旋转流体中的二维惯性重力波-涡相互作用

本文利用f-平面浅水模型讨论了二维情况下快速惯性重力波与平衡涡旋之间的相互作用问题.当快速的惯性重力波传入涡旋区域后,波-涡之间发生了相互作用,涡旋可被加深,涡旋区域的风场等可以出现非对称分布,当惯性重力波全部传出涡旋区域并远离之后,涡旋恢复到其初始状态,但此时惯性重力波可以出现非对称结构,这与一维情况不同.在波-涡发生相互作用过程中,其物理量变化的最大区域分布基本与波动传播方向一致,在波动进入或移出涡旋时,相对应存在两个最大物理量变化区域,此外,相互作用导致的物理量的最大变化与波动结构、强度、传播方向以及涡旋特性有关.非线性条件下的波-涡相互作用要强于线性过程.

高原低涡中涡旋波动特征的初步分析

将青藏高原低涡(下称高原低涡)视为受加热强迫的边界层内涡旋,分别研究了直角坐标系正压模型和柱坐标系正压模型中高原低涡所含的波动,揭示了高原低涡中各类波动的频散关系及其基本特征,对比分析了两种模型下所得结果的异同,讨论了高原低涡中的波动与流场特征的联系。本研究认为高原低涡既含有涡旋Rossby波又含有惯性重力外波,这对于加深认识高原低涡及其对高原下游广大地区天气的影响以及影响途径具有重要意义。

台风内中尺度混合波的动力学特征

用模拟台风的高分辨率模式输出资料反演的雷达回波和扰动物理量进行诊断,揭示了台风内中尺度螺旋雨带及嵌在其中的深对流带的结构和传播特征;根据台风不同区域物理量特征尺度的差异,分析了眼壁区低层的超梯度流非平衡现象;在此基础上,用柱坐标下中尺度斜压模型的波动频散关系证明扰动具有混合涡旋Rossby-重力惯性波的性质,并指出切向基流的涡度梯度是混和型扰动的发展因子.

台风螺旋雨带——涡旋Rossby波

台风中的螺旋云雨带是由多种探测手段被观测到的现象 ,是为大家所共识的不争事实。但是 ,对它的形成、维持的理论解释 ,虽有多种学说 ,一直以来人们都倾向于重力惯性波说。而重力惯性波说有一个致命的弱点 ,即波的相速理论值为 10 1m/s量级 ,它要比螺旋云雨带实测移速只有 10 0 m/s几乎大一个量级。于是从前几年开始 ,人们又回到 30多年前提出的涡旋 Rossby波说那里去寻找合适的解释。经典的Rossby波是 β =(df/dy)作用的大尺度波动 ,而适用于台风中螺旋云雨带的涡旋———Rossby波乃是 f平面 (β =0 )上的中尺度波动。那末 ,对这两类尺度不同和成波机理不同的波动 ,何以均冠予Rossby波一词 ?本文试图从动力学等价原理上 ,对此作统一联系的说明。其结果是 :台风基本气流的涡度 ζ随径向 (r)变化的梯度d ζdr=1rr(r vλ) ,在动力学上等价于科氏参数 f随纬度变化的梯度即β=df/dy ;或者说它们在绝对涡度守恒的前提下 。

台风内部的中尺度波动与多边形眼墙的形成

利用一次台风的模拟资料,对台风内部的中尺度波动进行诊断。通过分析中尺度波的结构发现,台风内的中尺度波动具有重力惯性波和涡旋Rossby波的混合特征。一方面,波动的扰动高压对应于负的涡度扰动和反气旋性环流,扰动低压对应于正的涡度扰动和气旋性环流,波动的最大振幅出现在最大风速半径附近。另一方面,波动展示了强烈的辐合辐散和非地转特性。并提出了台风多边形眼墙和中尺度波动之间的联系机制模型。

热带风暴中波动特征的研究进展和问题

在分析热带风暴眼壁和螺旋雨带中尺度波动特征最新研究的基础上,指出这些研究所忽略的问题,其中包括重力惯性波和涡旋Rossby波波解存在的前提条件和约束、理论分析与观测研究存在的差异等。提出一种基于准平衡动力条件下,热带风暴内中尺度扰动涡散运动共存时,区别于标准模混合的不可分的混合涡旋Rossby-重力惯性波,并讨论了位涡守恒条件下这一类不可分混合波的可能成波机制。利用高分辨率的模式大气资料,采用非对称波分量的分解方法分析了Bonnie飓风中的中尺度波动特征,结果表明,热带风暴中1波型扰动既具有涡旋波性质,但也存在散度扰动的变化,而2波型扰动则体现了明显的不可分混合波的特性。

夏季青藏高原低涡的切向流场及波动特征分析

从大气动力学原理出发,将高原低涡视为受热源强迫的边界层内涡旋,建立了柱坐标下满足梯度风平衡的低涡控制方程组,分析高原低涡切向流场的基本特征。在此基础上,通过求解线性化涡旋模式,得出高原低涡中各类波动的频散关系及其特征,同时定性讨论了热力作用对混合波动的影响以及混合波动与高原低涡流场特征的联系。使用中尺度数值模式WRF分别进行了两次数值模拟实验:一次是理想数值试验,对动力学流场部分的推导加以分析和验证;另一次对2006年8月14日的高原低涡过程进行了三重嵌套的数值模拟,并分析了模拟输出的高时空分辨率资料。研究认为,青藏高原低涡切向流场的特征为:在动力变性高度以下,有气旋性气流伴有辐合,且随高度升高减弱,而高层有反气旋气流伴有辐散,且随高度升高增强。高原热力和边界层作用表现在:当热源径向分布呈现中心加热的形式时,在动力变性高度之下,加热作用将使气旋式流场随时间增强,而在动力变性高度之上,会使反气旋式流场随时间增强;边界层有气旋性气流时,在动力变性高度以下,低涡切向流场加强,若边界层有反气旋性气流时,在动力变性高度以下,低涡切向流场减弱。高原低涡中同时具有产生涡旋罗斯贝波与惯性重力波的条件,热力作用随径向及其梯度的变化对这种混合波动有重要影响。

切变基流对赤道大气波动稳定性的作用

在赤道β平面近似条件下,使用纬向切变基流下线性化Boussinesq方程组,分析了在纬向切变基流下几种赤道大气波动的稳定性特征。研究结果表明,基本气流的水平切变对赤道大气波动起到不稳定的作用,但是对赤道大气Kelvin波的频率、稳定性以及传播的相速度并不起作用。基本气流的水平切变使得相对于基本气流向东传播的重力惯性内波相速度减慢,而使得相对于基本气流向西传播的重力惯性内波的相速度加快,却造成相对于基本气流向西传播的Rossby波相速度减慢。基本气流的水平切变对于对赤道混合Rossby-重力惯性内波的影响主要取决于纬向波数k值的范围大小。当纬向波数k值较小时,基流的水平切变使得相对于基本气流向西传播的混合Rossby-重力惯性内波相速度加快;而当纬向波数k值较大时,则使得相对于基本气流向西传播的混合Rossby-重力惯性内波相速度减慢。在半地转近似下,风速水平切变的存在,会使得波长较大(纬向波数k→0)的赤道Rossby波相对于基本气流向西传播的相速度减慢;而风速垂直切变的存在,必然会引起这种波长较大(k→0)的Rossby波出现不稳定增长,同样也会造成赤道Rossby波相对于基本气流向西传播的相速度减慢。最后通过扰动发展能量方程,说明了基本气流的水平切变和垂直切变可以为扰动的发展提供能量来源。

斜压切变基流中横波型扰动的特征波动 Ⅱ:谱函数

“斜压切变基流中横波型扰动的特征波动 :谱点分布”一文中分析了斜压切变基流中横波型扰动的谱点分布 ,这里又对其谱函数进行了分析讨论。结果表明 :当基流在垂直方向存在切变时 ,重力惯性波与涡旋波的谱函数在垂直方向上均可出现临界层 ,临界层的高度随频率σ而变化 ,即重力惯性波与涡旋波都存在连续谱 ,但涡旋波与重力惯性波连续谱的结构却不同 ;对天气尺度扰动 ,两支重力惯性波和 1支涡旋波的连续谱不重叠 ,此时每支波动仅有 1个临界层 ;而对次天气尺度的扰动 ,重力惯性波与涡旋波的连续谱区会发生重叠 ,在连续谱的重叠区 ,重力惯性波仍只有 1个临界层 ,但涡旋波则可以有 2个或 3个临界层。无论是涡旋波还是重力惯性波其连续谱的波包随时间都是衰减的 ,但涡旋波波包比重力惯性波波包衰减得慢。

非线性垂直切变基流中横波型扰动的不稳定

通过数值计算扰动的波谱和谱函数,对垂直非线性切变基流中横波型扰动的不稳定作了数值研究,给出了不稳定谱函数的结构,讨论了不稳定的性质。主要结论有:在基流为非线性垂直切变时,对三支波动连续谱区互不重叠的天气尺度情况,此时出现的不稳定扰动其性质是准地转涡旋波的不稳定,即Rossby波的斜压不稳定。在中α尺度中高端,虽有涡旋波和重力惯性波连续谱区的部分重叠,但这时不稳定的性质仍是涡旋波的不稳定,即准平衡的斜压不稳定。在中α尺度低端,既有准平衡涡旋波的不稳定,又有非平衡的涡旋-重力惯性混合波的不稳定(第一类混合波不稳定)。中β尺度不稳定的性质则是非平衡的涡旋-重力惯性混合波的不稳定,包括第一类混合波不稳定和第二类混合波不稳定。上述情况与线性垂直切变基流的结论相一致,但这里因基流垂直分布较复杂,垂直方向会出现散涡比以1为界的多段交替分布。综上,对于横波型扰动,只要基流不是常数,且层结稳定,虽此时存在纯重力惯性波连续谱区,但均无纯重力惯性波的不稳定,只有涡旋-重力惯性混合波的不稳定。

基于WRF的高原低涡内波动特征及空心结构的初步研究

本文采用美国新一代非静力中尺度数值模式WRFV3.1.1版本对2006年8月14日的1次高原低涡过程进行了3重嵌套的数值模拟,分析模拟输出的高时空分辨率资料,发现涡度散度在各层次上均存在着正负值区域的相临交替分布,体现出一定的波动性,并随时间的变化而旋转,由此对高原低涡中的涡旋波的产生和发展进行详细分析,发现高原低涡中同时具有产生涡旋Rossby波与惯性重力波的条件,进一步粗略计算了涡旋波切向的移速介于涡旋Rossby波与惯性重力波的理论移速之间。由分析结果得出结论认为,在低涡中心区域,由于较高的涡度径向梯度,同时有较强的辐合辐散,波动表现出以涡旋Rossby波与惯性重力波混合的特性为主;低涡外围区域中涡度径向梯度大大减弱,失去了产生涡旋Rossby的条件,显现为惯性重力波的特性。同时高原低涡生命期相对较短,波动在圆周上的传播条件不均匀,这说明可能大多高原低涡螺旋形态的发展并不均匀或并不完整,较难形成如同海上热带气旋般比较均匀和完整的螺旋云带。另外,模拟也发现,在低涡成熟阶段,低涡呈现暖心结构,中心区域垂直运动较弱,表现为相对平静的眼区域。

大气横波型扰动连续谱的结构

采用数值方法计算了当基本气流有垂直线性切变、层结参数为常值时横波型扰动的谱点和谱函数,并将数值计算的结果与理论分析作了对照和讨论。当三支波动连续谱区相互不重叠时该计算结果与理论分析完全一致,但当发生连续谱区重叠时则须采用谱函数重组的方法来得到连续谱的结构。重组的基本原则是在波谱重叠区对计算得到的谱函数作预处理后,再对频率相邻的谱点和谱函数进行滑动平均,并将该滑动平均后的结果作为重组后的谱点和谱函数。分析该重组后的谱函数可知,此时扰动结构呈现涡旋-重力惯性混合波的形式,出现了新波型。在连续谱三波重叠区域,该混合波的谱函数在对流层中层有涡旋波的临界层并体现了涡旋波的性质,在对流层的上、下层则分别有顺、逆传重力惯性波的临界层并体现了重力惯性波的性质。

波浪种种

海洋表面及其内部的各种波动现象统称为波浪。波浪按其成因不同而有各种名称,如由风产生的风浪、涌浪和混合浪又称为海浪;由天体引力产生的潮汐波;由地震或风暴而产生的海啸;由航行船舶产生的船行波;在两层密度上有显著差异的水层界面上产生的内波等。

垂直切变基流中的非平衡不稳定

采用计算横波型扰动波谱和谱函数的方法,研究了当基本气流具有垂直线性切变、层结参数为常值时横波型扰动的不稳定,给出了不稳定扰动的结构,讨论了不稳定的性质。发现:对于三支波动连续谱区互不重叠的天气尺度情况,若此时出现不稳定扰动,其性质属于纯涡旋波的准地转不稳定,与Eady模态类似,是Rossby波的斜压不稳定;在中α尺度中高端,其不稳定性质仍是纯涡旋波的不稳定,即准平衡的斜压不稳定;在中α尺度低端则出现了第一类混合波的非平衡不稳定,包括涡旋-逆传重力惯性混合波的不稳定和涡旋-顺传重力惯性混合波的不稳定,前者低层体现了涡旋波的特点,高层体现了重力惯性波的特点,后者反之;在中β尺度波段,若存在不稳定则均为非平衡的涡旋-重力惯性混合波不稳定,其包括第一类和第二类混合波的不稳定,后者低层体现重力惯性波的特点,中层体现涡旋波的特点,高层则又体现了重力惯性波的特点。

热带气旋螺旋云带动力不稳定的性质

热带气旋螺旋云带的不对称特征,在热带气旋的路径和强度变化中起着重要作用,对其动力性质的研究是整个热带气旋研究中的重要组成部分。文中分别对一个正压无辐散涡旋模型和正压原始方程涡旋模型进行线性化,采用标准模方法计算扰动的谱点和谱函数,研究扰动在基本流场中的不稳定问题,从而讨论了热带气旋中螺旋云带动力不稳定的性质。将一指定的基流廓线代入这两个模型,均会出现不稳定扰动。前者的流动为涡旋运动,仅在不稳定扰动的两个峰值之间可以看出螺旋状的结构特征,在距涡旋中心140km的外围,不稳定扰动沿径向没有波动分布,没有螺旋云带状结构。此处相应于涡旋Rossby波的停滞半径(stagnation radius),在此半径之内出现的螺旋结构称为内螺旋云带,而在此半径之外出现的螺旋云带称为外螺旋云带。也就是说前者仅出现了眼壁(最大风速半径之内的最大扰动中心)、内螺旋云带,而后者则出现了眼壁、内螺旋云带和外螺旋云带。这说明滤去重力惯性波的正压无辐散涡旋模型(前者)只适合于解释热带气旋不稳定内螺旋云带的形成和结构,当综合考虑不稳定内、外螺旋云带的形成时,水平辐合、辐散的作用不能忽略,此时必须要用正压涡旋模型(后者)。在该模型中因最不稳定扰动随涡旋半径的不同,其分别体现了涡旋Rossby波和重力惯性波的特点,故其是不稳定的涡旋Rossby-重力惯性混合波,其不稳定的性质是非平衡的。由此可知,要同时解释内、外螺旋云带的生成和结构,则非平衡的涡旋Rossby-重力惯性混合波不稳定理论应是更合适的选择。

2002年8月闽东一次暴雨天气过程的可能物理成因和数值试验

利用MM5模式对2002年8月10～11日发生在闽东的一次暴雨过程进行了数 值模拟和诊断分析．结果表明:暴雨中心位于低层正螺旋度中心附近。而且雨强的变 化与正螺旋度的变化近于一致．在MM5模式能较好地模拟本次过程的基础上,对地 形和风场做了对比试验．试验结果表明:地形对暴雨有较强的增幅作用;风速垂直廓 线的线性和非线性分布激发产生的中尺度重力惯性波和涡旋Rossby波,在切变基流 中有可能发生不稳定而导致暴雨天气过程的产生．

一次秋季大暴雨过程动力机制的数值分析

利用中尺度大气非静力模式MM5对2003年10月9～12日发生在冀东南和鲁西北的大暴雨过程进行了数值模拟。基于合理的模拟效果,着重分析了产生此次暴雨的动力、热力机制及中尺度天气系统之间的相互作用。结果表明:蒙古高压前部与西南低压外围在华北平原西部形成东北西南走向的锋面,冷暖空气相遇,在锋前形成大范围静力不稳定区;生成于河南西南部的中α涡旋向东北方向移动过程中引起地转平衡局地破坏,质量场向风场的调整过程中激发出惯性重力波,而惯性重力波的频散加强了西南风低空急流中急流核的移动,将水汽和能量向锋前输送;位于锋前的冀东南和鲁西北地区的大气层结不稳定度最大,重力波传播到此迅速发展,触发了该地不稳定能量释放,造成了此次局地大暴雨。