中小尺度过山气流的动力问题研究

中小尺度地形的强迫抬升和屏障作用对大气运动有显著影响.概述性地回顾了在不同大气条件下气流经过各种中小尺度理想地形所产生的垂直传播的过山波和水平传播的背风波等现象的线性和非线性理论研究进展.分类归纳了中小尺度过山气流的各种数值实验和外场观测实验,总结了包括气流分离、重力波破碎、水跃、强下坡风、转子等在内的非线性现象及其可能联系.回顾线性理论、外场观测及数值模拟的研究表明,线性理论能刻画中小尺度过山气流的部分特征,高时空分辨率的数值模式能模拟各种非线性现象.文中指出,在理论分析中要进一步加强理想大气条件和实际天气系统特征的结合,定量地研究气流过山时地形的动力作用;在探究过山气流各种非线性现象成因和演变规律的同时,应该更多地研究这些动力现象在实际暴雨中的作用,从而改进暴雨预报.同时,在大气环流模式次网格地形波参数化方案中考虑非线性山脉波动阻力将会有更好的模拟效果.     

大气中非线性的惯性重力内波

本文从P坐标系的非线性大气动力学方程组出发,导出惯性重力内波满足非线性的KdV方程。它的解为椭圆余弦波和孤立波,并讨论了惯性重力内椭园余弦波和孤立波的动力学主要特征。对有限振幅的惯性重力内波,建立了包含波的振幅因子非线性惯性重力内波的色散关系,它的特殊情况即是通常线性的惯性重力内波的色散关系。     

湍流和分子扩散对大气重力波翻转时间影响的模拟研究

重力波翻转意味着对流不稳定并伴随有非线性的波流相互作用,这是重力波改变背景大气结构的重要途径之一.利用自主建立的模拟重力波非线性传播过程的二维数值模式,研究了重力波的翻转时间(重力波发生对流不稳定时的持续时间)对湍流和分子扩散的依赖关系.模拟结果表明,翻转时间随着湍流扩散系数的增加而减小.通过与三维数值模式模拟的重力波翻转时间进行比较,适当调整湍流扩散系数,使得从二维模式得到的翻转时间与从三维模型得到的翻转时间具有可比性,从而得到湍流扩散系数的最优值.分子扩散从低热层开始,以指数形式增大,从而能够有效地耗散掉小尺度波动并使得重力波能够更快地恢复到稳定状态.     

分层流风波水槽中基于线阵CCD水面影像反演内孤立波的实验研究

在大型重力式分层流风波水槽系统中,利用风生波原理模拟水面随机小尺度波场,采用重力塌陷方式产生大振幅孤立子内波,通过线阵CCD影像记录其传播过程中引起的水面小尺度波结构变化,分析孤立子内波对水面短重力波及毛细(重力)波的影响规律,建立线阵CCD图像灰度特征与内波要素特征的关系,进而由水面波场变化反演出水下孤立子内波的特征结构.实验结果证实了本文方法的有效性,也为实际利用海面粗糙度及海水层化特性遥感海水内部动力学研究提供了新的途径.     

重力波与不同背景风场之间的非线性相互作用

采用二维可压缩大气中重力波非线性传播的数值模式和线性重力理论，研究了重力波在反向和同向(是指风场方向与重力波水平相速度方向相反和相同)背景风场中的传播过程. 结果表明：反向背景风场将拉伸重力波的垂直波长，加速重力波的上传，这一效应导致重力波在较短的时间内上传到较高的高度上并发生不稳定，引起背景风场产生反向射流. 反向射流经过非线性波流相互作用导致重力波的垂直波长逐渐变短. 重力波在同向背景风场中传播时，其垂直波长和群速度都减小，推迟了重力波发生不稳定的时间. 虽然大部分重力波被限制在同向风场中的不稳定区域内，但在不稳定区域上方仍有部分重力波继续稳定地向上传播. 对重力波在反向和同向背景风场中的非线性传播情况的模拟发现，与重力波在同向背景风场中的传播情况相比，重力波与反向背景风场之间的非线性相互作用也非常强烈，而不像经典线性理论预测的那样可以自由传播，并且重力波在反向背景风场中传播时的垂直波长与线性理论预测的结果差别很大.     

一个含地形的二阶矩湍流闭合的大气中尺度数值模式

建立了一个包含地形作用的二阶矩湍流闭合的二维大气中尺度数值模式，该模式不仅具有描述大气边界层及其内湍流结构的能力，而且还能很好地模拟非线性地形波、波破碎观象以及波破碎区内的湍流结构．     

半地转近似下正压大气中的非线性波动

本文在半地转近似下讨论了正压模式大气中的非线性 Rossby 波.结果表明:这些非线性 Rossby 波可以是椭圆函数形式的波、孤立波或冲击波;产生这些波动的条件是由一个称之为“总能量”的物理量给出的,同时还敏感地依赖于相应量的初相值;文中还求出了一支没有线性近似对应的新频率的非线性波解,它纯粹是非线性效应的产物.     

分层热带海洋模式中的Rossby波和Kelvin波：初始混合层深度…

利用一个两层半的热带海洋模式，采用数值实验的方法研究了热带海洋对初始海洋混合层深度异常和大气季节内时间尺度热国强迫激发产生了Ｒｏｓｓｂｙ波和Ｋｅｌｖｉｎ波。研究表明，初始海洋混合层深度异常和大气热力强迫，可以在两层半热带海洋模式中激发产生东向传播具有Ｋｅｌｖｉｎ波性质的波动和具有Ｒｏｓｓｂｙ波性质的波动。热力强迫激发产生海洋Ｒｏｓｓｂｙ波和Ｋｅｌｖｉｎ波所需时间长于初始海洋混合层深度异常和大气季节     

过山气流与地形形状

为了有效地模拟过山气流中可能出现的波破碎现象,本文采用高阶矩湍流闭合的二维大气中尺度数位模式,利用该模式模拟了有限高度的三种不同形状地形上的过山气流,讨论了地形形状对过山气流的非线性作用.     

地形及标量非线性作用下的Rossby孤立波机制研究

地形及标量非线性作用下的Rossby孤立波具有不同的演化机制，为理解及解释实际大气运动提供了一定的理论依据。首先，从具有球面效应下的地转平衡和浅水模型出发，利用尺度分析等手段得到了具有标量非线性项意义下的位势涡度守恒方程。其次，利用多重尺度及摄动展开法，推导了非线性Rossby孤立波振幅演变所满足的Gardner方程。通过定性分析及定量数值计算模拟了Rossby孤立波的生成、发展过程。揭示了地形、标量非线性在Rossby孤立波的激发和传播中有着重要作用。     

Numerical Simulation on Stratified Flow over an Isolated Mountain Ridge

The characteristics of stratified flow over an isolated mountain ridge have been investigated nu-merically. The two-dimensional model equations, based on the time-dependent Reynolds averaged Navier-Stokes equations, are solved numerically using an implicit time integration in a fitted body grid arrangement to simulate stratified flow over an isolated ideally bell-shaped mountain. The simulation results are in good agreement with the existing corresponding analytical and approximate solutions. It is shown that for atmos-pheric conditions where non-hydrostatic effects become dominant, the model is able to reproduce typical flow features. The dispersion characteristics of gaseous pollutants in the stratified flow have also been stud-ied. The dispersion patterns for two typical atmospheric conditions are compared. The results show that the presence of a gravity wave causes vertical stratification of the pollutant concentration and affects the diffu-sive characteristics of the pollutants.     

Transport of Yellow Sand in Stratified Flow over an Isolated Mountain Ridge

The transport of yellow sand over mountain regions in the presence of internal gravity waves has been investigated numerically. The motion of yellow sand particles has been simulated in a Lagrangian frame of reference by solving the time-dependent Reynolds averaged Navier-Stokes equations. An implicit time integration in a fitted body grid arrangement was used to simulate the stratified flow over an isolated ideally bell-shaped mountain. The transport and deposition of particles of various sizes, and of the altitudes where particles were released have been analyzed. Particular attention was given to transport patterns of different sized particles in various atmospheric conditions. The results show that the particle size and the re-lease altitude are both important factors in determining the trajectories of the particles. Small particles tend to be transported a long distance over the mountains, whereas heavier particles settle down around the re-lease source. Due to the existence of an internal gravity wave, the particle release altitude affects the trajec-tory of the particles. The analysis and results provide a very useful tool for the study of atmospheric flow and transport of pollutants over real topographies.     

Behavior of gravity waves with limited amplitude in the vicinity of critical layer

By using the FICE scheme, a numerical simulation of three-dimensional nonlinear propagation of gravity wave packet in a wind-stratified atmosphere is presented. The whole nonlinear propagation process of the gravity wave packet is shown; the propagation behavior of gravity waves in the vicinity of critical layer is analyzed. The results show that gravity waves encounter the critical layer when propagating in the fair winds whose velocities increase with height, and the height of critical layer propagating nonlinearly is lower than that expected by the linear gravity waves theory; the amplitudes of gravity waves increase with height as a whole before gravity waves encounter the critical layer, but the increasing extent is smaller than the result given by the linear theory of gravity waves, while the amplitudes of gravity waves reduce when gravity waves meet the critical layer; the energy of wave decreases with height, especially at the critical layer; the vertical wavelength reduces with the height increasing, but it does not become zero.     

瑞利波泄漏模式的模拟研究

瑞利导波相速度频散曲线有时会出现截止或截断现象,此时必须考虑泄漏模式波的存在,如何快速求取泄漏模式波的相速度大小是研究的核心问题．采用添加附加层的方法,使瑞利波实频散方程求根的范围包含所有的层速度区域,从而可用Abo—zena,Menke和Bixing Zhang等学者研究过的传递矩阵理论,利用二分法求解相速度大小,即用导波来模拟计算泄漏模式波相速度大小．从模拟计算结果来看,附加层法不仅能模拟出原模型的实数导波,而且还能计算出泄漏模式波的变化．由此可见,用附加层法来计算瑞利波的泄漏模式是可行的;同时,若将该方法应用于瑞利波勘探的反演,它不会增加未知数的个数。     

Verification of GRAPES unified global and regional numerical weather prediction model dynamic core

During the past few years, most of the new developed numerical weather prediction models adopt the strategy of multi-scale technique. Therefore, China Meteorological Administration has devoted to developing a new generation of global and regional multi-scale model since 2003. In order to validate the performance of the GRAPES （Global and Regional Assimilation and PrEdiction System） model both for its scientific design and program coding, a suite of idealized tests has been proposed and conducted, which includes the density flow test, three-dimensional mountain wave and the cross-polar flow test. The density flow experiment indicates that the dynamic core has the ability to simulate the fine scale nonlinear flow structures and its transient features. While the three-dimensional mountain wave test shows that the model can reproduce the horizontal and vertical propagation of internal gravity waves quite well. Cross-polar flow test demonstrates the rationality of both for the semi-Lagrangian departure point calculation and the discretization of the model near the poles. The real case forecasts reveal that the model has the ability to predict the large-scale weather regimes in summer such as the subtropical high, and to capture the major synoptic patterns in the mid and high latitudes.     

潮汐锁相行星的大气环流与气候

红矮星是宇宙中数量最多的恒星,其表面辐射温度比太阳的辐射温度低得多,因此,红矮星的宜居带与恒星的距离非常近．因为距离其恒星较近,在强大引力的作用下,位于红矮星宜居带内的宜居行星很可能是潮汐锁相行星．锁相行星的特征是其一侧永远面对恒星,另一侧则永远背对恒星,从而形成极端不均匀的加热．我们在本文中使用一个真实的大气环流模式与平板海洋相耦合来研究锁相行星表面的气候要素和大气环流特征．我们特别针对两种自转速度进行了模拟试验．结果发现,在慢速自转条件下（自转和公转周期均为243天）,大气环流基本是热力驱动的下层辐合和上层辐散的运动,行星的表面仅有恒星直射点附近比较湿润,其他区域均比较干燥,背阳面尤其寒冷．在快速自转条件下（自转和公转周期均为l天）,科里奥利力的作用比较显著,大气环流以纬向西风为主,并呈现波动特征,赤道上空出现超级旋转的西风急流,湿润区域显著扩大．EP通量诊断分析表明,赤道超级旋转急流是由于热带Rossby波随高度向极地方向传播所产生的EP通量在赤道附近的辐散造成的．     

水槽二维聚焦波浪特性试验研究

为更好地模拟波浪的非线性变化过程,给出了在实验室水槽中采用波浪聚焦产生极限波浪的方法.针对聚焦波浪的特点,采用波峰聚焦和波谷聚焦相加减的方法分析了其谐波分量的特性,结果表明,波浪之间的相互作用,导致低频和高频谐波分量的产生;非线性波浪随着输入波幅的增大而增大,高阶分量的频率范围随着输入频率范围的增大而增大.     

基于边界造波法的波浪数值生成

一般边界造波法只是用来生成线性波,至于边界造波法对不规则波、孤立波和强非线性波等是否适用,并没有做过多分析与研究。基于线性波、二阶Stokes波以及孤立波的速度和波形解析表达式,采用边界造波法,借助FLUENT软件中的用户自定义(UDF)功能,通过二次开发在FLUENT中实现波浪的模拟,并对它们的数值解与解析解做出比较,以此来验证边界造波法的适用性。计算结果表明,该数值水槽能有效模拟这三种波浪。     

某超燃冲压发动机尾喷管的三维流场特性

超燃冲压发动机结构简单,推重比大,应用前景广阔.但其流场结构十分复杂,研究超燃冲压发动机三维流场结构具有重要的意义.采用计算流体力学软件对某超燃冲压发动机尾喷管的三维流场进行数值模拟,先后得到了流场的密度、马赫数、涡量及速度矢量线图.结果表明:喷管内及侧壁面出口处存在膨胀波.各个壁面出口处附近的流场存在羽流激波和剪切层,内喷管出口周围的羽流激波和剪切层呈环状分布在流场周围,上壁面尾部受羽流激波的影响产生一道由压强决定的管内斜激波.内喷管出口及上壁面尾部处也均存在流向涡结构.