湍流的第4效应——频散

湍流运动不仅存在耗散（粘性、传导和扩散）效应，而且存在第４效应－频散，正是湍流的频散效应才可能导致能量的逆输送，即所谓的负粘性现象。给出了既包含耗散效应又包含频散效应的新的Ｒｅｙｎｏｌｄｓ平均运动方程组。     

地下防护工程抗超高速长杆动能弹的若干问题

针对超高速长杆动能弹侵彻成坑的尺寸相似问题、成坑与地冲击耦合能量问题以及等效爆炸当量计算方法问题，在前期研究的基础上，厘清了侵彻成坑相似规律，建立了地冲击能量与成坑范围关系，得到了地冲击能量效率与弹体动能、长径比及介质特性关系，提出了超高速动能弹地冲击等效接触爆炸当量及安全防护层厚度计算方法。结果表明，超高速动能弹撞击的破坏区体积存在尺度效应，与弹体半径的四次方成正比；其他条件不变时，地冲击能量效率随弹体质量增大而增大，随弹体长径比和密度增大而减小。     

青藏高原的抬升和夷平过程对气候与环境的影响

系统地讨论了高原隆起前的早第三纪至现代青藏高原的７次抬升过程对气候和环境的影响，应用气象学理论分析了当时气候形成的原因。主要结论：（１）高原隆起前的干热气候是由于隆起前全球地势平坦，致使大气热机效率很低之故；（２）渐新世初高原的水平尺度达到了斜压大气地转适应的临界尺度，大气环流从南北两极“两涡对峙”突变成地球三极的“三涡鼎立”，气候发生突变；（３）分析了２．５Ｍａ时高原抬升到２０００ｍ这一重要临界高度后大气环流的一系列相应变化；（４）计算、比较了最大冰期地气系统能量平衡与现代的差异，并由此分析了当时的气候状况     

1991年夏一次梅雨锋暴雨的能量研究

利用ＭＭ４模式模拟了１９９１年６月３０日００时～７月２日００时一次大暴雨过程．并将输出结果进行了能量平衡的计算。发现动能及其各收支项主要集中在高层；平均有有效位能问动能转换；散度风动能不足总动能的１％，但起着能量转换的中介作用。在暴雨时期，散度风动能、它的次网格转换、来自有效位能的转换以及其向旋转风动能的转换等均达到最大值，说明散度风动能和暴雨有更为密切的关系。     

北半球冬季500毫巴高度的谐波分析

一 前言大气运动可以认为是由平均气流和扰动气流两部分组成。利用谐波展开分析高度场,将各种不同尺度的扰动分离出来,并且定量地计算出各种波的位置和振幅,这是分析大气扰动的较好的和常用的方法之一。     

暴雨中尺度环境场的总动能收支

利用一套分辨率较高的中尺度实验观测资料,对一次暴雨过程的中尺度环境场进行了总动能平衡的诊断研究,讨论了对流活跃和非活跃两个时期动能平衡过程的差异．结果表明,暴雨的能量过程很活跃,非地转运动的绝热耗损和动能的向外界辐散是暴雨过程的主要能汇,而次网格尺度向网格尺度的运动动能转换,是环境场动能的主要能源;暴雨区对流层高层的能量过程比低层活跃,高层急流对环境场动能平衡过程有很大作用．比较对流活跃和非活跃２个时次的动能平衡过程发现,暴雨过程的动能平衡与对流强度变化有联系,２个不同时段的动能平衡过程有差异,尤其在中层这种差异更明显．     

跨膜离子回旋谐振运动的计算及分析

从离子在电磁场作用下的基本运动方程出发,对在不同频率和幅值的外场作用下跨膜离子的运动特性进行了数值分析,揭示了离子发生谐振的外场参数条件．指出离子谐振时动能随时间迅速增长,并且在离散的谐振点上,离子动能的增长速度随交变磁场幅值的增大而增大,离子由谐振运动能够获得很大的动能,通过能量转换,可能导致磁生物效应的发生．     

跨膜离子回旋谐振运动的计算及分析

从离子在电磁场作用下的基本运动方程出发，对在不同频率和幅值的外场作用下跨膜离子的运动特性进行了数值分析，揭示了离子发生谐振的外场参数条件。指出离子谐振时动能随时间迅速增长，并且在离散的谐振点上。离子动能的增长速度随交变磁场幅值的增大而增大，离上谐振运动能够获得很大的功能，通过能量转换，可能导致磁生物效应的发生。     

非线性弹性薄膜表面效应的尺寸相关性研究

在Mindlin假设的前提下，考虑了几何非线性条件及表面效应的影响，建立了纳米尺度下尺寸相关的板状各向同性弹性薄膜模型；从哈密尔顿变分原理出发，导出了薄膜的控制方程，用公式明确阐述了由表面张力引起的符合经典板理论且与薄膜变形相关的残余膜力和弯矩；通过微小尺寸薄膜弯曲的算例，说明了表面效应与薄膜厚度的相关性，当薄膜厚度等于或者小于其内禀尺度时，表面效应对薄膜厚度表现出很强的敏感性。     

关于湿斜压大气中某些能量关系的分析和应用

本文讨论了湿斜压大气中的某些能量关系并给出了一个应用例证。讨论包括;①温总能方程和湿总能守恒条件;②湿内位能和动能之间的能量转换关系;③对湿内位能和动能趋势有贡献的物理因子分析;④湿内位能趋势方程和动能趋势方程的尺度分析及结果;⑤湿针压能量关系对暴雨分析的应用。     

Poleward heat transport by the atmospheric heat engine

The atmospheric heat transport on Earth from the Equator to the poles is largely carried out by the mid-latitude storms. However, there is no satisfactory theory to describe this fundamental feature of the Earth's climate. Previous studies have characterized the poleward heat transport as a diffusion by eddies of specified horizontal length and velocity scales, but there is little agreement as to what those scales should be. Here we propose instead to regard the baroclinic zone--the zone of strong temperature gradients and active eddies--as a heat engine which generates eddy kinetic energy by transporting heat from a warmer to a colder region. This view leads to a new velocity scale, which we have tested along with previously proposed length and velocity scales, using numerical climate simulations in which the eddy properties have been varied by changing forcing and boundary conditions. The experiments show that the eddy velocity varies in accordance with the new scale, while the size of the eddies varies with the well-known Rhines beta-scale. Our results not only give new insight into atmospheric eddy heat transport, but also allow simple estimates of the intensities of mid-latitude storms, which have hitherto only been possible with expensive general circulation models.     

天津地区雾天不同高度湍流输送特征的实验研究

利用天津 255 米气象塔层大气边界层观测资料, 分析雾日各气象要素的特征, 研究湍流输送规律。结果表明: 雾前, 大气湿度较大, 逆温层高度约为 100 m, 辐射雾发生前的逆温强于平流雾; 雾中, 逆温层持续变强、增厚; 雾后, 逆温层出现抬升, 大气呈近中性偏不稳定的层结特征。辐射雾过程的逆温现象比平流雾明显; 辐射雾雾顶较低, 平流雾较高; 辐射雾的消散主要受温度影响, 平流雾主要受风速影响。雾天气过程改变了大气层结结构, 夜间可能呈现不稳定层结状态; 雾前和雾中不同高度的湍流垂直输送微弱, 雾过程后期的水平输送突然增强。辐射雾雾前不同高度的平均动能数值较小, 雾中呈增大趋势, 雾消散阶段逐渐增大, 湍流动能的增大是影响辐射雾消散的重要因素。雾前不同高度平均动能与湍流动能比值的突然增大可能是雾发生的湍流信号之一, 比值剧增之后降至雾前水平则为雾消散的信号。     

湾流及其邻近海域中尺度涡统计特征分析

为了得到中尺度涡的特征,综合利用1993-2012年共20a的卫星高度计资料及Argo浮标资料等,对湾流及其邻近海域的中尺度涡特征进行统计,并采用合成方法对涡的三维结构特征进行分析。结果表明:该海域气旋涡(CE)和反气旋涡(AE)的平均生命史及平均半径十分相近;湾流主体段与延续段的涡动能(EKE)、涡能量密度(EI)和涡度明显大于其他区域,气旋涡平均强度大于反气旋涡;对于生命周期内的长周期涡,半径和EKE的变化幅度较大,EI和涡度的变化较小;涡以西向移动为主,平均移速3.2cm/s;长周期气旋涡和反气旋涡均具有向赤道移动的特征;在垂直剖面上,气旋涡(反气旋涡)存在2个温度负(正)异常结构和上下2个盐度负(正)异常结构,涡对海水温盐的垂向影响可达1km以上。     

南京夏季城郊湍流特征对比分析

利用2010年南京夏季城市热岛三维观测试验资料,对比分析了南京夏季城市和郊区下垫面的湍流特征。结果表明:①郊区大气层结呈现规律性的日变化特征,而城市大气几乎全天处于不稳定层结状态;②不稳定层结下,城市、郊区三个方向无量纲风速标准差与稳定度参数均呈1/3幂次关系;城市无量纲水平风速标准差小于郊区,而在垂直方向无明显差异,郊区略小于城市;③城、郊下垫面归一化风速谱曲线在高频段随无因次频率满足-2/3幂次律;低频段谱曲线集中在相对狭窄范围内;郊区风速谱曲线要比城市开阔且平缓;城市风速谱有明显拐点,水平风速谱和垂直风速谱拐点对应的无因次频率分别为0.007和0.01;④南京城、郊的垂直风速脉动含能涡区的特征尺度均小于水平风速脉动含能涡区,湍流动能在垂直方向上主要分布于小尺度湍涡。     

扰动近地层湍流互谱特征研究

运用国际能量平衡实验(EBEX-2000)的湍流、净辐射和温度梯度资料, 对近地层8.7 m和2.7 m两个高度的湍流互谱结构、温度廓线和湍流通量的特征进行了分析, 重点研究了逐块灌溉所致的扰动近地层内大涡与局地湍流的相互作用以及大涡对地表通量的影响。研究结果显示, 低频湍流互谱的峰值频率在两个高度趋于一致, 基本遵循外层标度律(OLS)模型; 高频湍流符合局地各向同性湍流理论。由于大涡的影响, 湍流互谱低频能量显著增强, 且该增强作用在8.7 m高度比2.7 m高度更为突出。湍流谱的低频部分出现多峰值, 峰值频率对应的涡旋尺度与热力非均匀性的尺度有较好的对应关系, 主要的3个涡旋尺度分别为800, 400和200 m。大尺度涡旋扰动对局地湍流的影响: 上层大于下层, 不稳定时大于稳定时。     

An initial note on quasistationary, cold-core Lanyu eddies southeast off Taiwan Island

Drifting buoys,satellite altimetry and satellite-derived sea surface thermal images are used to identify the existence of a large cold-core,cyclonic Kuroshio fontal eddy between Hengchun Peninsula and Lanyu,southeast off Taiwan Island around March 1996.The cold eddy accompanies an offshore meander of the Kuroshio near Lanyu,about 70 km and 100 km in horizontal zonal and meridional scales,respectively.The cold eddy is different from normal Kuroshio frontal eddies for its persisting of about 2 months near Lanyu.Supporting evidence suggests that the Kuroshio intruded into the South China Sea(SCS,hereafter) forming a loop-like structure during the persisting period of the cold eddy and that similar eddies occur occasionally in the same location.Compared with the corresponding studies in the Gulf of Mexico,it is suggested that Lanyu cold eddies are SCS analogues of Tortugas eddies found in the southern Straits of Florida.Overshooting of the meandering Kuroshio when it leave the SCS and effects from conservation of potential vorticity are the possible mechanism of eddy genesis.     

东部区域核事故核素大气扩散特征研究

为分析核事故时东部不同地区放射性核素大气扩散特征的差异性,通过利用区域尺度天气预报模式WRF和高斯大气扩散模式研究了东部区域尺度以及部分核电厂周边的大气弥散因子分布特征。结果表明:东部区域尺度计算网格中心点周边500 m和5000 m处大气弥散因子的最大值分别为10-3 s·m-3量级和10-4 s·m-3量级;不同核电厂距离中心点500 m处的大气弥散因子最大值在10-4 s·m-3量级,距离区域中心点5000 m处的大气弥散因子最大值在10-6～10-4 s·m-3量级之间;针对不同核电厂距离中心点500 m处和5000 m处大气弥散因子比较发现,前者昌江核电厂大气弥散因子最大值最高;后者秦山核电厂大气弥散因子最大值最高。可见不同地区的核电厂受气象场影响其大气扩散特征存在差异。     

电极插入深度对电渣重熔过程影响的数模研究

以电渣重熔系统电极、渣池和钢锭为研究对象,利用有限元分析软件求得稳定电渣重熔过程电磁场和焦耳热场分布,并通过计算流体动力学软件模拟分析了耦合电磁场和焦耳热场的三维电渣重熔过程在不同电极插入深度下温度场、速度场和电磁场的变化.结果表明:当电极插入深度为15 mm时,渣池两侧的逆时针方向旋转涡流之间出现一个顺时针方向旋转涡流,其尺寸随着电极插入深度的增加而增加;电极插入深度每增加15 mm,湍流动能的降幅约为21%,而最大温度值的降幅约为1%.     

地质封存中CO2泄漏的非稳态扩散数值模拟研究

针对碳捕集与封存技术中泄漏监测的难点,利用数值模拟方法研究了地质封存中CO2泄漏的非稳态扩散,以及不同的垂直风廓线形式、大气、地形等因素对非稳态扩散模拟结果的影响,探索了地质封存中CO2泄漏扩散的分布规律.研究结果表明:不同风廓线下CO2泄漏的扩散规律基本一致,仅在垂直方向上CO2的体积分数略有差异;大气层结不稳定程度越高,越有利于泄漏气体的扩散;风速越大,扩散达到稳定所需要的时间越短,稳定的CO2的体积分数越小;大气温度越高,同一高度上稳定的CO2体积分数越大,越有利于泄漏气体的垂直扩散;地表面粗糙度越大,越有利于垂直湍流波动的形成,当水平扩散减慢时,CO2达到稳定所需要的时间延长.     

Progress of regional oceanography study associated with western boundary current in the South China Sea

Recent progress of physical oceanography in the South China Sea (SCS) associated with the western boundary current (WBC) and eddies is reviewed in this paper. It includes Argo observations of the WBC, eddy detection in the WBC based on satellite images, cross-continental shelf exchange in the WBC, eddy-current interaction, interannual variability of the WBC, air-sea interaction, the SCS throughflow (SCSTF), among others. The WBC in the SCS is strong, and its structure, variability and dynamic processes on seasonal and interannual time scales are yet to be fully understood. In this paper, we summarize progresses on the variability of the WBC, eddy-current interaction, air-sea interaction, and the SCSTF achieved in the past few years. Firstly, using the drifting buoy observations, we point out that the WBC becomes stronger and narrower after it reaches the central Vietnam coast. The possible mechanisms influencing the ocean circulation in the northern SCS are discussed, and the dynamic mechanisms that induce the countercurrent in the region of northern branch of WBC in winter are also studied quantitatively using momentum balance. The geostropic component of the WBC was diagnosed using the ship observation along 18°N, and we found that the WBC changed significantly on interannual time scale. Secondly, using the ship observations, two anti-cyclonic eddies in the winter of 2003/2004 in the northern SCS, and three anti-cyclonic eddies in the summer of 2007 along 18°N were studied. The results show that the two anti-cyclonic eddies can propagate southwestward along the continental shelf at the speed of first Rossby wave (～0.1 ms-1 ) in winter, and the interaction between the three anti-cyclonic eddies in summer and the WBC in the SCS is preliminarily revealed. Eddies on the continental shelf of northern SCS propagated southeastward with a maximum speed of 0.09 ms-1 , and those to the east of Vietnam coast had the largest kinetic energy, both of which imply strong interaction between eddy activity and WBC in the SCS. Thirdly, strong intraseasonal variability (ISV) of sea surface temperature (SST) near the WBC regions was found, and the ISV signal of SST in winter weakens the ISV signal of latent heat flux by 20%. Fourthly, the long-term change of SCSTF volume transport and its connection with the ocean circulation in the Pacific were discussed.