简单热带海气耦合模式中的耦合波及其不稳定性（I）

本文建立了一个简单的热带海气耦合模式，模式大气和海洋中包含了Kelvin波和长Rossby波。在赤道β平面近似下，讨论了取耦合系统中最大径向模时，即大气和海洋中只存在Kelvin波时耦合波的性质。结果指出，向东传的耦合Kelvin波可以出现不稳定性，并且由于海气相互作用，在长波部分可以产生向西传的耦合Kelvin波。 耦合Kelvin波的性质与模式中所选用的参数有很大关系，当大气与海洋中自由波的频率相差很大时，耦合波的性质与没有海气相互作用时自由波的性质非常接近；只有当大气与海洋中自由波的频率相差不太大时     

低纬大气滤波模式研究

本文从描写低纬大气运动的方程组出发,采用半地转模式和准地转模式对低纬快速波动进行了滤除,这些模式仅含低频的Rossby波。分析指出:低纬半地转模式可以滤去高频波动,但得到的是波数k→0的Rossby波;而低纬准地转模式不但可以滤去高频波动,而且得到的是不受歪曲的Rossby波。 在滤波的基础上,本文分析了由Rossby波引起的低频振荡周期。      

简单的热海气耦合波──Kelvin波和Rossby波的综合作用

在本文中，考虑到对于研究ＥＮＳＯ事件中的某些现象，人们更感兴趣的是大尺度低频运动的物理性质。为此，本文中引进长波低频近似，这时纬圈运动基本上满足地转平衡。分析表明，对赤道偶对称运动，当经圈结构函数（抛物线柱函数）取ｎ＝０，２时，海气耦合系统中的自由波分别为大气和海洋中的Ｋｅｌｖｉｎ波和Ｒｏｓｓｂｙ波。它们经相互作用后，可以激发出不稳定的海气耦合波。根据海气相互作用强度（αγ）和ε（＝ｃｓ／ｃａ。ｃｓ，ｃａ分别为海洋和大气中的重力波波速）的大小，可以把不稳定区分成三个部分。在ε＜０．１６的强海气相互作用区，不稳定的耦合波，在短波波段是向东传播的，在长波波段则转为向西传播。在ε＞０．１６的弱海气相互作用区中，在长波波段的不稳定耦合波是向东传播的。另外，在ε＞０．１６的强相互作用区中，不稳定耦合波的物理性质较为特殊。在短波波段存在一支向东传播的不稳定波，但由于增长率太大，可以预测波将很快破碎而变成大尺度湍流运动。在长波波段虽然也存在一支频率很高的不稳定波，但其物理性质很难从自由模的比较中追踪出来。文中对由大气和海洋Ｒｏｓｓｂｙ波经相互作用后的对赤道奇对称耦合波也作了讨论。     

热带海气相互作用波及其不稳定性

本文利用一个简单的海气耦合模式,讨论了热带海洋和大气中Rossby波的相互作用。结果指出,海洋和大气中向西传播的Rossby波耦合后,不仅存在着向西传播的波动,而且还可以产生一类向东传的新波。这种向东传播的波动出现在波长较长的波段范围内,这个范围的大小受海气相互作用强度的制约。另外,波动可以出现不稳定性,向西和向东传的波均有不稳定现象发生,不稳定增长率也受海气相互作用强度的制约。最后,根据所得到的海气相互作用波,对ENSO现象作了一个可能的解释。     

简单热带海气耦合模式中的耦合波及其不稳定性（II）

为了分析热带海气耦合系统中不稳定扰动究竟由哪种自由波占主导地位，根据本文第I部分提出的热带海气耦合模式，讨论了取耦合系统中不同的径向模时耦合波的性质，即分别讨论了大气长Rossby波和海洋长Rossby波、大气Kelvin波和海洋长Rossby波、大气长Rossby波和海洋Kelvin波的耦合波以及考虑了大气和海洋中所有这些波动时耦合波的性质。结果指出，这些耦合波对海气耦合模式中参数的取值很敏感，不同的参数可以产生性质不同的耦合波。本文的结果也说明了海气耦合系统的性质与热带大气的性质和结构有很大关系。     

辐散风作用下低频Rossby波的能量传播

文中研究了热力强迫所激发的辐散风对低频Rossby波能量传播的影响 ,推导出辐散风作用下的Rossby波的频散关系和群速度表达式。理论分析表明 :如果扰动流函数与速度势的位相差α∈ (0 ,π) ,那么辐散风将减小Ross by波的圆频率 ,增大群速度的纬向分量 ,加速Rossby波在纬向方向上的传播 ;辐散风对经向群速度的影响是比较复杂的。波射线的分析表明 ,在纬向基本气流为常数的情况下 ,辐散风作用下的低频Rossby波从初始位置到反射纬度的传播路径表现为一段光滑的大弧 ;对于周期为 30d、纬向波数k =3,4的Rossby波 ,当辐散风减弱时 ,波能量经向传播距离和纬向传播距离都增大。对于k =3的Rossby波 ,当辐散风减弱时 ,Rossby波的经向传播范围增大 ,但振幅强度减小。     

热带大气和海洋运动的频率差异在海气系统演变中的作用

对热带太平洋地区850 hPa纬向风场、海表温度场月平均距平进行了谱分析。结果表明:纬向风距平与海表温度距平的振幅在El Ni?o或La Ni?a期间同时增长。而在其他期间,波振幅随时间呈相反变化趋势。在El Ni?o或La Ni?a事件发展期间,纬向风距平的位相角与海表温度距平位相角的差值在90o左右,而在事件的衰减期间,它们的位相角的差值在0o左右。本文还利用长波近似、海洋对大气加热取局地热力平衡近似时的简单热带海气耦合模式,研究了大气变量和海洋变量位相差随时间变化对海气耦合解的影响。在海气耦合模式中,当大气模式取为非定常时,大气和海洋Kelvin波之间以及Rossby波之间存在着能量转换,使大气和海洋波振幅呈相反变化趋势。此时,耦合波振幅随位相角差的变化没有共同的增长或衰减区间。大气Kelvin波与海洋Rossby波或大气Rossby波与海洋Kelvin波相互作用时,波振幅随位相差的变化存在着相同增长和衰减区间,它们的振幅要么同时增长,要么同时减少。当大气模式取定常时,因为相互作用波之间的位相差是一常数,波振幅随时间无限制增长。本文还在大气模式取为非定常和定常两种情况下,对海气耦合模式进行了数值求解。结果表明,当大气模式取为非定常时,数值解随时间的变化趋势跟观测结果有较好一致性。当大气模式取为定常时,数值解随时间的变化趋势跟观测结果差别较大。     

简单热带海气耦合模式中的耦合波及其不稳定性（Ⅰ）

西文建立了一处简单的热带海气耦合模式，模式大气和海洋中含了Ｋｅｌｉｖｎ波和长Ｒｏｓｓｂｙ波。在赤道β平面近似下，讨论了取耦合系统中最大径向模时，即大气和海洋中只存在Ｋｅｌｉｎ波时耦合波的性质。结果指出，向东传的耦合Ｋｅｌｖｉｎ波可以出现不稳定性，并且由于海气相互作用，在长波部分可以产生向西传的耦合Ｋｅｌｖｉｎ波。耦合Ｋｅｌｖｉｎ波的性质与模式中所选用的参数有很大关系，当大气与海洋中自由波的频率相差     

非线性波 波相互作用对准２０ａ气候年代际振荡的影响

从简单海气耦合相互作用的非线性方程组出发,导出描述大气和海洋运动的无量纲准地转涡度方程．对准地转涡度方程引入双时间尺度后,在准共振条件Ｋ１＋Ｋ２＋Ｋ３ ＝０和ω１ ＋ω２ ＋ω３ ＝Δω下,求得大气和海洋波－波非线性相互作用的２组耦合方程,其中大气耦合方程中含有海洋强迫作用项．由这２个耦合方程组求得大气和海洋波动能量变化周期的近似解．结果表明：在考虑非线性效应的情况下,由波动共振引起的大气和海洋波动能量变化在中纬地区具有准２０ａ的周期,说明非线性效应对海气耦合也具有调制作用,从而确定准２０ａ气候年代际振荡形成的新机理．     

高原热力作用下的非绝热Rossby波

从含非绝热项的准地转运动方程组出发，分析了青藏高原大尺度热力作用下非绝热Rossby波的一些性质。从理论上证明当背景西风气流为正压时，冬季高原冷却作用有利于Roosby波的经向传播。又由非绝热Rossby波的频率方程说明冬季高原的热力作用是中高纬季节内振荡的重要激发机制。此外，当背景西风气流为斜压时，求解了高原热力作用下非绝热Rossby波的频率，并由频率方程说明冬季高原冷却作用有利于波动向不稳定方向发展，而夏季高原的大尺度热力作用对波动稳定性的影响存在临界值。     

A simple quasi-geostrophic coupled ocean-atmosphere model

The quasi-geostrophic atmospheric and oceanic equations of momentum and thermodynamics with dissipation factors are used to create a simple coupled ocean-atmosphere model describing the large-scale shallow-water mo-tion. We discuss the ocean-atmosphere coupling effect in mid-high and low latitudes separately and analyze charac-teristics of which the oscillatory periods of coupled low-frequency modes (ocean mode) vary with the coupling fre-quency and latitudinal number. This can interpret the correlation between low-frequency oscillation and ocean-at-mosphere interaction. Then from the dispersion curves of atmosphere and ocean, we reveal effect of the coupling strength on the propagation of Rossby waves. The convection mechanism between the two modes is also discussed in view of the slowly varying wave train.The results show that Newtonian cooling and Rayleigh friction play a stable rule in oceanic Rossby waves, the period of coupled low-frequency mode grows with the increment of the coupling frequency. The larger the latitudinal number is, the more rapidly it grows. When the coupling frequency tends to critical value, the oceanic Rossby waves become static. When the ocean-atmosphere coupling strength grows to some degree, the propagation of oceanic Rossby waves will become opposite to its original direction. One part of the oceanic Rossby waves is converted into atmospheric Rossby waves, the energy conversion coefficient is also solved out.     

STUDY OF CHARACTERISTIC MODES IN SIMPLE TROPICAL COUPLED AIR-SEA MODEL

The propagation features, stabilities and dynamical characteristic structures of coupled Kelvin inner modes andsecond order Rossby inner modes are studied using a simple tropical coupled air-sea model in this paper. It is shownthat there is mechanism of selecting scale and frequency in the tropical air-sea system. The effects of air-sea couplingare mainly on the large-scale modes and nonuniform. These effects make the frequency of Kelvin modes decrease andeven excite the eastward propagating Rossby inner modes. These effects make the unstable development of Kelvinmodes and result in the decay of Rossby modes. The effects of atmospheric damp are opposite to those of air-sea coup-ling. The oceanic damp only make the wave amplitudes decay. Simutaneously, this paper shows the dynamical character-istic structures of air-sea coupled system and the phase relations between the atmospheric and the oceanic wave compo-nent.     

简单热带海气耦合模型中不同扰动形式间的耦合作用

在局地热平衡情况下研究了简单热带海气耦合模式中不同扰动形式间的耦合，依次讨论了由大气准定常Kelvin波与海洋R0ssby波、大气准定常Rossby波与海洋Kelvin波、大气准定常Kelvin波与海洋KelVin波、大气准定常Rossby波与海洋Rossby波组成的耦合系统的性质，并研究了存在于其中的耦合扰动的特征。     

赤道太平洋高低频纬向环流差异及其物理机制

利用1982—2017年欧洲中期天气预报中心再分析资料和美国国家大气海洋管理局的观测资料,分析了赤道太平洋高、低频海平面气压距平场的特征及差异,并通过诊断赤道太平洋海-气耦合的时间尺度,探讨了导致赤道太平洋高、低频纬向环流差异的原因。结果表明,南方涛动海平面气压东西跷跷板耦合现象只是在低频场中才存在,在高频场中并不存在。低频场上,主要受到热带最明显的年际信号(ENSO)的调控,海平面气压场和海表温度场呈现出东西振荡型。相比而言,在高频场上由于时间短,海、气异常还没有发生较好的耦合,气压场和风场呈现出全海域一致型。高频纬向环流与热带季节内振荡（MJO）紧密联系,具有明显的东传特征,传播速度大约为5 m/s,其变率方差的34%可以由MJO线性解释。相干谱分析表明海-气耦合具有时间依赖性,南方涛动通常只在20候以上的时间尺度才能存在,这与赤道海洋开尔文波横穿太平洋时间相当。      

简单的热带海气耦合波——Rossby和Kelvin波的相互作用

本文分析了当大气和海洋中未经耦合前的自由波分别为Kelvin波和Rossby波,经相互作用后所产生的耦合波的性质。结果表明,不管大气的自由波为Kelvin波或Rossby波,而海洋的自由波为Rossby波或Kelvin波,经相互作用后的耦合波可以分成两类。一类耦合波的色散关系接近自由的Kelvin波;另一类则由不同经圈模的Rossby波经相互作用后的耦合波。这两类波都具有不稳定性。文中讨论了耦合波的传播和不稳定的物理机制,并指出这类不稳定的热带耦合波,对研究ENSO事件中的某些现象有一定的参考意义。     

Meridional oscillations in an idealized ocean-atmosphere system,Part I: uncoupled modes

Meridional, linear, and free modes of global, primitive-equation, ocean-atmosphere models were analyzed to see if they contain multi-year, especially decadal ( 10–30 years), oscillation time scale modes. A two-layer model of the global ocean and a two-level model of the global atmosphere were formulated. Both models were linearized around axially-symmetric basic states containing mean meridional circulations. The linearized perturbation system was solved as an eigenvalue problem. The operator matrix was discretized in the north-south direction with centered finite differences. Uncoupled, meridional modes of oscillation of the ocean and the atmosphere models were calculated. Calculations were performed at three grid spacings (5°, 2.5° and 1.25°) and for two types of basic states (symmetric and asymmetric). Uncoupled, free oceanic modes in the presence of mean meridional circulations have oscillation time scales ranging from two years to several centuries. Such low frequency meridional modes do not exist in the ocean model if there are no mean meridional circulations. A large number of oceanic modes are grouped around decadal oscillation time scales. All the oceanic modes have neutral growth rates. The spatial structures of some of the oceanic modes are comparable to observed spatial structures of sea surface temperature variations in the Pacific Ocean. Most years to decades variability of meridional modes of the ocean model is contained in tropical and midlatitude modes. Some oceanic modes with years to decades periods have standing oscillations in the tropics and poleward propagation of zonal velocity and layer thickness outside the tropics. Uncoupled, free atmospheric modes in the presence of mean meridional circulations have oscillation time scales ranging from a week to several decades. Such low-frequency meridional modes do not exist in the atmospere model if there are no mean meridional circulations. A large number of modes are grouped around intraseasonal time scales. Unlike the oceanic modes, the atmospheric modes are weakly unstable. Most of the intraseasonal variability of atmospheric modes is contained in tropical, midlatitude, and polar modes. Atmospheric modes with oscillation periods longer than about one year have global extent. Meridional ocean-atmospheric modes exist in the models wherever there are mean meridional circulations, i.e., tropical, midlatitude, polar, and global. Oceanic and atmospheric eigenvectors have symmetric (assymetric) latitudinal structures if their basic states are symmetric (asymmetric) around the equator. For both models, models calculated at coarser than 2.5° grid spacing do not accurately represent low-frequency variability. Scale analysis shows taht advection by tge basic state meridional velocities is the primary cause of the meridional oscillations on time scales longer than two years in the ocean model and longer than a few weeks in the atmosphere model. Meridional modes of the coupled ocean-atmosphere models are the subject of a subsequent paper.This paper was presented at the International Conference on Modelling of Global Climate Change and Variability, held in Hamburg 11–15 September 1989 under the auspices of the Meteorological Institute of the University of Hamburg and the Max Planck Institute for Meteorology. Guest Editor for these papers is Dr. L. Dümenil     

一类非线性海气耦合波的研究

建立了一类非线性海气耦合波的模式,并用该模式作了解析研究,讨论了该类海气耦合波的存在条件,发现当海气耦合较强时分别存在以海洋为主导方面及以大气为主导方面的两支海气耦合波,而耦合较弱时则仅有前者存在。还求得了该模式中该类海气耦合波的椭圆余弦波解及孤立波解,并对以海洋为主导的海气耦合波的性质作了讨论,认为海气相互作用耦合也是产生大气季节内振荡的机制之一。