大地形背风波的转槽实验研究

文中利用转槽在相似定律及动力无量纲数的控制下,对旋转层结流越过大地形产生的背风波做了一系列的实验.实验及分析结果表明,无量纲数中Froude数是最重要的参数,发现在层结适当时背风波同旋涡结构在山的下风方同时出现.在无旋转情况下,在Froude数适当时仍然存在着明显的背风波,但旋转的作用能增加背风波的波动幅度,特别是起着引发下坡流的作用.文中最后还讨论了背风波在季风区内对低层涡旋发展的驱动作用及有待进一步研究的问题.     

复杂山区上空垂直速度场和热力对流活动的理想数值模拟

利用英国气象局高分辨率的边界层数值模式BLASIUS,针对中国西北一个复杂山区进行了一系列的理想数值模拟,分析了在不同天气条件下山区上空的垂直速度场分布和对流特征以及地形对热力对流活动的影响,同时讨论了与地形有关的对流触发机制。模式结果表明,复杂山区的垂直运动在稳定层结和风速较大的情况下较易预测,而在中性层结下,山区上空的垂直运动分布随机性强。在Froude数小于0.5的条件下,气流往往被山峰阻塞而在迎风坡造成地形强迫和辐合性抬升,从而易在迎风坡触发深对流活动;在背风坡则由于迎风坡的绕流重新辐合而造成垂直运动。绕流的辐合是触发深对流活动的另一重要因子。在大风或Froude数较大的条件下,地形重力波容易在山地下游被激发。地形重力波与对流活动的相互影响在模式中清楚可见。在适当的条件下,重力波除了可以与对流活动相耦合从而使气团上升到更高的高度外,重力波的走向很可能会影响到深对流系统的传播路径。研究还发现稳定度对相邻两条对流线之间的距离长短也有影响。稳定度较小时,相邻两条对流线之间的平均宽度趋向变大而单个对流线的强度也相应变大。定量化的结论和理论升华值得进一步的数值模拟研究。     

层结大气中Froude数对过山气流的影响

本文建立了一个层结大气中二维过山气流模式，对层结大气的Ｆｒｏｕｄｅ数对过山气气流的影响进行了数值研究，通过地形上空流场，位、场以平行于山 风场的分析，探讨了Ｆｒｏｄｕｄｅ数影响地形上空大气运动的一些规律。     

钟形地形动力抬升和重力波传播与地形云和降水形成关系研究

地形云和降水过程在区域水循环、水资源、生态环境及气候变化中具有十分重要的作用。本文利用中尺度数值模式WRF 数值模拟试验,以及通过引入表示大气层流速度、层结稳定度和地形特征的关系参数——湿Froude 数(F_w),研究了北京2009 年5 月1 日湿条件不稳定大气层结下,地形云和降水形成过程与地形动力抬升和地形重力波传播之间的关系及形成机理。研究表明,在地形最大高度2 km、半宽10 km 的条件下,层流速度从2.5 m/s 逐步增加到25 m/s 时,对应的湿F_w 数从0.19 增加到1.81。当F_w≤1 时,地形的阻挡起主要作用,由地形抬升形成的地形云主要产生在迎风坡一侧。地形重力波主要产生在迎风坡,并向上游传播,先形成层状云,最后演变为准稳定浅对流波状云。最大降水主要发生在紧靠山顶的迎风坡一侧,但当F_w 很小时,地形云不产生降水。当F_w>1 时,地形抬升形成的云主要发生在山顶附近,而地形重力波主要形成在背风坡,并向下游方向传播,形成准稳定波状云。最大降水主要产生在紧靠山顶的背风坡一侧。另外,在弱湿条件不稳定大气层流下,地形降水主要由地形动力抬升造成的暖云微物理过程产生,地形重力波形成的波状云几乎不产生降水。     

微波遥感大气温度层结的原理和试验

一、引言 利用5毫米微波段大气辐射的地面遥感,反演大气温度压力层结。本文将讨论它的原理、仪器和试验结果。这项工作最初在北京大学进行原理性的探索。随后分别与上海气象仪器厂和北京768厂合作研制成A型微波辐射计及B型微波辐射计两种试验样机,并对两种试验样机作了野外考察试验。从观测结果上看,可以用它遥感十公里以下大气温度层结,低空逆温能够明显地反应,高空逆温反演误差较大。5公里以下均方根误差在2—3°K以内,5公里以上误差还要大些。     

稳定大气近地面层的风和温度廓线

本文不做风和温度廓线相似性假设,使用最小二乘法分析位于粗糙、不均匀地形上北京气象专用塔在稳定条件下的平均风速和温度测量资料。结果表明,在近地面层,从弱稳定到强逆温的较宽的稳定层结范围内,对数加线性规律都是适用的;廓线参数β和β不是常数,它们的数值随大气稳定度而变化。文中给出的经验公式表明:廓线参数随R_i的增大而减少,随L的增大而增大。在临界理查逊数的两侧,廓线参数随R_i的变化遵循不同的规律。文中还表明,廓线相似性假设仅对大气层结稳定度较弱时才是真实的;当稳定度增大时,廓线变成不相似,P值随R_i的增大而增大。     

地形对于气流运动影响的数值研究

建立了二维、非静力平衡的数值模式，研究地形对上游气流的阻挡以及大振幅背风波谷与下坡风的形成。结果表明：地形的阻挡效应受地形高度、大气层结及地形非对称性等因子的影响。数值试验与理论分析都证明地形越高、层结越稳定时阻挡作用越强；同样条件下，迎风坡坡度大的地形容易对气流形成阻挡。此外，分析了地形高度、大气层结、地形非对称性以及基本入流大小对背风波谷及下坡风强度影响的规律，并通过一次实际观测对数值模拟结果进行了检验。     

二层模式中小地形对于气压跳跃形成的初步研究

本文应用一个两层密度不同的流体所组成的模式,讨论了小地形对于气流的影响。由一维常定问题的解指出,对于气流一定的上游条件,山脉存在一临界高度;山区气流的被扰状态,决定于上游条件和山的高度。当上游状态中的弗罗德(Froude)数小于1,而山脉的高度等于临界高度时,背风面将出现常定的“气压跳跃”。也由一维非常定的解,研究了“气压跳跃”的形成过程。     

北半球冬季阻塞过程的数值模拟及控制性试验

本文采用一个低分辨率的准地转两层谱模式,考虑了实际的地形及加热场分布的强迫作用,对北半球冬季阻塞过程进行数值模拟。模拟结果较好地说明了大西洋及乌拉尔地区一次阻塞过程的具休特点。在此基础上又进行了一系列控制性试验,以探讨纬向不对称热力强迫及地形强迫在阻塞过程中各自所起的作用,以及强迫源强度对阻塞位置、强度、维持时间的制约作用。     

青藏高原地形重力波拖曳的初步分析及数值模拟研究

针对目前对青藏高原大地形激发的重力波拖曳相关问题还不十分清楚,在GRAPES_Meso模式中引入次网格地形重力波拖曳参数化方案,通过数值试验初步研究了青藏高原地区次网格地形重力波拖曳的一些相关参数,结果指出:(1)沿30°N地形重力波拖曳的垂直分布显示,阻塞拖曳主要存在于模式的低层(第1—5层),重力波拖曳主要存在于模式的第5—10层;从水平分布看,模式第3层以阻塞拖曳为主,主要位于青藏高原边缘地区,阻塞拖曳大值区沿喜马拉雅山脉走向和青藏高原东坡;模式第5层以重力波拖曳为主,主要位于青藏高原东部地区和云贵高原的北部边缘。(2)弗劳德数和气流绕流高度分析表明,在青藏高原喜马拉雅山脉一带和高原东部边缘地区,气流爬坡能力强,同时在这一地区绕流高度最高;弗劳德数越大的地区绕流高度距离地表越高。(3)采用次网格地形重力波拖曳参数化方案后,对于低层和高层地形重力波破碎的发生有更准确的描述,地形重力波是向上垂直传播的。(4)个例和批量试验检验结果表明,采用次网格地形重力波拖曳参数化方案对于风场和降水模拟有正效果,提高了模式预报的准确率。