拓扑流体力学及其新近发展

拓扑流体力学是理性力学的一个重要研究方向,在理论上具有重要价值,在实践中日益显出独特的作用.本文试对该方向进行综述性介绍,目的是吸引更多的国内科研工作者进入这一重要领域.本文的重点放在流体螺度(Helicity)的拓扑内涵方面.除了列出螺度与数学纽结场论的关系(即与互缠绕、自缠绕数以及作者近年来发展出来的流体纽结多项式拓扑不变量之间的关系),还介绍了国际上在流体纽结复杂系综的能量-结构复杂性关系方面的研究.最后,通过超流涡旋纽结/链环重联的具体实例,展示了这一领域当中典型的数值计算方法.我们希望通过这种理论推导与数值计算同时呈现的方式,使读者对这一国际前沿交叉领域的核心问题、研究方法以及科研中可能面对的技术困难获得一个整体的了解和把握.     

垂直螺旋度在京津特大暴雨中的诊断分析

利用NCEP的1,°×1,°格点资料,计算北京和天津地区平均垂直螺旋度;配合常规观测资料及多普勒雷达资料,对2012年7月21—22日京津特大暴雨进行诊断分析,结果表明:在高空槽与低空气旋性涡旋配合的形势下,平均垂直螺旋度对特大暴雨的发生发展有很好的诊断作用。     

HERMES上深度非弹过程中纵向自旋转移的处理方法

为了得到HERMES(德国DESY实验室)实验装置上的深度非弹散射过程中产生的A粒子的极化信息,探知核子中夸克自旋的分布及转移,建立了一种能消除对该分析结果有很大影响的接收度的不均匀性的新方法,即归一法;此外,对由匹兹堡组新提出的螺旋度平衡法作了改进并加以论证.并将两种新方法与依赖模拟的蒙特卡洛方法螺旋度平衡法作了比较.     

数值模拟分解炉气流紊动特性及对颗粒运动的影响

为了系统分析分解炉内窑尾烟气与三次风的掺混流态及影响煤粉、料粉颗粒运动的规律,利用紊流模型与粒子追踪模型的数值模拟方法,研究了分解炉气流紊流强度、涡量及螺旋度的沿程分布规律及颗粒的运动规律,研究表明:①窑尾烟气与三次风的耦合作用,导致掺混区的气流流态表现出强紊动特性;②紊动区内颗粒发生强烈地脉动现象;③窑尾烟气与三次风的掺混作用、边壁条件的变化均能激发颗粒的绕轴旋转特性;④煤粉与料粉颗粒在分解炉内进行"螺旋式"上升或下降运动。     

雷达导出参量与南京地区降水过程演变关系的诊断

中国的新一代天气雷达能够提供丰富的降水产品,但缺少反映大气热力和动力状况的产品。利用新一代天气雷达的基数据,计算出局地的温度平流、相对螺旋度、散度、垂直速度和散度垂直通量,并详细研究分析2016年南京地区的两次降水过程中,这些参量与降水演变的关系。研究表明,这些参量的变化都对降水系统的变化有良好的相关性和指示意义,温度平流通过改变局地大气热力结构和稳定度而影响系统发展;相对螺旋度、散度、垂直速度和散度垂直通量反映了局地大气的动力特性,并通过动力过程而影响降水系统的发展。层状云降水的"下暖上冷"温度平流或对流型降水中雷暴后部的"下冷上暖"温度平流结构,有利于降水的加强;相对螺旋度的变化比降水的变化提前2. 5～3. 5 h;超过3 km的散度分布直接影响降水系统的发展;系统内4 km以上的垂直上升速度对降水加强最显著;对流层中上层的散度垂直通量的负值与降水加强相关。可见,这些参量可以用于降水系统发展的雷达临近预报。     

秦岭近邻地区秋季暴雨的天气动力学分析

对2005年10月1-2日秦岭近邻地区连阴雨中的暴雨天气的成因进行分析，结果表明：暴雨发生在500hPa东亚稳定的东高低环流形势下；低空西南急流为雨区提供了大量热量、动量及水汽，而高、低空急流的次级环流以及锋面次级环流之间的耦合加大了低层辐合和高层辐散，使暴雨区产生了强烈上升运动，为产生暴雨的中-α尺度系统形成提供了有利的大尺度环流背景场，秦巴山区复杂地形对产生暴雨中-α尺度的形成和发展也有一定的激发作用；螺旋度强度变化对暴雨发生发展有一定的指示意义。暴雨发生前对流中底层有较大螺旋度值，且呈下正上负的垂直结构，暴雨一般发生在对流层低层螺旆度正值中心的前方．     

一次东北暴雨过程的诊断分析

利用一个η坐标暴雨模式的预报结果，研究了1998年8月的一次东北暴雨过程。主要对湿位涡和螺旋度进行了诊断、分析。结果表明，当对流层中低层为正涡度，高层为负涡度，在垂直方向有较大上升运动时，则易导致对流性降水；暴雨落区与低层正MPV1(湿正压项)区域对应。而且，螺旋度和湿位涡与暴雨中心有同时分裂的现象，这对暴雨落区有较好的指示作用。     

2007年夏季河套地区两次区域性大暴雨过程模拟分析

以2007年夏季发生在河套地区的两次大暴雨天气过程为对象,利用MM5中尺度数值预报模式对其发生发展过程进行数值模拟,通过与实况对比,表明模式对暴雨落区的模拟是成功,然后利用模式输出结果对暴雨形成机制在影响天气系统、水汽输送、不稳定层结和动力条件等方面进行了诊断分析。结果表明,两次大暴雨都发生中高纬十分稳定的环流形势下,在第一次暴雨过程中,西北涡和低空西南急流是其主要影响系统,低涡东侧的辐合和低层暖湿气流为暴雨的发生提供了良好的动力和水汽条件;在第二次暴雨过程中,500hPa切变线为其主要影响系统,高层强烈的抽吸作用为暴雨区提供了强劲的上升运动,弱冷空气与低层暖湿气流之间形成强烈位势不稳定为暴雨的发生发展提供有利的条件。第一次暴雨过程中一直有高通量水汽输入,水汽由来自孟加拉湾和南海的两股偏南气流合并而成;第二次暴雨过程的水汽有台风"帕布"东北侧的偏东气流输送。与第一次暴雨过程无冷空气作用不同,第二次暴雨过程中由于有弱冷空气侵入触发了不稳定能量释放,更有利于暴雨的产生和形成。低层螺旋度正值区与未来12～18h暴雨落区有较好的对应关系,暴雨区高层为螺旋度负值区,螺旋度这种高低层耦合是触发和维持暴雨的动力机制。     

北京一次暴雨过程数值模拟和诊断分析

2012年7月21日10:00-22日02:00,北京地区出现了一次历史上罕见的特大暴雨天气过程,对当地人民的生命财产造成了严重损失.采用新一代中尺度数值预报模式WRF V3.3.1对这次极端降水天气过程进行数值模拟研究,并运用模式输出结果对其发生、发展机制进行了研究.主要结论有:WRF模式能够较好地模拟出这次暴雨的落区、暴雨中心、24 h累积降水量等;此次强暴雨过程主要是由低空中β尺度涡旋造成的,即中β尺度涡旋随时间的演变决定降水落区及降水强度;最后利用相对螺旋度诊断了整个降水过程,结果显示相对螺旋度的变化对降水增强的临近预报具有明显指示意义.