评“稳定的和不稳定的斜压行星波”的研究

谢义炳教授在八十年代初期,发表了关于“稳定的和不稳定的斜压行星波”的论文(以下简称H_3)。在论文引言中说到Rossby波和不稳定斜压波的矛盾;文中提出所谓“空间不稳定”的概念;并在结语讨论中说:这一研究的“所得结果,实质上否定了传统的斜压不稳定理论的基本观点……”。众所周知,自从四十年代,赵九章、Charney和Eady等开创性地提出斜压行星波理论后,几十年来继续发表的研究是极为可观的,但从未看到否定了传统的斜压不稳定理论基本观点的研究。因此H_3引起人们的兴趣。     

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。     

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。      

夏季副热带行星波动振幅变化与我国极端降水的关系

围绕夏季副热带行星波动的振幅异常,分析其与我国极端降水的关系,并探讨可能的影响机制。结果表明,北半球夏季行星波振幅强、弱年的差异主要表现在北太平洋副高和北大西洋副高的增强,并伴随着欧亚大陆的低压加深,即表现为海陆热力差异的增加和东亚夏季风环流的加强。在振幅强年,极端降水强度在我国北部明显加强,极端降水雨带异常偏北,而我国长江中下游流域极端降水则减弱,弱年则相反。伴随着增强的季风环流,在振幅强年水汽输送到达我国北部明显增强。同时,在大气低层我国绝大部分地区对流不稳定加剧;而在对流层中高层,我国北方地区斜压不稳定加剧,这都有利于振幅强年我国偏北部地区的极端降水偏强      

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。     

环境参量对广义Eady模态不稳定的影响

介绍了广义Eady模态的斜压不稳定问题并着重讨论了环境参量对该不稳定的影响。该模态不仅存在有类似于经典Eady模态的不稳定短波截断, 还存在有经典Eady模态中没有的长波截断, 前者对环境参量的变化不太敏感而后者对环境参量的变化敏感。层结参数的减小, 模式底基流垂直切变的增大, 纬度的增高和模式层顶高度的减小, 均有利于该模态不稳定的发生。广义Eady模态下的最不稳定波仍发生在天气尺度波段, 其振幅和位相随高度的变化大体与标准Eady模态类似, 等位相线也随高度西倾, 但振幅关于大气中层不再呈对称性。     

江淮流域旱涝年份准定常行星波分布与平均纬向风速的差异

利用欧洲数值预报中心1980—1989年6—8月资料，讨论了80年代江淮流域夏季旱涝年份亚洲地区平均纬向风速和准定常行星波分布的差异。旱年类与涝年类相比，热带东风急流强度偏强，纬度位置偏南；副热带急流强度相近，位置偏北。旱年（涝年）类的夏季准定常行星波的分布反映了菲律宾周围水域上空和青藏高原地面的热源均为偏强（弱）的异常外源强迫的结果。二者的主要差异表明，在中高纬度振幅大值区，旱年类纬度位置较涝年类偏北几个纬度。厄尔尼诺与反厄尔尼诺年份之间，准定常行星波各纬向波数的振幅距平分布基本上具有完全相反的型式，亚     

理查逊数与中尺度扰动稳定性的关系

本文通过用摄动方法求解对数压力坐标系下原始方程组的线性解，来研究理查逊数与中尺度扰动的稳定性的关系，得出了零级近似和一级近似下对称不稳定以及零级近似几种特殊的斜压不稳定判据。     

一次强暴雨形成的动力机制

分析了1998年7月武汉强暴雨的天气演变特征，并从理论上探讨了强暴雨形成的动力机制。结果表明：低空急流先于暴雨生成，暴雨最强时低空急流也最强；高空急流入口区右侧及低空急流左侧非热成风梯度的存在，使得中尺度不稳定波的波振幅出现空间不稳定现象，高空急流右侧不稳定波的波振幅和低空急流左侧不稳定波的波振幅向暴雨区增加，暴雨区恰为这两支波叠加后振幅最大的区域，高低空急流耦合下的非热成风、中尺度对流-对称不稳定可能是这类强暴雨产生的动力原因之一。     

A MESO-α-SCALE STUDY OF MEIYU FRONT HEAVY RAIN－PART II: THE DYNAMICAL ANALYSIS OF RAIN-BAND DISTURBANCE

The alternating change of the two meiyu front rain-bands caused by the alternating change between the moist potential vorticities is discussed. The main factors of the change of moist potential vorticity are the vertical and horizontal divergence of moist potential vorticity flux as well as the vertical transport caused by the cumulus mass flux. Also discussed is the possibility that the WAVE-CISK conditional symmetric instability in the baroclinic moist atmosphere leads to the forming of the double rain-bands and their roller-shaped circulation features. Theoretical analyses show that the latitudinal disturbance scale-selection by the primitive moisture model of the latent heat release in cumulus convection depends on the stratification instability parameter (Ri number) and viscous coefficient of eddy.     

地球大气行星波的螺旋结构

本文从描写大气大尺度运动的动力方程组出发,讨论了地球大气行星波的螺旋结构,给出了这种螺旋结构的“宏图”,指出:(1)螺旋状的行星波在整个大气三度空间都存在;(2)准水平面上的行星波是对数螺旋结构,这种行星波在垂直方向上也呈对数螺旋分布;(3)螺旋行星波存在一个相速条件(即存在范围),它的形状与波位相速紧密相关,而且它有频散作用;(4)螺旋波的形成,主要由于南北方向和垂直方向空气的较差转动及Coriolis参数随纬度的变化。     

The global energy cycle of stationary and transient atmospheric waves: Results from ECMWF analyses

Summary The role of stationary (monthly mean) and transient (departure from monthly mean) waves within the atmospheric energy cycle is examined using global analyses from the European Centre for Medium Range Weather Forecasts (ECMWF) for the period 1980–1987. Only January and July averages are considered.It is confirmed that planetary stationary waves are basically baroclinic. Their contribution to the globally averaged energy cycle of the atmosphere is comparable to that of the transient waves. In January they contribute about 40% to the baroclinic conversion (CA) from zonal mean to eddy available potential energy. Local values for the northern hemisphere even show a predominant role of the stationary wave conversions over those originating from transient waves. Part of the available potential energy of stationary waves (A _SE) is converted to kinetic energy by warm air rising and cold air sinking. Nonlinear energy conversion, which can be interpreted as destruction of stationary temperature waves by transients, is the second sink forA _SE. The order of magnitude of these two processes is similar.Barotropic nonlinear conversions, though negligible in the global average, reveal large conversion rates between the mean positions of the polar and the subtropical jets. Their orientation is suggestive of a tendency to increase stationary wave kinetic energyK _SE at its local minimum between the jets at the expense of the synoptic scale transients.While all terms of the energy cycle related to stationary waves reveal a predominance of the planetary scale (zonal wave numbers 1–3) transient waves are governed by synoptic scale waves (zonal wave numbers 4–9) only with respect to the baroclinic and barotropic conversions: a significant amount of transient wave energy (50% for the global average ofA _TE) is due to planetary scale waves.With 15 Figures     

对流凝结加热和垂直风切变对行星波垂直传播的影响

本文从理论上分析研究了对流凝结加热和垂直风切变对大气行星波垂直传播的影响。结果表明,对流凝结加热有抑制行星波垂直传播的作用;基本气流的西风(正)垂直切变对行星波的垂直传播有利,而东风(负)切变却对行星波的垂直传播有阻碍作用。 进-步分析还发现,垂直风切变对行星波垂直传播的影响以在中高纬度地区更为显著;对流凝结加热对行星波垂直传播的影响在热带地区更值得重视。并且,垂直风切变和对流凝结加热的影响可能是使得大气中板地波导更显著的重要原因之一。      

北半球环状模波流相互作用动力学研究进展

总结了国内外学者对于北半球环状模（NAM：Northern Hemisphere Annular Mode）及其活动中心形成原因的研究成果。主要从NAM的天气、气候影响,波流相互作用原理对NAM形成的解释,NAM在北太平洋、北大西洋和北极3个区域活动中心的天气尺度波和行星尺度波活动等方面论述。NAM在对流层的变化与天气尺度波有关,北太平洋和北大西洋两个活动中心是天气尺度波活跃的区域,其峰值区表现为风暴轴,其中北大西洋天气尺度波破碎过程会使得NAM指数急剧变化。NAM在平流层的变化和准定常行星波关系密切,冬季准定常行星波会上传并与高纬平流层纬向流发生相互作用,从而引起北极极涡发生改变。准定常行星波将NAM 3个活动中心有机联系起来：对流层准定常行星波的纬向传播会影响北太平洋风暴轴的位置,而风暴轴的变化会影响下游北大西洋波破碎过程,同时准定常行星波的上传可以影响极涡活动。     

Nonlinear planetary wave instability and blocking

The instability of geostrophic wave circulations related to the nonlinear processes involved in the zonal mean heat balance equations is studied. It is found that the planetary waves may be destabilized by thermal forcing in spe-cific baroclinic layers, called the breaking layers. The critical conditions of the instability will be given. In the troposphere, these conditions may be provided in blocking regions and the development of planetary perturbations is characterized distinctly by the unset, maintenance and decay of observed blocks. The whole blocking episode cannot be described as either the barotropic or baroclinic process only. The limitations on the study of wave-wave interaction using spectral models or spectrum analyses will be discussed also.     

湿大气中低涡暴雨系统发展东移的初步分析

七十年代,谢义炳教授指出:湿大气动力学和干大气动力学特征有明显差异。结合我们的天气实践,注意到经常造成鄂北强降水的西南低涡处于对流层低层,在这一层次内不仅流场辐合明显,而且水汽丰沛,空气为强烈的对流性不稳定,这些因子对低涡的生消移动必然有较大的影响。本文的目的是,引入水汽因子后,通过简化涡度方程在湿斜压大气中的应用,并考虑湿静力稳定度σ_m既为P的函     

大气中惯性重力波的传播

本文根据Whitham和Lighthill等人的射线理论,研究了具有非均匀层结和流场切变的大气中惯性重力内波的传播和折射问题。定义了一个由背景场参数N2(静力稳定度)、ξ_a(惯性稳定度)和U_x(与斜压稳定性有关)的梯度组合而成的所谓“环境稳定度”矢量 ,它对重力波的折射有决定性的作用。结果表明:局地波导方向垂直于矢量 ;稳定度中心之间的过渡地带沿稳定度等值线方向为波能传播的有利通道。      

大气环流指数低频振荡机制的流体物理实验研究

使用旋转的环形水槽,用热力驱动的斜压流体作模拟实验,研究地形对斜压波流动状态的影响。使用对称分布的双峰正弦波地形,测量流体中层的流场,计算流函数并作谐波分析,对比无地形及有地形强迫的大尺度流动状态。实验表明,大尺度地形的作用是,对斜压波在时间和空间进行调制,使流动在时间和空间变得不均匀,使斜压波产生127转台旋转周期的振荡。量纲分析表明,这一周期相当于地球自转的26d。这使我们认为,大气环流指数的低频振荡的原因,可能是由于近似对称分布的亚洲及美洲山系大尺度地形的作用,造成大气动量随时间的变化,即对大气流动在时间和空间进行调制造成的。