旋转浅水系统Rossby孤立涡旋的实验研究

我们建立了具有自由表面的旋转抛物面浅水系统，进行空间流体图样演化的实验研究。利用流动显示和激光散射技术获得相干涡旋的信息。实验结果表明，在纬带区内存在强剪切可能导致形成持续存在的相干涡旋链。在旋转随动坐标系中拍摄的照片以及自相关分析证明，确有大尺度的Ｒｏｓｓｂｙ孤立涡旋的发生、漂移和演化。

Rossby涡旋的旋转浅水实验模拟及模型方程解

在具有自由表面的旋转抛物面浅水实验系统上进行了可重复的系列模拟实验 ,在旋转随动坐标系中拍摄的照片和功率谱分析表明 ,确有大尺度持续存在的涡旋产生、漂移与演化 .受多次实验的启发 ,从流体动力学基本方程出发 ,在一定的实验条件下提出一个半经验模型 ,近似求出了 Rossby孤立波涡旋解 .

β中尺度暴雨系统发生发展的一种可能物理机制 I.涡旋Rossby波的相速度

使用纬向基流下横波型扰动的Boussinesq近似方程组,分析了这种沿着基本气流方向传播的中尺度扰动发生不稳定时,大尺度背景流场在垂直方向上的各种分布特征。在大气层结比较稳定的情况下,如果基本气流在低层和高层较大(有可能存在低空急流和高空急流),此时产生的β中尺度不稳定扰动相对于基流向东传播,甚至于快速向东传播。基本气流在垂直方向上的风速切变对于中尺度横波型的扰动起着不稳定的作用。如果考虑基流的二次切变,可以得到涡旋Rossby波的相速度表达式,涡旋Rossby波相对于基本气流是单向传播的。涡旋Rossby波产生的物理根源是基本流场的风速二次切变,亦即基本流场y方向的平均涡度在空间z方向上的不均匀所致。涡旋Rossby波的相速度与纬向波数也有关,它的能量是频散的,其在纬向x方向也存在群速度。在基本流场的风速存在二次切变时,横波型不稳定可能是混合的涡旋Rossby重力波的不稳定;而在基本流场的风速仅仅存在线性切变,不存在二次切变时,横波型扰动的不稳定则是重力惯性波的不稳定。

切变基本纬向流中赤道Rossby包络孤立波

利用多重尺度摄动法，从描写赤道Ｒｏｓｓｂｙ波的正压大气位涡度方程中推导出在切变基本纬向流中非线性赤道Ｒｏｓｓｂｙ波包演变所满足的非线性Ｓｃｈｒｏｄｉｎｇｅｒ方程，并得到其单个包络孤立子波解，分析基本流切变对非线性赤道Ｒｏｓｓｂｙ波动的影响。

涡旋Rossby波传播的不同特征

用一个柱坐标系涡度正压方程的半谱模式 ,实施了 4组试验 ,研究了不同初始扰动涡旋分布条件下 ,涡旋 Rossby波的传播特征问题。结果指出 :正值、负值相间的沿方向角二波分布的初始场 ,与只有正值涡旋的初始场相比 ,其后涡旋 Rossby波的传播有明显的差别 ,即前者向内传播的涡量比后者衰减得快 ,而且前者是单峰传播 。

地形对涡旋Rossby波影响的研究

用一个高分辨率的准地转正压模式,分析了中尺度理想地形面上空涡旋Rossby波(VRW)的传播问题。指出,地形对VRW的传播速度,台风中心位置及台风内区的非对称结构均构成影响。据此,提出了地形涡旋Rossby波的新概念。与无地形试验相比,南(北)坡地形条件下,台风中心向偏西南(东北)方向移动。南坡、北坡地形VRW引起的台风内区非对称结构的特征正好相反,形成了两类截然不同的内区非对称结构。

台风“云娜”中的涡旋Rossby波研究

运用非静力平衡中尺度模式WRF(V2.03),对2004年14号台风“云娜”在登陆后产生强降水的过程进行了42h模拟,并对螺旋云雨带的涡度场结构进行了分析。分析结果表明,WRF能较好地模拟出台风在陆地上的移动路径,及其产生的台风暴雨的螺旋状分布。台风螺旋云雨带的形成与维持,可以用涡旋Rossby波理论来解释:可以通过改变局地相对涡度径向梯度分布,从而沿台风径向激发出“局地涡旋Rossby波”。

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 。

非线性涡旋Rossby波的演变特征

利用多重尺度摄动法,推导出非线性涡旋Rossby波波包的演变方程是非线性Schr d inger方程。对该非线性Schr d inger方程的周期波动解及其稳定性进行了研究,得到了有关稳定和不稳定的判据。数值计算表明:非线性涡旋Rossby波的相速值为100m/s量级,这和台风中的螺旋雨带实测移速的量级是一致的,可以从涡旋Rossby波说中较好地解释台风中的螺旋雨带的形成和维持。

海洋中地形强迫的孤立涡旋的演变及其相互作用

建立了一个描述中尺度涡的新的非线性方程，然后利用变分原理研究了孤立涡旋的Ｌｉａｐｕｎｏｖ稳定性，指出反气旋和气旋涡都是稳定的．数值计算结果发现在β效应的作用下这些涡旋都向西移动而不存在向南的移动，然而在反气旋涡的上游存在一个孤立地形（例如海山）的话，孤立地形会使反气旋涡向南移动，而且移动的轨迹取决于孤立地形的位置．当两个反气旋涡同时存在并发生相互作用时，上游孤立地形使这两个反气旋涡产生弱合并并出现弱分离．而且孤立地形的位置对这两个涡的移动和旋转有重要影响．

两种类型中尺度涡旋Rossby波的相速度及其物理机制

本文使用正压浅水方程组以及纬向切变基流下二维中尺度横波型扰动的Bouss-inesq近似方程组,分析了这种沿着基本气流方向传播的中尺度扰动的波动传播物理过程。研究结果表明,中尺度涡旋Rossby波划分为两种类型。由于纬向基本气流的方向的二阶水平切变或者基本气流的垂直涡度在南北方向的变化(β*因子)所导致的涡旋Rossby波称之为第一类涡旋Rossby波(正压涡旋Rossby波),它产生的根本原因是β*因子的作用。这种第一类涡旋Rossby波相对于基本气流-U0是单向传播的,其传播方向则与β*因子的正负符号有关。基本气流在垂直方向上的风速切变对于中尺度横波型的扰动起着不稳定的作用。如果考虑基流的二次垂直切变时,可以得到第二类涡旋Rossby波(斜压涡旋Rossby波)的相速度表达式,第二类涡旋Rossby波产生的物理根源是基本流场的风速-U的二次垂直切变或者基本流场y方向的平均涡度在空间z方向上的不均匀性(亦即β**因子)。第二类涡旋Rossby波相对于基本气流-U0也是单向传播的,其相速度与纬向波数k有关,能量是频散的,在纬向x方向存在群速度。在基本流场的风速-U存在二次垂直切变时,横波型不稳定可能是混合的涡旋Rossby-重力波的不稳定;而当基本流场的风速-U仅仅存在线性切变,不存在二次垂直切变时,此时根本不存在涡旋Rossby波,横波型扰动的不稳定则仅仅是重力惯性波的不稳定。最后利用横波型扰动的总涡度守恒方程对第二类涡旋Rossby波形成的物理机制做出了解释。

岛屿地形对涡旋Rossby波传播影响的研究

首先在静止基本状态下,从线性f平面极坐标浅水方程出发,利用WKB方法求解方程,在理论上给出了一类由于地形βeff作用引起的Rosbby波的传播特征解,此类Rossby波类似于涡旋Rossby波(VRW),其中地形βeff作用与台风涡旋基态的垂直相对涡度径向梯度作用相似,此分析解可帮助理解地形对涡旋Rossby波的影响作用.在此基础上,利用一个高分辨率的浅水模式具体讨论了圆形、类似于台湾岛屿椭圆地形对VRW传播以及结构特征变化的影响.结果表明,地形对VRW的传播速度,台风内区的非对称结构的变化均构成影响.当台风位于地形东南一定距离处,与无地形相比,涡量向内向外传播均增强,扰动能量增大,涡量环绕地形中心沿等高线顺时针方向移动,局域风速增大,并形成尺度为几十公里左右的强局域风速区,平均风速减小.

涡旋Rossby波传播和台风切向风速变化的数值研究

设计了一个高分辨率 f 平面准地转正压涡度方程半谱模式 ,用以研究非线性对台风切向风速变化 ,以及不同初始异常条件下台风环流内涡旋 Rossby波传播和台风切向风速变化特征。6类 (14组 )试验的数值结果表明 :非线性使台风切向风速的增强减弱 ,可能使最大风速半径收缩。初始扰动中心位置对涡旋 Rossby波传播和台风切向风速变化的影响明显。扰动中心在最大风速半径附近时 ,台风最大切向风速增强最多 ;异常中心在台风外区时 ,使最大切向风速减小。初始异常尺度 (范围 )减小对台风最大切向风速变化的影响减弱。双涡分布条件下 。

大气中的包络Rossby孤立波——纬度效应的作用

本文进一步对旋转正压大气中的包络Rossby孤立波进行了研究,结果发现当Rossby波的波数m(m为纬向波数)满足1<m<2时,旋转正压大气中才存在包络Rossby孤立波,并且只有m=2的包络Rossby孤立波才具有阻塞高压的结构。我们还对这种m=2的包络Rossby孤立波随纬度变化的持续性进行了计算,得到了许多结果。

Rossby参数β在涡旋Rossby波中的作用

利用尺度分析方法得到Rossby参数β在强涡旋中有着不可忽略的作用。在无基本气流径向切变的涡旋系统中,在Rossby参数β的作用下有涡旋Rossby波出现。由于涡旋Rossby波存在,从而破坏了涡旋系统的轴对称性,表现出非轴对称特征。在考虑切向基本气流的涡度径向变化时,涡旋Rossby波的频散关系同时包含了切向基本气流涡度径向切变项和β项的作用。一般情况下涡旋Rossby波在切向基本气流涡度径向切变的作用下有向外频散能量的特性,而β项的作用随方位角θ而变化,使涡旋能量频散不对称。

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.

带β项的非线性涡旋Rossby波的演变过程

利用多重尺度摄动法,推导出当考虑Rossby参数β作用时,非线性涡旋Rossby波的波包振幅的演化方程是非线性的Schr¨odinger方程.对受Rossby参数β影响的涡旋Rossby波的本征值问题进行分析,指出Rossby参数β对涡旋Rossby波传播的影响.

1822号台风“山竹”的涡旋Rossby波特征分析

采用WRF中尺度模式对2018年22号台风“山竹”进行高分辨率的数值模拟,在此基础上,分析台风的精细动力结构和雨带特征。分析结果发现,台风“山竹”的眼墙处具有低层辐合流入、高层辐散流出的动力配置;台风眼墙附近存在切向风速的高值区和明显的垂直上升区,并且随着高度逐渐向外侧倾斜,同时该处的雷达回波也较强,对流系统较为深厚。然后利用尺度分离方法得到涡旋罗斯贝(Rossby)波的扰动场,进一步分析了台风“山竹”内部的涡旋Rossby波特征。研究发现:1)1波和2波会同时沿着切向和径向方向传播,2波的振幅明显小于1波;1波和2波的正涡度扰动大值区基本覆盖强的雷达回波区域,同时伴有较强的对流活动。2)垂直方向上,降水区的涡度扰动呈现出上层为正、下层为负的动力配置时,同时散度扰动的垂直方向也有类似配置时,则会加强对流系统的发展,有利于降水的增强。由此可见,1波和2波扰动的上层辐散下层辐合的动力配置会促使对流系统的加强,同时也会对台风降水的强度和分布有一定的作用。

地形作用下的Rossby孤立波

本文利用正压模式的非线性方程组,讨论了地形作用下Rossby孤立波的存在问题。研究结果表明,Rossby波在一定条件下会出现孤立波。

f平面-大气阻塞中的Rossby孤立波

本文采用多重尺度法研究了基本气流具有弱切变的非线性正压Rossby波,得到了偶极子阻塞形成的一个理论及其影响。在f平面下求得它的波包满足非线性Schr&#246;dinger方程。指出:当Rossby波的波数满足 (k为纬向波数,m为经向波数)时,大气中周期Rossby波可以产生调制不稳定,形成包络Rossby孤立波。