一次冷涡背景下次天气尺度系统对强对流环境场的影响

在同一东北冷涡背景下,2016年6月12—13日山西境内连续2 d出现强对流天气,12日为分散性对流而13日为大范围强对流。基于多源资料通过对比探讨次天气尺度系统及其演变对风暴环境进而对风暴结构的影响,得出以下结论:(1)两日风暴强度和风暴结构差异显著。6月12日对流孤立分散且回波强度小于55 dBZ,而13日准线性风暴发展成尺度较大的弓形回波引发大范围强对流天气,回波强度达60 dBZ。(2)此次过程的关键影响系统为冷涡背景下的次天气尺度低涡。12日次天气尺度低压扰动开始出现,距离远而未影响山西;13日低压扰动东移发展为次天气尺度切断低涡,低涡相关的地面冷锋及850 hPa切变线触发山西上游对流。(3)12日低层水汽含量低,0~3 km垂直风切变弱,13日低涡前偏南水汽输送使低层显著增湿,叠加中层干冷空气形成不稳定层结,受低涡影响0~3 km风垂直切变增强至5.0×10-3s-1,冷锋触发的对流风暴在上述环境下强烈发展并产生阵风锋,阵风锋组织风暴形成飑线,冷池与0~3 km风切变相互作用使飑线维持。(4)13日有利于飑线发展的环境要素与东北冷涡西侧的次天气尺度切断低涡系统密切相关,次天气尺度低涡是飑线形成发展的关键系统。

旋涡空化水动力学特性研究进展与展望

涡空化作为一种在推进器叶顶涡心处产生的空化现象,在推进器原型上往往最早出现,其一旦发生将会严重影响舰艇的声隐身性能(噪声增加10 dB以上),在很大程度上限制了舰艇临界航速的进一步提升,因而长期以来一直是空化水动力学领域研究的重点与难点课题之一.本文首先简要介绍了旋涡空化流动相较于其他形式空化流动的特点,并以梢涡空化为主要对象,系统阐述了旋涡空化初生、发展的演变行为与流动机理研究,从空化三要素的角度深入讨论了其影响因素与作用机制.在此基础上,本文分别对旋涡空化流动中尺度效应、流动控制等关键问题的相关研究进展进行了回顾,较为系统地梳理了旋涡空化尺度效应的内在原因以及旋涡空化流动控制方法与控制思路.最后,本文针对目前旋涡空化研究领域关注的重点与难点问题,对旋涡空化流动研究中采用的实验测量及数值模拟技术进行了总结与展望.

热带气旋发展增强过程中龙卷尺度涡旋活动特征

观测发现热带气旋(TC)边界层中存在龙卷尺度涡旋(TSV),其引起的相关阵风对近地面具有强烈影响.利用WRF-ARW模型,通过对飓风Earl(2010)进行高分辨率的数值试验模拟,分析了TC边界层龙卷尺度涡旋的时空分布特征以及发生发展的可能原因.Earl发展增强过程中,TSV数量随着Earl强度的增强而增加,尤其在最强期间表现最为活跃,一方面TC的增强提供了更强的背景场使得TSV更易生成,另一方面更强的背景场使得长生命期的TSV增加,每一时刻同时存在的TSV也就更多.TSV生成区域随Earl的发展从垂直风切左侧逐渐集中至逆风切左侧,且始终位于RMW内侧近地层次级环流上升支和最大垂直涡度位置附近,这里通常满足垂直切变和水平切变不稳定的必要条件,TSV涡度收支分析的结果表明,对TSV生成发展起主要贡献的是与水平风水平切变相关的拉伸项以及与垂直切变相关的扭转项,这意味着TSV的生成与发展可能与垂直切变不稳定和水平切变不稳定有关.

悬索桥刚度、阻尼和风载参数对风致涡激振动的影响

悬索桥较低刚度使得其风致涡激振动较容易被激发,并产生复杂的异常运动。使用悬索桥竖向弯曲运动偏微分方程,定性的探究了悬索桥结构刚度、阻尼和风载参数对涡激振动影响。首先,使用伽辽金法把非线性偏微分方程在前两阶竖向正对称弯曲模态截断,得到两个二阶非线性常微分方程。之后,使用多尺度法对该常微分方程组进行摄动求解,得到悬索桥在前两阶竖向正对称弯曲模态主共振时的近似解析解。最后,通过近似解析解分析了虎门大桥风致涡激振动的特点。研究结果显示:悬索桥数学模型中的三次非线性项对结构的非线性振动行为有显著影响;当风的涡激频率小于悬索桥固有频率时,伴随风载的变化,振动幅值将产生跳跃现象;结构阻尼和刚度对悬索桥的涡激振动均有明显影响,伴随阻尼和刚度的增加振动的幅值显著减小。

阀口开度对航空高压电磁阀开启特性的影响

为了研究电磁阀阀口开度对其开启特性的影响,根据航空高压电磁阀的使用工况,建立其二维计算模型,采用仿真分析的方法对不同阀口开度下的电磁阀开启特性进行分析,得到了不同阀口开度下的流动特性分布情况,并计算得到了不同阀口开度下电磁阀内部上阀口、下阀口、球体圆周以及推杆端面等关键位置的压力变化曲线。结果表明,随着阀口开度的增大,工作介质在电磁阀内部的流速呈先降低再升高的状态,且在相对固定的位置出现一定漩涡;阀内腔区域C漩涡尺度随阀口开度的增大逐渐减小;上、下阀口在特征尺度范围内的压力呈现降低状,上阀口所受压力相对增大,球体圆周所受压力在上阀口压力变化的轴向尺寸范围内先增大再减小。

喷气涡流纺纱线的标准化建设

为了满足市场的多样化需求,推动喷气涡流纺纱线的发展与进步,从现行标准化体系出发,介绍喷气涡流纺的产业化进程以及环锭纺、转杯纺、喷气涡流纺等主要纺纱技术标准化建设情况;通过阐述喷气涡流纺纱线的行业标准、团体标准及已评审通过待发布的标准,分析喷气涡流纺纱线的标准化建设现状;根据行业创新发展方向以及国家产业政策,展望喷气涡流纺纱线标准化建设的发展趋势。指出:标准化建设已经成为推动喷气涡流纺纱线行业发展的重要基石;已发布实施的喷气涡流纺纱线标准推动了行业规范化发展;企业应顺应产业创新发展方向,立足国家政策支持,重视标准化建设,将标准制定与科技项目相结合,加快各层级喷气涡流纺纱线标准的制修订工作,建设和完善其标准体系。

2019年盛夏最大降水环流成因分析

利用1961-2020年黑龙江省盛夏(7-8月)降水量、NCAR/NCEP大气再分析和Nino34 SST资料,分析2019年盛夏黑龙江降水异常与ENSO事件背景下大尺度环流特征。结果表明:2019年盛夏黑龙江省降水处于多水时段,ENSO暖事件多发期降水偏多发生的概率增加。指出了2019年降水特点主要受东北冷涡与3次台风北上相互作用,发生6次重大降水过程;500 hPa高度距平场为西北-东南向呈“+、-、+”形势;西太平洋副热带高压明显偏东,脊区向北伸展有利台风北上;低纬主要有3支强南风距平气流北上进入气旋环流,为维持台风暴雨提供充足水汽;黑龙江中部和东部地区最大上升气流速度出现在600-300 hPa高度,也是台风活跃区,辐合明显,黑龙江省强降水出现在东部最大降水中心,落区位于三江平原北部鹤岗至萝北。

明渠湍流涡运动尺度分布特性

为了解明渠湍流涡运动尺度沿水深的分布特征,使用高精度粒子图像测速法水槽试验系统测量充分发展的明渠湍流,利用改进后的功率谱分析方法,对明渠湍流涡运动尺度沿水深分布、上升流、下扫流和平均涡量等进行了分析。结果表明:明渠湍流涡运动尺度大小沿水深增加呈先增大后减小;沿水深增加下扫流比上升流更容易发生;各自水深的顺向涡涡量大于逆向涡涡量,在近壁区平均涡量最大;明渠湍流近壁区产生涡量大、尺度小的涡结构,沿水深增加,涡尺度发展变大,但受水面区下扫流抑制,涡尺度又变小。

明渠湍流横向涡旋的尺度与环量特征

为了分析明渠湍流中横向涡旋的尺度与动力学特征,利用自主研发的高频粒子图像测速系统测量了6种水流条件下的明渠恒定均匀流时间序列流场,使用涡旋提取方法识别涡旋,使用一套简洁客观的涡旋尺度及环量确定方法,分析了明渠湍流横向涡半径与环量的特征。涡旋的无量纲尺度与强度仅与所在位置有关,与雷诺数等其它因素均无关系。从壁面附近至对数区的上边界,涡旋的平均半径增大。受水面影响,半水深以上的涡旋半径有逐渐减小的趋势。在黏性作用下,涡旋的平均环量由壁面至水面总体呈减小趋势。时均剪切对逆向涡旋的尺度与强度均有抑制作用,其平均尺度与环量在全水深均小于正向涡。

旋转圆柱绕流的PIV实验研究

投弃式海流剖面仪(Expendable Current Profiler,XCP)周围流场是典型的旋转圆柱绕流。探头周围流场对探头的运动状态起决定性作用,这直接关系到探头的测量性能,因此有必要对旋转圆柱周围流场进行实验研究。实验在循环水槽中进行,通过PIV对雷诺数保持不变(Re=1000)、不同圆柱旋转速度比(α=0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5和5.0)的圆柱下游尾流场进行研究。通过选取不同旋转速度比的任一时刻的瞬态流场,来分析旋转对圆柱尾流结构的影响。为了获得流场的频率信息,对所获得流场信息进行能谱分析来获取涡旋的脱落频率,并进一步使用正交模态分解对流场进行分析,给出了流场主要拟序结构及其能量与转速比的变化趋势。发现圆柱旋转改变圆柱尾流结构,使尾迹尺度变小。在旋转速度比0≤α≤2.0时,存在明显的周期性涡旋脱落,并且涡旋脱落的频率有逐渐升高的趋势;而且当转速比2.0<α≤5.0时尾迹流场的周期性减弱,涡旋脱落变得不明显,流场表现出低频、剪切层的区域特征。随着转速变大,涡旋尺度变小。在较高旋转速度比时,流场中能量被重新分布。

长江中游一次β中尺度低涡的数值模拟

利用PSU/NCAR的中尺度数值模式MM5,对1999年6月29日的一次东移低涡过程进行了数值模拟,结果表明:在东移的a中尺度低涡的东南部边界层激发出一个β中尺度的涡旋,该β中尺度涡旋与一强暴雨区相伴移动,稠密的实况降水资料证实了这一暴雨雨团的存在和移动过程。模拟分析揭示β中尺度涡旋出现在停滞的α中尺度低涡南侧偏西气流与暖区偏南气流相遇处及中尺度山脉的背风坡;在中尺度山脉背风坡的地面和近地面层分别有中尺度低压和增强的东南气流存在,由此产生或加强了近地面的强涡度和强辐合,有利于对流系统的发生发展。

水电站进水口漩涡缩尺效应

前人对进水口漩涡进行了大量的试验研究,但关于进水口漩涡试验的缩尺效应尚无统一的观点.笔者针对侧式进水口漩涡进行了一系列模型试验研究.结果表明,按弗劳德准则设计的模型,当模型进水口处的雷诺数Re≥3.4×104时,表面张力对漩涡无明显影响,可不考虑缩尺效应.当雷诺数不能满足该要求时,可以采取增大流量的办法消除缩尺效应,而增大的流量的倍数与模型进水口的淹没水深和模型比尺有关.

斜压大气中台风涡旋自组织的研究

文中利用MM5(V3),实施了8个数值试验,对斜压大气中台风涡旋自组织的问题进行了初步研究。结果表明:(1)在试验1中,没有引进一个半径为80km的小涡旋,两个初始分离的半径为500km的轴对称涡旋,一边互旋,一边相互排斥,两个涡旋中心之间的距离不断加大,致使双涡最终分离。(2)在试验2中引进了一个半径为80km的小涡旋,其他条件同试验1,两个初始分离的轴对称涡旋一边互旋,一边相互逼近,经自组织形成了一个由内区和螺旋带组成的类似于台风环流的较大尺度的涡旋。这个结果支持周秀骥在十多年前提出的重要观点,也支持以往在正压框架内的同类研究结果。(3)试验3—8为在前两个试验的基础上取不同初始涡旋参数的敏感性试验,其中,试验3和4为引入小涡旋不同初始位置对台风涡旋自组织的影响,试验5和6为不同初始轴对称双涡间距对台风涡旋自组织的影响,试验7和8反映了不同初始轴对称双涡强度对台风涡旋自组织的作用。它表明对涡旋自组织过程影响最大的涡旋初始参数是涡旋之间的距离,其与正压模式中的结果是类似的。

2011年“7·31”东北冷涡外围中尺度涡旋暴雨分析

利用地面、高空、卫星、雷达等常规观测资料及NCEP再分析资料,对2011年7月31日黑龙江省西南部暴雨进行了成因分析。结果表明:该次暴雨是由东北冷涡外围中尺度涡旋自南向北移动,在黑龙江省再度发展加强,并维持较长时间造成的。水汽主要来自黄渤海、日本海海面,以及西北太平洋台风外围。暴雨落区出现在850 hPa风切变处,与地面中尺度涡旋紧密相连。从动力热力条件分析可见,高层涡先于低层涡,并诱使低层涡发展;高层辐散低层辐合耦合是暴雨产生的动力条件。从卫星云图可见,强降水落区位于向湿区伸出的干舌边缘干湿交界处,并且与TBB等值线的大梯度区重合。从雷达图可见,这种形势下的强降水是层积混合性降水。

泵站进水池自由表面漩涡研究

泵站进水池自由表面漩涡是影响泵站运行稳定性的重要因素,为准确判断泵站在实际运行中是否会产生吸气漩涡,研究了进水口淹没深度H/D以及淹没弗劳德数与泵站进水口吸气漩涡之间的关系,同时进行了泵站进口水工模型试验对漩涡判断标准进行验证,试验中选择增加流量来消除物模试验中的缩尺效应。结果表明,泵站进口漩涡试验与临界淹没深度以及淹没弗劳德数对泵站进口是否发生进气漩涡的判断是基本一致的,临界淹没深度以及淹没弗劳德数可作为泵站进口是否发生吸气漩涡的依据,但是泵站进口仍然发生了3~4型漩涡,宜考虑防止出现。该研究可为以后类似的工程提供借鉴。

梅雨锋致洪暴雨的β中尺度涡旋机理的分析

利用模式高分辨率资料 ,对 β中尺度涡旋系统发生和发展的机理进行探讨 ,发现在湿中性条件下 ,中尺度气旋得到强烈发展是与物理量的中尺度输送和集中及局地区域产生急剧陡峭的上升运动有关。用辐散风动能转换函数诊断分析了暴雨不同时期β中尺度涡旋系统发展的能量来源 ,得出能量转换与涡散场相互作用的物理图像。这种能量转换增强与涡散场发展相互促进的正反馈过程是系统发展增强的主要因素 ,同时使得强烈上升运动不致很快消失 ,是暴雨生命史维持 1 0

一个β中涡对双台风相互作用影响的物理过程

利用高分辨率f平面正压拟谱模式,分析一个β中尺度涡对双台风相互作用影响的物理过程。结果表明:β中涡的存在可以使原本排斥的两个DeMaria型台风涡旋合并;β中涡改变双台风相互作用终态的物理机制是:初始时段处于某一台风涡旋正影响区内的β中涡,构成了非对称涡度场,进而在该台风涡旋内部产生指向另一个台风涡旋的气流。该气流如果足够强,则会使两个台风的中心距离在短时间内下降到合并临界距离之内,触发双涡合并过程的发生。

基于模型试验的实尺度立管涡激振动响应预报方法研究

为了研究立管涡激振动模型试验与实尺度立管涡激振动响应之间的相互关系问题,文章从模型试验的相似理论出发,基于涡激振动预报方法的理论分析;通过对模型试验中按照相似理论换算得到的流速进行调整的方法,改变模型立管的涡激振动响应,并逼近实尺度立管的涡激振动响应。结果表明:通过调整试验流速,提高试验的雷诺数,可以使立管模型的涡激振动响应模态数、无量纲振幅RMS(A/D)响应与实尺寸立管很好地符合。针对不同的缩尺比模型,给出了立管模型试验流速与其模拟的真实流速之间的对应关系式。

一次东北冷涡背景下MCS过程多尺度能量相互作用研究

采用WRF模式对东北冷涡背景下MCS过程进行模拟,利用Barnes滤波将模式数据分解为3个尺度,分别代入相应的能量方程中进行计算,从能量角度研究MCS发展过程,多尺度系统能量相互转化,以及动能与降水的联系。研究表明:在此次过程中各尺度之间都有位能向动能的大量转化,为系统发展提供能量。在对流单体发展到MCS成形前,中低层天气尺度动能减少,天气尺度动能向β中小尺度动能转换,促进对流单体的发展;高层天气尺度动能增强,对应高空急流增强,促进对流系统发展;β中小尺度系统在中层对α中尺度系统有动能输送,促进MCS形成。在MCS形成和发展阶段,各尺度位能向α中尺度和β中小尺度动能转化达到最大。在MCS减弱阶段,天气尺度系统和α中尺度系统在中高层对β中小尺度系统有一定的抑制作用,使β中小尺度系统发展减弱。此次过程中β中小尺度系统是降水的直接成因,动能变化的正值中心对应大的降水中心。

“987”突发大暴雨及中尺度低涡结构的分析和数值模拟

１９９８年７月２０～２３日（简称“９８７”），发生在鄂东和鄂西南地区的突发性特大暴雨过程在长江流域是罕见的。该过程与 ５００ ｈＰａ短波槽和 ７００ ｈＰａ低涡切变线以及沿切变线相继生成和强烈发展的β中尺度对流系统密切相关。对该过程采用非静力ＭＭ５的二重网格双向嵌套进行了全物理过程的数值模拟，其中，可分辨尺度降水采用Ｒｅｉｓｎｅｒ混合相微物理显式方案，次网格尺度降水采用Ｇｒｅｌｌ积云参数化方案。双向嵌套的细网格模拟结果揭示，武汉周边地区的特大暴雨与 ７００ ｈＰａ上一个β中尺度低涡的生成和强烈发展直接关联。该低涡具有明显的动力－热力结构特征：特强上升运动与饱和气柱互耦，超强散度柱与强涡柱耦合发展，湿静力不稳定与湿对称不稳定共存，深对流湿气柱内云团发展的微物理场结构比较典型。细网格域内前 ３６ ｈ的降水分布和雨强与观测的大体相应，扩展域细网格的降水模拟明显改进了原细网格的模拟，特别是雨带。这一结果还表明，对持续时间较长的大暴雨，大尺度过程对中尺度系统的影响是重要的。