多尺度天气分析理论和应用Ⅰ:基本原理和天气系统的本质

根据大气运动和结构的多尺度特征,提出了大气微团的多重结构模型,认为大气由不同尺度的微团以多重结构的形式组成,即大尺度微团由若干较小尺度的亚微团构成,而亚微团又由更小的微团组成。利用Navier-Stokes方程推导出亚微团的相对运动方程,在背景场处于平衡状态下推导出亚微团运动方程的平衡形式,发现该方程与电磁学的基本方程具有相同形式,并将大气轻、重两种微团与正、负离子进行了类比。根据推导出的方程对天气系统的发生、发展进行了研究,认为天气系统是由于亚微团在环境场作用下发生分离并在环境场的作用下重新组合而形成的,这一过程在初始扰动的作用下开始,在正反馈过程中不断加强并最终达到一种平衡状态;而轻、重两种亚微团之间的引力是天气系统减弱和消亡的重要原因。利用亚微团运动方程和对微团扰动速度的自转分析,推导出天气系统的诊断方程,并利用该方程对大气环境场的分布与天气系统发生的相互关系进行了诊断分析,结果表明,环境场风速的快速变化、高低空急流附近的动能梯度、环境涡度的正值区以及强风速垂直变化等因素对天气系统的形成十分有利。