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     

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     

基于变分方法的有限区域风场分解与重构I: 理论框架和仿真实验

众所周知, 风场分解与重构最有效的方法就是引入速度势和流函数, 其一般通过求解两个Poisson 方程得到. 由于速度势和流函数在边界上的耦合性质,有限区域风场分解是不唯一的, 这对风场分解带来了很大困难. 本文采用变分伴随结合正则化方法来克服风场分解的不唯一性, 其核心是把速度势和流函数的边值作为控制变量来反演. 目标泛函由两部分组成, 一是衡量重构风场误差大小的观测项; 二是保证风场分解问题适定的正则化项, 其目的在于寻求具有气象意义的稳定正则化解. 数值试验结果表明, 在正确选取正则化参数后, 利用变分伴随结合正则化方法进行有限区域风场分解与重构是有效可行的.     

从流场分解角度改进Q矢量分析方法及其在暴雨动力识别中的应用

依据水平风场分解思路,运用调和.余弦算法,准确分解有限区域Q矢量.根据已有的关于Q矢量散度和新发展的Q矢量涡度与天气系统对应关系的研究,运用分解得到的Q矢量旋转分量场和辐散分量场,改进传统Q矢量分析方法中单纯依靠Q矢量水平散度场进行的诊断分析.通过对一次暴雨个例的比较研究表明,在雨带形势和暴雨中心位置的动力识别方面,改进的Q矢量分析方法比传统的单纯依靠Q矢量散度分析方法具有更好的效果.     

从流场分解角度改进Q矢量分析方法及其在暴雨动力识别中的应用

依据水平风场分解思路,运用调和-余弦算法,准确分解有限区域Q矢量.根据已有的关于Q矢量散度和新发展的Q矢量涡度与天气系统对应关系的研究,运用分解得到的Q矢量旋转分量场和辐散分量场,改进传统Q矢量分析方法中单纯依靠Q矢量水平散度场进行的诊断分析.通过对一次暴雨个例的比较研究表明,在雨带形势和暴雨中心位置的动力识别方面,改进的Q关键词： 矢量分析 调和-余弦算法 暴雨 动力识别     

南海夏季风建立的数值模拟试验

利用中国科学院大气物理研究所全球谱模式(T42L9)对南海夏季风建立的过程进行了数值模拟试验.试验结果表明:通过青藏高原的动力作用和东南亚地区强大的潜热加热产生印度洋上跨赤道的偏南辐散风、高原南侧的偏西辐散风、高原东侧的偏北辐散风和西太平洋上的偏东辐散风,这4支散度流加强南海海域大尺度低空辐合,南海的雨季和西南季风爆发.     

利用变分结合正则化方法对高度计风速资料调整海面风场的研究

利用变分结合正则化方法,对高度计风速资料在无辐散和有辐散两种情形下的背景风场进行调整,同时进行了数值试验.试验表明:高度计风速对背景风场的调整有积极作用,特别是高度计沿轨区域风场调整效果更为明显.对高度计后向散射截面进行了敏感性试验,当后向散射截面存在随机扰动时,利用高度计风速调整海面风场具有较强的抗噪性.最后进行实例试验,结果表明该方法是切实可行的.     

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.     

动态断裂力学的无网格流形方法

运用无网格流形方法求解动态断裂力学问题.该方法利用单位分解法和有限覆盖技术建立形函数，形函数的建立不受域内不连续的影响，可较好地求解裂纹问题.对于局部化问题，该方法的形函数构造较其他方法更为有效，避免了其他方法在建立试函数时没有考虑不连续尖端的缺点.由于采用有限覆盖技术建立试函数，该方法克服了不连续对试函数的影响，尤其当不连续变得复杂时，更能显示该方法在处理不连续方面的优点.在求解动态断裂力学问题时，弹性动力学积分弱形式的推导采用加权残数法，空间离散采用基于单位分解法的无网格流形方法，时间离散主要采用Newmark法.最后给出两个数值算例，将计算结果与解析解对比，说明该方法的正确性和可行性. 关键词： 有限覆盖 无网格流形方法 动态断裂力学 动态应力强度因子     

有界大洋对纬向风强迫的响应及共振

为揭示北太平洋主、次要气候模态即太平洋年代际振荡(PDO)和北太平洋流涡振荡(NPGO)的形成机理及其振荡周期与大洋水平尺度之间的联系,采用中纬β通道中的约化重力准平衡线性大洋模型,解析求解了纬向风强迫下的大洋流场响应,讨论了其中的共振问题.1)有界大洋的响应形态分别类似于冬季PDO和NPGO的流场模.2)响应形态分别表现为在大洋西海岸以东,前者有一个椭圆状流涡,后者有南北两个旋转方向相反的流涡并构成流涡偶;在整个大洋,前者有一个洋盆尺度环流,后者在大洋南北分别有两个旋转方向相反的洋盆尺度环流;在中纬度西风急流异常位置偏北和偏南,则能分别强迫出以上的两种情况.3)大洋流场对纬向风场强迫的响应频率(周期)与纬向风强迫频率(周期)相同,但大洋响应要滞后于纬向风的强迫;而响应流场即流函数的强度则与纬向风强迫的大小成正比.当纬向风强迫频率(周期)与该大洋固有频率(周期)相同时,二者会有共振发生,此时大洋响应最为强烈;而二者频率(周期)相差较远时,响应则不大.摩擦越小共振就越强,共振的个数也越多.有界大洋东西向的长度对其固有频率(周期)即共振频率(周期)有明显影响,并起着决定作用;当该长度减小时,相邻两个共振周期的间隔会增大.海洋大气间的两两非线性相互作用,使得随机风场的振荡包含了从极低频到高频的各种成分;通过该共振,可从中挑选出与大洋固有频率相同或相近的共振频率,在该频率上流场对风场的响应最为强烈,从而也就锁定了PDO和NPGO的周期.最终结论为:非线性相互作用、风场对流场的强迫、共振是造成PDO和NPGO的三个关键因子;该解析解的性质为时变的共振Rossby波.     

Topological instability along filamented invariant surfaces

In dynamical systems with a zero Lyapunov exponent, weak mixing can be governed by a specific topological structure of some surfaces that are invariant with respect to particle dynamics. In particular, when the genus of the invariant surfaces is more than one, they may have weak mixing and the corresponding fractional kinetics. This possibility is demonstrated by using a typical example from plasma physics, a three-dimensional resistive pressure-gradient-driven turbulence model. In a toroidal geometry and with a low-pressure gradient, this model shows the emergence of quasicoherent structures. In this situation, the isosurfaces of the velocity stream function have a web structure with filamentary surfaces emerging from the outer region of the torus and covering the inner region. The filamentary surfaces can result in stochastic jets of particles that cause a "topological instability." In such a situation, particle transport along the surfaces is of the anomalous superdiffusion type.     

Maximum Power Point Tracking Control for Non-Gaussian Wind Energy Conversion System by Using Survival Information Potential

In this paper, a wind energy conversion system is studied to improve the conversion efficiency and maximize power output. Firstly, a nonlinear state space model is established with respect to shaft current, turbine rotational speed and power output in the wind energy conversion system. As the wind velocity can be descried as a non-Gaussian variable on the system model, the survival information potential is adopted to measure the uncertainty of the stochastic tracking error between the actual wind turbine rotation speed and the reference one. Secondly, to minimize the stochastic tracking error, the control input is obtained by recursively optimizing the performance index function which is constructed with consideration of both survival information potential and control input constraints. To avoid those complex probability formulation, a data driven method is adopted in the process of calculating the survival information potential. Finally, a simulation example is given to illustrate the efficiency of the proposed maximum power point tracking control method. The results demonstrate that by following this method, the actual wind turbine rotation speed can track the reference speed with less time, less overshoot and higher precision, and thus the power output can still be guaranteed under the influence of non-Gaussian wind noises.     

Tomographic reconstruction of atmospheric turbulence with the use of time-dependent stochastic inversion

Acoustic travel-time tomography allows one to reconstruct temperature and wind velocity fields in the atmosphere. In a recently published paper [S. Vecherin et al., J. Acoust. Soc. Am. 119, 2579 (2006)], a time-dependent stochastic inversion (TDSI) was developed for the reconstruction of these fields from travel times of sound propagation between sources and receivers in a tomography array. TDSI accounts for the correlation of temperature and wind velocity fluctuations both in space and time and therefore yields more accurate reconstruction of these fields in comparison with algebraic techniques and regular stochastic inversion. To use TDSI, one needs to estimate spatial-temporal covariance functions of temperature and wind velocity fluctuations. In this paper, these spatial-temporal covariance functions are derived for locally frozen turbulence which is a more general concept than a widely used hypothesis of frozen turbulence. The developed theory is applied to reconstruction of temperature and wind velocity fields in the acoustic tomography experiment carried out by University of Leipzig, Germany. The reconstructed temperature and velocity fields are presented and errors in reconstruction of these fields are studied.     

A pseudoenergy wave-activity relation for ageostrophic and non-hydrostatic moist atmosphere

By employing the energy-Casimir method, a three-dimensional virtual pseudoenergy wave-activity relation for a moist atmosphere is derived from a complete system of nonhydrostatic equations in Cartesian coordinates. Since this system of equations includes the effects of water substance, mass forcing, diabatic heating, and dissipations, the derived wave-activity relation generalizes the previous result for a dry atmosphere. The Casimir function used in the derivation is a monotonous function of virtual potential vorticity and virtual potential temperature. A virtual energy equation is employed(in place of the previous zonal momentum equation) in the derivation, and the basic state is stationary but can be three-dimensional or, at least, not necessarily zonally symmetric. The derived wave-activity relation is further used for the diagnosis of the evolution and propagation of meso-scale weather systems leading to heavy rainfall. Our diagnosis of two real cases of heavy precipitation shows that positive anomalies of the virtual pseudoenergy wave-activity density correspond well with the strong precipitation and are capable of indicating the movement of the precipitation region. This is largely due to the cyclonic vorticity perturbation and the vertically increasing virtual potential temperature over the precipitation region.     

被动差分吸收光谱法测量烟羽速度的方法研究

差分吸收光谱技术(differential optical absorption spectroscopy, DOAS)是利用气体分子在紫外-可见光谱范围的特征吸收来测量其浓度含量。被动DOAS以天顶太阳散射光为光源通过对污染源排放烟羽进行扫描测量能获取污染气体(如SO₂,NO₂)柱浓度的连续分部,再结合风场信息后可以估算出污染源污染气体的排放总量。在实际测量中由于无法准确获取烟羽速度这一重要参数使得排放总量的计算变得比较困难,并且这也成为估算总量中的主要误差来源。文章研究了被动DOAS测量污染源排放烟羽速度的原理和方法,两套系统以固定夹角在烟羽下方获取烟羽通过一定距离的时间差从而得到烟羽运动速度。通过两套被动DOAS系统对某电厂排放烟羽进行测量得到了两个时刻的烟羽速度3.6和5.4 m·s-1,并与单经纬仪测风法获取当时烟羽高度上的风速结果进行对比表明,这种基于被动DOAS光学遥测方法能够满足烟羽速度的测量。     

Semi-classical analysis of helium broadened acetylene (ν 1 +3ν 3 ) band transitions measured by a NIR diode laser spectrometer

An inversion method for ion Doppler shift of spectrum lines was developed for plasma velocity measurements. By reducing the problem to the vectorial Radon transform, the characteristics of plasma ion velocity distribution such as vector potential/vorticity and velocity components were computed in two-dimensional space. Computer simulation of the reconstruction of different vector potential (vector field) models gives evidence that the reconstruction errors are acceptable, and the method can surely be used for real experimental data. Received 10 March 2001 and Received in final form 25 July 2001