稳定的和不稳定的斜压行星波

本文采用两层模式,初步地应用“时空同化”的自然观,引进空间不稳定性观点,把空间不稳定性和时间不稳定性结合起来,研究振幅随纬度变化的斜压行星波的存在范围和其稳定性;得出了稳定的和不稳定的斜压行星波及其空间不稳定判据,并对传统的斜压行星波不稳定理论和判据作出鉴定,重新提出了斜压行星波时间不稳定判据,并讨论其物理含义;还得出了高层和低层斜压行星波相互强迫振动的机制以及不同纬度间扰动振幅的关系。     

回答

《气象学报》编辑部又寄来评论文两篇,促我尽快分别回答。兹简称“评’稳定的和不稳定的斜压行星波’的研究”文为“朱评二”,谢文借“朱评二”中的代号H_3。本文可称为“谢答二”。 1.批判继承和发展 批判一词原有积极的含义。自然科学就是在批判继承中发展起来的。 斜压不稳定理论的确有不少气象学家研究过,并发表过不少论文,但还是属于批判继承发展的范     

评“湿斜压大气的天气动力学问题”的研究

谢义炳教授在1978年大连“暴雨会议”上,发表了“湿斜压大气的天气动力学问题”一文(以下简称H_4)。这篇论文提出了开展湿斜压大气动力学研究的一些具体意见。以后在国内的气象界有着不同的意见和争论。《气象学报》1983年第2期发表了对读者来信的“编者按”;第3期又发表了谢义炳教授的长信。信中说:湿斜压大气的研究,“虽然在实际工作人员间受到欢迎,却在理论工作者间引起了不少误会…。这些误会似牵涉到一些根本问题”。我阅读后,认为有必要对H_4加以评论。     

大气Rossby波动力学的研究进展

Rossby波是旋转大气和海洋中的一类重要波动,在天气和气候演变中起有重要的作用。该文介绍了北半球中纬度地区的两类重要Rossby波——斜压不稳定波和准定常行星波,在最近20余年来取得的一些重要研究进展。文中涉及的主要研究领域有:斜压不稳定波包动力学、湿斜压过程对斜压不稳定波的作用、北半球风暴轴动力学、斜压波包与高影响天气的预报、准定常行星波的形成机理、准定常行星波的水平传播与能量频散、准定常行星波的垂直传播与能量频散、三维准定常行星波的传播与能量频散。     

非纬向基本气流的斜压不稳定

本文用分层两层模式研究了在一般非纬向基本气流情况下的斜压不稳定。通过比较分析,给出了基本气流对斜压不稳定的影响,结果表明,在非纬向基本气流情况下,更有利于出现斜压不稳定。 将非纬向基本气流的斜压不稳定理论用于高纬度地区的大气运动,说明了高纬度地区常见的小扰动强烈发展,是切变基本气流所驱动的一种“涡旋波”的斜压不稳定。     

斜压不稳定理论的发展历程分析

斜压不稳定理论是中高纬度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,对现代天气预报具有重要的指导意义。按照斜压不稳定理论发展的时间脉络,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3位科学家各自的研究特点及历史贡献。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,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,尽管得出的不稳定临界波长与观测差别较大,但其对波-流相互作用的讨论在当时是超前的。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,其结果与实况比较接近;并据此把准地转模式成功应用于数值天气预报实践中,促使数值天气预报获得首次成功。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。最后,通过对比他们的研究思路,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:由于其研究思路始终局限在大气水平运动上,忽略了斜压系统发展中散度项的贡献,因而未能抓住天气系统发生、发展的本质,致使其最终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视。      

对谢义炳教授关于大气纬圈平均运动研究的评论

谢义炳教授从1980年到1982年,在《气象学报》上先后发表了“纬圈平均大气运动特征的振动”(以下简称H_1)和“斜压大气纬圈平均运动特征的振动”(以下简称H_2)。经过阅读,我认为这两篇论文存在着一些问题,不能不加以评论。     

大气静力稳定度的铅直分布和不同风速铅直廓线对天气系统发展的影响

采用一个准地转三层模式,对于高低空不同层结及不同风速铅直廓线下的斜压不稳定性问题进行了分析和讨论。指出:(1)大气层结特征对斜压不稳定的影响不仅表现在对不稳定临界波长和临界风速切变的制约上,而且其铅直分布的不均一性决定了大气的各个层次对斜压不稳定的贡献大小;扰动的斜压发展主要取决于静力稳定度较小的那些层次内的热力、动力学条件,在这些层次内,扰动也最为明显。(2)高低空风速比中空为大的“高低空强风型”风速铅直分布最有利于扰动的不稳定发展,在这种风速铅直廓线下,不稳定波波谱较宽,不稳定波临界波长和最不稳定波波长也较短。     

赤道两层海洋模式中基本流的切变不稳定性

设计了一个热带赤道β-平面的两层海洋模式,在准长波近似下,应用最大截断模分析赤道波的基本形态,指出无论是正压模或斜压模Kelvin波、Rossby波及基本流所对应的“地形Rossby波”是最基本的波系,在基本流的一定切变条件下,它们之间可以耦合出一类不稳定波。在浅混合层近似和“快波近似”下,正压模和斜压模是可以分离的,因此可以分别分析它们的色散特征,由于它们的特征量不同,在同样波长(扰动的纬向尺度)下,扰动的增长率也不同,通过分析得出在一定参数下,斜压模扰动增长率为正压模的2倍。近似分析表明,混合层中流场的增长要快于温跃层,但温跃层的温度增长要比混合层明显。     

斜压球面螺旋行星波和角动量输送

本文分析了斜压大气中球面螺旋行星波的三维结构,讨论了这类行星波对大气运动角动量的输送过程。结果表明:在基本流场中存在着水平和垂直切变的急流区,在水平方向它使西风角动量向急流中心辐合;在垂直方向上,西风急流区角动量下传,以补偿地面摩擦;在低纬和极地,东风带角动量向上传递。     

斜压大气螺旋行星波结构的变化和感热输送

本文用准地转位势涡度方程,在基本气流随时空缓变的条件下将其线性化。讨论了斜压大气螺旋行星波结构的变化和螺旋波对感热的输送作用,得到一些有意义的结果。     

垂直切变基流中的非平衡不稳定

采用计算横波型扰动波谱和谱函数的方法,研究了当基本气流具有垂直线性切变、层结参数为常值时横波型扰动的不稳定,给出了不稳定扰动的结构,讨论了不稳定的性质。发现：对于三支波动连续谱区互不重叠的天气尺度情况,若此时出现不稳定扰动,其性质属于纯涡旋波的准地转不稳定,与Eady模态类似,是Rossby波的斜压不稳定;在中 尺度中高端,其不稳定性质仍是纯涡旋波的不稳定,即准平衡的斜压不稳定;在中 尺度低端则出现了第一类混合波的非平衡不稳定,包括涡旋-逆传重力惯性混合波的不稳定和涡旋-顺传重力惯性混合波的不稳定,前者低层体现了涡旋波的特点,高层体现了重力惯性波的特点,后者反之;在中 尺度波段,若存在不稳定则均为非平衡的涡旋-重力惯性混合波不稳定,其包括第一类和第二类混合波的不稳定,后者低层体现重力惯性波的特点,中层体现涡旋波的特点,高层则又体现了重力惯性波的特点。     

长波稳定性的季节变化

利用多层模式导得了多层斜压大气中的斜压不稳定的必要条件,还利用迭代-还原法计算了春夏秋冬实际基流上不稳定波的增长率。结果显示,长波扰动的增长率及其不稳定波的波长范围有明显的季节变化,冬季增长率最大,不稳定波的波长范围也最宽,春季次之,夏季最弱;β参数对长波不稳定起稳定化作用,它减小不稳定波的增长率,缩小不稳定波的波长范围;Froude数的影响与β参数相反,它对长波起不稳定化作用.地形的存在,使不稳定波的波长范围缩小,对增长率的影响比较复杂。     

切变东风基流和非绝热加热对热带扰动的作用

文中用斜压模式讨论了东风水平切变基流和非绝热加热对热带扰动的影响,指出:基本气流的切变有使西传波动加速,东传波动减速的倾向;切变会造成赤道Rossby波的不稳定发展;加热激发的赤道强迫波可以是垂直传播波.      

非线性斜压不稳定问题中的摩擦和对流凝结加热作用

本文用β平面两层准地转斜压模式,讨论了具有摩擦耗散作用和对流凝结加热作用的斜压不稳定有限振幅问题,并对所得的有限振幅斜压波的振幅控制方程进行了数值积分。结果指出,在无耗散作用时,斜压不稳定波的振幅是周期振荡的。当摩擦耗散作用仅存在于下层时,不稳定波振幅最终趋于一个为零的平衡态;当上下层都存在摩擦耗散时,对流加热强度较弱(即m~*<1),则存在着一个振幅为零,另外两个为非零的多平衡态,而扰动波振幅最终趋于非零的平衡态。对流加热较强时(即m~*≥1),则仅存在振幅为零的单个平衡态,扰动波振幅最终趋于这个平衡态。     

大气环流形态的分支现象

本文用二层准地转截断谱模式,研究了大气环流形态的分支现象.结果指出:依赖于热力强迫的不同取值,模式大气将显示出等温静止或Hadley环流两类定常流型,Hadley流型并具有基本解的属性.在热力强迫达到Hadley流型的分支点以前,Hadley流型是稳定的;到达分支点后,Hadley流型不稳定,激发出新的流型,显现出分支现象.绝热无地形时,分支出瞬变斜压波;绝热有地形时,在不同的分支点分别激发出地形驻波与地形瞬变波;非绝热时,分支出非绝热驻波或非绝热驻波与瞬变斜压波的混合波型,非绝热驻波失稳激发出二级分支,     

准定常行星波对大气中臭氧输运的动力作用

本文从拉格朗日平均环流观点讨论了行星波对大气中O3的输运作用。理论分析表明，当行星波是定常保守时，行星波对大气中O3没有输运作用；而非定常的行星波对大气中O3有明显的输运作用，它可以强迫出一个正的输运环流，即从热带上升，而从高纬下沉的环流；此外，只有当耗散的行星波传播到平流层才会在平流层强迫出输运环流。为了说明行星波对大气中O3输运的动力作用，本文还利用一组34层波—流相互耦合球坐标原始方程谱模式计算了地球大气中行星波对O3变化的作用，其计算的O3变化与实际观测到的O3分布变化很相似。     

中层大气行星波在臭氧的季节和年际变化中输运作用的数值研究 II. 波流相互作用的情况

本文利用一个34层球坐标波-流相互耦合原始方程谱模式，从拉格朗日平均环流的观点出发讨论了非常定流下行星波对O3的输运作用。计算结果表明：该耦合模式能较好地模拟中层大气纬向平均流场及准定常行星波的基本变化特征。通过计算行星波对臭氧的输运，我们得到了与观测基本一致的O3的季节变化。此外，计算结果还表明，非常定流下行星波对O3输运的年际变化与常定流下的结果是类似的，都是在热带纬向风为东风位相下的输运作用比西风位相下强，但是在波-流相互作用情况下，中高纬地区行星波对O3输运的年际变化大大增强。     

诊断大气环流变化的E-P通量

1.引言在六十年代以前,在大气环流的诊断研究中,特别是在扰动与基本气流相互作用中都是应用动量通量及热量通量。在六十年代初,著名气象学家 Ch-arney 提出用波的折射指数来描述行星波在垂直切变基本气流的传播。与此同时,Eliassen 和Palm 也提出一个与动量通量及热量通量相关联的能量通量矢量来表征行星波在切变基本气流的传播。在七十年代,许多研究定常行星波的学者都用Eliassen 和 Palm 原来所定义的能量通量矢量来表征波的垂直及侧向传播。例如,Matsuno,Kasa-hara 等,Hayashi 和 Golder 都是应用能量通量矢量来表征定常行星波的传播。然而,当波在具有切变的基本气流中传播,波的能量是不守恒的。Anderew 和 McIntyre 从位涡     

热带CISK-Rossby波的动力特征与30～50天振荡的机理研究

基于斜压准地转模式的动力学分析,讨论了ＣＩＳＫ－Ｒｏｓｓｂｙ波产生、传播的动机机理和不同的波结构及势力强迫对热带大气３０～５０天振荡传播的制约和影响,解释了３０～５０天振荡的一些重要传播特性,特别是对３０～５０天振荡的经向传播机理和垂直“斜压”结构等问题作了较为细致的探讨,提出了一些新的见解和观点。