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     

大尺度浅水波方程中相互调制的非线性波

基于一般的浅水波方程, 根据大尺度正压大气的特点, 得到无量纲的控制大尺度大气的动力学非线性方程组. 利用多尺度法, 由无量纲的动力学方程组导出了扰动位势的非线性控制方程. 采用椭圆方程构造该扰动位势控制方程的解, 获得了扰动位势和速度的多周期波与冲击波(爆炸波) 并存的解析解. 扰动位势的解表明经向和纬向具有不同周期和波长的周期波, 且都受纬向孤波的调制; 速度的解表明大尺度大气流动存在气旋和反气旋周期性分布的现象. 关键词： 浅水波方程 大尺度正压大气 解析解 非线性波     

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.     

正压Rossby波扰动能量

利用Fourier变换方法,研究准地转近似下beta平面上绝热、无摩擦、无强迫耗散的正压大气Rossby波扰动能量在有限时段内的快速发展和衰减情形.给出线性正压位势涡度方程扰动流函数的解析解,并进一步分析扰动能量与东西波数、南北波数、基流切变和黏性系数之间的关系.     

切变基本纬向流中β效应的赤道Rossby孤立波包

从描写赤道Rossby 波的正压大气位涡方程出发,采用多重尺度摄动方法推导出在切变基本纬向流中具有β效应的非线性赤道Rossby波包演变满足非线性Schrdinger方程,并得到单个包络孤立子波解,分析了基本切变流,β效应对非线性赤道Rossby波的影响. 关键词： 赤道Rossby波 β效应 非线性Schrö dinger方程 包络孤立子     

正压大气环流中的曲面周期波和孤波

大尺度正压大气环流的波动特征对理解气候变化具有重要的意义,而非线性浅水波方程组是描述大尺度正压大气环流的原始控制方程.本文对线性方程的复变函数解,通过二次适当的移植,求得浅水波方程组的发展方程的扰动位势的实变函数解,该实变函数解析解由基流项和波动项两部分组成.其中基流由波数、波速、β效应、变形半径和时间的任意函数共同决定;波动项与β效应有关.分析表明,在大尺度正压大气环流中扰动位势存在曲面的周期波和孤波的现象,周期波与孤波相互调制而呈现不稳定性;当多个周期孤波同时出现时,则彼此独立传播;扰动位势波动项中的时间任意函数对曲面周期孤波的波幅有调制作用,可控制波的产生、发展和消失.所得结果对研究大气波动现象和气候变化具有一定的理论参考价值.     

平流涡度方程及其在2006年Bilis台风分析中的应用

推导得到气压坐标中的动量叉乘形式的垂直涡度方程,这个动量叉乘形式的涡度方程包含了水平风的平流旋转效应,可称为平流涡度方程.由于水平风场的平流作用可由等压面天气图直观分析得到,因此平流涡度方程可方便用于实际天气分析.对2006年的Bilis台风移动过程中由经典涡度方程和平流涡度方程计算得到的垂直涡度倾向进行对比分析发现,二者计算得到的垂直涡度倾向变化的分布形式接近,但平流涡度方程计算得到的倾向的数值明显大于经典涡度方程的数值,正负涡度倾向区也更集中.对Bilis移动过程中的垂直涡度方程和平流涡度方程中各项的计算分析表明,水平风场的平流旋转作用是Bilis发展移动过程中垂直涡度变化的一个主要因素,是造成垂直涡度增强并发展的主要原因.因此,当水平风场平流旋转效应较强时,平流作用对垂直涡度倾向变化起主导作用,可直接用平流项来近似分析Bilis台风的涡度变化.而平流涡度方程中地转涡度和散度项的变化趋势与Bilis台风的移动路径有较好的一致性,这一项对台风的移动路径预报有更好的指示意义.     

层结流体中具有β效应与地形效应的强迫Rossby孤立波

层结流体中,从绝热位涡的扰动方程出发采用摄动方法和时空伸长变换推导了具有β效应和地形效应的强迫Rossby孤立波方程,得到孤立Rossby波振幅的演变满足带有地形强迫的非齐次mKdV方程的结论. 通过分析孤立Rossby波振幅的演变,即使基本气流没有切变,仍可能激发出Rossby孤立波.指出了科氏力效应、地形效应以及Vaisala-Brunt频率都是诱导Rossby孤立波产生的重要因素,说明了在地形强迫效应和非线性作用相平衡的假定下,Rossby孤立波振幅的演变满足非齐次的mKdV方程.讨论 关键词： 非齐次mKdV方程 β效应')" href="#">β效应 地形 Vaisala-Brunt 频率     

20世纪后30年中国西北西部降水年代际变化机理分析

在全球气候变暖背景下1980年代中期中国西北西部气候发生了年代际突变,降水明显增加且主要是极端降水的贡献. 本文用欧洲中期预报中心再分析资料ERA-40计算了瞬变涡动、环流、水汽输送及其散度等的年代际变化并进行了分解分析. 结果表明, 1987年后大气环流年代际变化形成"东高西低"环流背景场,西风带向该区的水汽输送增加, 水汽辐合增强,其中主要是定常波水汽输送的贡献, 其结果是造成该区及周边空气水汽含量上升, 有利于降水或极端降水的增加. 夏季该区瞬变涡动增强且造成水汽辐合, 增加了降水天气出现的频率; 冬季瞬变涡动减弱, 天气过程减少, 说明降雪增加的原因应该是空气水汽含量增加, 导致降雪强度增加. 因此该区降水的增加即有中高纬度大气变暖变湿的贡献,也有瞬变涡动的动力作用. 未来西北西部降水的趋势主要取决于瞬变涡动与大气水汽含量变化的竞争．     

层结流体中在热外源和β效应地形效应作用下的非线性Rossby孤立波和非齐次Schrödinger方程

在层结流体中, 从带有地形、热外源耗散的下边界条件以及带有热外源的准地转位涡方程开始, 使用小参数展开方法和多尺度时空伸长变换推导出了具有热外源、β效应和地形效应的强迫Rossby孤立波方程, 得到孤立Rossby振幅满足的带有地形与热外源的非齐次非线性的Schrödinger方程. 通过分析Rossby孤立波振幅的变化, 指出了热外源、β效应和地形效应都是诱导Rossby孤立波产生的重要因素, 给出了切变基本流下地形、热外源和层结流体中Rossby的相互作用.     

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.     

强迫耗散与β效应地形效应作用下的非线性Rossby波包

正压流体中,从有外源的准地转位涡方程出发采用摄动方法和时空伸长变换推导了具有β效应、地形效应和外源的强迫Rossby孤立波包方程,得到孤立Rossby波振幅的演变满足带有地形与外源强迫的非齐次非线性Schrödinger方程的结论. 通过分析孤立Rossby波包振幅的演变,指出了β效应、地形效应以及外源都是诱导Rossby孤立波产生的重要因素,说明了在地形强迫效应和非线性作用相平衡的假定下,Rossby孤立波包振幅的演变满足非齐次非线性Schrödinger 关键词： Rossby波包 β效应')" href="#">β效应 地形 Schrödinger方程     

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.     

正压流体中具有β效应与地形效应的强迫Rossby孤立波

正压流体中,从有外源的准地转位涡方程出发采用摄动方法和时空伸长变换推导了具有β效应、地形效应和外源的强迫Rossby孤立波方程,得到孤立Rossby波振幅的演变满足带有地形与外源强迫的非齐次 Boussinesq方程的结论. 通过分析孤立Rossby波振幅的演变,指出β效应、地形效应以及外源都是诱导Rossby孤立波产生的重要因素,说明在地形强迫效应和非线性作用相平衡的假定下,Rossby孤立波振幅的演变满足非齐次Boussinesq方程,给出在切变基本气流下地形和正压流体中R     

Self-consistent chaotic transport in fluids and plasmas

Self-consistent chaotic transport is the transport of a field F by a velocity field v according to an advection-diffusion equation in which there is a dynamical constrain between the two fields, i.e., O(F,v)=0 where O is an integral or differential operator, and the Lagrangian trajectories of fluid particles exhibit sensitive dependence on initial conditions. In this paper we study self-consistent chaotic transport in two-dimensional incompressible shear flows. In this problem F is the vorticity zeta, the corresponding advection-diffusion equation is the vorticity equation, and the self-consistent constrain is the vorticity-velocity coupling z nabla xv=zeta. To study this problem we consider three self-consistent models of intermediate complexity between the simple but limited kinematic chaotic advection models and the approach based on the direct numerical simulation of the Navier-Stokes equation. The first two models, the vorticity defect model and the single wave model, are constructed by successive simplifications of the vorticity-velocity coupling. The third model is an area preserving self-consistent map obtained from a space-time discretization of the single wave model. From the dynamical systems perspective these models are useful because they provide relatively simple self-consistent Hamiltonians (streamfunctions) for the Lagrangian advection problem. Numerical simulations show that the models capture the basic phenomenology of shear flow instability, vortex formation and relaxation typically observed in direct numerical simulations of the Navier-Stokes equation. Self-consistent chaotic transport in electron plasmas in the context of kinetic theory is also discussed. In this case F is the electron distribution function in phase space, the corresponding advection equation is the Vlasov equation and the self-consistent constrain is the Poisson equation. This problem is closely related to the vorticity problem. In particular, the vorticity defect model is analogous to the Vlasov-Poisson model and the single wave model and the self-consistent map apply equally to both plasmas and fluids. Also, the single wave model is analogous to models used in the study of globally coupled oscillator systems. (c) 2000 American Institute of Physics.     

Double atmospheric gravity wave frequency oscillations of sporadic E formed in a horizontal shear flow

The new theory of sporadic E density oscillation with double atmospheric gravity wave (AGW) frequency in two-dimensional case taking into account ions ambipolar diffusion is presented. It is found that densities of multi-layered sporadic E, formed under the influence of atmospheric vortical perturbation (with vertical wavelength λz≠0) evolving in the horizontal shear flow (shear wave), can oscillate with up to double Brunt-Väisälä frequency under the action of short-period AGW, in which shear wave is transformed. The formation of multi-layered sporadic E (inside regions with vertical thickness about λz/2) and its density changes in every half AGW period close to ions convergence region occur by combined action of ion-neutral collision and Lorentz forcing and can cause additional accumulation of ions responsible for sporadic E density oscillation with double AGW frequency.     

热带低层弱涡旋中扰动的快速发展及其向中心传播的特征

台风发生的必要条件是热带低层具有气旋式扰动, 从卫星云图和诊断分析看,许多低层涡旋中存在分立的云团或中尺度系统. 这些涡旋能否发展成为台风,取决于其中的中尺度波动是否发展集合组成密闭云带. 本文利用柱坐标下的两层动力模式,研究了低层弱涡旋中第二类条件不稳定 机 制驱动下的波动的发展和移动问题. 结果表明:热带弱涡旋中的低层基本流垂直切变 可以很大地加强波动的不稳定性; 波动的相速度和群速度都指向涡旋中心, 波动向中心传播,能量向中心频散. 实例和数值研究也都表明,低层涡旋中的中尺度扰动会迅速发展并且向 中心靠近,促使台风形成.