南海东北部地转运动与近惯性运动间动能交换的时空变化特征研究

地转平衡运动与近惯性运动是海洋里普遍存在且含能较高的两种运动形态,二者间的相互作用与能量传递在大洋能量串级中扮演着重要角色。然而受到现场观测和数值模式时空分辨率不足等因素的制约,目前对于二者间动能交换的时空变化特征及其在二者动能收支中所扮演的角色尚不清晰。本文利用1/48(°) MITgcm数值模式资料,对南海东北部地转与近惯性运动的动能交换率时空变化特征进行了刻画,并定量评估了动能交换率在二者动能收支中的作用。研究结果表明,在地转动能较强的吕宋海峡区域,二者间的动能交换率显著高于地转动能较弱的南海东北部内区。在吕宋海峡,地转运动向近惯性运动正向传递动能,年平均总动能交换率为3.61×10^(-7)m^(3)·s^(-3),但季节变化不显著;在南海东北部内区,近惯性运动向地转运动逆向传递动能,且受黑潮入侵影响,表现为冬强(-11.37×10^(-8)m^(3)·s^(-3))、夏弱(-5.26×10^(-8)m^(3)·s^(-3))。与风场做功对比发现,二者的动能交换率在地转动能收支中可忽略不计,但在近惯性动能收支中扮演重要角色。

海洋亚中尺度非地转运动的季节变化及对地转能量串级的影响研究

本文基于表层漂流浮标、卫星高度计等观测资料对全球亚中尺度非地转运动的季节变化及其影响开展了分析,发现亚中尺度非地转运动多发生在地转运动较活跃的海区,如湾流区、黑潮延伸体区和南极绕极流区等。同时,全球亚中尺度非地转运动普遍具有冬春强、夏秋弱的季节变化特征,但不同区域亚中尺度非地转运动的季节变化具有不同的调控机制,其中,在湾流区和黑潮延伸体区亚中尺度非地转运动的季节变化主要受混合层不稳定的调控,南极绕极流区亚中尺度非地转运动的季节变化受到混合层不稳定和锋生过程的共同调控。而亚中尺度非地转运动的季节变化可能对地转能量串级具有一定影响,在冬春季节,活跃的亚中尺度非地转运动可能会减弱地转能量的逆向串级,使地转运动平均波数增加。

两维准地转运动的非线性稳定性判据

一、引言本文研究大气与海洋中由两维涡度方程描述的准地转运动的非线性稳定性问题.与已有文献中有关结果相比较,本文得到的非线性稳定性判据具下述特点:1.Zeng 系统地研究了大气中各类运动的非线性稳定性问题.在文献[7]中,作者们得到了适用于初值与模式中参数扰动的稳定性判据(迄今国外有关结果仅考虑了初值的扰动).本文在文献[6,7]的基础上,得到了适用于初值与参数扰动的稳定性判据;2.McIntyre 等在仅考虑初值扰动的条件下,研究了二阶变分不定号时流体的稳定性.

再论球面上正压准地转运动的半圆定理

进一步研究了球面上正压准地转运动中不稳定波的Ｈｏｗａｒｄ半圆定理，发现在某些特定的基本流分布下，该定理可以发展成圆弧定理，由此得到不稳定扰动增长率的更为精确的估计式。

β平面上三维准地转运动的非线性稳定性判据

本文考察β平面近似下三维准地转运动的非线性稳定性.文中建立了适用于初值与参数扰动的非线性稳定性判据.特别,在验证已有文献中的有关判据时,必须确定一个变系数三维椭圆型偏微分方程的最小特征值;在应用本文所得到的对应判据时,仅需确定二维Laplace方程的最小特征值.

次天气尺度系统中的非地转运动和广义平衡模式

研究了宏观准静力的次天气尺度系统中非地转运动的机理。较以往更具体地揭露了在全运动的时间尺度远大于惯性重力波的前提下，各类强迫因子与非地转运动的旋转分量及辐散分量的关系。并证明上述“慢变化”前提在各种常见情况甚至包括几类熟见的强系统情况下都能满足。除了众所周知，强的准二维系统可允许传统形式的Ｒｏｓｓｂｙ数Ｒ０≡Ｕｆ０Ｌ≈○（１）以外，这里还证明水平尺度小但铅直方向深厚，并包容着强对流云群团的系统恰恰能容忍特别强的非绝热而保持慢变化。相应地，其中辐散运动可以只比旋转运动小“半个量级”。突破了迄今各类过滤模式对辐散运动的过严限制。在能满足慢演变的条件下，非地转高频波振幅总可被自然、及时地控制在可忽略的水平上，这表明慢演变与准平衡的一致性。按照严谨的尺度分析，在上述讨论的过程中顺势导出一个“广义平衡模式”。方程中含有强迫场的一阶时间导数项。虽然容许强非绝热和放宽对辐散风的限制，却能以最大限度（这个限度是固有的）的精确性描述滤除高频波的慢演变。这个模式必须屏弃“主导气流”与“次级气流”的区分，包含了一个辐散风倾向的诊断方程。

热带大气和海洋的半地转适应和发展运动

半地转适应和半地转发展是热带大气和海洋运动的两种基本形态，它们在时间上是可分的，反映了不同的物理过程。当初始扰动作用于大气或海洋时，首先将激发出重力惯性波，当重力惯性波频散后，建立起半地转的平衡状态，此后运动进入到以Rossby波（长波或短波）、Kelvin波和混合波中的Rossby短波为主导的发展状态。文中研究的纬圈半地转适应和发展运动，是Gill长波近似模式的理论基础。同时研究了经圈半地转适应和发展运动，实际上这相当于短波近似模式，它可以应用到研究海洋经圈边界附近的一类问题。

三维准地转运动的非线性稳定性研究的一个注记

文献[1]对于水平区域为β-平面上有界区域的三维准地转运动,首次建立了只需确定两维 Laplace 算子最小特征值的非线性稳定性判据,它对应于 Arnold 第二定理.本文通过更加精细的分析、估计,给出了一个新的判据,它优于文献[1]中的结果.在β-平面近似下,三维准地转模式如下:

基于湾流海域船载ADCP观测资料的地转平衡态和非地转动能分析

本研究基于湾流海域14a(2005—2018年)船载ADCP观测的水平流速数据,利用Helmholtz分解和波数谱分析等方法,分离了海域内的地转平衡态涡旋运动和非地转内波运动,分析了两者的动能在连续波数谱空间的转换尺度,并初步探讨了影响湾流海域转换尺度的潜在因素。研究结果表明,湾流强流区的地转平衡态运动活跃,其转换尺度小于10km,且季节性差异较小;弱流区的非地转运动显著强于强流区,其转换尺度约为15km,夏季(~28km)明显大于冬季(~13km);湾流海域的转换尺度受夏秋季频繁发生的飓风向海洋输入的近惯性波动能量影响。同时,湾流海域转换尺度的深度变化结果表明,转换尺度与亚中尺度范围内地转平衡态运动的动能水平呈负相关关系,当地转平衡态运动的动能占主导时,转换尺度相应减小,较小的转换尺度对应较弱的非地转内波动能和较强的地转平衡态动能。本研究关于地转运动和非地转运动的有效分离,有助于理解海洋不同尺度的动力过程及其能量转化。

阿古拉斯流域亚中尺度过程的能量分析

本文基于(1/48)°MITgcm数值模拟结果,通过频率−波数谱分析等方法分离地转平衡和非地转运动,分析了阿古拉斯流域亚中尺度的分布特征,讨论了其季节性变化的主要影响因素。结果表明,阿古拉斯流域亚中尺度过程具有冬强夏弱的显著季节变化特征,混合层斜压不稳定是影响该流域亚中尺度季节性差异的主要原因。此外,在涡动能较强的区域,地转平衡运动始终主导亚中尺度过程,季节性变化较小;在涡动能较弱的区域,地转平衡与非地转分量具有明显的季节性差异,局地混合层浅化可能是导致夏季非地转分量贡献增加的主要机制。本文研究结果有助于进一步探究阿古拉斯流域亚中尺度的季节性变化及其主导因素,地转平衡与非地转运动的有效分离加强了我们对海洋多尺度之间能量传递的理解。

一般多层准地转基本流的扰动发展与非线性稳定性

考察了一般多层准地转模式中初值与参数共同扰动的情形。在初始扰动场仅依赖于初始扰动位势涡度、初始扰动边界速度环量与扰动参数的条件下 ,给出了扰动能量、扰动位涡拟能发展上 (下 )界精细的显式估计。进而在Lyapunov意义下广义非线性稳定性概念的基础上 ,得到了对应于Arnold第二定理的非线性稳定性判据。本文工作推广了仅考虑模式中初值扰动情形所得到的相应结果。

北太平洋夏季热带海区大气运动的平衡关系

利用1998～2003年6～8月的NCEP／NCAR再分析资料（1．0°×1．0°经纬度网格），以对流层中部500hPa高度层为重点，利用北半球夏季（6～8月）低纬度（0°～30°N）太平洋地区（160°E-120°W）各物理量（水平速度u，v，P-坐标垂直速度ω等）计算了水平运动方程中各分量的大小，通过比较对热带大尺度运动方程进行了简化，并给出了相应的简化方程，认为纬向风在除了赤道这一奇异带以外都是满足地转平衡的，而经向风则在离开赤道30°以外达到地转．由于热带太平洋地区是台风的重要发源地之一，因此弄清此地区的大气运动基本平衡关系有助于台风形成机制的研究。

准地转Q矢量的分析

本文介绍了准地转Q矢量分析的理论与方法，给出了一般形式的准地转Q矢量表达式，同时详细讨论了Q矢量的物理意义。另文将发表以一次气旋快速发展过程为例，说明了准地转Q矢量在实际天气过程诊断分析中的应用。

准地转理论在低纬高原冬季暴雨中的应用

2003年1月4～5日云南发生的罕见的冬季暴雨是一次西风带大尺度斜压系统发展过程.利用T213模式计算的物理量场对暴雨过程进行了天气动力学诊断分析发现:暴雨发生机制可以用准地转运动理论得以很好地解释,为今后云南冬半年暴雨预报提供一些新的启示和参考依据.

球面二维准地转显式完全守恒差分格式的构造

一般地讲,差分系统的不稳定主要源于物理和计算不稳定,而格式本身的计算不稳定应力求避免.早期的做法是人为地强制性地加入耗散.后经一些著名科学家的不懈努力,发现避免计算不稳定的一条有效途径,就是构造能尽量保持相应微分系统的整体性质的差分系统,即:构造守恒差分格式. 大家知道,大尺度大气运动在很高的精度范围内为二维球面准地转运动.对这种运动的解的研究近来已有突破性进展。

付高西侧低空急流地转偏差场和湿度场的个例分析

低空急流，特别是西南低空急流往往与暴雨相联系，因而引起很多气象工作者的注意。近十几年来在研究上取得了一些有意义的结果。松本诚一等人曾对伴随梅雨暴雨的西南低空急流作了较详细的研究。

准地转Q矢量的计算及其在强天气预报中的应用

一、前言在强天气的诊断分析和预报中,常常要了解上升运动、锋生函数及非地转运动等物理量的分布与强度,由于计算这些物理量所需求的资料量较大,给日常的应用带来不便。Hoskins等提出的“Q矢量分析方法”就是用Q矢量来描述这些物理量的分布和强度,其形式简单,物理意义清楚,能弥补传统准地转ω方程的缺点,而且计算简便,资料需求量少。

湿C矢量及其应用

C矢量(C)是Q矢量(Q)在三维空间中的延伸,表征了三维非地转运动。然而,C是基于地转风近似和绝热条件得到的,不包含大气运动的非绝热加热信息。大气中的降水及其影响天气系统往往与大气凝结潜热释放所产生的非绝热效应有关。从β平面下的p坐标系大气原始方程组出发,考虑大气非绝热效应,推导湿C矢量(C*),揭示C*的物理意义。利用ERA5再分析资料和高原低涡数据集,通过C*诊断青藏高原低涡(简称“高原涡”)个例形成、发展和移动过程,并与C的诊断结果进行对比以证实C*的应用价值。结果表明,相较于Q和C,C*包含更全面的非地转运动信息,在诊断中具有优势。C*的水平分量(Chor*)表征了热成风非平衡和非绝热加热作用产生的次级环流,能更好地解释高原涡移动方向改变的原因;C*的垂直分量(Cp*)恢复了被Q丢失的非地转运动信息,描述了地转非平衡产生的水平非地转运动,其负值中心表征高原涡中心的位置,且对高原涡发展具有一定的预示作用。此外,Chor*和Cp*的相对大小还表明高原涡存在显著的斜压性。

低空急流形成发展的一种可能机制——重力波的惯性不稳定

当斜压大气在高空急流轴附近满足条件 f(f- u/y) <0时 ,非地转运动激发出的重力惯性波将得到进一步的发展。此时 ,斜压大气的地转适应过程无法实现 ,非热成风和垂直环流之间将发生正反馈作用 ,负的非热成风将激发并加强南部上升北部下沉的垂直环流 ,垂直上升流的加强将导致低层低压系统的发展和低层流场的辐合 ,使得低层低压系统南侧的气压梯度力增大 ,结果在辐合区南侧形成低空急流。此外 ,非热成风的分布对垂直环流和低空急流的形成发展也具有非常重要的作用。

登陆热带气旋降水增幅的合成诊断分析

利用NCEP/NCAR再分析资料,采用动态合成分析方法,对登陆后降水增幅类和非增幅类热带气旋的大尺度环流特征做了合成分析和动力诊断。结果表明:增幅类热带气旋处于强经向型环流之中,中高纬度为阻塞形势,高层有急流入口区南侧的强辐散,并与西风槽相互叠加;低层有急流和水汽通道的长时间联结;热带气旋东侧还有次级环流相伴。非增幅类热带气旋环流背景相对平直,高空辐散弱,无西风槽叠加;低空急流减弱迅速,且水汽通道较早出现断裂;无次级环流出现。增幅类热带气旋高层存在显著非地转运动,高层南风急流入口区的强次地转运动和降水增幅紧密相关。