热带半地转适应过程

在热带地区,当纬圈或经圈方向上的地转平衡遭到破坏后,非地转运动将激发出重力惯性波,随着重力惯性波的频散,纬圈或经圈方向的地转平衡将重新建立,且遵循半位势涡度不变式.对半位势涡度不变式的讨论指出,纬圈或经圈半地转适应过程的方向主要依赖于初始扰动的经圈特征尺度.对于纬(经)圈半地转适应运动来说,只要初始扰动的纬圈特征尺度足够大(小),则适应场的特点总是压力场和纬(经)圈流的相互适应.     

Coriolis力作用下的β效应与层结效应的Rossby孤立波

从包含完整Coriolis力的大气运动方程组出发,利用半地转近似导出了β效应、层结效应和地球旋转水平分量f_h共同作用下的非线性Rossby波满足KdV方程以及KdVmKdV方程.结果表明β效应、层结效应和地球旋转水平分量对Rossby的作用.     

热带气旋Rossby波能量频散问题研究进展

热带气旋是发生在热带洋面上的强烈气旋性涡旋.由于地转涡度梯度的存在,热带气旋在移动过程中不断发生Rossby波能量频散,并在热带气旋运动方向的后部激发出反气旋和气旋交替排列的Rossby波能量频散波列.多热带气旋共存和热带气旋的异常运动是当前国际热带气旋研究领域的热点问题,热带气旋Rossby能量频散被证实与多个热带气旋连续生成和异常运动密切相关.本文从热带气旋能量频散及波列特征、主要影响因子、反馈作用等方面,回顾总结了国内外关于热带气旋Rossby波能量频散的相关研究进展,并提出当前亟待解决的一些科学问题.目的是为深入研究热带气旋Rossby波能量频散及其影响提供基础和参考,以期使更多的研究学者关注热带气旋能量频散问题,从而进一步揭示热带气旋生成、发展和异常运动的动力学机理.     

地形作用下的近赤道非线性Rossby波

本文首次从带有地形的赤道大气基本方程组出发,利用浅水模式近似、半地转近似、Gardner-Morikawa变换以及摂动展开法得到了具有地形效应的赤道非线性波动振幅所满足的Korteweg-de Vries方程,并且利用Jacobi椭圆函数展开法求得非线性方程对应的周期波解和孤立波解,指出地形是产生赤道Rossby孤立波的重要因素.     

非对称型强飓风中的准平衡流特征分析Ⅱ:波动结构

利用非对称波分量分解和小波分析的方法,对准平衡动力模型下非对称强飓风内中尺度波动的空间结构和时间序列特征进行分析.结果表明,平衡流场中1波扰动占主要地位且具有涡旋Rossby波的典型结构特征,准平衡流各波数下扰动的空间分布反映了中尺度波动的混合性质;模式大气和准平衡垂直运动的全局功率谱中,超过信度检验的强波动信号中不仅包含分别表征重力波和涡旋Rossby波的高频和低频波动信号,还存在表征具有物理性质不可分特性的混合涡旋Rossby-重力波的中频波动.混合波的出现建立了不同频段波动之间的能量交换通道,其信号的变化对飓风系统的强弱变化具有一定的指示作用.非平衡垂直运动的波动强信号则主要集中在高频和低频区域,反映了在飓风强度变化情况下,与高频重力波有关的快波调整过程所引起的垂直扰动的振荡和传播.强垂直风切变对飓风内中尺度波动的切向和径向传播具有重要影响,当环境垂直风切变很强时,准平衡1波扰动在径向和切向方向上均呈"驻波"形态,随着环境垂直风切变的减弱,1波扰动以混合波波速逆基本气流传播.     

完整Coriolis力作用下非线性Rossby波的精确解

从包含完整Coriolis力的Boussinesq近似的斜压大气运动方程组出发,利用半地转近似导出β效应和地球旋转水平分量f_H=2Ωcosφ共同作用下的大气非线性Rossby波动所满足的KdV方程,求得了椭圆余弦波解和孤立波解.结果分析表明,若扰动与纬度有关,Coriolis参数分量f_H将影响波动传播的频率特征,并加强水平散度对斜压Rossby波的作用;如果扰动与纬度无关,则 Coriolis 参数分量f_H的影响消失.     

关于完整Coriolis力和地形作用下非线性Rossby波的研究

从含有完整Coriolis力的地转位涡方程出发,采用合理的赤道β平面近似,利用摄动法和时空伸长变换,推导了具有地形和耗散共同作用下的非线性Rossby波演变规律,其振幅满足非齐次Benjamin-Davis-Ono-Burgers(BDO-Burgers)方程.分析说明了地球旋转水平分量和下垫面对Rossby波演变的影响.当取特殊情况时,本文的结论可以退化为前人的结果.     

雅可比椭圆函数在大气和海洋动力学中的应用:二维非线性Rossby波研究

提出了扩展雅可比椭圆函数方法,来求得Petviashvili方程的精确解析解.Petviashvili方程被视为正压准地转位涡度方程的非地转扩展,应用该方法可以得到很多二维非线性Rossby波的周期波解,在取极限情况下,也可以得到二维Rossby孤立子解.     

切变基本纬向流中非线性赤道Rossby长波

为了解决观测和理论研究中的一些问题以及更好地了解热带大气动力学 ,有必要进一步研究基本气流的变化对大气中赤道Rossby波动的影响 .本文研究分析基本气流对赤道Rossby长波的影响 ,利用一个简单赤道 β平面浅水模式和摄动法 ,研究纬向基本气流切变中非线性赤道Rossby波 ,推导出在切变基本纬向流中赤道Rossby长波振幅演变所满足的非线性KdV方程并得到其孤立波解 .分析表明 ,孤立波存在的必要条件是基本气流有切变 ,而且基流切变不能太强 ,否则将产生正压不稳定 .     

缓变地形下β效应的Rossby代数孤立波

正压流体中,从准地转位涡方程出发采用摄动方法和时空伸长变换推导了在缓变地形下β效应的Rossby代数孤立波方程,得到Rossby波振幅满足带有缓变地形非齐次Benjamin-Davis-Ono(BDO)方程的结论.通过分析孤立Rossby波振幅的演变,指出了β效应、地形效应是诱导Rossby孤立波产生的重要因素,说明了在缓变地形强迫效应和非线性作用相平衡的假定下,Rossby孤立波振幅的演变满足非齐次BDO方程,给出在切变基本气流下缓变地形和正压流体中Rossby波的相互作用.     

基于准地转垂直运动方程对Q矢量的进一步探讨

Q矢量是诊断大气大尺度垂直运动的重要物理量.在f平面近似下,从原始运动方程组出发可以推导出Q矢量以及相关的半地转Q矢量、非地转Q矢量和湿Q矢量等表达式,但这种传统的推导方法没有考虑大气准地转运动的属性.本文利用数学物理变换,直接从准地转ω方程出发推导出Q矢量及其相关表达式,从而克服了传统方法在大气准地转运动属性表达方面...     

Rossby波的螺旋斑图

应用描写大气大尺度运动的准地转方程组，求得了大气Rossby波的三维定常流场以及相应的位温场、涡度场和散度场，其中的三维流场构成了物理空间的一个非线性自治动力系统. 研究表明，Rossby波具有     

中层大气Rossby波与惯性重力波的非线性相互作用 （Ⅰ）相互作用方程

从包含Ｒｏｓｓｂｙ波和惯性重力波的大气运动方程组出发，采用弱非线性相互作用近似，推导出耗散大气中这两种尺度相差很大的波动之间的非线性相互作用方程．以此为基础，得到了描述窄角谱Ｒｏｓｓｂｙ波包和惯性重力波包的非线性时空演变规律的三波相互作用方程．数值分析表明，当一个Ｒｏｓｓｂｙ波包与两个惯性重力波包发生相互作用时，两个惯性重力波包之间进行快速的能量交换，同时与Ｒｏｓｓｂｙ波包之间进行缓慢的能量传输．从时间尺度上讲，惯性重力波可以看作Ｒｏｓｓｂｙ波包运动的背景噪声，因此上述非线性相互作用过程可以理解为大尺度Ｒｏｓｓｂｙ波包与背景噪声之间的能量交换过程．     

完整Coriolis力作用下的二维非线性Rossby波

本文在正压流体中,从包含完整Coriolis参数的准地转位涡方程出发,在弱非线性长波近似下,采用多时空尺度和摄动方法,推导出大气非线性Rossby波振幅演变满足带有地形强迫的非线性Zakharov-Kuznetsov(ZK)-Burgers方程.结果分析表明:地球旋转的水平分量、β效应、地形效应和耗散都是诱导二维Rossby波产生的重要因子.     

旋转流体中的二维惯性重力波-涡相互作用

本文利用f-平面浅水模型讨论了二维情况下快速惯性重力波与平衡涡旋之间的相互作用问题.当快速的惯性重力波传入涡旋区域后，波－涡之间发生了相互作用，涡旋可被加深，涡旋区域的风场等可以出现非对称分布，当惯性重力波全部传出涡旋区域并远离之后，涡旋恢复到其初始状态，但此时惯性重力波可以出现非对称结构，这与一维情况不同.在波－涡发生相互作用过程中，其物理量变化的最大区域分布基本与波动传播方向一致，在波动进入或移出涡旋时，相对应存在两个最大物理量变化区域，此外，相互作用导致的物理量的最大变化与波动结构、强度、传播方向以及涡旋特性有关.非线性条件下的波－涡相互作用要强于线性过程.     

GRAPES全球非静力大气模式的正规模分析

为分析数值模式动力学框架中不同波动的特性及对数值天气预报模式计算稳定性的影响,文章对GRAPES（Global/Regional Assimilation and PrEdiction System）全球非静力大气模式进行了正规模分析.首先,建立了静止大气状态下模式的线性化系统,并在适当的边界条件下将线性化系统分解成具有垂直与水平结构方程的本征值、本征函数耦合问题.然后在等温大气条件下,利用耦合问题的数值结果分析得出：GRAPES非静力模式除了有几乎和对应的静力模式一致的向东、向西传播的重力惯性波及向西传播的Rossby波外,还有一个向东、向西传播的声惯性波;特别是,只有当纵横比较大时,非静力模式对重力惯性波才会有显著影响.     

热带大洋对纬向和经向风应力的联合响应

考虑了经向风应力和纬向风应力联合作用下热带大洋的响应问题.结果表明,只有一阶的经向风应力或具有辐合辐散的经向风应力才对最后的速度场和位势场造成影响.零阶的扰动温跃层和纬圈流受风应力的直接驱动和Kelvin波、Rossby短波的影响,而Rossby短波由经向风应力直接造成;二阶模则受风应力的直接驱动和Rossby短波的作用,同时经向风应力也产生了附加的Rossby短波.另外,在西边界处存在很强的暖水补充到赤道的现象,经向风应力有使暖水向赤道输送的作用,而西风应力使西边界处的暖水向东输送.     

弱二次切变基本流下地形和β变化的Rossby孤立波

在正压流体中从包含地形的准地转位涡出发,利用行波变换和约化摄动法导出了弱二次切变基本流下β变化和地形共同作用的正压Rossby孤立波振幅满足非齐次KdV方程.并计算了非齐次KdV方程的系数,说明弱二次切变基本气流、β变化和地形对Rossby孤立波的作用.     

论不同模式大气中的静力适应过程

为了研究大气静力平衡适应过程的本质,利用波动理论和能量转换角度,分别对完全可压缩的等温大气模型、滞弹近似下的等温大气模型和层结中性大气模型进行研究比较.结果表明：大气静力平衡适应过程的本质是声波和混合声重力波对扰动能量的频散过程,滞弹近似模型和层结中性模型均不能完全描述此适应过程;在波动假设下,此三类大气模型中扰动物理量之间的偏振关系同波动的性质有关,气团的运动方程均为椭圆方程,声波和混合声重力波对气团运动的作用差异较显著.
大气静力平衡适应过程中扰动能量以有效势能、有效弹性势能、动能或波动能量的形式存在并相互转换;扰动有效势能与其他形式能量之间的转换与混合声重力波或者重力内波有关,扰动有效弹性势能与其他形式能量之间的转换与声波有关.在完全可压缩的等温大气模型中,扰动有效势能增加1个单位,其中69.9%来自扰动垂直动能,其余30.1%来自扰动有效弹性势能.     

海浪波生切应力及其对流驱动作用的估计

依据 f 平面近似下线化无粘流体运动方程的一般形式, 并考虑地转角速度水平分量的作用, 首次给出真正地转意义下均匀水底上的小振幅波动解. 由此解导出的波生切应力包括波向与横向两个分量, 但其一阶近似即为Hasselmann和ZhiGang Xu等给出的结果. 文中还依地转波生应力和Longuet-Higgins等人提出的虚拟波生应力(virtual wave stress)计算了海面上波生总应力与风应力的比值, 估计了该应力在我国海域环流研究中的重要性, 强调在我国渤、黄海环流研究中考虑海浪的驱动作用的必要性.