海气系统中不稳定耦合波的空间结构与气候年代际振荡

利用带有深海作用的简单海气耦合模型,分析了中纬度海气系统中不稳定耦合波的空间结构,讨论了其对气候年代际振荡的影响.结果表明:对于海气系统中的不稳定耦合波,大气扰动在位相上超前于海洋扰动,位相差范围0到π/2,特别当位相差为π/4时,出现最不稳定海气相互作用;大气和海洋扰动振幅之间的关系由风应力系数和海洋加热系数的相对大小决定,大气扰动振幅可以小于海洋扰动振幅,也可以大于海洋扰动振幅;深海作用系数对于海气耦合波的空间结构总体影响很小.     

一类非线性海气耦合波的研究

建立了一类非线性海气耦合波的模式,并用该模式作了解析研究,讨论了该类海气耦合波的存在条件,发现当海气耦合较强时分别存在以海洋为主导方面及以大气为主导方面的两支海气耦合波,而耦合较弱时则仅有前者存在。还求得了该模式中该类海气耦合波的椭圆余弦波解及孤立波解,并对以海洋为主导的海气耦合波的性质作了讨论,认为海气相互作用耦合也是产生大气季节内振荡的机制之一。     

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．     

东亚夏季对流云顶黑体辐射温度的频率分布及其日变化

利用简单海气耦合模式，分析了经向风应力和纬向风应力对热带太平洋不稳定海气耦合模态的相对贡献。结果表明：在局地热力平衡假设下，海气相互作用导致了海洋Kelvin波的不稳定，该不稳定模态发生在一定波长范围内，只有纬向风应力对其作出贡献；在海温仅由平流过程决定的假设下，海气相互作用导致了海洋Rossby波的不稳定，该不稳定模态在整个波长范围内都有发生，波长越大，不稳定越强，经向风应力与纬向风应力都可以对海洋Rossby波的不稳定作出贡献，但是前者贡献较小；不稳定Rossby波比不稳定Kelvin波的增长率要小；由于无论哪一种不稳定模态，都是纬向风应力在海气耦合中起着绝对的主导作用，所以在研究热带太平洋海气耦合动力学对ENS0不稳定发展的贡献时，采用忽略经向风应力作用的近似是合理可行的。     

热带大气和海洋运动的频率差异在海气系统演变中的作用

对热带太平洋地区850 hPa纬向风场、海表温度场月平均距平进行了谱分析。结果表明:纬向风距平与海表温度距平的振幅在El Ni?o或La Ni?a期间同时增长。而在其他期间,波振幅随时间呈相反变化趋势。在El Ni?o或La Ni?a事件发展期间,纬向风距平的位相角与海表温度距平位相角的差值在90o左右,而在事件的衰减期间,它们的位相角的差值在0o左右。本文还利用长波近似、海洋对大气加热取局地热力平衡近似时的简单热带海气耦合模式,研究了大气变量和海洋变量位相差随时间变化对海气耦合解的影响。在海气耦合模式中,当大气模式取为非定常时,大气和海洋Kelvin波之间以及Rossby波之间存在着能量转换,使大气和海洋波振幅呈相反变化趋势。此时,耦合波振幅随位相角差的变化没有共同的增长或衰减区间。大气Kelvin波与海洋Rossby波或大气Rossby波与海洋Kelvin波相互作用时,波振幅随位相差的变化存在着相同增长和衰减区间,它们的振幅要么同时增长,要么同时减少。当大气模式取定常时,因为相互作用波之间的位相差是一常数,波振幅随时间无限制增长。本文还在大气模式取为非定常和定常两种情况下,对海气耦合模式进行了数值求解。结果表明,当大气模式取为非定常时,数值解随时间的变化趋势跟观测结果有较好一致性。当大气模式取为定常时,数值解随时间的变化趋势跟观测结果差别较大。     

对热带不稳定海气相互作用模式的改进

对以前提出的热带海气相互作用模式［１］风应力的参数化作了改进。和以前一样，在这个耦合模式中，滤去了大气和海洋中的重力惯性波，只保留了向西传播的Ｒｏｓｓｂｙ波。但经过海气相互作用后，理论分析指出，在耦合模式中存在着快的和慢的两类波动。快波频率的实部、即其相速度是向西传的，并接近于未经海气相互作用时大气中Ｒｏｓｓｂｙ波的频率；而慢波的性质和以前的结果类似，短波部分是向西传的，长波部分向东传，东传波的临界波数随海气相互作用增强向短波部分位移。与以前结果不同的是，除一个慢波不稳定增长外，另一个快波在长波部分也是不稳定增长的。海气相互作用越强，不稳定增长率和不稳定波所出现的波段范围越大。另外，本文的研究结果还指出，高频和低频不稳定波产生的物理条件是不一样的。     

简单热带海气耦合模式中的耦合波及其不稳定性（I）

本文建立了一个简单的热带海气耦合模式，模式大气和海洋中包含了Kelvin波和长Rossby波。在赤道β平面近似下，讨论了取耦合系统中最大径向模时，即大气和海洋中只存在Kelvin波时耦合波的性质。结果指出，向东传的耦合Kelvin波可以出现不稳定性，并且由于海气相互作用，在长波部分可以产生向西传的耦合Kelvin波。 耦合Kelvin波的性质与模式中所选用的参数有很大关系，当大气与海洋中自由波的频率相差很大时，耦合波的性质与没有海气相互作用时自由波的性质非常接近；只有当大气与海洋中自由波的频率相差不太大时     

简单热带海气耦合模式中的耦合波及其不稳定性（II）

为了分析热带海气耦合系统中不稳定扰动究竟由哪种自由波占主导地位，根据本文第I部分提出的热带海气耦合模式，讨论了取耦合系统中不同的径向模时耦合波的性质，即分别讨论了大气长Rossby波和海洋长Rossby波、大气Kelvin波和海洋长Rossby波、大气长Rossby波和海洋Kelvin波的耦合波以及考虑了大气和海洋中所有这些波动时耦合波的性质。结果指出，这些耦合波对海气耦合模式中参数的取值很敏感，不同的参数可以产生性质不同的耦合波。本文的结果也说明了海气耦合系统的性质与热带大气的性质和结构有很大关系。     

简单热带海气耦合模式中的耦合波及其不稳定性（Ⅰ）

西文建立了一处简单的热带海气耦合模式，模式大气和海洋中含了Ｋｅｌｉｖｎ波和长Ｒｏｓｓｂｙ波。在赤道β平面近似下，讨论了取耦合系统中最大径向模时，即大气和海洋中只存在Ｋｅｌｉｎ波时耦合波的性质。结果指出，向东传的耦合Ｋｅｌｖｉｎ波可以出现不稳定性，并且由于海气相互作用，在长波部分可以产生向西传的耦合Ｋｅｌｖｉｎ波。耦合Ｋｅｌｖｉｎ波的性质与模式中所选用的参数有很大关系，当大气与海洋中自由波的频率相差     

简单的热海气耦合波──Kelvin波和Rossby波的综合作用

在本文中，考虑到对于研究ＥＮＳＯ事件中的某些现象，人们更感兴趣的是大尺度低频运动的物理性质。为此，本文中引进长波低频近似，这时纬圈运动基本上满足地转平衡。分析表明，对赤道偶对称运动，当经圈结构函数（抛物线柱函数）取ｎ＝０，２时，海气耦合系统中的自由波分别为大气和海洋中的Ｋｅｌｖｉｎ波和Ｒｏｓｓｂｙ波。它们经相互作用后，可以激发出不稳定的海气耦合波。根据海气相互作用强度（αγ）和ε（＝ｃｓ／ｃａ。ｃｓ，ｃａ分别为海洋和大气中的重力波波速）的大小，可以把不稳定区分成三个部分。在ε＜０．１６的强海气相互作用区，不稳定的耦合波，在短波波段是向东传播的，在长波波段则转为向西传播。在ε＞０．１６的弱海气相互作用区中，在长波波段的不稳定耦合波是向东传播的。另外，在ε＞０．１６的强相互作用区中，不稳定耦合波的物理性质较为特殊。在短波波段存在一支向东传播的不稳定波，但由于增长率太大，可以预测波将很快破碎而变成大尺度湍流运动。在长波波段虽然也存在一支频率很高的不稳定波，但其物理性质很难从自由模的比较中追踪出来。文中对由大气和海洋Ｒｏｓｓｂｙ波经相互作用后的对赤道奇对称耦合波也作了讨论。     

Midlatitude unstable air-sea interaction with atmospheric transient eddy dynamical forcing in an analytical coupled model

While recent observational studies have shown the critical role of atmospheric transient eddy (TE) activities in midlatitude unstable air-sea interaction, there is still a lack of a theoretical framework characterizing such an interaction. In this study, an analytical coupled air-sea model with inclusion of the TE dynamical forcing is developed to investigate the role of such a forcing in midlatitude unstable air-sea interaction. In this model, the atmosphere is governed by a barotropic quasi-geostrophic potential vorticity equation forced by surface diabatic heating and TE vorticity forcing. The ocean is governed by a baroclinic Rossby wave equation driven by wind stress. Sea surface temperature (SST) is determined by mixing layer physics. Based on detailed observational analyses, a parameterized linear relationship between TE vorticity forcing and meridional second-order derivative of SST is proposed to close the equations. Analytical solutions of the coupled model show that the midlatitude air-sea interaction with atmospheric TE dynamical forcing can destabilize the oceanic Rossby wave within a wide range of wavelengths. For the most unstable growing mode, characteristic atmospheric streamfunction anomalies are nearly in phase with their oceanic counterparts and both have a northeastward phase shift relative to SST anomalies, as the observed. Although both surface diabatic heating and TE vorticity forcing can lead to unstable air-sea interaction, the latter has a dominant contribution to the unstable growth. Sensitivity analyses further show that the growth rate of the unstable coupled mode is also influenced by the background zonal wind and the air–sea coupling strength. Such an unstable air-sea interaction provides a key positive feedback mechanism for midlatitude coupled climate variabilities.

     

低纬大气Kelvin波和Rossby波的非线性相互作用

利用多重尺度摄动法,对低纬大气Kelvin波和Rossby波的波包演变进行了分析,得到两波的非线性相互作用方程为耦合的非线性复系数Landau方程组。数值计算表明两波相遇将使波振幅变化,波宽变窄;两波非线性相互作用可能是低纬强烈天气突然爆发的原因之一。     

STUDY OF CHARACTERISTIC MODES IN SIMPLE TROPICAL COUPLED AIR-SEA MODEL

The propagation features, stabilities and dynamical characteristic structures of coupled Kelvin inner modes andsecond order Rossby inner modes are studied using a simple tropical coupled air-sea model in this paper. It is shownthat there is mechanism of selecting scale and frequency in the tropical air-sea system. The effects of air-sea couplingare mainly on the large-scale modes and nonuniform. These effects make the frequency of Kelvin modes decrease andeven excite the eastward propagating Rossby inner modes. These effects make the unstable development of Kelvinmodes and result in the decay of Rossby modes. The effects of atmospheric damp are opposite to those of air-sea coup-ling. The oceanic damp only make the wave amplitudes decay. Simutaneously, this paper shows the dynamical character-istic structures of air-sea coupled system and the phase relations between the atmospheric and the oceanic wave compo-nent.     

THE AIR-SEA INTERACTION WAVES IN THE TROPICS AND THEIR INSTABILITIES

By using a simple air-sea coupled model,the interaction of Rossby waves between the air and sea inthe tropics is discussed.It is shown that the coupling of Rossby waves in the two media produces notonly the westward propagating waves,but also a type of new wave which moves eastward.The eastwardpropagating waves exist in the scope of comparatively long wavelengths and this scope is governed bythe intensity of the air-sea interaction.In addition,instability may appear in both the eastward and west-ward propagating waves,and the wave amplifying rates are also governed by the intensity of the air-seainteraction.In the end,a possible explanation to ENSO events is given in terms of the air-sea interactionwaves.     

热带海气相互作用波及其不稳定性

本文利用一个简单的海气耦合模式,讨论了热带海洋和大气中Rossby波的相互作用。结果指出,海洋和大气中向西传播的Rossby波耦合后,不仅存在着向西传播的波动,而且还可以产生一类向东传的新波。这种向东传播的波动出现在波长较长的波段范围内,这个范围的大小受海气相互作用强度的制约。另外,波动可以出现不稳定性,向西和向东传的波均有不稳定现象发生,不稳定增长率也受海气相互作用强度的制约。最后,根据所得到的海气相互作用波,对ENSO现象作了一个可能的解释。     

一种新的ENSO循环负反馈机制

本文利用包含海洋表面边界层和大气辐合反馈过程的热带太平洋海气耦合异常模式的30年模拟结果，通过对模式ENSO循环演变特征和正负反馈机制的细致分析揭示出了ENSO循环形成的一种新的负反馈过程。指出:ENSO循环的正反馈机制是不稳定海气相互作用过程，且这一不稳定过程的发展在暖态中明显强于冷态；ENSO循环的负反馈机制在冷暖态中表现不同，在冷态消亡过程中，这种负反馈过程主要表现为暖的西传Rossby波经西边界反射产生的暖的东传Kelvin波来抑制冷位相不稳定发展的，但在暖态消亡过程中，不存在类似的纬向波作用过程，其负反馈过程主要表现为在海气耦合不稳定充分发展时伴随的赤道两侧冷水上翻过程的加强以及非线性过程的衰减作用共同抑制了不稳定的发展，并最终使系统从暖态恢复至冷态。本文得出的ENSO循环暖位相中的负反馈机制和近年来国外提出的“时滞振子”理论明显不同。     

简单的热带海气耦合波——Rossby和Kelvin波的相互作用

本文分析了当大气和海洋中未经耦合前的自由波分别为Kelvin波和Rossby波,经相互作用后所产生的耦合波的性质。结果表明,不管大气的自由波为Kelvin波或Rossby波,而海洋的自由波为Rossby波或Kelvin波,经相互作用后的耦合波可以分成两类。一类耦合波的色散关系接近自由的Kelvin波;另一类则由不同经圈模的Rossby波经相互作用后的耦合波。这两类波都具有不稳定性。文中讨论了耦合波的传播和不稳定的物理机制,并指出这类不稳定的热带耦合波,对研究ENSO事件中的某些现象有一定的参考意义。