台风螺旋雨带的数值模拟研究

螺旋雨带是台风的基本特征之一. 近年来螺旋雨带发生机理的涡旋Rossby波理论已得到普遍的认同, 但对螺旋雨带的内部结构还没有详细的研究. 利用MM5(V3)对2002年8月给厦门带来特大暴雨的强热带风暴Kammuri的螺旋雨带作了数值模拟. 结果表明, 模拟螺旋雨带沿方位角的移速与涡旋Rossby波的理论波速一致, 并伴随着能量在径向的频散. 从模式输出的高分辨率的多种物理参数数据集中分析出的螺旋雨带结构表明, 台风中的气旋式涡度、垂直运动、水平动量等都高度集中在螺旋雨带中. 并进一步指出, 螺旋雨带的水汽主要来自1 km以下, 而且来自外侧的空气具有明显的对流性不稳定, 它为螺旋雨带中对流的发展提供了不稳定能量. 螺旋雨带内侧空气的层结是中性的, 说明不稳定能量已经释放. 螺旋雨带的外侧存在风速高达30 m/s以上的中尺度强风带, 它的产生和外侧的空气向螺旋雨带流入时气压梯度力所起的加速作用有关.     

梅雨期EAP事件的中期演变特征与中高纬Rossby波活动

揭示了梅雨期EAP(东亚/太平洋)事件的中期演变特征和中高纬Rossby波活动对它的作用. 正负EAP事件的形成过程并不是简单的反位相演变过程. 在对流层上层, Rossby波能量在欧亚大陆中高纬地区及亚洲急流区向下游频散, 形成EAP事件中高纬度2个异常中心的基本形态. 在这一层, Rossby波能量也从中纬度异常中心向高纬度异常中心经向传播. 在对流层中低层, 热带西太平洋暖池区对流活动异常可形成EAP事件的副热带异常中心, Rossby波能量从这一中心的北界向北频散, 有利于中纬度异常中心的维持和加强. Rossby波能量在对流层上层西风带背景环流中准纬向频散和在对流层中低层东亚夏季风环流中准经向频散, 其对应的异常环流在东亚沿岸地区相互作用和相互锁定, 形成正负EAP事件盛期的典型特征.     

“0866”华南特大暴雨灾害的综合诊断

借助加密观测资料、雷达组网拼图资料、雷达风场反演资料以及模式模拟资料等,采用综合诊断方法集中研究2008年6月5~7日发生在广东和广西的特大暴雨.目的是探寻暴雨中尺度特征与发生机理,并将较高时空密度的非常规观测资料用于综合诊断研究中,以有效构建暴雨发生物理模型的可行性探索.(1)此次暴雨是在独特的南支高空急流与低空急流耦合背景下,由涡旋及其东南象限频繁出现的中尺度对流系统(meso-scale convective system,MCS)共同导致;(2)不同于常见的影响华南的中纬度涡旋,此次涡旋来自低纬季风槽中,季风涌携带涡度、水汽、能量不断侵入涡旋东南侧并增强这里的西南风,致使此处汇集有利的物理要素并成为MCS频发的关键区,以水平散度项为主的动力因子对涡旋的形成及初期发展具有重要作用,而以潜热为主的热力因子则促使了涡旋向强盛期发展,涡旋发生发展过程中存在正反馈;(3)MCS体内存在西南气流与偏东气流,两支气流辐合并构成西南-东北向的带状对流云团,云团内部具有更细致的非对称流场结构,流场决定MCS呈现非对称的动热力结构特征、并导致强降雨发生于要素极值区;(4)MCS内强劲的?中尺度西南风速核促使不断积聚的对流有效位能(convective available potential energy,CAPE)最终得到释放,对流降雨由此爆发,频繁生成于带状云团东北侧的更小尺度对流单体直接造成了暴雨中心的雨量峰值;(5)综合诊断方法可以在探索暴雨精细结构特征中发挥关键作用.     

基于海气耦合模式的南中国海北部风暴潮模拟

伴随台风产生的大风、暴雨、巨浪、风暴潮形成的台风灾害链对沿岸地区产生巨大影响,研究台风的形成和运动机理,减小风暴潮灾害,具有重要的科学价值和社会意义.台风影响期间,大气与海洋之间存在强烈的质量、能量交换,风场、流场、波浪场等物理场相互作用、相互影响.基于中尺度大气模式WRF和区域海洋模式ROMS,构建南中国海地区海气耦合模式,针对2012年台风"启德"进行数值模拟.通过观测数据对台风路径和强度进行验证,结果表明,建立的WRF-ROMS耦合模式在对台风"启德"影响下的南中国海风暴潮模拟中展现出较高的模拟精度.通过数值模式计算结果揭示了台风、风暴增水和风生流场的时空分布特征.台风运动过程中台风动力场、风暴增水及流场在空间上均具有"右偏性"的不对称分布特征,近岸风暴增水对台风的响应在时间上存在滞后性,风生流场具有较明显的滞后性特征.     

海洋与台风相互作用研究进展

台风灾害是全球最主要的气象灾害之一.到目前为止,人们已经从大气科学的角度对台风进行了长期系统并且卓有成效的研究.但人们对台风过程中海洋的剧烈变化及其对台风的反馈仍然缺乏足够的认识,这也成为限制台风研究和预报水平的一个瓶颈问题.因此,海洋与台风在各种时空尺度上的相互作用机理及其对台风预报和短期气候趋势预测的贡献是当前国际海洋与大气科学研究的重大前沿课题.本文基于国家重点基础研究发展计划,总结了海洋与台风相互作用的最新研究成果,重点梳理了海洋中尺度过程对台风的影响与反馈、海洋与台风的低频相互作用及其对短期气候变化趋势的影响、台风过程中的海洋多源资料同化及利用海气耦合模式进行台风预报等若干方面的研究进展.最后,提出了今后在海洋与台风相互作用研究中需要关注和重点解决的若干关键科学问题.     

台风麦莎(Matsa)的波状降水特征研究

采用地面加密观测资料、中国风云2号卫星黑体亮度温度(TBB)资料以及NCEP1° × 1°再分析资料, 分析2005年8月登陆中国的台风Matsa大范围暴雨带的结构特征, 研究台风激发的大气波动、大气三维结构及其与台风雨带的关系. 采用观测实事、诊断分析与大气波动理论, 探讨这类台风引起的远距离暴雨带的形成机理. 结果表明: (ⅰ) Matsa雨带具有显著的波状分布特征和远距离传播特征. (ⅱ) 雨带从台风中心向北绵延达2000 km, 波长约500~1000 km, 波动周期12~24 h. (ⅲ) Matsa雨带分布的波状结构与台风周围大气的三维结构特征, 包括扰动涡度散度场、垂直运动场和水汽通量散度场等相应的波动变化特征有密切关系. (ⅳ) 观测实事和理论分析结果表明, Matsa北向传播的大型雨带分布特征与大气惯性波与大气重力内波的混合波特征有关. (ⅴ) 只有在适当的大气层结与合适的重力波垂直波数条件下, 台风扰动才能激发此类远距离传播的波动, 并形成大范围的波状雨带.     

海洋内孤立波斜相互作用的Mach效应特性实验

当海洋工程结构物或水下航行器在海洋中遭遇异常大振幅内波时可造成损害甚至失事,海洋内孤立波斜相互作用的Mach效应是一种特殊海洋现象,也是异常大振幅内孤立波的重要成因.为了在实验室模拟具有海洋跃层环境中的内孤立波斜相互作用并控制Mach效应的产生,首先将两只直立无底圆柱筒放置在淡/盐水分布的两层流体环境中,淡/盐水混合区模拟海洋密度跃层,保持筒底与筒外水体的交换,以方便形成筒内外混合区的高度差;再将两柱筒平稳迅速移出,利用柱筒内外淡/盐水混合区高度差的重力塌陷扰动形成两列内孤立波,其在交汇区发生斜相互作用,并借助高清图像处理技术结合几何射线方法完成测量.实验结果表明:两列内孤立波斜相互作用性质取决于分层环境、两柱筒之间距离以及两列内孤立波的波幅和相位,上述方法可有效控制分层流实验水槽中Mach效应的产生.进一步分析表明:两列内孤立波相互作用的Mach效应将导致波幅显著增强,传播速度明显增大,且传播方向受两者振幅大小的控制,振幅相差越大所产生Mach效应的临界夹角越大.此外,通过内孤立波斜相互作用的Mach效应实验结果与Kd V,BO和MCC三种理论模型的比较,实验验证了Mach效应对非线性理论模型的适应性.     

大地形强迫下背风涡旋的实验研究

利用转槽的实验装置, 基于相似定律, 研究了大气层结流体越过大地形时所激发的背风涡旋. 研究结果表明, 无量纲数中Froude数是最重要的参数. 在无旋转情况下, 在Froude数和层结适当时, 可以形成背风涡旋; 在旋转的情况下, 背风涡旋更明显和更易形成. 旋转的作用不仅能引发下坡流, 而且其生成的地转涡度能促使背风涡旋的形成. 在背风涡旋的形成机制上, 旋转的情况与无旋转情况是不同的. 对于非旋转的过山气流而言, 扰动涡度的倾斜项是产生背风涡旋的主要原因. 而对于旋转的过山气流而言, b 效应及扰动速度的水平辐合是产生背风涡旋的更重要原因.     

单面弹性固体层负载的板中SH波的时频分析

利用时频分析方法分析一侧附有弹性固体负载层的各向同性板中水平剪切波(SH波)的传播特性. 为验证该方法的有效性, 采用基于短时傅立叶变换的时频重排方法对有限元仿真出来的SH波信号进行了分析. 提取出来的频散数据与频散方程分析的结果相符. 结果表明, 负载层厚度的增加会引起SH0模式群速度和高阶模式截止频率的降低, 从而可应用于负载层特性的传感. 文中也讨论了该方法的局限性.     

南黄海现代沉积环境及动力沉积体系

基于南黄海600多个表层沉积物样品的研究和对前人大量沉积学资料及水文学资料的分析, 阐述了南黄海现代沉积环境和动力沉积体系特征, 对存在广泛争议的泥质沉积物形成机制进行了探讨. 南黄海陆架可分为弱动力(低能)沉积环境和强动力(高能)环境, 低能沉积环境进一步划分为气旋型和反气旋型涡旋两种环境;高能环境则分为高能沉积环境和高能侵蚀环境. 陆架低能环境发育了泥质沉积体系. 在南黄海中部, 受海域中尺度气旋型涡旋(冷涡)的控制, 发育了冷涡泥质沉积体系, 而在南黄海东南部受反气旋型涡旋(暖涡)控制则形成了反气旋型涡旋泥质沉积体系(暖涡沉积). 二者在粒度、沉积速率、沉积厚度和矿物学特征上有明显区别. 陆架高能沉积环境发育了砂质沉积, 集中分布在南黄海的西部、南部及东北部海区, 在高能侵蚀环境区分布着大量砂岩砾石. 高能沉积环境中原有的细粒物质(黏土、细粉砂等)逐渐被悬浮、搬运至低能区沉积. 还建立了气旋型涡旋和反气旋型涡旋泥质沉积作用模式, 对南黄海泥质沉积体系的成因给出了系统的解释.     

利用地震海洋学方法研究南海东北部东沙海域内孤立波的结构特征

主要利用地震海洋学方法研究了南海东北部东沙海域内孤立波的结构特征,内孤立波的类型是第一模态下沉型,最大振幅有85.5 m.内孤立波自最大振幅所处深度向下,其振幅大体呈线性减小趋势,振幅随深度的减小率为0.2左右.海底对内孤立波的波形会产生一些影响,一方面海底可能会"切割"内孤立波底部,使之出现间断,另一方面海底的"摩擦"会导致近海底的内孤立波处会发育有较多次一级尺度的波动.横向上看,由地震剖面所得到的内孤立波视宽度,需经过一定的校正才能获得真实宽度,本文所研究的两个内孤立波视宽度分别是4.52和3.36 km,校正后的宽度为0.5~3 km.另外内孤立波处存在的垂向噪音反映出内孤立波具有很强的垂向剪切力.内孤立波水平波数谱与GM模型谱的对比研究表明,其能量在低波数段比GM谱大两个数量级左右.     

南海北部海域跃层上部的湍流耗散

频发的非线性内波(内孤立波)与内潮活动是南海北部上层海洋动力的重要特征,特别是在南海东北部东沙群岛邻近海域,内孤立波与内潮活动非常活跃,大量的内孤立波与内潮能量在此耗散掉,产生很强的湍流混合.然而,目前国内外对南海北部海域湍流耗散与混合的直接观测研究还非常有限,且主要局限于对吕宋海峡邻近     

印度洋海温偶极子型振荡与热带太平洋之间的对流层遥相关模态及相应的机制解释

利用GISST和NECP/NCAR再分析数据, 研究了印度洋海温偶极子型振荡(Indian Ocean Dipole, IOD)和太平洋之间在对流层上的遥相关模态并对其进行了机制解释. 通过对IOD变化指数时间序列和整个南半球对流层重力位势异常场之间的相关分析, 首先给出了遥相关的空间模态, 结果显示: 在热带太平洋上空的对流层存在明显和IOD变化密切联系的遥相关作用中心; 该中心和热带印度洋之间由一列明显的大气遥相关波列结构连接起来, 该波列结构从热带印度洋出发, 向东南方向发展进入澳大利亚和太平洋的亚热带海域, 最终到达热带太平洋. 其次, 利用行星波能量传播理论对两者之间的遥相关进行了机制解释, 发现从热带印度洋出发的纬向波数为1~3的大气行星波的能量传播路径和遥相关波列路径定性相符. 另外, 对大气行星波在半球尺度上能量传播的时间尺度分析结果表明, 它和太平洋对流层异常对IOD的响应时间尺度是一致的. 因此我们得到这样的结论: 大气行星波的能量传播是热带印度洋海温偶极子型振荡和热带太平洋之间对流层遥相关的一种可能的联系方式.     

一个1/10°涡分辨准全球海洋环流模式及其初步分析

在中国科学院大气物理研究所气候系统海洋环流模式最新版本(LICOM2.0)基础上,将模式水平分辨率提高到均匀的1/10°,垂直分辨率增加到55层,建立了一个不含北冰洋区域的准全球涡分辨(eddy-resolving)海洋环流模式.利用再分析和观测的海表强迫将该模式积分了20年,其中最后8年使用2000~2007年QuikSCAT卫星反演的风应力和再分析热通量强迫.本文利用最后8年模式输出结果,初步评估了该模式对海洋环流的基本模拟能力.相对于低分辨率的海洋环流模式,发现涡分辨率海洋模式不仅可以更好地模拟海洋中尺度涡旋的时间和空间特征,而且还能较好地模拟出西边界流的路径和位置,特别是能够重现黑潮大弯曲现象及其年际变化.另一方面,当模式的水平和垂直分辨率提高之后,模式也能够更好地模拟赤道太平洋环流和中国近海环流的复杂结构.     

利用面波振幅谱确定四川九寨沟M7.0地震震源深度

准确的震源深度对理解板块构造过程,地震断层结构,非天然地震识别等有重要意义.地震面波远场振幅公式显示面波振幅谱与震源机制、观测方位和震源深度有密切关系.当震源机制与观测方位确定后,可以利用面波振幅谱与震源深度唯一依赖关系,确定震源深度.浅源地震面波振幅谱在0.01~0.08 Hz之间的某个很窄的频段会出现陷波现象即振幅能量衰减,陷波位置与震源深度和频率有密切关系.本研究分析了不同震源机制解的理论地震图陷波现象出现的位置与震源深度的关系.通过理论地震图计算,得到不同震源深度的远场面波振幅谱,与实际观测波形对比,并进行深度定位.理论地震图面波振幅谱显示,震源深度的微小变化会引起面波振幅谱的变化,因此可以精确确定浅源地震的震源深度.震源机制解与震源深度具有耦合现象,为了分析震源机制的扰动对震源深度定位的影响,反演了九寨沟地震的震源机制解,并对走向、倾角、滑动角分别增加±10°的扰动,结果显示震源机制解的较小扰动对深度定位影响不大.为了消除低频噪声、剪切波、短周期面波等对面波振幅谱的影响,利用AK135速度模型对地震波形进行去频散处理.本研究利用瑞利(Rayleigh)面波振幅谱能量衰减特征对2017年8月8日四川九寨沟M7.0地震震源深度进行确定,得到本次地震震源深度为8.2 km.     

全球有限区数值预报模式动力框架的试验验证

全球有限区通用数值预报模式是21世纪数值预报模式的发展趋势, 为此“十五”期间中国气象局发展了一个GRAPES(global/regional assimilation and prediction system)全球有限区多尺度非静力数值预报模式. 为了验证GRAPES模式方案设计的科学性、程序编写的正确性, 针对模式的特点设计了一套完整的理想试验方案来对GRAPES动力模式的性能进行检验, 包括用于检验中尺度模式的密度流和三维地形波试验; 用于检验近极地半拉格朗日上游点和极区离散方案正确性的越极地气流试验等. 密度流试验显示模式框架对精细尺度的非线性流及其瞬变特征有较强的模拟能力; 三维地形波试验说明GRAPES模式动力框架能够较好地模拟气流过山时重力内波的水平与垂直传播. 而越极地气流试验验证了模式对极地半拉格朗日上游点及近极地的离散处理是正确的. 实际个例试验表明, GRAPES全球模式对影响中国夏季的大尺度环流形势有较好的预报能力.     

非线性非保守连续系统的类能量守恒量

非保守系统的特征是能量不守恒, 为探讨非保守系统是否可能存在具有能量量纲和正定性的守恒量, 分析了计及几何非线性的轴向运动梁的弯曲振动. 基于系统的控制方程, 对于两端简支和固支两种边界条件, 证明了系统能量不守恒. 构造了具有能量量纲的正定量并证明该量在运动过程中守恒. 应用该守恒量证明了直线平衡位置的稳定性. 研究表明非线性非保守连续系统可能存在类能量守恒量.     

台湾岛东南准稳态兰屿冷涡的初次记录

对卫星跟踪表层漂流浮标、卫星高度计和遥感SST图像资料的分析均发现, 1996年3月前后在台湾岛东南、恒春半岛与兰屿之间有一个大型的气旋型黑潮锋面冷涡. 该冷涡的水平尺度在纬向和经 向分别可以达到70和100 km左右, 并伴随有黑潮在兰屿附近相应的离岸蛇形. 冷涡与常见的黑潮锋面涡不同, 在兰屿一带呈准稳态滞留, 时间达两个月以上. 有证据表明, 冷涡滞留期间, 黑潮可能呈套状侵入南海，而且类似的涡旋在同一位置不时发生. 对比此前墨西哥湾的相关研究, 兰屿锋面涡应是美国佛罗里达半岛南端Tortugas涡的南海版本. 蛇行的黑潮在离开南海时所发生的超射和位涡守恒是冷涡形成的可能原因.     

高次非线性薛定谔方程(Ⅰ)

非线性薜定谔方程被用来描述各种非线性波动现象.目前研究得最广泛的是下述“立方薜定谔方程”: ia_tE a_x~2E |E|~2E=0 (1)式中,E(x,t)是波场(例如电场)的包络.方程(1)被证明是可积的,具有无限多个运动常数。采用散射反演方法,从方程(1)可得到碰撞不变的孤立波解.     

中值滤波中的循环序列(Ⅰ)

本文中k始终表示大于1的固定正整数.给了实数列x={x(n)}_(n=0,±1…),则对每一n,我们用x~(1)(n)表示{x(n-k),x(n-k+1),…,x(n),…,x(n+k-1),x(n+k)},这2k+1个实数由小到大重排后位于中间的那个数.通过这种重排运算,x={x(n)}可变成一个新的实数列X~(1)={x~(1)(n)},它称为x的中值滤波(窗宽为2k+1).对X~(1)