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[硕士论文] 陈馨
应用数学 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:近几年,随着人们对地球流体力学与大气动力学的深入研究,一系列的成果不断涌现,其中,Rossby孤立波的研究作为一类特殊的、重要的分支,具有重要的理论意义和研究价值.Rossby波,又称为行星波,其形成与地球的形状和旋转效应有关,是最具有代表性的波动现象.本论文采用理论分析以及数值模拟相结合的方法,分别建立了在正压以及斜压大气条件下,几类描述Rossby孤立波的不同方程模型,并对其进行了深入研究.
  在第一章中,主要介绍了Rossby孤立波的理论起源,讨论了本文所研究的问题的背景与研究意义,另外,还介绍了Rossby孤立波理论的国内外研究现状,并列举了在该领域已经取得的成果.本文的主要研究内容就是在前人研究的基础上进行再创新,得到一系列重要的理论成果.
  在第二章中,研究了描述(2+1)维耦合的包络Rossby孤立波的模型.首先,基于正压流体中的准地转位涡方程,利用摄动法和时空伸长变换,推导出描述(2+1)维耦合的包络Rossby孤立波模型,即耦合的非线性薛定谔方程组(CNLS).进一步利用试探函数法求得模型的解,通过分析方程的解得到,两个耦合的孤立波在相互作用的过程中会存在振幅相互抵消的过程,但由于在无耗散的情况下孤立波的能量守恒,两个波在相互作用完之后又沿着各自的方向进行传播.此外,从光孤子通信领域中啁啾的概念出发,研究了在正压大气领域中,Rossby波传播过程中非线性效应和耗散效应引起的啁啾效应,得到啁啾效应与参数α之间的关系.
  在第三章中,针对海洋和大气中的代数Rossby孤立波,采用摄动法和小参数扰动展开法,得到一类新的描述三维代数Rossby孤立波生成与演化的模型,即ZK-BO方程.基于模型通过试探函数法,求得ZK-BO方程的精确解.通过数值模拟与比较,可以发现三维代数Rossby孤立波的波长较短,而波的振幅较高.另外,本章还研究了耗散作用对孤立波演变产生的影响以及孤立波的裂变性质.通过理论分析得出以下结论:代数孤立波分裂成四个不同的孤立波,且在同一传播方向上振幅大的孤立波传播速度比振幅小的孤立波传播速度快,所以孤立波之间的距离越来越大.
  在第四章中,首先,基于斜压大气条件下的描述流体运动的基本方程组,利用摄动法和小参数扰动展开法推导出整数阶mKdV方程,然后利用半反方法得到一个新的黎曼-刘维尔导数定义下的模型,即时空分数阶mKdV方程.此外,利用Lie群分析又研究了时空分数阶mKdV方程的守恒律,并利用exp(-Φ(ξ))方法求得方程的几类不同形式的解.总结前人对于Rossby孤立波的研究,发现分数阶偏微分方程在这一领域中也发挥着重要的作用,并且对于分数阶偏微分方程的研究为更深层次理解海洋大气中的流体运动打开一扇新的窗口.
  总结以上的研究内容,本文在第五章中给出了总结与展望.
[博士论文] 贾铭蛟
空间物理 中国科学技术大学 2018(学位年度)
摘要:中间层和低热层大气是地球大气向太空过渡的关键节点区域,在日地空间环境各圈层耦合机制中起着承上启下的作用。大气重力波是大气层中最主要的动力学过程之一。重力波通过在垂直方向上对热量、成分、动量和能量的输运,引起大气动力学结构、大气环流和大气热力学结构的变化,成为大气不同圈层之间垂直耦合的重要媒介。近年来,我国在子午工程等项目的支持下,建立了大量的地基观测设备,可用于对中高层大气不同科学问题的研究。本论文,将从地基观测出发,研究重力波在中纬度地区中间层和低热层的传播和特性。
  首先,由重力波色散关系和重力波射线追踪方程出发,我们建立了自主的重力波射线追踪模型。通过观测得到的或者给定的重力波初始参数,选择合适的背景大气模式数据,设定合理的运行步长和终止条件,即可得到重力波前向或是后向的传播路径,并给出重力波的可能源区。从而有助于分析重力波的激发和传播规律。
  随后,基于北京地区多种观测手段,我们对2011年3月1日夜间一个中尺度重力波进行了个例分析。通过对全天空OH气辉成像仪观测数据的处理发现,北京上空中间层顶区域存在一个约2小时周期,东偏南73°方向传播的重力波活动。同时观测的相近的钠激光雷达获取的钠原子柱密度中发现了同步变化的波动响应。随后,结合流星雷达的水平风场数据和SABER的温度数据,我们计算了该重力波的一些基本参数,如动量通量以及能量通量等。利用射线追踪模型,使用ERA-Interim再分析数据和WACCM模式模拟数据,我们得到了该重力波可能的传播路径。根据射线追踪结果,结合大气模式再分析数据,我们认为,该重力波可能是由西伯利亚贝加尔湖附近对流层上部的急流-锋面系统所激发。
  另外,本文还基于我国120°E流星雷达观测链对中纬度地区的高频重力波动量通量进行了研究。本文首次展示了北半球中纬度地区沿120°E子午线的四台流星雷达对中间层和低热层区域大气重力波动量通量和扰动方差的多年观测结果,并揭示了中纬度地区重力波动量通量的季节变化和纬度变化。我们发现,纬向风和纬向动量通量在全年都有着明显的耦合作用。各站动量通量季节性变化中的纬度差异主要源于下层风和各地区重力波源的纬度差异。在重力波扰动方差的季节变化和高度变化中,背景大气风场结构和温度结构起到了决定性的作用。其中的纬度差异也同样是主要源于重力波活动的纬度差异。同时,我们还对观测中发现的部分季节异常和年际异常现象进行了分析,并提出了异常现象的可能的物理解释机制。
[博士论文] 李静
空间物理 中国科学技术大学 2018(学位年度)
摘要:大气波动主要包括行星尺度波、潮汐波、和重力波等,它们在不同空间和时间尺度的大气耦合中起着关键作用。这些波动在低层大气中产生并向上传播,通过波耗散或破碎过程将动量和能量传输到背景大气中,从而对平流层和中间层的大气环流产生很强的动力学效应。另外,在波的传播过程中平均流场也会影响波的产生、传播和耗散。本论文利用地基和星载仪器长期观测的数据,一方面研究了中间层顶不稳定结构ripple的季节变化、及其与背景大气的关系,另一方面研究了北半球极区中高层大气对2015/2016年强厄尔尼诺(El Ni(n)o,EN)和准两年振荡(QBO)异常的响应。综合这些结果我们可以更好地了解波动在整个大气耦合中的作用。
  1、在中高层大气区域,大气重力波通过耗散和破碎将自身的动量和能量传输到平均流中,从而在驱动大气环流中起重要作用。对重力波耗散过程影响最大的机制是动力不稳定性和对流不稳定性,而OH全天空成像仪观测的ripple结构被认为是动力不稳定或对流不稳定的一种表征形式,因此研究ripple的特性和变化有着重要意义。然而,由于缺少长期的中间层温度和风场数据,关于ripple的研究仍留有很多疑问,如ripple与重力波的关系、其与背景大气稳定性和风场的关系等。针对以上问题,基于美国科罗拉多州Yucca Ridge Field台站的(40.7°N,104.9°W)OH全天空气辉成像仪、附近Fort Collins的窄带钠激光雷达和Platteville的中频雷达的观测的多年数据,我们首次对ripple的特性及季节变化、其与中间层背景风场和大气稳定性的关系进行了详细的统计研究。
  结果发现ripple的发生频率呈现出明显的季节变化和对地方时的依赖性,其秋冬季节(尤其是秋季)的发生率要高于其他季节。ripple结构的持续时间和空间尺度(水平波长)主要集中在5-20min和5-10km,且移动方向更偏向于南北向。以往研究普遍认为ripple结构是随着背景风场移动的,当它发生时大气是趋于不稳定的。然而我们的研究结果发现ripple结构并不总是随着背景风场移动,大气不稳定的发生率也(约17%)远低于ripple事件的发生率。多于一半的ripple结构并不随着背景风场移动,而且这些结构的动态不稳定参数Richardson数也相对高于随着背景风场移动的另一类ripple结构,这与前人对ripple和风场关系的研究结果并不一致。
  2、在北半球平流层,行星波(Rossby波)主要通过驱动Brewer-Dobson(BD)环流来影响极区温度和风场,进而引起极涡增强或减弱(比如平流层突然增温)。而2015/2016年冬季早期发生了有记录以来最强的厄尔尼诺事件,持续时间非常长,并且存在QBO的异常阻断。已有研究表明厄尔尼诺和QBO异常都会对北半球冬季极区的中高层大气产生重要影响。本文对北半球极区整个冬季(2015年10月-2016年3月)平流层和中间层大气对低层大气异常气候的复杂响应做了较全面的研究。
  基于北极圈内加拿大地区的Resolute Bay观测站(74.7°N,265.1°E)的OH全天空气辉成像仪、法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Perot Interferometer,FPI)、Aura卫星上的微波探测仪(Microwave Limb Sounder,MLS)数据,我们对2015/2016北极冬季早期(11、12月)的数据进行了分析,在北极中间层发现了多次非常少见的小尺度(水平波长小于20km)重力波事件。其中较为明显的是2015年11月23日和12月18日的两个重力波事件,对应的水平波长均为~18km,持续时间约为35min。
  基于Eureka台站的流星雷达、ECMWF再分析数据和MLS数据,我们对2015/2016年冬季北极平流层和中间层的风温和臭氧的变化进行了统计分析,发现在平流层,风场提前一个月转为西向风,温度提前一个月升高,且这些变化发生的都非常快,而3月份之前臭氧含量一直很低(与正常年份相比)。这一年平流层EP通量散度为负值且比往年低,表明Rossby波在这里破碎的比较多。而在中间层顶(80-95km),3月份之前比较暖,之后开始变冷,这和平流层温度变化呈负相关。以上结果表明在2015/2016年北极异常冬季情况下,对流层产生异常多的行星波并传播到平流层,在平流层破碎并释放动量和能量到背景大气中,对背景大气环流产生一个向西的拖曳(Rossby波的相速度在北半球冬季一般是向西的),由于北极冬季平流层纬向风一般是向东的,向西的拖曳使得背景大气纬向东向风场减速,也减弱了极涡和绕极环流(极涡是向东的),即减速了极区风场。同时增强的Brewer-Dobson造成极区下沉的增强,最终绝热加热使得极区变暖。但是2015/2016年冬季行星波破碎比往年更多,极涡减弱的也更剧烈,即极区风场减弱很快,提前向西转向且很迅速;Brewer-Dobson环流剧烈增强,使得平流层底部变暖较快。这很可能是由2016年3月份发生的异常平流层突然增温引起的,而这次突然增温也与异常厄尔尼诺和QBO现象直接相关。
[博士论文] 张瑞岗
应用数学 内蒙古大学 2017(学位年度)
摘要:非线性波动在自然科学及社会科学中均普遍存在,是一些客观现象及规律的真实表现形式,特别在经典力学、量子力学、流体力学、光学、等离子体等学科中均具有重要的地位.地球物理流体一大气及海洋的运动就是典型的非线性波动现象,研究大气及海洋中的非线性波动动力学问题对于理解及预测天气或气候变化有着指导性作用,因此也是当今科学中的前沿性学科问题.
  本文主要从描述地球物理流体运动的基本方程组或准地转位涡方程出发,采用尺度分析、理论推导、数值计算及借助于符号运算的解析求解方法,研究了地球物理流体中的大、中尺度运动中的非线性波动问题.一方面,考虑了地球旋转所产生的球面效应对非线性波动的影响,包括对阻塞一涡旋作用、对非线性Rossby孤立波生成、演化及衰退的影响;另一方面,考虑完整Coriolis力对非线性波动的影响,包括对非线性近惯性波的定性影响,完整Coriolis力作用下的大尺度准地转理论及完整Coriolis力作用下的非线性Rossby孤立波的生成及演化.
  首先,针对行星波—天气波的相互作用模型.从等价正压准地转位涡方程出发,考虑球面效应产生的推广β(y)效应.一方面,利用行星波与天气波的尺度分离性,通过多重尺度法及摄动展开法;理论推导得到行星尺度阻塞波演变满足的非线性Schr(o)dinger方程或修正的Korteweg-de Vries方程及天气尺度涡旋波满足的线性修正方程.从定性角度分析了推广的β(y)效应对阻塞波的波速及振幅大小变化的影响.然后,进一步通过数值计算讨论了β(y)效应对行星波、天气波及总波流场的影响.另一方面,通过解析求解准地转位涡方程,说明推广β(y)效应对Rossby波阻塞动力学的影响.
  其次,针对完整Coriolis力作用下地球物理流体运动的数学模型.一方面,从基本方程组出发,利用尺度分析、摄动展开等非线性方法,理论推导了中高纬、近赤道中尺度大气非线性近惯性波动振幅演变所满足的非线性Korteweg-de Vries方程,结果均表明Coriolis参数水平分量对非线性近惯性波动具有移频效应,与目前线性近惯性波动的结果是一致的.另一方面,从大气运动基本方程组出发,通过尺度分析,摄动展开理论推导了完整Coriolis力作用下的准地转位涡守恒方程,是传统情形的推广.进一步,借助约化摄动法、多重尺度法研究了完整Coriolis力作用下的非线性Rossby孤立波的产生、演变及衰退物理机制,特别是近赤道地区的大气运动.定性角度指出Coriolis参数水平分量对于非线性Rossby波的波速有影响.
  再次,考虑了高维非线性Rossby孤立波的产生、发展及衰减机制.从准地转位涡方程出发,考虑具有球面效应、地形效应或完整Coriolis力作用下的非线性波动问题.利用多重尺度法及摄动展开法,理论推到了非线性Rossby振幅演变满足的非线性(2+1)维Zakharov-Kuznetsov方程,从定性角度说明了推广β(y)效应具有与剪切基本流等效的诱导高维非线性Rossby孤立波发生的作用;同时,随经向变化的基本地形则对波振幅的相速度有调频作用,随时间缓变地形是强迫作用,对高维非线性Rossby孤立波的发展及衰退有着重要的影响;最后,Coriolis参数水平分量也不容忽略,对近赤道大气Rossby孤立波振幅的线性波速有修正作用,也是一种调频机制.值得注意的是这一结论与所考虑地形尺度有密切联系,因此讨论不同尺度地形对于非线性Rossby孤立波的生成、演变及衰退作用也是本文的重要内容.
  最后,研究了纬向切变基本流作用下的非线性Rossby孤立波问题.从准地转位涡方程出发,考虑纬向切变基本流、推广β(y)效应、地形、湍流耗散及外源强迫等多物理因素作用,通过多重尺度法及摄动展开法,理论推导得到了Rossby波振幅演变所满足的变系数修正的Korteweg-de Vries方程、变系数(2+1)维Zakharov-Kuznetsov方程.定性分析表明纬向切变基本流对于波动振幅的线性相速度及振幅大小有重要影响.同时大地形影响波动经向结构及诱导非线性Rossby孤立波产生,而缓变地形是一种线性增长(衰减)因子.但是,当考虑完整Coriolis力作用时,我们得到激发Rossby孤立波的新物理机制,表明Coriolis参数水平分量同大地形共同作用也是产生非线性Rossby孤立波的重要物理因素,这在传统情形下无法得到.
[博士论文] 尹晓军
应用数学 内蒙古大学 2017(学位年度)
摘要:本文采用尺度分析、理论推导和符号运算相结合的方法,研究了非线性Rossby孤立波的波动问题。一方面,在“传统近似”意义下,考虑地球旋转所产生的球面效应,讨论了Rossby孤立波振幅演变的数学模型。另一方面,从包含完整Coriolis力作用下的准地转位涡方程出发,考虑耗散、外源强迫以及球面效应的作用,在推广的β平面近似(即Rossby参数β是维度变量y的函数)下,通过运用时空伸缩变换与约化摄动法,推导了描述非线性Rossby孤立波振幅演变所满足的各种数学模型。然后通过椭圆函数展开法、扰动方法以及试探函数法求解了这些模型的渐近解,并分析了各因素对Rossby孤立波的生成、演变以及与Rossby孤立波的相互作用的影响,具体内容有以下几部分组成。
  首先,针对从“传统近似”意义下的准地转位涡方程出发,考虑无粘、不可压缩的正压流体,利用约化摄动法和扰动法,推导出非线性Rossby孤立波振幅演变分别满足带有外源强迫作用的非线性KdV方程、外源与β效应作用下的非线性(2+1)维Zakharov-Kuznetsov(ZK)方程以及强迫耗散与β效应作用下的非线性(2+1)维ZK-Burgers方程。接下来运用修正的雅可比椭圆函数展开法和sine-cosine方法求解了上述非线性程的孤立波解,并分析了外源、耗散以及推广的β效应对非线性Rossby孤立波的影响。
  其次,从包含完整Coriolis力作用下的准地转位涡方程出发,考虑耗散、外源以及球面效应的作用,采用相似步骤推导了Rossby孤立波振幅演变满足一维数学模型,推广了在“传统近似”意义下,通常描述Rossby孤立波的模型,然后利用修正的雅可比椭圆函数展开法以及扰动方法求得了这些非线性方程的孤立波解。再次,进一步考虑到地球流体具有多时空尺度的特点,采用约化摄动法、多重尺度法,推导出Rossby波振幅演变分别满足非线性Schr(o)dinger方程和耗散强迫的非线性Schr(o)dinger方程,然后利用试探函数法求得了非线性Schr(o)dinger方程的孤立波解。并应用MATLAB软件作了图像模拟,着重分析了Coriolis力的水平分量、外源和耗散对Rossby孤立波的速度、宽度以及频率的影响。
  最后,研究了非线性(2+1)维Rossby孤立波问题,仍从包含完整Coriolis力作用下的准地转位涡方程出发,考虑耗散、外源以及球面效应等物理因素的作用,理论推导出Rossby孤立波振幅演变满足ZK-Burgers模型以及带有外源强迫的ZK模型,然后应用第二章的求解方法,获得了该模型的孤立波解,通过对解的分析,分析了耗散、Coriolis力的水平分量对(2+1)维Rossby孤立波的振幅,移动速度以及频率的影响。
[硕士论文] 王文迪
气象学 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:中国西北地区东部包括部分青藏高原、黄土高原、河西走廊及内蒙西部,位于青藏高原东北侧,地处亚洲季风影响区边缘,是典型的气候敏感区和生态脆弱区。本研究利用再分析资料和台站观测资料,对该地区夏季近地层主导风向频率进行分析;采用箱法计算西北地区东部各边界水汽通量,并对比分析西北地区东部边界水汽通量与中纬度西风、东亚季风与高原季风强弱年之间的差异。结果表明:
  (1)宁夏全区夏季南风偏角频率和夏季降水量的年际变化有较为显著的正相关。选取南风偏角出现频率较高且波动较明显的位于宁夏中部干旱带的2个代表站,进一步分析气象日内近地层气旋性风场配置与雨日及其与降水量的相关关系。雨日与气旋性风场配置满足较好的同时性对应关系,气旋性风场配置的年际变化对降水量具有较好的指示意义,即站点降水与近地层风场配置年际变化具有一定的相关性。
  (2)通过计算西北地区平均的空中水汽通量,分析西北地区水汽来源。发现西北地区东部夏季水汽输送受中纬度西风和东南季风共同影响,水汽主要来源于中纬度西风,同时南部也有少量季风携带的水汽。
  (3)定量比较了西北地区东部4个边界夏季的年平均净水汽通量,结果表明西北地区东部东边界为水汽净输出,西、北边界为水汽净输入,由西向东水汽输送主要通道在中层(600hPa),东西边界水汽通量较强,南北边界水汽通量相对较弱。
  (4)通过大尺度环流背景下的风与水汽场分析,进一步揭示风与水汽场之间的协同差异关系。即在三种大尺度环流背景下西北地区东部水汽场受多种因素影响,中纬度西风、东亚季风与高原季风强/弱年各边界水汽通量,净水汽收支也存在一定差异,初步得出低层风场变化可能是导致西北地区东部水汽分布差异的主要原因。
[硕士论文] 王瑾婷
气象学 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:本文利用中尺度WRF模式,NCEP/NCAR再分析资料以及常规气象观测资料,对2014年7月11-12日发生在江淮地区的一次飑线过程进行数值模拟、地形敏感性试验和对比分析,研究了在经过大别山地形时飑线内部组织结构的变化特征以及地形对其发展的影响。结果表明:
  (1)实况与模拟均得出了类似的飑线组织结构变化,即飑线在大别山主体西部发展,东部减弱,当飑线移至大别山东侧边缘时发展,在大别山山下位置,飑线中的对流线又有明显的后向新生现象,下山后呈现出成熟飑线特征。飑线经过大别山主体时在山前生成加强,过山后迅速减弱,其主要原因与山前对流不稳定、上升运动大于山后有关;大别山东部边缘对飑线的加强有增幅作用,当午后飑线移至大别山东部边缘时,东部边缘谷风加强并强迫对流单体在飑线的前部新生,试验得出:谷风可使低层风速最大增强6m/s左右,使低层冷空气与西侧暖湿气流持续交汇加强新生对流发展,与后部对流体合并,呈现前向新生型飑线,当无山谷存在时前向新生单体不再出现;大别山山下出现对流的后向新生,其原因为:对流线内部的偏冷出流迅速与西南侧的暖湿气流交绥,从而激发单体新生,使得对流线得以维持。
  (2)经地形敏感性试验得出:控制试验中,背风一侧,既有较强的背风波扰动,同时有充沛的水汽补充,在背风一侧会产生较强的对流,促使飑线发展;当大别山整体地形加高后,虽有背风波扰动增强,但由于山脉阻挡作用,抑制了东部水汽输入,飑线对流发展较弱;当整体地形抹平后,背风波扰动减弱,西南气流与偏北气流辐合加强,对流发展整体偏向东南侧。
  (3)大别山地形对700hPa锋生作用有着积极的影响。从锋生的各项贡献来看,辐散项F1在锋生作用中的贡献最大。若将地形改变后,则辐合和水汽条件明显变化,二者共同作用影响了锋生作用的大小。因此,地形高度的改变使锋生作用变化偏移对飑线系统内部对流的活动造成很大的制约和变化,从而影响对流降水的分布。
[硕士论文] 苏洋
气象学 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:本文利用中尺度数值模式WRF3.1.1模拟了2014年3月31日一次华南飑线过程,利用模式输出的高分辨率资料,对此次飑线过程的动力、热力和云微物理特征及其演变特征进行了分析研究。结果表明:(1)此次飑线过程发生在阻塞形势下,高低空急流相配合,高层强冷空气与中低层暖湿空气相叠置,低层辐合区内气旋性切变产生了动力抬升,中低层存在强的垂直风切变较和充沛的水汽输送,对流形成区域不稳定层结显著。(2)初始时期,沿移动方向的对流的单体合并的过程中始终存在一个垂直环流。对流发展时期是这次飑线过程中对流最旺盛的时期,中尺度气压场上的“低高低”结构在这个时期就出现了。0-3km垂直风切变也在对流发展时期最大,当垂直风切变的方向与飑线方向垂直时,飑线的对流发展更旺盛。(3)近地面冷池出流与暖湿空气的辐合不断触发对流单体在冷池前缘新生,使得飑线向前传播。层云区的强后向入流中心在衰亡时期切断了中低层向高层的前向入流,与冷池切断低层的暖湿空气输送相配合,使得系统逐步衰亡。(4)水汽凝结为云水、云水碰并增长为雨水和霰融化为雨水是转化率最大的三个微物理过程。雨水蒸发冷却对地面冷池有重要的贡献,后向入流带来的干冷空气中霰粒子的融化冷却是主要过程。高层水汽凝华为雪的转化率和加热率虽略小于其他云微物理过程,但是对于层云的增长却有重要的作用。(5)相变潜热作用在对流区显著,对流层高层的弱冷却主要是由冰晶升华和过冷云水的蒸发以及水凝华为冰晶造成,近地面的冷却率是由近地面云水蒸发和雨水蒸发过程产生的,而中低层的净加热则是由多种云微物理过程共同作用下的结果,其中水汽凝结为云水是最大的加热项。
[硕士论文] 张晓晨
气象学 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:为了更好地认识江淮飑线系统演变特征,利用WRF中尺度数值模式,对2014年7月12日发生在江淮地区的一次飑线过程进行了数值模拟,根据模拟结果分析其成熟阶段中尺度垂直结构特征、边界层冷池、湍流动能及湍流输送特征。结果表明:(1)此次飑线属于槽前型飑线,切变线南侧有低空急流出现,低空急流加强的时候,其北侧出现飑线天气。降水有明显的中尺度特征,呈带状分布,有几个暴雨中心,并随时间自西向东移动。(2)飑线发生前在对流层低层向飑线发生区的水汽通量较大,同时飑线发生位置的假相当位温等值线密集,汇集了大量的不稳定能量。(3)飑线系统前部低层辐合,高层为辐散,中高层有较强的上升运动,有利于新生对流单体的发展加强;飑线系统的对流主体低层为辐散反气旋式涡度区,对应飑线雷暴高压,中高层为辐合气旋式涡度区,抑制了强对流单体的发展。老对流单体不断减弱消散,新对流单体在飑线系统前沿不断生成加强,从而此次飑线系统向前移动。(4)飑线发展期冷池作用较小,随飑线系统的发展,冷池作用显著,冷池对环境风的阻碍作用加强,冷池前沿辐合加强,有利于触发新对流;飑线系统消散阶段阵风锋比对流主体移速快,阻碍偏南风暖湿气流的输送,使对流减弱。(5)边界层湍流动能在飑线不同发展时期的特征及主要湍能源不同。飑线发生前,浮力项为边界层湍流动能的主要产生项,湍能随高度减小;飑线系统过境时,切变项为主要的湍能源,并且在边界层高层较大;飑线对流前的晴空区域内,边界层湍流运动向下输送动量,补充边界层摩擦损耗;飑线强对流影响的区域,近地层湍流运动向上输送动量,减弱了大风的影响。(6)向上较大的潜热、感热通量增强低层的大气不稳定性,有利于强对流系统的发生发展。飑线成熟期对流处,感热通量为较大的负值,潜热通量也减小,不利于对流的持续加强;飑线消散阶段,对流前方的阵风锋处的潜热加强,则不利于对流的消散。
[硕士论文] 岑瑞婷
数学 内蒙古工业大学 2017(学位年度)
摘要:文章从N层位涡方程出发,首先无量纲化位涡方程,得到各位面上的位涡方程,在N位面上的涡度方程中考虑地形效应对Rossby孤立波的影响,用约化摄动法和时空伸长变换推导出地形效应作用下的Korteweg-de Vries(KdV)方程,说明地形对斜压Rossby孤立波的产生有重要的影响;然后用N层准地转位涡方程研究了在一般非纬向基本气流情况下的斜压不稳定.
  本文主要研究N层模式大气中地形效应对Rossby孤立波产生的影响以及三层模式大气的情况下非纬向基本气流的斜压不稳定,并指出纬向基本气流和简单的非纬向基本气流对不稳定的影响,具体研究内容如下:
  第一章主要介绍了N层模式大气中斜压Rossby波以及非纬向基本气流的斜压不稳定的研究现状和研究方法.
  第二章对N层模式准地转位涡方程的推导进行介绍同时介绍了非纬向基本流的斜压不稳定情况.
  第三章本章节主要分三部分内容:
  (1)N层模式大气中地形效应影响下的孤立Rossby波的位涡方程;约化摄动法导出在N层模式大气中含有地形效应的KdV方程以及地形效应下弱切变气流的Rossby孤立波及其解.
  (2)三层模式大气中非纬向基本气流的斜压不稳定以及基本气流状态对不稳定的影响.
  (3)最后总结本文的结论,并指出其相关研究的展望.
[硕士论文] 高世仰
气象学 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:青藏高原的热力作用对于全球大气环流和中国的天气气候都有重要影响,在高原大气的热量源汇与地面的热量平衡中,感热通量起着至关重要的作用。然而,由于青藏高原地形及地表状况复杂,气候条件差异较大,加之高原上的观测站点缺乏代表性,青藏高原地表感热通量的计算一直存在不确定性。本研究利用再分析资料和台站观测资料,结合多种卫星遥感资料,建立了高原感热通量参数化方案,建立了感热2000~2014年的序列,研究了近15年来高原感热的时空变化特征,并分析其与积雪、风速、地-气温差等因子的关系。结果表明:
  (1)通过修改原始廓线公式,增加了植被指数和植被高度表征的植被作用项,得到粗糙度的优化方案。使用地-气温差修正,得到热传输附加阻尼(kB-1)的改进方案。最终得到了一套适用于青藏高原非均匀下垫面的感热参数方案。使用站点观测资料的热力输送系数对本文计算结果进行检验,证明该估算方案具有一定合理性。比较了ERA-Interim、JRA-25、NCEPR1、NCEPR2四套再分析资料的感热空间分布与时间变化趋势,本文估算结果覆盖了其他结果的大值区域,最值分布基本一致。2000~2014年各种资料均呈现感热增加的趋势,但本文的感热计算值大小与观测资料结果最为接近。
  (2)通过分析青藏高原相关参数的空间分布特征,发现动力学粗糙度(z0m)、热传输附加阻尼、热力学粗糙度(z0h)的空间分布与植被指数(EVI)密切相关,各参数在高原不同地区差异很大。对于不同的生态地理区域,热力输送系数的年际变化差异较大,高的植被高度、密度和地表的热力特征对应高的热力粗糙度和热力输送系数(CH)。青藏高原感热的空间分布特征具有南北差异和东西差异,季节演变特征大致为夏季>秋季>春季>冬季,高植被和地-气温差偏大的区域感热偏大。2000年以后,高原感热的年际变化趋势总体为增强,不同区域又呈现不同的变化速率,其中中西部腹地感热为微弱的减弱趋势,东南部作为平均感热最大的区域,其年际增加速率也最大。
  (3)青藏高原感热通量与积雪关系显著,呈现明显的负相关关系,其中春季积雪对夏季感热的影响要强于春季同期相关。青藏高原感热通量与风速的关系季节和区域差异较大,大多分区在春季呈正相关,而夏季和冬季呈负相关,秋季有正有负。青藏高原感热通量与地-气温差关系显著,除了东部两个分区在夏季呈负相关,秋季未通过信度检验,其他分区在各个季节都呈现较好的正相关关系,与感热计算公式一致。结果可能会受植被的生长状况变化的影响。
[硕士论文] 贲海荣
气象学 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:利用1979-2014年ERA-Interim月平均温度再分析资料,分析了对流层中上层(500-150 hPa)温度纬向偏差的分布特征,并将青藏高原对流层中上层温度纬向偏差进行垂直积分后,尝试构建一个新的表征青藏高原热力指数(PHI,Plateau Heating Index),并分析该指数的季节演变特征及其与东亚大气环流以及对中国东部夏季降水的影响。结果表明:(1)对流层中上层温度纬向偏差的暖中心存在着季节性的移动:春季暖中心由西太平洋迅速移至青藏高原,而秋季则快速东移到西太平洋;(2)PHI在年进程上呈现出明显的单峰型变化特征:在11月至翌年2月,为负值,其余为正值;(3)各季PHI与纬向西风的显著相关区大致以30°N为界,呈现出北正南负的反向分布。当PHI增强时,青藏高原北(南)部西风增强(减弱),副热带西风急流增强(减弱),反之亦然;(4)各季PHI与200hPa位势高度的显著正相关均出现青藏高原上空,表明青藏高原对流层加热有利于其上空位势高度的增加。当夏季PHI偏强(弱)时,对应着南亚高压偏强(弱);(5)夏季当PHI较强(弱)时,江淮流域降水偏少(多),而华北地区降水偏多(少),高原热力作用主要是通过影响西太平洋副热带高压和经圈环流进而导致中国东部夏季降水异常。
[硕士论文] 皮原月
自然地理学 新疆大学 2017(学位年度)
摘要:本文利用1960-2013年西北干旱区72个站点的日尺度最高温、最低温和降水量数据,从世界气象组织气候研究委员会制定的“气候变化监测指标体系”中选择冷夜日数(TN10p)、冷昼日数(TX10p)、霜冻日数(FD)、暖夜日数(TN90p)、夏季日数(SU)、暖昼日数(TX90p)等6个极端气温指数和1日最大降水量(RX1day)、降水强度(SDII)、强降水日数(R10)、5日最大降水量(RX5day)、强降水量(R95p)、持续干燥日数(CDD)等6个极端降水指数,运用气候倾向率、Morlet连续复小波分析、经验正交函数分解、Mann-kendall趋势及突变检测、合成分析等方法初步探讨西北干旱区极端气温、降水事件时间和空间变化特征、周期和突变规律等;利用位势高度场资料、云量资料、水汽通量场资料、海温场资料与有代表性的极端气温、降水指数做合成分析,初步探讨西北干旱区极端气温、降水事件变化与云量场、海温场、环流场、水汽通量场之间存在的可能联系,揭示大气环流和海表温度(SST)对极端气候事件的可能影响。初步研究结果如下:
  (1)1960-2013年中国西北干旱区极端气温指数EOF第1模态空间型表明,6种极端气温指数空间变化特征具有较好的一致性,即极端气温指数呈现一致偏多或偏少特征;第1模态标准化时间系数清晰表明,在20世纪80年代末90年代初,极端气温暖指数由减少转为增加趋势,而极端气温冷指数由增加转为减少趋势。EOF第2模态空间型表明,西北干旱区极端气温指数大致呈现南、北相反的空间分布特征。
  (2)从极端气温指数时空变化趋势上看,极端气温冷、暖指数减少或增加趋势存在显著差异;表征温暖的极端气温指数有显著上升趋势,表征寒冷的极端气温指数表现为显著下降趋势;在一定程度上说明西北干旱区气温向暖化趋势发展,这与全球气候变暖大背景相吻合。
  (3)极端降水指数EOF第1、2模态空间型表明,各个极端降水指数空间变化特征各异;从极端降水指数时空变化趋势看,各个极端降水指数的增加或减少趋势存在明显差异;表征湿润的极端降水指数在波动中增加,表征干燥的极端降水指数表现为逐年波动减少;这在一定程度上说明西北干旱区气候向湿润化趋势发展,这可能与全球气候变暖有关联。
  (4)西北干旱区表征寒冷的极端气温指数自突变年后减少趋势显著,表征温暖的极端气温指数自突变年后增加趋势显著,在一定程度上表明西北干旱区气温自突变年后增温趋势明显;西北干旱区表征湿润的极端降水指数自突变年后增加趋势显著,而表征干旱的极端降水指数自突变年后减少趋势显著,在一定程度上说明西北干旱区自突变年后增湿趋势显著。
  (5)极端降水各指数在20世纪80年代存在一个或强烈或微弱的周期变化信号,说明极端降水在20世纪80年代变化比较活跃;极端气温冷、暖指数周期变化特征各异,说明西北干旱区极端气温周期变化较复杂。
  (6)西北干旱区气温一致偏高对应500hpa位势高度正异常,反之亦然;云量对西北干旱区昼夜温度具有显著影响;西北干旱区主要受西风环流的影响,北大西洋暖湿气流无法有效输送到西北干旱区,因而造成该地区气候干旱;极端降水指数突变年后的水汽通量散度场数据显示,极端降水指数呈普遍增加趋势,北疆地区、南疆东部地区、河西走廊中西部地区散度值为负,比较容易形成有效降水,气候有变湿润的趋势。
  (7)西北干旱区极端气温异常偏暖年对应全球大部分海区的海温为正距平;而偏冷年则反之。北大西洋西部、鄂霍次克海和地中海海域可能与西北干旱区极端气温关系比较密切,气温偏高对应着上述海区的海温偏高,反之则亦然。
  (8)西北干旱区湿润年对应全球大部分海区的海温为正距平分布,部分海区为负距平;而干燥年则反之。北大西洋、印度洋、鄂霍次克海、地中海海温为正距平、太平洋(29~45N°、148~176°W)海域为海温负距平分布时,西北干旱区容易出现极端降水异常偏多现象,反之则容易出现极端降水异常偏少现象,说明西北干旱区极端降水异常与上述海区关系较为密切。
[硕士论文] 刘福梅
数学 内蒙古大学 2017(学位年度)
摘要:Rossby波是大气与海洋运动的主要波动之一,是影响地球流体大尺度运动的主要波动。本文从含有完整Coriolis力的地转位涡方程出发,对非线性Rossby波的演变主要作了如下的两方面研究:
  一方面,考虑正压流体中纬向基本气流具有弱切变的情况,推导出非线性Rossby波包振幅满足推广的非线性Schr(o)dinger方程。结果表明,Coriolis参数水平分量对Rossby波包产生一定的影响。同时,β效应、地形效应和耗散也是诱导及影响Rossby波包产生的重要因素。并且研究了基本气流存在线性弱切变下的本征值问题。
  另一方面,通过合理的赤道β平面近似,利用摄动法和时空伸长变换法,得出在地形和耗散的作用下的非线性Rossby波振幅满足的非齐次Benj amin-Davis-Ono-Burgers(BDO-Burgers)方程。通过实例说明了地球旋转水平分量和地形等对Rossby波演变的影响。取特殊情况时,结论可以退化为前人已有的的结果。
[硕士论文] 徐超
电子与通信工程 合肥工业大学 2017(学位年度)
摘要:大气偏振模式蕴含丰富的信息,通过对大气偏振模式分布特征的检测和演算,可获得空间方位、地表特性以及大气成分等信息,对偏振光导航、生物偏振感知机理、大气光学特性分析以及遥感探测等研究具有重要意义。本文针对大气偏振模式∞字形特征分布受中性点的影响进行了研究和分析,基于Berry偏振场奇点理论,分别对理想和实际大气环境下的大气偏振模式的∞字形特征分布进行了分析,并且,设计了太阳位置定位跟踪算法,完成了全天域大气偏振模式测量防护系统的自动控制,解决了在开展外场测量实验时,太阳直射光对全天域大气偏振模式测量装置造成的过曝光问题。
  本文的主要研究内容如下:
  (1)针对理想的单次散射大气偏振模式模型无法描述中性点的问题,以偏振场奇点分裂理论为基础,开展了中性点对大气偏振模式∞字形特征分布影响的建模分析,实验结果表明,大气偏振模式∞字形特征分布因中性点的存在,导致∞字形的叶瓣蜷收、翻转特性产生了扭曲、退化和偏移。
  (2)为了解决太阳直射光对全天域大气偏振模式测量装置造成的图像过曝光问题,设计了太阳位置定位跟踪算法,完成了全天域大气偏振模式测量防护系统的自动控制,实现了防护系统对太阳直射光的实时遮挡,解决了采集图像时的过曝光问题,从而为无人值守式的大气偏振模式观测实验提供了防护功能。
  (3)开展了不同时间、不同波段下的大气偏振模式实测实验,实验验证了实测的大气偏振模式∞字形特征分布受中性点的存在而对叶瓣变化特性的影响与理论实验结果一致,并且,中性点由于波段的不同,其实际位置也会发生变化,其中405nm波段下的中性点分布与理论的更接近,同时,此波段下的∞字形特征分布受中性点的影响也与理论实验结果更为接近。
[硕士论文] 张萌
大气科学·气象学 兰州大学 2016(学位年度)
摘要:20世纪上半叶是大气科学基础理论发展突飞猛进的时期,是大气科学理论研究成果产出最为丰硕和集中的时期。其中,斜压不稳定理论就是这一时期最具代表性的成果之一。该理论的诞生揭示了中高纬地区天气尺度扰动生成和发展的机制,是继长波理论之后大气动力学上的又一重大进展,同时也是简化大气运动方程并最终使数值天气预报实践成功的出发点和理论基础之一。尽管距离该理论的提出已经过去了将近70年,但它对现代天气预报的指导意义仍无可比拟。因此,饮水思源,非常有必要系统地梳理斜压不稳定理论在这一时期从提出到逐步发展、完善的历程,客观地正视相关领军科学家的历史贡献与不足,为深刻认识斜压不稳定理论的诞生过程、历史启迪和现实意义提供科学依据。
  斜压不稳定理论的建立始于查尼(Jule Charney)的开创性工作,同时也包含了伊迪(Eric Eady)和赵九章等众多学者的重要贡献。本文在简述斜压不稳定理论建立的背景的基础上,重点阐述了赵九章、查尼和伊迪在斜压不稳定方面开展的研究工作,分析了三位科学家各自的研究特点,通过对比他们的个人经历及研究思路,重点分析了赵九章未能使得斜压不稳定理论提前一年建立的原因。基于对斜压不稳定理论来龙去脉的追溯,进而围绕该理论对大尺度大气运动稳定性问题、波流相互作用及数值天气预报等三个方面的推进作用进行了简要综述,重点通过温带气旋个例分析阐述了斜压不稳定理论对天气预报的指导意义。
  本研究通过对比三位科学家的研究工作,重点分析了赵九章未能建立斜压不稳定理论的原因:赵九章1946年发表在Journal of Meteorology上的论文,最早提出了“斜压不稳定”这一概念,文中给出了不稳定的临界波长,并阐述了在不稳定扰动情况下能量的转换,以及不稳定波对大气环流带来的可能影响,这在当时都是十分超前的思想。但由于其研究思路局限在大气水平运动上,最终导致其与斜压不稳定理论的成功建立失之交臂,其论文本身存在的一些亮点也因此被后人忽略。查尼于1947年采用滤波和尺度分析等方法,将大气扰动方程简化为一个可以求解的系统,推导出大气稳定状态的判据,建立了斜压不稳定理论;而且其“副产品”——准地转模式也被成功地应用于数值天气预报实践中,促使数值天气预报首次获得成功。1949年,伊迪在查尼研究工作的基础上通过合理的简化方法,得到了更为简洁的模型。将上述三位科学家的个人经历、教育背景、研究思路和论文特征等进行对比分析可以看出,个人经历和教育背景对研究工作的创新有重要影响,而中国科学家在各方面都不占优势的情况下,能够率先提出大气动力学中“斜压不稳定”这样的关键问题,实属不易,其理论贡献的历史价值应被给予肯定和重视。
  斜压不稳定理论对实际天气过程具有重要的指导作用。本文在详细分析斜压不稳定理论对相关领域(大尺度大气运动稳定性问题、波流相互作用、数值天气预报)重要推动作用的基础上,选择了3个天气实例进行具体应用与分析。利用NCEP/NCAR1°×1°格点再分析资料,对分别生成于冬季海洋、夏季陆地和春季入海的3个温带气旋在初生、发展和成熟阶段的500hPa高度场和温度场配置,以及位势高度、温度、垂直速度和水平散度的垂直剖面结构进行较为系统的分析。结果表明,斜压不稳定在温带气旋的初生和发展过程中起到重要的促进作用,3个天气个例表现出的垂直结构也与伊迪和查尼研究给出的理论模型非常相似。
  最后,在对比三位科学家有关斜压不稳定理论的代表著作,并利用实例加以验证的基础上,本文尝试提出斜压不稳定理论对科研创新的启发和指导意义:(1)某一学科的突破性进展很大程度上依赖于其他学科或技术的发展;(2)某一科学成果的出现离不开前人大量研究成果的积累和铺垫;(3)科学研究具有很强的不确定性,偶然得到的“副产品”有时会在推动学科发展上起到无法估量的作用。
[硕士论文] 史嘉琳
气象学 南京信息工程大学 2016(学位年度)
摘要:本文重点探讨寒潮强烈天气过程对我国黄海海域海气界面热量和动量通量的影响。利用CFSR大气海洋再分析资料分析了2009-2013年5年间在寒潮活跃期海气要素及热、动量通量的多年月平均时空分布特征;利用中央气象台micaps资料统计2009-2013年黄海海域寒潮天气过程发生的频次、强度及影响路径,并统计分析了在寒潮过程中热、动量通量发生显著变化;最后通过FVCOM区域海流模式与FVCOM-SWAVE浪流耦合模式模拟典型寒潮过程黄海海域海气要素及海气热、动量通量对其的响应特征,对比分析寒潮要素特别是风浪要素对海气热、动量通量传输的影响作用。
  (1)首先寒潮活跃期是指当年的11月、12月及次年的1月、2月、3月这五个月份,在寒潮活跃期受海表大风、海气温差及海洋环流等因子的影响,动量通量交换强烈,热通量失热状态显著。动量通量在12月与1月传输最强烈,最大值位于黄海东部区域为0.14N/m2,而春季3月则减弱为0.1N/m2以下;热通量在冬季一月份表现出强烈的失热状态,失热中心也位于黄海东部,最大值为-250W/m2,春季3月份热通量强度减弱到-50W/m2左右。
  (2)统计2009-2013年影响黄海海域的寒潮,发生寒潮频次最高的月份是11月和12月,最低的月份是1月。寒潮影响黄海的路径主要分为两种:一种是偏北路径,此路径寒潮冷空气距源地近,通常从极地取最短路径南下影响我国黄渤海,偏北风为主,寒潮在海域东北部强于西南部;另一种是偏西路径,此路径寒潮虽然冷空气源地纬度相对偏低,但在其东进途中有冷空气加入,亦可以在华东地区造成大风和显著降温,此类寒潮入侵我国东部海域时,偏西北风为主,往往南部强度较强。在寒潮发生期间海气热、动量通量输送比多年平均状况会显著增强,偏北路寒潮过程中海气热通量比多年月平均值增大1-6倍,动量通量增大1-5倍;偏西路寒潮中海气热通量比多年月平均值增大1-4倍,动量通量增大1-5倍。
  (3)选取典型偏北路寒潮与偏西路寒潮进行数值模拟,由于寒潮冷空气强度与影响路径的差异,海气热量和动量通量的响应特征差异明显:在偏北路寒潮中,冷锋呈纬向入侵黄海,东部强于西部,造成海域东部为热量和动量通量大值区,由于偏北路寒潮的冷空气强度大,热量和动量通量的响应也更为强烈。偏西路寒潮过程中冷空气纬度偏低,冷空气自西向东推进,冷锋呈经向入侵黄海,南部强于北部,相应的海面热量和动量通量在黄海南部形成大值区,但热量和动量通量响应弱于偏北路寒潮,偏西路径寒潮动量通量强度较偏北路径弱约1/4,而热通量则弱大约1/2。
  (4)对比不同波浪状况的FVCOM-SWAVE耦合数值模拟结果与FVCOM控制实验数值模拟结果,进一步探讨风浪要素对海气热、动量通量的影响,结果显示:由于风浪使海表粗糙度加大,海水混合增强,造成无论是偏北路寒潮还是偏西路寒潮,风浪作用均增大海气间热、动量通量的交换传输,结果与实况更加接近。当风浪进一步增大到1.5倍,动量通量最大值增大约60%,热通量增大10-160W/m2;而风浪减弱则会削弱海气间热、动量通量的交换传输,当风浪减弱0.5倍,动量通量最大值则减弱了约20%,热通量减小10-55W/m2左右。风浪作用对热动量通量传输的影响特征为相对于同样的变化量,风浪增大时通量增量显著强于风浪减小时的通量减量。风浪在黄海不同区域对热、动量通量的影响也有所差别,对三个关键纬度的纬向平均显示,偏北路寒潮在风浪的作用下,动量通量增幅在12.5%-18%,热通量增幅在5%-10%;偏西路寒潮动量通量增幅为2.6%-3%,热通量增幅在3%-16%。
[硕士论文] 刘潇
大气物理学与大气环境 南京信息工程大学 2016(学位年度)
摘要:利用2012年6月-9月南海夏季风期间,近海海洋气象观测平台(海上平台站)和电白国家气候观象台(电白站)的地面气象站资料、气象塔资料、GPS探空资料及通量观测资料对海上平台站和电白站两站在季风活跃期和非活跃期的大气边界层结构特征和海-气、陆-气通量交换特征进行了研究分析,结果表明活跃期与非活跃期两地大气边界层结构特征有明显差异。(1)在活跃期两站风向全天由东南风主导,风速值较大,且两站均出现连续降水,受云系和降水的影响,与非活跃期相比,电白站近地层日平均气温降低约为2℃左右;非活跃期两个站点风向全天无规则变化,且风速值小。(2)电白站探空资料分析结果表明,在活跃期大气边界层内风向均为一致的东南风,风速较大,200m以上的风速均大于8m/s,而在非活跃期大气边界层内风速较小,风向变化较大,同一时刻不同高度的风向差可达180°。由位温廓线的日变化分布可见,在季风非活跃期大气边界层高度最高可达937m;而在活跃期,受降水和云系的影响,混合层高度明显降低,最大高度仅达到700m左右。(3)在季风活跃期,Rn与Rs的日变化趋势与非活跃期较为一致,只是个别时刻由于云系影响观测值会突然下降。季风活跃期感热通量小于非活跃期。(4)在季风非活跃期电白站动量通量值主要受辐射影响,湍流受热力作用影响;在季风活跃期动量通量值受风速影响较大,湍流能量主要源于动能。活跃期陆-气和海-气过程湍流均增大,因为活跃期风速增大,动力作用增强所致。
  为了更好的研究季风活跃期与非活跃期边界层结构特征变化,对电白站进行模拟研究,模拟结果表明在季风活跃期电白站由东南风主导,风速增大,气温降低,湿度增大的特征。
[硕士论文] 尹旸艳
气象学 南京信息工程大学 2016(学位年度)
摘要:利用再分析数据集以及实际观测资料,采用气候统计诊断方法,通过构建海陆间大气质量迁移指数,对夏季亚洲/北美大陆与北太平洋间大气质量异常迁移及与气候变动的联系进行了研究。主要结果如下:
  在北半球中高纬亚洲大陆和中低纬北太平洋上空异常大气质量呈现反相变化。夏季MAMLO指数IMAMLO总体呈缓慢下降的趋势,同时还具有准3年振荡周期以及显著的年代际变化特征。亚洲大陆中高纬地表气压变化与北太平洋低纬气压变化的反相关关系主要归因于:(1)异常大气质量环流。大气质量流在西伯利亚地区附近低层异常辐散,高层异常辐合,北太平洋上低层出现异常辐合中心,高层异常辐散,形成了亚洲大陆异常下沉、太平洋地区异常上升的异常垂直环流圈;(2)海陆异常加热对比。大气非绝热加热异常在亚洲大陆与北太平洋间形成强烈对比,推动了海陆间大气质量进行交换;(3)Rossby波能传播。准定常Rossby波的能量频散导致大气环流异常并进而引起大气质量在海陆间重新分布。MAMLO与欧亚、太平洋地区夏季气候异常关系密切,尤其在中国地区。MAMLO为正(负)时,中国大体呈现出北方降水偏多(偏少)南方降水偏少(偏多)、北方偏冷(偏暖)南方偏暖(偏冷)的空间分布。
  中高纬北美大陆和中低纬北太平洋上空异常大气质量存在显著的反相振荡。这种振荡的准2年周期明显。对流层低层辐散风在美国大平原附近异常辐散,北太平洋上异常辐合。对流层高层情形与之相反。垂直环流表现为北美大陆异常下沉,太平洋地区异常上升。大气非绝热加热异常、准定常Rossby波的能量频散、海陆上空水汽含量异常的差异均利于推动海陆间大气质量进行交换。振荡指数INANP为正(负)时,对应着加拿大平原部分区域、大熊湖南部和育空高原东北部地区降水减少(增多),美国大平原西北部区域和中东太平洋气温升高(降低),而夏威夷群岛附近和阿拉斯加湾南部降水增加(减少),北美大陆中东部地区和西北太平洋气温降低(升高)。
  夏季亚洲-北太平洋间大气质量迁移的位相变化与MC区域对流活动位相变化的不同配置下,欧亚地区气候异常存在显著不同。定义的夏季MAMLO指数和MC区域对流活动(CAMC)指数的相关系数仅为0.06。二者存在4种不同位相的配置类型且发生频率大致相当。MAMLO和CAMC呈现不同位相配置类型时,大气质量的重新分布可造成不同的地表气压异常分布,并对降水和气温异常分布产生明显影响。
  这些结果有利于深刻认识夏季北半球环流变化机理和寻找降水与气温异常预测线索。
[博士论文] 胡志远
大气科学·大气物理学与大气环境 兰州大学 2016(学位年度)
摘要:作为气候系统中一个关键的强迫因子,大气气溶胶通过改变地球-大气系统的能量收支平衡和云滴粒径、停留周期,对全球气候、水循环以及生态系统平衡产生极为重要的影响。因此,准确地模拟气溶胶在大气和积雪中的时空分布以及其复杂的物理化学反应过程对于研究气溶胶的气候效应具有十分重要的意义。近年来,随着数值模式不断的发展和改进,已经可以对大气中气溶胶的来源、分布、传输以及沉降过程进行准确与精细的模拟研究。本文主要是在前人的基础上,对区域气候模式WRF-Chem(Weather Research and Forcasting couple with Chemistry,以下简称WRF-Chem)进行改进,研究全球尺度范围内季节性积雪中气溶胶的辐射强迫和空间分布以及气溶胶在太平洋上的传输和演变。
  本研究主要内容包括:⑴利用类全球WRF-Chem模式模拟2010年至2014年气溶胶的全球分布,并利用观测数据对气溶胶在太平洋传输区域的气象场及气溶胶特性进行评估分析。结果表明,模式可以很好的模拟这一地区的降水和风场。总体而言,模式模拟太平洋地区的气溶胶光学厚度(以下简称:AOD)和吸收性气溶胶光学厚度(以下简称:AAOD)与卫星反演的结果一致,主要受污染性气溶胶、沙尘和海盐的影响。Angstrom波长指数模拟结果表明,模式中气溶胶粒子大小分布比较合理。此外,模式可以较好的模拟太平洋地区近地面由海盐气溶胶引起的消光系数垂直廓线和季节变化以及4 km高度以上由污染型气溶胶和沙尘引起的消光系数垂直廓线和季节变化。模式中海盐气溶胶排放源的偏差以及卫星反演误差是引起模式和卫星结果差异的主要原因。与美国西海岸地面观测相比,本文的模式能较好模拟地面上沙尘、硫酸盐和硝酸盐的密度,但是明显低估了含碳气溶胶的密度,主要原因是模式在处理生物燃料和二次有机气溶胶的时空变化时存在一定的偏差。敏感性试验结果表明,沙尘、硫酸盐和硝酸盐通过太平洋传输明显的影响美国西海岸的地面空气质量,但是含碳气溶胶主要受北美排放源影响。观测和模拟结果均显示,2010年至2014年的气溶胶特性变化很小。本文主要证实了类全球 WRF-Chem模式能够很好地模拟气溶胶在太平洋上的传输过程,并且为利用高精度区域模式研究太平洋传输污染物对美国西海岸的空气质量和气候的影响提供可靠的化学侧边界条件。⑵将SNICAR模式(Snow。Ice。and Aerosol Radiation,以下简称SNICAR)耦合到WRF-Chem模式中,并利用2010年1月至2月中国东北地区季节性积雪采集试验结果对模式模拟积雪中黑碳和沙尘气溶胶含量以及辐射强迫进行评估。结果表明,模式对表层积雪中黑碳和沙尘的模拟结果与观测相一致。模式轻微地低估了干洁地区的黑碳含量,而明显高估了污染地区的黑碳含量。但是模式结果与观测的变化趋势一致,且合理的分布在不确定范围之内。在源区,积雪中黑碳和沙尘气溶胶浓度最高可以分别达到>5000 ng g-1和>5 mg g-1;当远离源区时,迅速减小为<50 ng g-1和<1μg g-1。积雪中黑碳和沙尘颗粒能够产生等量的辐射加热量级(~+10 W m-2),并且与大气中黑碳和沙尘引起的辐射冷却量级相近。本文主要讨论了区域模式框架下季节性积雪中黑碳和沙尘浓度的模拟及其直接辐射强迫。尽管本文利用观测资料与模式模拟结果进行对比,但是模式结果还存在一定的不确定性,需要利用更多的大气和积雪中气溶胶的观测资料以及气溶胶的沉降通量资料对模式进行评估和改进。⑶利用已耦合的类全球WRF-Chem模式模拟研究气溶胶对积雪覆盖和地表温度的影响。研究区域主要集中在东亚和欧洲。结果表明,东亚和欧洲大气中沙尘和黑碳在地表的辐射强迫有明显的季节变化,最大值出现在春季;而积雪中沙尘和黑碳的辐射强迫最大值出现在冬季。东亚地区,积雪中气溶胶通过改变地表反照率,增加地面净辐射通量,导致雪水当量减少;而欧洲地区,积雪中气溶胶增加地面的雪水当量,主要是通过增加零摄氏度以下降水。气溶胶通过吸收和散射太阳辐射以及改变地表的感热和潜热,影响地表温度。大气中气溶胶增加了地表的感热和潜热,减少地表的净辐射。东亚地区,积雪中气溶胶主要是通过增加地表净辐射,导致地表温度增加;而欧洲地区,主要是通过感热、潜热和地表净辐射共同作用影响地表温度。
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