西南涡大气边界层结构的数值模拟Ⅱ:边界层物理量的数值分析

本文在计算分析了一个西南涡Ekman层流场特征的基础上,进一步对该西南涡边界层涡度、散度和垂直速度进行了数值分析,初步得出了西南涡在边界层内的垂直结构及物理量分布特征。     

夏季青藏高原加热和大尺度流场的热力适应

使用1986～1995年7月逐日NCEP/NCAR再分析资料,利用位涡方程进行了盛夏季节大气环流场对于青藏高原热源强迫适应调整的诊断分析.揭示了夏季高原上空低层气旋式及高层反气旋式环流结构稳定维持的动力学机理.结果表明高原加热作用造成的低层正涡源是低层气旋式环流得以稳定维持的重要原因.而边界层摩擦产生的负位涡是平衡正位涡的主要因素.加热还在高原上空形成负位涡,侧边界位涡通量收支的分析表明,西边界和南边界有净的正位涡向外输送,但小于东边界和北边界的负位涡向外输出,高原上空大气因而成为影响盛夏大气环流的负涡源.这也是青藏高原上空强大而稳定的反气旋环流得以维持的重要因素.     

一个新的Ekman泵公式在大气边界层Ekman垂直速度计算中的应用

利用GCM模式资料和Tan最新得到的具有复杂边界的层结大气边界层的Ekman泵公式,计算了大气边界层顶的Ekman垂直速度.结果表明,除青藏高原外,一般地区的大气边界层顶垂直速度的量级为每秒零点几厘米.在青藏高原地区,大气边界层顶的垂直速度可达每秒几厘米的量级,其分布类型在冬季和夏季显著不同,与该地区的盛行风系紧密相关.将新的Ekman泵公式的结果与经典的Ekman泵公式的计算结果进行比较,讨论了二者间的异同.     

湍流交换系数的水平非均匀对Ekman抽吸的影响研究

利用地转动量近似理论,讨论了湍流交换系数（K）存在水平非均匀的条件下,边界层顶Ekman抽吸,研究表明：K的水平变化对Ekman抽吸有明显的影响,这种影响决定于边界层内的气压场、边界层顶的风场和K的梯度之间的关系,在气旋性涡旋中,当K由涡旋中心向外增大时,它增加边界层顶的Ekman抽吸,反之,减少Ekman抽吸。Ekman抽吸增加的幅度与K的梯度值有关,与边界层内水平气压梯度有关。     

长江中游地区近年夏季旱涝异常的大气环流差异

以长江中游夏季1998年特大洪涝和2000年异常干旱为实例,对500hPa月平均高度场,极涡,阻塞高压,西太平洋副热带高压强度,面积指数等因子,进行同期大气环流特征对比分析,结果表明,1998年和2000年夏季东亚地区从北到南大气环流具有显著差异。     

2008年西北太平洋和南海热带气旋异常活动的分析

描述了2008年西北太平洋及南海热带气旋的活动特征,对2008年赤道中东太平洋海温和西北太平洋副热带高压特征量进行了分析,同时对2008年的E1Nino,LaNina,南方涛动现象进行了简略的论述,并用500hPa月或候平均环流形势解释了2008年热带气旋登陆早和登陆多的原因,说明500hPa月或候平均环流形势对热带气旋登陆预报有一定的意义．     

黄河下游春季一次大暴雨过程的结构特征及落区分析

利用HLAFS资料和实况资料,对2003年4月17日至18日发生在黄河下游的一次强暴雨过程的大尺度环流背景和物理量场的结构特征进行了分析。结果表明,本次暴雨是高空冷空气、低空低压切变线和黄淮气旋外围倒槽共同影响造成的;从南海到山东的西南低空急流为暴雨区提供了充沛的水汽和能量;暴雨区850hPa上的高θse,700hPa上的强烈垂直上升运动,以及低空辐合、高空辐散是造成暴雨的有利物理量场特征。大的正涡度区位于500hPa以上,600hPa以下为强辐合区,以上则为强辐散区,这种结构配置成为暴雨发生的有利的动力机制。     

基于HYCOM模拟的南海西北部环流

为研究北部湾在内的南海西北部海域环流结构的时空特征,本文基于Hybrid Coordinate Ocean Model(HYCOM)模式和气象强迫数据,通过三重嵌套模拟研究南海西北部环流在风力强迫下的结构及其时空分布特征,结果表明:(1)南海西北部流场受季风影响较大,冬季基本为西南向流,夏季基本为东向流,流场结构复杂,外海涡旋众多,Ekman运动特征较为明显;(2)北部湾流场呈现出较强的密度流特征,冬季基本为气旋式环流,夏季同时存在较小尺度的气旋式和反气旋式环流; 7月湾口表层的气旋式环流结构向下直接影响到海底;(3)北部湾的海表面盐度受蒸发降雨影响较大,盐度分布西低东高,这与湾口和琼州海峡入侵的南海高盐海水有关;(4)在热盐作用和季风驱动下,琼州海峡的表、底层流冬季为西向流,夏季为东向流,冬季广东沿海地区的富营养化海水可能通过琼州海峡影响广西近海海域环境质量。     

北半球平流层高层极涡变化特征的模拟研究

应用一个包含完整平流层的谱元大气模式(SEMANS),对平流层高层极涡进行模拟研究,并系统地讨论了位于平流层高层北半球极涡面积及位置的年际变化特征。结果表明:模式能再现平流层高层及中间层大气温度场及风场的特征,温度在平流层高层随高度的增加而增加,冬季温度变化幅度比夏季大;还可再现1月和7月平流层高层中纬向风随高度的分布特征。平流层高层的极区环流系统9月至次年4月为气旋,6月和7月为反气旋。位于北半球平流层高层的极涡面积在全年过程中呈现先扩大后收缩的趋势,极涡位置在秋冬季变动幅度最大,呈现明显的偏心结构偏向亚洲大陆区,只有夏季表现为绕极环流。位于平流层高层10 h Pa的极涡面积的变化要提前相对于它更高的层次,各层极涡变化相互影响,关系紧密。     

台风季中国热带气旋降水的典型模态及显著影响因子

本文利用客观分离的热带气旋降水的台站资料,运用经验正交分解法分析了台风季中国热带气旋降水的前两个主要典型模态及其与同期西北太平洋热带气旋源地路径的关系,以及与海表面温度和500 hPa环流场的关系.结果表明:热带气旋降水第1模态表现为以华南西南为正中心而华东为负中心的偶极子振荡型,此模态出现于赤道中东太平洋海表面温度一次冷异常过程的鼎盛时期,对应的西北太平洋500 hPa环流异常主要表现为低纬中西太平洋海域的东风异常以及中国区域北高南低的环流异常,在这样的环流异常配置下,热带气旋源地显著偏西,西行路径显著偏多,而北折路径较为偏少.热带气旋降水第2模态表现为以华东及海南南端区域为正中心的中国大部地区的一致同步型,此模态出现于赤道中东太平洋海表面温度一次冷异常逐渐减弱并向暖异常过渡的相位变化时期,对应的西北太平洋500 hPa环流异常各月差异较大,7、9月份的环流异常配置使热带气旋路径偏南更易侵袭我国海南等南端区域,而8月的环流异常配置导致热带气旋源地偏北,中国东南近海热带气旋生成频数显著偏多,且其路径更易北折影响华东地区.     

等离子激励器对附面层的诱导作用

对等离子体发生器诱导低速流动流体附面层的流畅场热性进行了数值模拟.研究了等离子体发生器激励强度、等离子体发生器尺寸、主流速度等对低速流动流体的附面层诱导作用.研究中的等离子体由射频发生器产生,结果表明,等离子体发生器对低速流动流体的附面层有较大影响.该研究成果可用于飞行器头部、机翼及发动机叶片的附面层及流动分离的控制,改善飞行器及发动机的流场特性.     

边界层分离流动的三层结构理论计算

在流动分离的高雷诺数渐近理论“三层”理论的基础上,发展了一套计算二维定常不可压脱体分离三层结构的数值方法。采用相互作用程序控制方程组获得了椭圆型的数学结构,克服了传统边界层计算不能通过分离点的困难,得到了分离点附近的流场分布。计算结果令人满意。     

离心式压缩机无叶扩压器内三元紊流附面层的计算

提出了一种计算无叶扩压器两壁面上不可压缩三元紊流附面层的方法。分析中假设径向速度剖面为二阶梯形,且附面层内的速度分布采用能明显表示主流流线偏转角影响的Johns ton的三角形模型。将附面层的动量积分方程与主流的关系式联立起来求解。计算出的无叶扩压器的气动特性与作者的试验结果吻合良好。     

粗糙度对溢流反弧水力特性及紊流边界层的影响

本文对溢流反弧(R=100cm)不同粗糙度模型水力特性进行了系统的试验观测,探讨了壁面粗糙度对反弧水流流速分布、压强分布及边界层发展的影响。综合分析了流速分布及边界层发展的影响因素,得出了反弧水流边界层外部势流流速不受粗糙度影响的结论,并给出了边界层内流速指数n随粗糙度变化的关系式及反映壁面粗糙度影响的边界层厚度计算式。试验发现粗糙度对离心力压强影响甚微。     

流体边界层对低渗透油藏渗流特征的影响

 低渗透油藏孔喉细小、孔隙结构复杂,固液界面相互作用力很大,在靠近孔喉壁面处存在一层流体边界层,阻碍流体在孔喉中的流动。为研究流体边界层对低渗透油藏流体渗流特征的影响,以去离子水在半径分别为10.0,7.5和5.0μm的微圆管中流动的实验数据为基础,通过数据拟合分析,确定了流体流动速度、边界层厚度与压力梯度之间的关系。结果表明,由于流体边界层的存在,低压条件下,去离子水在不同半径微圆管中的流动偏离经典的达西流动规律,表现出非线性特征,且存在启动压力梯度;随着管径的降低,流动偏离达西渗流规律的程度增大,非线性越发明显;随压力梯度增加,流体边界层厚度呈指数规律递减,压力增大到一定程度后,趋于定值。运用不等径毛管束模型,给出低渗透油藏单相流体渗流公式。     

基于优化方法的边界层微分方程求解

通过相似变换得到的边界层常微分方程是非线性微分方程,属于带渐近边界的两点边值问题,可通过选择满足远端边界条件的未定初值,将边值问题转化成初值问题求解。分析了两类边界层微分方程初值对远端边界值的影响,指出可把寻找满足远端边界值的未知初始值的过程看作优化过程,用优化算法求解。对沿等壁温竖壁自然对流边界层微分方程用5种优化算法进行了求解,结果表明优化算法求解稳定,降低了对初值选择的敏感性。     

驻点磁流体边界层流动、传热和传质的模拟

水平方向放置一无限长高温可渗透多孔介质平板,竖直方向施加稳恒磁场,温度较低的导电流体垂直冲击该平板后,在平板驻点附近会形成很薄的边界层,边界层内将发生流动、传热和传质等物理过程,在此过程中要考虑辐射换热的影响.辐射热源项采用Rosseland假设进行简化处理,采用配置点谱方法进行空间离散求解.讨论了抽吸系数、磁场参数、辐射参数、对流换热参数等对边界层内流动、传热和传质及其壁面摩擦系数、努塞尔数和舍伍德数等的影响.结果表明,抽吸系数和磁场参数的增大使得速度边界层变薄,辐射参数增大使得温度边界层变厚.     

考虑重力及离心力的溢流坝反弧段紊流边界层动量积分方程

分析了溢流坝反弧段水流的运动特征及影响边界层发展的主要因素,认为溢流反弧水流边界层与绕流边界层是不同的。在边界层外水流为有势流动的假设条件下,考虑重力、离心力作用及自由水面存在的影响,提出了溢流坝反弧段紊流边界层动量积分方程式,可用于分析计算溢流坝反弧段边界层的发展厚度。     

戈壁夜间大气边界层的数值模拟研究

本文采用一维非定常边界层模式研究了戈壁下垫面夜间边界层的结构和发展规律，得到了戈壁下垫面的夜间冷却条件下辐射逆温层的形成和发展以及下波风建立的典型时空图象。并与实测资料进行了比较。文中还对局地逆向流和地面降温率对辐射逆温层高度和下坡风的影响进行了试验。     

层流边界层流动数值计算的伪谱方法

通过引入身气泡的方法可减少船（或艇）在水中的摩擦阻力，作为这一问题的部分工作，对平板在自由来流情况下的层流边界层用伪谱方法进行了数值模拟，直接用伪谱矩阵方法对边界层方程进行离散计算，与经典结果相比较，本方法求解的结果精度一致，速度更快。