大气非线性波动方程的解

本文从非线性大气运动方程出发,用比较简洁的方法,求得了大气非线性惯性波、非线性重力内波和非线性Rossby波的周期解,这些解反映了非线性大气波动的特色。分析指出:对有限振幅的惯性波和重力内波,振幅大的波传播越快,而有限振福的非线性Rossby波,振幅大、波长长的波传播越慢;本文还分析了这些解的某些可能的实际意义。 这些非线性波的研究提供了解非线性方程的新的途径,而且,它可以与大家熟悉的线性波动进行比较。对于天气预报和大气湍流的研究都有一定的意义。     

非均匀介质中的Rossby波与Lagrange函数

本文从大气波动所满足的一般非线性方程入手,利用Lagrange函数平均法以及限制性变分原理求得了非均匀介质中Rossby波的频散关系式,波作用量方程,和平均能量方程取得了比较合理的结果。进一步验证了应用平均限制性变分原理求非线性大气波动Lagrange函函数的可行性,为今后用变分方法研究更复杂的非线性大气波动作出有益的尝试。     

特定外源下的非线性Rossby椭圆余弦波和孤立波

本文讨论了在特定外源的条件下正压无辐散大气中存在的非线性Rossby椭圆余弦波和孤立波解,并求出了非线性波动的波速公式及其振幅与其它波参数间的诊断关系.证明了当不考虑外源时非线性波动的波速公式在振幅趋于零时即退化为通常的线性化的Rossby长波公式.     

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．     

非线性正压Rossby波的精确解

本文从半地转近似下的正压大气运动方程组出发,导出了非线性正压Rossby波所精确满足的KdV方程,求得了椭圆余弦波解和孤立波解,并讨论了非线性波动的波速公式及其振幅与其它波参数间的关系。同时指出,在对大气模式进行数学简化时必须尽可能保证原模式所具有的一些守恒关系,否则有可能使原问题的解受到歪曲。     

不同尺度波动的非线性相互作用和大气的指数循环过程

本文用两层准地转截谱模式,考虑基本气流、超长波和长波之间的非线性相互作用,得出了大气环流指数循环这种准周期振荡过程,其周期为8—15天.数值计算表明:非线性相互作用可以产生大气行星波螺旋状槽线倾斜的谐振、不同尺度波动的振幅谐振以及大型环流波数变化的准周期振荡.     

正压大气中非线性重力惯性波的非频散周期解——论Taylor展开的可能性

本文论证了正压大气中非线性重力惯性波的非频散周期解存在性及找到了该波解存在条件。通常来说要得到解析解是困难的,故利用Taylor展开来得到近似解。本文给出了Taylor展开的可能性。然后在Taylor展开允许的情况下,我们得到了近似解的表达式及波速公式,给出了该波动流场与位势高度场的配置结构,并揭示了非线性效应使得波动结构变得不对称。     

1991年江淮梅雨暴雨与亚洲季风的关系

利用实际大气参数取值进行尺度分析，求得斜压半地转模式中非线性斜压Ｒｏｓｓｂｙ波的非频散周期解的存在条件与解。给出了能够描述非线性特性波动的无量纲拟能效ε，由此推导了非线性特征波动的波速公式及波参数间的一些诊断关系。     

一个大气定常波的非线性初始方程谱模式

本文提出了一个可以用于大气定常波数值模拟的非线性初始方程三维谱模式,模式的动力学框架与文献[1]中的线性模式是相互对应的。利用线性模式的定常解作为初值,通过Newton-Raphson迭代法求出了收敛的非线性定常解。文中给出了这一模式大气对于北半球大尺度地形和1979年1月平均非绝热加热场的响应作为计算实例,并与对应的线性响应以及观测事实进行了对比,证明在考虑了大气中波动之间的非线性相互作用之后数值模拟的结果确实比线性模式有显著的改进,尤其是对于低纬环流系统更是如此。这表明了非线性作用对于热带环流系统的极端重要性。      

地形强迫对大气长波调整的可能影响

地形作为大气的外部强迫,其动力和热力作用对波动结构演变及极端天气出现都有不能忽视的作用。本文通过数值求解考虑地形强迫的β平面正压准地转位势涡度方程,探讨了地形强迫作用对大气长波调整的可能影响,结果表明:同非线性作用和纬向非均匀基流作用一样,无基流情形下具有纬向差异的地形分布影响了大气长波结构的演变,也能强迫出大气长波调整现象。大气长波调整依赖于地形的高度和地形分布,地形越高,长波越容易出现波数的调整;地形波数越大,即地形结构复杂,越不易出现波数变化。大气长波调整还与纬度有关,纬度越高,β越小,地形强迫作用越突出,长波调整容易出现;反之,低纬度以β效应为主的线性波动不易出现波数调整。大气长波调整对波动初始波动的振幅不敏感,但依赖于波动的初始结构。此外,有基流作用时,地形强迫还是诱发定常波的重要因素,且定常波流场结构依赖于地形高度分布,与波动初始结构无关。     

半地转近似下的非线性波

本文应用半地转的概念分析和求解了正压和斜压的大气运动。指出:(1)在水平无辐散或准地转条件下求单波解无法表现非线性作用的困难,可以应用半地转的假定来解决。为了避开上述困难,不得已仅保留部分非线性项,但为了准确表征大尺度运动,最好应用半地转假定,保留全部非线性项。(2)准地转的假定可以滤去快速波动,半地转的假定同样也可以滤去快速波动,而且半地转条件下的Rossby波具有充分的非线性特征。所以,它为讨论非线性问题提供了一个途径。     

长波物理机制经典论断新探

本文通过对经典罗斯贝长波理论,斜压大气环流实验室模拟研究成果的重新归纳与分析,以及相应于上述理论和实验系统的简化数学物理模型的分析与比较,揭示出在大尺度旋转斜压自由流体系统中,β效应的存在与否,虽然可以修正波动的性质,但不影响波解结构与波动振幅演变方程的同构性质;发现β效应也不足以解释冬3夏4天气事实,而且也不足以描写冬夏波型转换机理;同时还发现在均匀旋转斜压流体系统中,存在一个可以解释冬夏波型现象的斜压非线性波长波型确定与转换机制. 本工作建议,关于大气长波本质上就是罗斯贝波,形成大气长波的物理机制是β效应的经典论断,有必要重新考察.本文认为,形成大气长波的物理机制是与地球大气南北温差相关联的斜压非线性效应.     

准地转动量近似下风速切变线上的波动

利用准地转动量近似下的斜压两层大气的非线性方程组及非线性边界条件，研究了切变线上波动的稳定性，导出了切变线上孤立波解。较好地解释了切变线上易产生低涡等天气系统现象。     

非线性大气动力学的进展

总结了自新中国成立以来中国科学院大气物理研究所在非线性大气动力学领域的进展,其中主要介绍了在非线性适应过程、非线性稳定与不稳定、全局分析理论、可预报性、低阶谱方法与多平衡态动力学、非线性波动、波流相互作用、阻塞高压非线性动力学、中小尺度非线性动力学等几个方面的研究成果及最新进展.     

非线性螺旋行星波的非频散解

本文将柱坐标中正压无辐散大气的运动方程组作适当简化后,求出了螺旋行星波的非频散椭圆余弦波解,并得到了波速公式及波参数间的一些诊断关系。这些关系绝大多数与观测事实相一致,故在大气中这种非频散的椭圆余弦波可能是真实存在的。或者可作为真实的非线性波动的第一近似。     

边界层低空急流的数值研究

本文利用稳定层结条件下的二维夜间边界层模式,研究了自由大气中的波动及热力稳定度对夜间低空急流的发展演变的影响问题,从而初步研究了自由大气中的波动对边界层大气的反馈作用。指出了自由大气的波动对于大气边界层结构有相当大的影响,对边界层低空急流影响明显。     

非线性Rossby波动特征的进一步探讨

在一定的假定下,利用自然坐标系对正压非线性Rossby波的特征作了进一步探讨,指出控制Rossby波动过程的本质方程是摆型方程及类似于Sine—Gordon方程的关系式,得到了波动过程中复杂的质点振动轨迹和非线性振荡的周期;给出了定常Rossby波的几种复杂流型,证明了非线性Rossby波的位相传播和能量传播是沿着流线进行的。这些结果对深入认识大气内部动力过程和解释某些观测现象具有一定意义。     

球面正压粘性大气的运动特征

通过对球面正压粘性大气非线性扰动的研究表明:由于波动之间的弱非线性相互作用，球面小扰动的波包演变是由一种较为简单的方程形式控制，当此粘性力消失时，该方程为非线性Schr?dinger方程。研究结果还表明:非线性Schr?dinger孤立波的形成，有两个因子非常重要，一是运动的球面性，另一个则是基本风场的经向切变。前者反映了球面运动的特殊性。本文还从另一个角度证明了粘性力的作用对波动起着加强能量的耗散作用，不利于这种几率波（Schr?dinger 孤立波）的形成。     

大气中非线性Kelvin波的一个特殊形态

通过对非线性方程组的求解和讨论，指出：非线性Ｋｅｌｖｉｎ波与线性波相比，在扰动的水平结构和时间演变上都存在着显著的差异；在波动的传播方式上也较线性情形复杂。与层结大气中的正压模态有关的波动亦有与上述类似的特征。     

变分原理与大气波动的Lagrange函数

本文从大气波动所满足的方程出发,应用变分原理求得了各种大气线性波动的Lagrange函数和平均Lagrange函数。应用平均Lagrange函数可以求得大气波动的频散关系、平均能量、波作用量和波作用量方程。 本文还分析了Lagrange函数与大气波能量间的关系,分析指出:Lagrange函数是物理量φ及其导数的二次式。对大气基本波动而言,非频散波的Lagrange函数是动能与位能(弹性位能或重力位能)之差,频散波的Lagrange函数是动能与恢复力的位能(有效位能、惯性位能或Rossby位能)之差。