稳定边界层中Ekman螺旋的异常及湍流二阶矩的特征

本文利用二阶矩湍流模式着重讨论了有地形条件下Ekman螺旋的特征，结果表明，在北半球一定的环境地转风场结构下，斜坡Ekman螺旋可以变为反时针旋转。另外，还研究了地形对稳定边界层二阶矩湍流量的结构和垂直分布的影响。     

边界层动力学中的Ekman动量近似

自由大气中,大气运动的基本状态是地转风,近年来发展的地转动量近似,是为了进一步研究非均匀地转流的动力学问题,然而,在边界层大气中,运动的基本状态是经典的Ekman流,所以对边界层运动来说,地转动量近似是不合适的,需作一推广。本文提出了一种所谓Ekman动量近似,它相似于自由大气中的地转动量近似,并讨论了Ekman动量近似的物理基础,对边界层的风场结构及边界屋顶部的垂直速度也作了详细分析。     

边界层中风速向Ekman气流的调整

在自由大气中,风压场之间基本上是满足地转平衡的,但在某些局部地区,可以出现地转偏差,而这些偏差通过惯性重力外波的频散作用将最终消灭而建立起地转平衡。这种适应过程已有很多的研究。与自由大气中的准地转气流的特征相似,在边界层中,在三种力即折向力、气压梯度力和湍流粘性力的平衡下,风场呈现Ekman气流,即风速矢量湍迹呈现Ekman螺线。类似于地转适应问题的提法,在边界层中,也存有Ekman气流的适应问题。即当初始场在某种原因下,风场、压力场之间与Ekman气流     

积云对流在非地转非线性斜压扰动发展中的作用

本文得到积云对流潜热释放和非地转非线性效应控制增辐斜压扰动解析式及CISK-斜压联合不稳定性对波长的选择机制.以一个包含了Ekman层效应的二层模式分析表明: (1)在适宜的积云对流情况下,由平流扩散、Ekman层摩擦、静力稳定度和加热系数等物理因素相互制约,扰动最大增长率的波长是属中型扰动范围,即2000一4000公里波长的扰动是联合不稳定的最不稳定的波. (2)积云对流潜热是引起中型扰动不稳定的主要能量源,它既是扰动发展的驱动机制,又对发展的爆发提供了比从基本气流得到的能量大得多的有效位能,它激发了斜     

非线性斜压Ekman层的动力特征

本文研究了斜压性对非线性Ekman层内的风场及顶部垂直速度的影响。结果表明,斜压性将改变其非线性Ekman层内的风场及顶部垂直速度,其影响随着系统特征与热成风特征的改变而改变。在本工作中,还用地转动量近似的方法作了相应的研究,并将其结果作了相应比较。     

非线性Ekman层的动力特征

本文研究了由于非线性平流作用所引起的对于Ekman层内风场及顶部垂直速度的影响。结果表明,非线性作用将减弱Charney与Eliassen所得出的垂直速度的强度,非线性的影响也是随着系统特征的改变而改变的。在本工作中,还将非线性解与地转动量假定下的解加以比较与分析。     

Ekman边界层动力学的理论研究

大气边界层及其与自由大气之间的相互作用具有明显的非线性特征,而这些特征是经典Ekman理论所不能描述的,因此,发展中等复杂程度(介于完全模式与经典Ekman模型之间)的大气边界层动力学模式,简称中间模式,对人们从理论上认识大气边界层动力学过程的非线性特征具有重要意义。本文对目前最具代表性的几个中间边界层模型:地转动量近似边界层模型、Ekman动量近似边界层模型以及弱非线性边界层模型进行了总结和分析,阐述了Ekman层主要动力学特征。通过分析上述各模型的理论框架,揭示了各模型的物理意义及其在描述Ekman边界层基本动力特征上的优点和局限性,并指出尽管在细节定量描述上有差异,但各中间模型对Ekman层动力学特征的定性描述具有很好的一致性。对于这些Ekman边界层近似理论模型的进一步应用问题,主要回顾和总结了利用上述模型探讨地形边界层结构、大气锋生过程、低层锋面结构和环流以及边界层日变化、低空急流形成等动力学问题的研究,并对这些研究所揭示的Ekman层动力学特征及其对自由大气低层运动的影响进行了分析,结果表明,这些Ekman边界层近似模型可以较好地揭示大气边界层动力学特征,在大气边界层动力学及其与自由大气相互作用的研究上具有重要价值。另外,还对目前Ekman边界层理论研究中存在的问题进行了一些分析,提出了有待进一步研究的科学问题。     

2007年8月登陆台风帕布、圣帕暴雨过程诊断分析

采用T213L31模式大气分析资料,诊断计算天气学中的凝结函数降水、水汽通量散度降水,并理想设计与诊断计算气层对流不稳定降水和层结不稳定降水,用于对2007年8月间西太平洋登陆台风帕布和圣帕降水运动进行诊断计算与分析。结果表明:热带扰动中凝结函数降水场呈弱态,但有较强水汽通量散度降水场,且水汽辐合降水运动组织对流不稳定降水和层结不稳定降水。在热带扰动发展与台风形成时,其低层风场水汽辐合与积云对流相互作用的过程,同时是气层对流不稳定能量与气块(团)湿不稳定能量的积聚过程,前者可带来暴雨,后者可带来大暴雨。相关天气学分析表明:台风暴雨是大尺度风场及中尺度水汽辐合降水运动组织起中、小尺度气层、气块(团)对流降水运动,对流性降水是由风场支配故变化较大、较快。     

西南低涡Ekman层流场特征分析

本文利用大气边界模式，对1979年7月24－25日的一次西南低涡暴雨进行了Ekman层的流场分析。在理论计算的前提下，通过加入有限的实测风资料进行动力学调整，不仅在Ekman层中能较好地模拟出高层（850，700hPa）气旋环流特征，且发现西南低涡笔星边界层具有中尺度扰动的特征。在整个气旋环流中有局部的反气旋环流出现，这是850，700hPa 天气图上得不到的，且与边界层诊断分析相符合。     

Ekman动量近似下中间边界层模式中的风场结构

发展了一个准三维的、中等复杂的边界层动力学模式，该模式包含了EKman动量近似下的惯性加速度和Blackadar的非线性湍流粘性系数，它进一步改进了Tan和Wu(1993）提出的边界层理论模型。该模型在数值计算复杂性上与经典Ekman模式相类似，但由于包含了Ekman动量近似下的惯性项，使得该模式比传统Ekman模式更近于实际过程。中详细地比较了该模式与其他简化边界层模式在动力学上的差异，结果表明：在经典的Ekman模式中，由于忽略了流动的惯性项作用，导致在气旋性切变气流（反气旋性切变气流）中风速和边界层顶部的垂直速度的高估（低估），而在半地转边界层模式中，由于高估了流动惯性项的作用，结果与经典Ekman模式相反。同样，该模式可以应用于斜压边界层，对于Ekman动量下的斜压边界层风场同时具有经典斜压边界层和Ekman动量近似边界层的特征。     

斜压性与非线性Ekman抽吸的动力特征

本文利用Ekman动量近似研究了斜压性对Ekman层动力学的影响,得到了一些新的结果。大气斜压性对Ekman层的水平风速分布及近地面的风速矢的水平分量夹角有重要的改变作用。斜压边界层顶部的非线性Ekman抽吸(垂直运动)由三个不同的物理因子决定,第一、正压性的地面地转涡度,第二、斜压性作用产生的热成风涡度,第三、正压性的地面地转涡度与斜压性的热成风涡度的非线性相互作用。这些理论结果为边界层的参数化及数值模拟结果的解释提供物理基础。     

BAROCLINITY AND NONLINEAR EKMAN PUMPING DYNAMICS

With the Ekman momentum approximation,the influence of atmospheric baroclinity on the dynamics of boundarylayer is studied.Some new results are obtained.These results show that the atmospheric baroclinity plays an importantrole in altering the horizontal velocity of Ekman boundary layer and its angle with the horizontal wind velocity compo-nent near the surface.There are three different physical factors affecting the nonlinear Ekman suction,the vertical mo-tion at the top of boundary layer:first,barotropic geostrophic relative vorticity at the ground;second,the thermal windvorticity induced by the baroclinity;and third,the nonlinear interaction between the barotropic geostrophic relativevorticity and the baroclinic thermal wind vorticity.These results may provide a better physical basis for theparameterization of boundary layer and the interpretation of the numerical modeling results.     

变化涡动沾性系数的Ekman动量近似模式风场结构

在边界层动力学中，涡动粘性系数是影响边界层风场结构的一个重要参数。本文利用边界层动力学中的Ekman动量近似理论，给出了涡动粘性系数随高度缓变条件下的Ekman动量近似边界层模式解，着重讨论了边界层的风场结构、水平散度、垂直涡度以及边界层顶部的垂直速度。结果分析表明：与常值涡动粘性系数情况相比，在边界层低层随高度增加的涡动粘性系数可以导致低层边界层风速随高度迅速增加，即风速垂直切变增加，同时风速矢与地转风之间的夹角减小。惯性项作用可以导致上述作用在气旋性区域减小、而在反气旋性区域增大。随高度增加的涡动粘性系数导致水平散度绝对值、垂直涡度绝对值以及边界层顶部的垂直速度绝对值在气旋性区域减小，而在反气性旋区域增大。涡动粘性系数与惯性之间的非线性相互作用是边界层动力学中重要过程。     

THE ADJUSTMENT OF WIND TO EKMAN FLOW WITHIN THE PLANETARY BOUNDARY LAYER

By using simple barotropic boundary layer equations with constant eddy viscosity,the analytical solution is obtained under the initial condition that the distribution of wind for a given pressure is not the well-known Ekman flow.We have found that the wind will finally adjust to the Ekman flow at a rate faster than that of geostrophic adjustment.We have also found that the thinner the boundary layer,the faster the rate of adjustment.     

地形与Ekman边界层中的气流

利用σ坐标讨论地形与边界层气流是有很多方便的地方,因为,在此坐标中,下边界条件较为简单。在本工作中,首先将混合长理论加以推广并将它用于σ坐标,于是导得了用以描述地形上空边界层气流的控制方程,对边界层气流的特征,特别是对于Ekman抽吸作用进行了详细分析。指出有三种因子影响边界层顶部的垂直运动,第一种因子是边界层内涡度分布,这是与边界层中由于摩擦作用所引起的辐合辐散有直接联系;第二种因子是由于边界层顶部的气流爬坡运动所引起的;第三种是由于边界层中跨越等压线的分量爬坡所引起的,它出现于当等压线与地形等高线相平行时,或地转风呈现绕流情况时,这一作用最为明显。     

A multi-limit formulation for the equilibrium depth of a stably stratified boundary layer

Currently no expression for the equilibrium depth of the turbulent stably-stratified boundary layer is available that accounts for the combined effects of rotation, surface buoyancy flux and static stability in the free flow. Various expressions proposed to date are reviewed in the light of what is meant by the stable boundary layer. Two major definitions are thoroughly discussed. The first emphasises turbulence and specifies the boundary layer as a continuously and vigorously turbulent layer adjacent to the surface. The second specifies the boundary layer in terms of the mean velocity profile, e.g. by the proximity of the actual velocity to the geostrophic velocity. It is shown that the expressions based on the second definition are relevant to the Ekman layer and portray the depth of the turbulence in the intermediate regimes, when the effects of static stability and rotation essentially interfere. Limiting asymptotic regimes dominated by either stratification or rotation are examined using the energy considerations. As a result, a simple equation for the depth of the equilibrium stable boundary layer is developed. It is valid throughout the range of stability conditions and remains in force in the limits of a perfectly neutral layer subjected to rotation and a rotation-free boundary layer dominated by surface buoyancy flux or stable density stratification at its outer edge. Dimensionless coefficients are estimated using data from observations and large-eddy simulations. Well-known and widely used formulae proposed earlier by Zilitinkevich and by Pollard, Rhines and Thompson are shown to be characteristic of the above interference regimes, when the effects of rotation and static stability (due to either surface buoyancy flux, or stratification at the outer edge of the boundary layer) are roughly equally important.