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。     

旋转坐标系对流体涡旋运动的影响

系统讨论坐标系的旋转对流体涡旋运动的影响 ,分析这种影响在地球物理流体力学相对涡度、速度环量及位势涡度方程的各种形式中的表现 ,以及与流体力学对应的 Helmholtz方程的变形形式 ,通过分析 ,更清晰地揭示科氏力产生 (或制造 )涡度及其影响涡度变化的机理。     

现代气象资料在飞机颠簸预报中的应用

飞机颠簸是大气中的湍流引起的。本文分析了空气的湍流运动与飞机颠簸的关系,以及空气的散度、涡度、温度平流的变化带来的垂直运动与飞机颠簸的关系,从理论上推断出利用垂直速度场、散度场,涡度场,温度平流场等现代气象资料预报飞机颠簸的可行性。并结合实际资料,对所得结论进行了验证。     

倾斜涡度发展与β中尺度低涡

利用中尺度暴雨模式MRM1,对1998年7月21、22日湖北黄石的β中尺度低涡及特大暴雨进行数值模拟,采用湿位涡守恒原理对模式输出的高时空分辨率物理量场进行分析。结果表明,β中尺度低涡是在低层θ水平梯度加大,θe等值线变得更加倾斜、近似陡立而发生SVD的情况下产生的。Pm1在本次特大暴雨过程中是主要的,大大超过pm2,低层对流稳定度绝对值的迅速减小造成垂直涡度的急剧增大,从而形成β中尺度低涡。因此,θe等值线变得陡立可能是气旋性涡度激烈发展导致对流性特大暴雨形成的一个重要原因。     

四川盆地非典型暴雨过程分析

 基于NCEP 1°×1°资料,且在高空探测和卫星云图的基础上,利用涡度方程分析了2009年6月28日四川盆地发生的区域暴雨过程,结果表明:①500 hPa环流变化与贝加尔湖南侧低槽扰动及高原切变线有关,在暴雨开始前后降水环流形势出现较快的调整,贝加尔湖冷槽南移影响四川盆地.700 hPa西昌一带的西南风加大,并在雨区具有中尺度结构的降水云团发展.②诊断分析表明,局地涡度分布对降水系统的发展具有重要作用,在短波槽扰动区域内,通常∂ζ/∂t>0.暴雨临近时,正局地涡度变化区域偏北,槽偏北,雨区仍为负局地涡度.暴雨开始时,雨区上空转为正局地涡度.在700 hPa上,正局地涡度的分布也对低层降水系统发展起到重要作用,正局地涡度变化的分布首先是开始于盆地西北部,然后发展到暴雨区域,再逐渐往盆地南部发展,与云团移动路径和降水发生趋势较为一致.③一定程度上,当500和700 hPa两层的正局地涡度变化中心位置叠加在同一地方时,正涡度深厚,往往是暴雨发生的区域,因此正局地涡度变化可以作为判断降水落区的一个物理要素来参考.     

非定常Stokes方程混合有限元方法

本文给出二维非定常Stokes方程的流函数-涡度表达式, 采用混合有限元方法分别讨论流函数方程和涡度方程,得到流函数、涡度及流速场的最优阶L2误差估计。     

98.7暴雨中尺度系统发展的视涡源涡度变率诊断分析

利用 MM5输出的高分辨率资料和视涡源与总涡源诊断方程对“98.7”特大暴雨的涡度场、视涡源、总涡源进行了诊断分析 .结果揭示 :此次暴雨的发生和发展与其视涡源、总涡源的生成和发展直接相关 .正视涡源柱和总涡源柱的存在及强烈发展是强暴雨中尺度系统发生发展的主要动力机制 ,这种机制有利于突发性特大暴雨发生 .暴雨的落区基本处于视涡源、总涡源中心位置的下方 .因而 ,视涡源与总涡源的强度及所处的位置为雨强及落区的预报提供了参考依据     

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。     

潮致垂直涡动粘性系数的参数化

在理想地形条件下利用POM设计一套理想数值试验，由Mellor-Yamada湍流闭合方案对潮流所导致的海洋近底层垂向混合作用进行模拟计算，统计分析了不同水深和潮流振幅情况下潮致底混合层厚度和垂直涡动粘性系数的分布，进而对潮流引起的垂直混合作用进行参数化，得到了一个潮致垂直混合涡动粘性系数的拟合公式.将该公式应用于原理想试验中以取代在模式开边界加潮流边界条件的做法，得到了与加潮流边界条件较为一致的计算结果，验证了参数化方案的可行性.将该参数化方案应用于渤海、黄海和东海环流数值模式中，模拟的海洋温度三维结构与实际观测基本吻合.     

CLT桨的尾流场及梢涡特性数值分析

为了探究尾流收缩叶梢负载(CLT)桨的尾流场及梢涡特性,基于商业计算流体力学软件Star-CCM+对CLT桨P1727的尾流场进行了数值模拟.计算采用DDES(延迟分离涡)方法在进速系数J=0.5的工况下对三套网格进行了不确定度分析,确认了数值方法的可行性,然后对螺旋桨的敞水性能及尾流场进行了计算.研究表明:尾流场的网格细化对螺旋桨的推力及扭矩只有微弱影响,对桨后的流场具有较大影响;尾流区域轴向速度分布分为加速流与自由流,进速系数越大,加速流与自由流的分界线向外扩散的趋势越弱;相邻梢涡之间会发生融合,进速系数越大,融合得越晚,梢涡强度越弱;CLT桨相较于常规桨多出一个端板涡,并且会与梢涡融合;梢涡在向下游发展的过程中,会有明显的收缩现象.     

中国东部地区一个中尺度对流涡旋的涡度收支分析

中尺度对流涡旋(MCV),与其他中尺度涡旋不同,有着其独特的动力机制与发展途径.一旦MCV形成,极易产生灾害性天气过程.为了解我国的MCV,使用非静力中尺度模式天气预报和研究模式对中国东部2003年7月4至5日降水过程进行了高分辨率的双向三重嵌套的数值模拟.与观测资料比较,模拟结果较为准确地再现了当时的大气状况.采用了空间滤波的方法对模式结果进行了大尺度背景场与中尺度扰动场的尺度分离,对MCV的结构与移动进行分析,并追随MCV的活动对其的涡度收支情况进行诊断分析.分析表明,大尺度背景场与中尺度扰动场对MCV的作用有着明显的差异.MCV的移动由大尺度背景风场引导;其中辐合作用直接决定了MCV的形成与发展,大尺度水平运动对中尺度涡度的水平输送为水平平流项的主要部分.而由垂直风速的水平变化所导致的水平涡度的倾斜作用在此MCV形成与发展阶段作用并不明显.成熟时的MCV与成熟时的中尺度对流复合体类似有着3个明显的环流,在对流层高层与低层均为辐散反气旋性环流,对流层中层则为较为深厚的气旋性环流.     

用谱分解法求涡动力方程数值解

随着车辆行驶速度的不断提高,气流噪声在车辆总体噪声中所占的比例越来越高因此,如何降低车辆的气流噪声成为国内外学者开始关注的问题由于车外脉动压力是产生气流噪声的源,而车外绕流流场中的涡则是脉动压力产生的原因,所以,弄清车外流场中涡的分布规律对于这一问题的研究至关重要涡动力方程是描述车外流场中涡量分布的控制方程,该方程是一个强非线性方程笔者采用谱分解方法,拟订了一种求解二维涡动力方程数值解的具体步骤,并给出了一个具体算例     

2012年8月12-13日豫西暴雨过程分析

利用MICAPS常规气象观测资料、NCEP1°×1°6小时分析资料、三门峡多普勒天气雷达资料、自动雨量站资料对2012年8月12-13日豫西地区的暴雨天气过程进行诊断分析,结果表明：①台风“海葵”登陆减弱后的低压环流与中纬度低槽相配合,是造成此次豫西暴雨的主要原因.②前期气温较高,不稳定能量大量积聚,冷锋的影响为冲破不稳定层结提供了外部抬升条件.③减弱后的台风“海葵”带来的我国东部沿海的水汽输送与低层剧烈水汽辐合为此次暴雨提供了所需的水汽.④大范围上升运动区的出现和发展,为强降水的产生提供了动力条件.⑤本次暴雨过程中,高层湿位涡正压项大值区向下伸展,中低层气旋性涡度增大,上升运动加强,有利于降水加强,因此高层湿位涡侵入下伸,对暴雨起到增幅作用.     

Diagnostic analysis of mesoscale rainstorms in the Jiang-Huai valley of China with convective vorticity vector

By the vector product of absolute vorticity vectors and equivalent potential temperature gradients, a new vector, convective vorticity vector (CVV) is readdressed after Gao et al., and is applied to the study of the development and movement of mesoscale rainstorms in the Jiang-Huai valley of China by using high-resolution simulation data with PSU/NCAR MM5 briefly. The results show that the CVV, especially its vertical component which is closely related to interactions between vertical secondary circulations and horizontal equivalent potential temperature gradients, may be a good tracer and diagnostic tool in the study of mesoscale rainstorms in the Jiang-Huai valley of China. And the main physical processes responsible for the variations of the vertical component of the CVV are discussed briefly based on its tendency equation proposed in this article.     

充液航天器试验的三维数值分析

对自旋充液航天器地面气浮台试验的动力学特性进行了分析和计算。以刚体系统的动量矩定理和流体运动的基本方程为基础，考虑液体晃动、涡旋、重力、离心力及Ｃｏｒｉｏｌｉｓ力等因素的影响，并运用Ｐｆｅｉｆｆｅｒ推广的关于流体均匀涡旋运动的理论，导出了液体晃动的边值问题和流固耦合旋转系统运动的联立微分方程组。运用边界元方法求解了重力场中部分充液偏置贮箱内液体晃动的三维边值问题，并将系统运动的联立微分方程组交换后化为广义特征值问题来求解。从而求得液体晃动的能量耗散率和系统的章动时间常数。     

2009年春季长江中下游地区连阴雨过程分析

  2009年2月14日至3月8日,长江中下游地区出现低温连阴雨天气,对该地区的工农业生产、经济发展、人民生活产生了极大的影响。本文利用合成平均方法对2009年长江中下游地区出现的低温连阴雨天气进行客观分析,并与2008年同期的连晴少雨过程进行对比,发现持续低温连阴雨过程除须有深厚、大尺度的环流背景支持外,还需干冷空气与暖湿气流在长江中下游地区交汇,促成大气的不稳定;对比连阴雨过程中的西风指数和降水强度,发现两者的对应关系非常好,一定程度上反映了大尺度环流的强弱对天气过程强度的直接影响,涡度、散度的垂直分布使较强的上升气流发生在中低层,使水汽与动力抬升条件达到最佳配置,非常有利于降水的产生;通过观察这次典型的春季低温连阴雨过程开始前5天的形势场,发现在对流层中下部,被青藏高原分成的南北两支气流的分布对此类连阴雨过程的提早预报具有一定的指导意义。     

Generalized moist potential vorticity and its application in the analysis of atmospheric flows

Potential vorticity(PV)serves as an important dynamic tracer for large-scale motions in the atmosphere and oceans.Significant pro-gress has been made on the understanding and application of PV since the work of Hoskins et al,who introduced an"IPV thinking"of a dynamical system in a purely dry atmosphere.In particular,there has been a substantial amount of work done on the PV in a general moist atmosphere.In this paper,the generalized moist potential vorticity(GMPV)and its application in the mesoscale meteorological fields are reviewed.The GMPV is derived for a real atmosphere(neither completely dry nor saturated)by introducing a generalized potential temperature instead of the potential temperature or equivalent potential temperature.Such a generalization can depict the moist effect on PV anomaly in the non-uniformly saturated atmosphere.The effect of mass forcing induced by rainfall on the anomaly of GMPV is also reviewed and a new dynamic variable,the convective vorticity vector(CVV),is introduced in connection with GMPV.2008 National Natural Science Foundation of China and Chinese Academy of Sciences.Published by Elsevier Limited and Science in China Press.All rights reserved.     

Numerical simulation of Meiyu front and the diagnosis of moist vorticity vector

Moist vorticity vector is introduced to study the development and evolution of mesoscale convective vortex (MCV) in the Meiyu front precipitation with the Advanced Regional Predication System (ARPS). In this study, the heavy rainfall is simulated to investigate the genesis, development and dissipation of middle scale convective vortex, which occurred from 0000 UTC 3 July to 1200 UTC 5 July over the Jianghuai River valley. Moist vorticity vector (MVV) has zonal, radial and vertical components in its 3D spatial distribution. The simulation shows that the vertical component of moist vorticity vector well demonstrates the spatial distribution characteristics of middle scale convective vortex, especially in the process of Meiyu front precipitation. Diagnosis upon zonal, radial averaged and mass-integrated quantities of MVV shows that its vertical component and the surface precipitating ratio are in phase with a correlation coefficient of 0.68, indicating that the vertical component of MVV is closely associated with the Meiyu front precipitation. In addition, the tendency of the vertical component of MVV is mainly determined by the interaction between the vorticity and the zonal and radial gradient of condensational or depositional heating.     

Numerical simulation of Meiyu front and the diagnosis of moist vorticity vector

Moist vorticity vector is introduced to study the development and evolution of mesoscale convective vortex (MCV) in the Meiyu front precipitation with the Advanced Regional Predication System (ARPS). In this study, the heavy rainfall is simulated to investigate the genesis, development and dissipation of middle scale convective vortex, which occurred from 0000 UTC 3 July to 1200 UTC 5 July over the Jianghuai River valley. Moist vorticity vector (MVV) has zonal, radial and vertical components in its 3D spatial distribution. The simulation shows that the vertical component of moist vorticity vector well demonstrates the spatial distribution characteristics of middle scale convective vortex, especially in the process of Meiyu front precipitation. Diagnosis upon zonal, radial averaged and mass-integrated quantities of MVV shows that its vertical component and the surface precipitating ratio are in phase with a correlation coefficient of 0.68, indicating that the vertical component of MVV is closely associated with the Meiyu front precipitation. In addition, the tendency of the vertical component of MVV is mainly determined by the interaction between the vorticity and the zonal and radial gradient of condensational or depositional heating.