH动量方程和能量方程.采用迭代求解密度演化方程和变光滑长度方程,显式求解SPH动量方程和能量方程,增加的计算量相对很少.给出三个1D激波管算例和2D Sedov算例验证方法的有效性.数值结果表明,算法保持动量和能量的守恒律,解决了传统SPH法中由于变光滑长度影响带来的计算误差,且在模拟2DSedov问题时能得到比Springel方法更准确的压强峰值位置和中心压强值.特别适合于模拟爆炸与冲击、大变形大扭曲等密度梯度和光滑长度梯度剧烈变化的问题.     

光测仪器的轴系检测及数据处理

本文针对光测仪器的轴系检测提出了一种新的改进方法,该方法采用数字式电子水平仪测量垂直轴系的径向晃动量;并用不等间隔采样点的最小二乘法计算垂直轴系、水平轴系的晃动误差。该方法及计算程序已成功地应用于多项任务的轴系误差测量中。     

Diagnosis of dynamic process over rainband of landfall typhoon

This paper introduces a new physical parameter - thermodynamic shear advection parameter combining the perturbation vertical component of convective vorticity vector with the coupling of horizontal divergence perturbation and vertical gradient of general potential temperature perturbation.For a heavy-rainfall event resulting from the landfall typhoon ’Wipha’,the parameter is calculated by using National Centres for Enviromental Prediction/National Centre for Atmospheric Research global final analysis data.The results showed that the parameter corresponds to the observed 6 h accumulative rainband since it is capable of catching hold of the dynamic and thermodynamic disturbance in the lower troposphere over the observed rainband.Before the typhoon landed,the advection of the parameter by basic-state flow and the coupling of general potential temperature perturbation with curl of Coriolis force perturbation are the primary dynamic processes which are responsible for the local change of the parameter.After the typhoon landed,the disturbance is mainly driven by the combination of five primary dynamic processes.The advection of the parameter by basic-state flow was weakened after the typhoon landed.     

全球风场构建涡度、散度的新方法

目前在数值预报中通常利用风场借助于差分方法来构建涡度和散度场,这个问题涉及到观测资料求微分的问题,从数学上来说,此问题是不适定的.在有限区域上构建时可以采用一维数值微分来实现,但此方法在端点部分的资料必须是精确的,本文提出了新的方法,该方法借助于周期函数的一维数值微分,并用该方法应用到全球风场构建涡度、散度中去,同时与通常的差分方法进行了比较,利用涡度、散度计算了流函数和势函数,然后用流函数和势函数重构初始风场.结果表明,本文提出的方法算法稳定、可行且计算精度比差分方法高,为应用到全球气象资料的诊断分析及预报中提出了新的思路.     

Generation of the vorticity mode by sound in a vibrationally relaxing gas

The procedure of derivation of a new dynamical equation governing the vorticity mode that is generated by sound, is discussed in detail. It includes instantaneous quantities and does not require averaging over sound period. The resulting equation applies to both periodic and aperiodic sound as the origin of the vorticity mode. Under certain conditions, the direction of streamlines of the vorticity mode may be inverted as compared with that in a fluid with standard attenuation. This reflects an anomalous absorption of sound, when transfer of momentum of the vorticity mode into momentum of sound occurs. The theory is illustrated by a representative example of the generation of vorticity in a vibrationally relaxing gas in the field of periodic weakly diffracting acoustic beam.     

地转动量近似下的Q矢量及其在天气图上的应用

将Hoskins等提出的准地转Q矢量表达式推广到地转动量近似下的Q矢量表达式,并讨论了如何在天气图上用地转动量近似下的Q矢量表达式定性估计垂直运动方向的方法.地转动量近似下的Q矢量与准地转Q矢量相比,表达式中多了与位势高度极值和风速极值相关的两项,分别将地转动量近似下的Q矢量表达式中的每一项写成在天气图上便于判断的表达式.结果表明,在天气图上可以通过以下三种方式定性判断垂直运动方向:一是当等高线呈波状槽脊形式及通过急流的入口和出口区时,使用地转动量近似下的Q矢量的第一项(即准地转Q矢量)加以判断;二是当存在闭合气压系统且等高线与风向有交角时,使用地转动量近似下的Q矢量的第二项加以判断;三是在急流核上使用地转动量近似下的Q矢量的第三项加以判断.     

Vorticity–divergence mass-conserving semi-Lagrangian shallow-water model using the reduced grid on the sphere

The semi-Lagrangian semi-implicit shallow water model on the sphere using the reduced latitude–longitude grid is presented. The key feature of the model is the vorticity–divergence formulation on the unstaggered grid. The new algorithm for the reconstruction of wind components from vorticity and divergence is described. The mass-conservative version of the model is developed. The conservative cascade scheme (CCS) by Nair et al. is modified to provide a locally-conservative semi-Lagrangian advection algorithm for the reduced grid. Some numerical advection tests are carried out to demonstrate the accuracy of the CCS with the reduced grid. The CCS-based discretization for the continuity equation and finite-volume Helmholtz problem solver are introduced to guarantee the mass-conservation.The results for shallow water tests on the sphere are presented. The results for different versions of the model are compared. They are also compared with the results for the same tests available in literature. The impact of the reduced grid is analyzed. The mass-conservative version of the model using the reduced grid with up to 20% reduction of grid points number has approximately the same accuracy as its non-conservative counterpart implemented on the regular latitude–longitude grid.     

Extreme vorticity growth in Navier-Stokes turbulence

According to statistical turbulence theory, the ensemble averaged squared vorticity ρE is expected to grow not faster than . Solving a variational problem for maximal bulk enstrophy (E) growth, velocity fields were found for which the growth rate is as large as dE/dt∼E³. Using numerical simulations with well resolved small scales and a quasi-Lagrangian advection to track fluid subvolumes with rapidly growing vorticity, we study spatially resolved statistics of vorticity growth. We find that the volume ensemble averaged growth bound is satisfied locally to a remarkable degree of accuracy. Elements with dE/dt∼E³ can also be identified, but their growth tends to be replaced by the ensemble-averaged law when the intensities become too large.     

台风“彩虹”(2015)高分辨率数值模拟及涡旋Rossby波特征分析

采用中尺度数值预报模式对2015年22号台风"彩虹"进行高分辨率的数值模拟,成功地模拟出台风"彩虹"的移动路径、强度和降水分布,尤其是在台风登陆前后,模拟结果与实况比较接近.以此为基础,利用模式输出资料,分析台风的动力、热力精细结构和台风雨带的宏观特征.眼墙处具有低层径向入流、高层径向出流的动力配置.在眼墙附近,同时存在切向风速高值区、垂直上升区、正温度距平区,并随高度向外侧倾斜,雷达回波较强,对流系统比较深厚.次级雨带、主雨带和远距离雨带的雷达回波相对较弱,对流系统垂直厚度略小.再利用尺度分离方法,得到涡旋Rossby波的扰动场资料,进一步分析涡旋Rossby波的特征.1波、2波同时朝切向和径向传播,1波的振幅明显大于2波.研究结果表明,1波、2波正涡度扰动对应强雷达回波,存在强对流活动.降水区上空的垂直涡度扰动呈上正下负的配置,与水平散度扰动的垂直配置相似时,会加强低层辐合和高层辐散,有很强的垂直上升运动,有利于对流系统发展,降水增强.1波、2波扰动的动力配置影响了对流系统的发展,并对降水强度和分布有一定的诊断作用.