切变基流对赤道大气波动稳定性的作用

在赤道β平面近似条件下，使用纬向切变基流下线性化Boussinesq方程组，分析了在纬向切变基流下几种赤道大气波动的稳定性特征。研究结果表明，基本气流的水平切变对赤道大气波动起到不稳定的作用，但是对赤道大气Kelvin波的频率、稳定性以及传播的相速度并不起作用。基本气流的水平切变使得相对于基本气流向东传播的重力惯性内波相速度减慢，而使得相对于基本气流向西传播的重力惯性内波的相速度加快，却造成相对于基本气流向西传播的Rossby波相速度减慢。基本气流的水平切变对于对赤道混合Rossby-重力惯性内波的影响主要取决于纬向波数k值的范围大小。当纬向波数k值较小时，基流的水平切变使得相对于基本气流向西传播的混合Rossby-重力惯性内波相速度加快；而当纬向波数k值较大时，则使得相对于基本气流向西传播的混合Rossby-重力惯性内波相速度减慢。在半地转近似下，风速水平切变的存在，会使得波长较大（纬向波数k→0）的赤道Rossby波相对于基本气流向西传播的相速度减慢；而风速垂直切变的存在，必然会引起这种波长较大（k→0）的Rossby波出现不稳定增长，同样也会造成赤道Rossby波相对于基本气流向西传播的相速度减慢。最后通过扰动发展能量方程，说明了基本气流的水平切变和垂直切变可以为扰动的发展提供能量来源。     

青藏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Rossby波的经向传播，夏季高原大尺度热力作用不利于波动的经向传播。非绝热Rossby波的频率方程说明冬季高原的热力作用是中纬季节内振荡的重要激发机制。同时，在背景西风气流为纯斜压条件下，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热力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。     

大地形上空地转基流中波动的传播和稳定性

研究表明，地形北坡上空东风基本气流中的重力惯性波最易出现不稳定发展，地形坡度大于１‰的地形南坡上空强西风气流中重力惯性波和地形罗斯贝波都是不稳定的。只有在西风气流中重力惯性波才会出现明显的相对基本气流的东、西传播现象。     

两种类型中尺度涡旋Rossby波的相速度及其物理机制

本文使用正压浅水方程组以及纬向切变基流下二维中尺度横波型扰动的Bouss-inesq近似方程组,分析了这种沿着基本气流方向传播的中尺度扰动的波动传播物理过程。研究结果表明,中尺度涡旋Rossby波划分为两种类型。由于纬向基本气流的方向的二阶水平切变或者基本气流的垂直涡度在南北方向的变化(β*因子)所导致的涡旋Rossby波称之为第一类涡旋Rossby波(正压涡旋Rossby波),它产生的根本原因是β*因子的作用。这种第一类涡旋Rossby波相对于基本气流-U0是单向传播的,其传播方向则与β*因子的正负符号有关。基本气流在垂直方向上的风速切变对于中尺度横波型的扰动起着不稳定的作用。如果考虑基流的二次垂直切变时,可以得到第二类涡旋Rossby波(斜压涡旋Rossby波)的相速度表达式,第二类涡旋Rossby波产生的物理根源是基本流场的风速-U的二次垂直切变或者基本流场y方向的平均涡度在空间z方向上的不均匀性(亦即β**因子)。第二类涡旋Rossby波相对于基本气流-U0也是单向传播的,其相速度与纬向波数k有关,能量是频散的,在纬向x方向存在群速度。在基本流场的风速-U存在二次垂直切变时,横波型不稳定可能是混合的涡旋Rossby-重力波的不稳定;而当基本流场的风速-U仅仅存在线性切变,不存在二次垂直切变时,此时根本不存在涡旋Rossby波,横波型扰动的不稳定则仅仅是重力惯性波的不稳定。最后利用横波型扰动的总涡度守恒方程对第二类涡旋Rossby波形成的物理机制做出了解释。     

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。     

切变基本纬向流中赤道Rossby包络孤立波

利用多重尺度摄动法，从描写赤道Rossby波的正压大气位涡度方程中推导出在切变基本纬向流中非线性赤道Rossby波包演变所满足的非线性Schrodinger方程，并得到其单个包络孤立子波解，分析基本流切变对非线性赤道Rossby波动的影响。     

缓慢移动性Rossby波与大尺度地形的近共振相互作用

通过考虑西风角动量（基本气流的二阶修正）对缓慢移动性Rossby波的反馈作用,建立起缓慢移动性Rossby波与大尺度地形近共振相互作用的理论模型,使用4阶Runge-Kutta方法对该模型进行数值计算可以发现,缓慢移动性Rossby波与大尺度地形近共振相互作用,可以使缓慢移动性Rossby波和西风角动量产生30～60 d的低频振荡。在高纬度地区（60oN）,30～60 d低频振荡主要以缓慢西移的1波为主;而在中纬度地区30～60 d低频振荡主要表现为1～3波,其中1波可以是缓慢东移的,也可以是缓慢西移的,而2波主要表现为缓慢向西移动,3波为缓慢向东移动。     

中尺度对称不稳定和横波不稳定的波动性质

使用纬向线性以及非线性切变基流下中尺度扰动的Boussinesq近似方程组，讨论了两种典型的中尺度扰动发生对称不稳定或者横波不稳定时，其不稳定的一些特征以及扰动的波动性质。研究结果表明：（1）对于扰动的等位相面平行于基本气流方向的对称性扰动来说，对称不稳定的波动实质是沿着与基本气流方向相垂直的方向传播的重力惯性内波的不稳定。基流二次切变对于中尺度对称扰动来说是一个不稳定因子，并且驱动不稳定的中尺度对称扰动在南北方向传播；（2）对于扰动的等位相面垂直于基本气流方向的横波性扰动来说，在基本气流为常数或者只具有线性切变的情况下，此时根本不存在涡旋Rossby波，横波不稳定的波动实质则是沿着基本气流方向双向传播的重力惯性内波的不稳定。如果考虑基本流场的风速存在二次切变或者非线性切变时，此时就会产生一支新的波动（涡旋Rossby波），涡旋Rossby波相对于基本气流^-U0是单向传播的，涡旋Rossby波产生的物理根源是基本流场的风速^-U二次切变（β＊=^-Uzz≠0），此时横波型不稳定可能是混合的涡旋Rossby——重力波的不稳定。实际大气中，涡旋Rossby波对于中够尺度对流云核、暴雨团等天气系统的发生、发展和演变的物理机制具有极其重要的意义。     

亚洲夏季风爆发与热源强迫下的热带大气Rossby波

对南海夏季风爆发前的风场和局地对流凝结加热强迫作用进行了合成分析, 表明南海夏季风爆发前局地对流凝结加热作用对与南海夏季风爆发密切相关的低频涡对的产生起着重要作用.然后, 从动力学的角度研究了带有外部热源强迫的赤道β平面上的Rossby波, 利用Gardner-Morikawa变换和摄动展开方法, 得到了热源强迫下描写赤道Rossby的mKdV方程, 进而得到了不同热源形式下切变气流中赤道非线性Rossby波的解析解.结果表明, 不同类型的热源对赤道Rossby波的结构起着非常重要的作用, 同时也为南海夏季风爆发前低频涡对的形成给出了一种动力学解释.     

β中尺度暴雨系统发生发展的一种可能物理机制I. 涡旋Rossby波的相速度

使用纬向基流下横波型扰动的Boussinesq近似方程组, 分析了这种沿着基本气流方向传播的中尺度扰动发生不稳定时, 大尺度背景流场在垂直方向上的各种分布特征.在大气层结比较稳定的情况下, 如果基本气流在低层和高层较大(有可能存在低空急流和高空急流), 此时产生的β中尺度不稳定扰动相对于基流向东传播, 甚至于快速向东传播.基本气流在垂直方向上的风速切变对于中尺度横波型的扰动起着不稳定的作用.如果考虑基流的二次切变, 可以得到涡旋Rossby波的相速度表达式, 涡旋Rossby波相对于基本气流是单向传播的.涡旋Rossby波产生的物理根源是基本流场的风速二次切变, 亦即基本流场y方向的平均涡度在空间z方向上的不均匀所致.涡旋Rossby波的相速度与纬向波数也有关, 它的能量是频散的, 其在纬向x方向也存在群速度.在基本流场的风速存在二次切变时, 横波型不稳定可能是混合的涡旋Rossby重力波的不稳定; 而在基本流场的风速仅仅存在线性切变, 不存在二次切变时, 横波型扰动的不稳定则是重力惯性波的不稳定.     

Vortex Rossby Waves in Asymmetric Basic Flow of Typhoons

Wave ray theory is employed to study features of propagation pathways(rays) of vortex Rossby waves in typhoons with asymmetric basic flow, where the tangential asymmetric basic flow is constructed by superimposing the wavenumber-1 perturbation flow on the symmetric basic flow, and the radial basic flow is derived from the non-divergence equation. Results show that, in a certain distance, the influences of the asymmetry in the basic flow on group velocities and slopes of rays of vortex Rossby waves are mainly concentrated near the radius of maximum wind(RMW), whereas it decreases outside the RMW. The distributions of radial and tangential group velocities of the vortex Rossby waves in the asymmetric basic flow are closely related to the azimuth location of the maximum speed of the asymmetric basic flow, and the importance of radial and tangential basic flow on the group velocities would change with radius. In addition, the stronger asymmetry in the basic flow always corresponds to faster outward energy propagation of vortex Rossby waves. In short, the group velocities, and thereby the wave energy propagation and vortex Rossby wave ray slope in typhoons, would be changed by the asymmetry of the basic flow.     

正压准地转模式中大地形作用下的低频波

利用包含大地形和常速纬向基本气流的正压准地转位涡度方程,研究了大地形对低频波激发的作用,结果表明,起作用的地形因子主要是地形的最大高度和地形坡度。地形最大高度的作用主要是使Rossby波趋向低频,而地形坡度的作用主要是对Rossby波的稳定性起决定作用,同时适当的地形坡度也可导致低频波的形成。而常速纬向基流在总体上的作用是使波动变得趋向低频,且西风基流更有利于低频（30～60天）波的形成。从纬向波数上看,纬向3波以上的波动更容易出现低频（30～60天）。     

切变基流中赤道Rossby包络孤立波

A simple shallow-water model on an equatorialβ-plane is employed to investigate the nonlinear equatorial Rossby solitons in a mean zonal flow with meridional shear by the asymptotic method of multiple scales. The cubic nonlinear Schrodinger (NLS, for short) equation, satisfied for large amplitude equatorial envelope Rossby solitons in shear basic flow, is derived. The effects of basic flow shear on the nonlinear equatorial Rossby solitons are also analyzed.     

基本流场切变对赤道长Rossby波的影响

文中应用赤道β平面近似 ,建立一个简单的斜压大气半地转模式 ,在热力学方程中引入表征基本位温场 (θ)经向分布特征的无量纲参数 σ,对线性化的扰动方程进行了频率分析 ,研究基本位温场经向非均匀分布以及基本气流垂直切变对赤道纬向超长尺度 Rossby波动的影响 ,并指出仅考虑基本气流垂直切变或者基本位温场变化的作用是不合适的。定性分析结果表明 :基本位温场经向温差必然有基本气流垂直切变与其相匹配 ,而基本气流垂直切变将导致赤道长 Rossby波动不稳定并影响其纬向传播速度     

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。     

正压大气中的代数Rossby孤立波

本文研究了基本气流具有线性弱切变的非线性Rossby波,得到了一个非线性发展方程为Kubota方程,在一定的条件下,可变为Benjamin-Ono方程,并指出当代数Rossby孤立波的振幅越大时,代数Rossby孤立波的传播速度越小,基流切变越强,代数Rossby孤立波越慢,同时我们还指出在代数Rossby孤立波的振幅满足一定的条件下,代数Rossby孤立波才随纬度的增高(β减小)而减慢。并且代数Rossby孤立波的结构与大气中的偶极子阻塞是一致的。     

On the low-frequency,planetary-scale motion in the tropical atmosphere and oceans

Scale analyses for long wave, zonal ultralong wave (with zonal scale of disturbance L1~104 km and meridional scale L2~103 km) and meridional ultralong wave (L1~103 km, L2~104 km) are carried out and a set of approximate equations suitable for the study of these waves in a dry tropical atmosphere is obtained. Under the condition of sheared basic current, frequency analyses for the equations are carried out. It is found that Rossby waves and gravity waves may be separated for n ≥ l where n is the meridional wave number, whereas for n = 0 and L1~1000 km, the mixed Rossby-gravity wave will appear. Hence it is confirmed that the above results of scale analyses are correct. The consistency be-tween frequency analysis and scale analysis is established.The effect of shear of basic current on the equatorial waves is to change their frequencies and phase velocities and hence their group velocities. It increases the velocity of westward travelling Rossby waves and inertia-gravity and mixed waves, but decelerates the eastward inertia-gravity waves and the Kelvin wave. The recently observed low-frequency equatorial ocean wave may be interpreted as an eastward Kelvin wave in a basic current with shear.     

Variations in Wave Energy and Amplitudes along the Energy Dispersion Paths of Nonstationary Barotropic Rossby Waves

The variations in the wave energy and the amplitude along the energy dispersion paths of the barotropic Rossby waves in zonally symmetric basic flow are studied by solving the wave energy equation,which expresses that the wave energy variability is determined by the divergence of the group velocity and the energy budget from the basic flow.The results suggest that both the wave energy and the amplitude of a leading wave increase significantly in the propagating region that is located south of the jet axis and enclosed by a southern critical line and a northern turning latitude.The leading wave gains the barotropic energy from the basic flow by eddy activities.The amplitude continuously climbs up a peak at the turning latitude due to increasing wave energy and enlarging horizontal scale(shrinking total wavenumber).Both the wave energy and the amplitude eventually decrease when the trailing wave continuously approaches southward to the critical line.The trailing wave decays and its energy is continuously absorbed by the basic flow.Furthermore,both the wave energy and the amplitude oscillate with a limited range in the propagating region that is located near the jet axis and enclosed by two turning latitudes.Both the leading and trailing waves neither develop nor decay significantly.The jet works as a waveguide to allow the waves to propagate a long distance.