半地转近似下的混合Rossby－重力椭圆余弦波

在半地转近似［１］下，利用层结大气中的涡度方程、散度方程、连续方程和绝热方程结合行波解的方法得到了关于垂直速度的单一变量方程。这是与ＫｄＶ方程相应的非线性常微分方程，可得到椭圆余弦波或弧立波。此波动的频率有两种，表明层结大气中存在着两种性质不同的非线性波动。其一是东传的惯性重力椭圆余弦波，另一是混合Ｒｏｓｓｂｙ－重力椭圆余弦波，其性质介于Ｒｏｓｓｂｙ椭圆余弦波与西传的惯性重力椭圆余弦波之间。这两种非线性波的相速不但与波数和振幅有关，而且与β因子和静力稳定度有关，即纬度越低，则传播越慢；大气越稳定，则传播越快。     

均匀基流中非线性行波解的稳定性及其存在条件

本文利用地转动量近似＾「１」并结合行波解的方法,研究了均匀基本气流中的层结大气非线性波动,首先由绝热无磨擦的闭合方程组导得关于垂直Ｐ速度的单一变量的非线性方程,然后讨论了非线性方程解的稳定性,并求得近似的非线性方程的椭圆余弦波和孤立波解及其存在条件。     

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。     

水平非均匀层结大气中重力波的时空结构

用WKBJ方法结合特征线法求得了重力波波包在水平非均匀层结和时变层结大气中演变的渐近解，结果表明层结水平非均匀性除引起重力波波幅的变化外，还引起波长和包络宽度的变化，当波包由层结大值区移向层结小值区时，水平波长变短，包络宽度变窄，同时振幅增加。层结随时间的变化不会引起波包波长和包络的宽度的变化，但层结随时间减小时，波包振幅增加。     

纬向切变基流中的非线性正压Rossby波

在半地转近似下，用相角函数方法得到了包含纬向基流及其切变的非线性常微分方程。利用常微分方程解的拓扑性质的定性理论，直接得到该方程存在有限振幅的周期波解与孤立波解即非线性正压Ｒｏｓｓｂｙ波解存在的条件，由此分析了纬向切变基流对波解存在的影响。最后利用函数逼近法求得了非线性正压Ｒｏｓｓｂｙ波解的显式表达式。结果表明，纬向切变基流对波的影响不仅表现在波的存在方面，而且还表现在波的形态方面，反映了波的非线性特点和基流对波动的作用。     

副高与阻高形成的Rossby孤立波理论I:不存在临界层

针对不存在临界层情况下非均匀纬向流中的Ｒｏｓｓｂｙ孤立波，从正压、无辐散、准地转自由大气涡度方程出发，经过变量替换，用小参数展开法，得到流函数的各阶近似方程，推导出振幅函数满足的ＫｄＶ方程及修正ＫｄＶ方程（ＭＫｄＶ），并给出它们的孤立波解。对不同风速分布下伴随这些孤立波而出现的流场进行了近似计算，分别得到了副高型Ｒｏｓｓｂｙ孤立波流场、阻高型Ｒｏｓｓｂｙ孤立波流场及偶极子型流场，它们移动的规律性与实际大气的流场移动情况较一致。     

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.     

正压模式中的非线性波动

本文从非线性大气运动正压模式方程组出发,用我们所设计的将非线性项在平衡点附近作Taylor展开的方法,求得了非线性有限振幅的惯性-重力外波和有辐散的Rossby波,均满足著名的KdV方程,它的解为椭圆余弦波,它包含线性波动,在一定的条件下形成孤立波。对有限振幅的但有辐散的Rossby波,它包含线性的有辐散的Rossby波(即叶笃正波),而且建立了包含叶笃正公式在内的新的色散关系,它含有振幅因子。分析表明:对有限振幅的惯性-重力外波,振幅大、宽度大的波传播越快,但对有限振幅的有辐散的Rossby波,振幅大、宽度大的波传播越慢,阻塞、切断系统可能属于Rossby孤立波。     

大气中的三维非线性惯性重力内波

本文从三维非线性大气动力学方程组出发,在“相路法”的基础上,利用线性变换法,将非线性的三维问题化为非线性的二维问题,把非线性项在方程平衡点附近按泰勒(Taylor)级数展开到三阶,并且求解了非线性二维方程组,从而得到了三维非线性惯性重力内波的显式解析解。分析指出:对于非线性项取二阶,其解是由余弦波和椭圆余弦波叠加而成的。对于三阶情况,三维非线性的惯性重力内波满足变形的考特威—德佛里斯(MKDV)方程,在一定的条件下,其解由两个孤立波叠加而成。另外,还求出一个准确的隐式解。文中还分别讨论了各种解的动力学性质。     

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。     

The Stability and Existence Condition of Nonlinear Travelling Wave Solution in Basic Uniform Flow

Summary  Nonlinear waves in a stratified atmosphere with basic uniform flow are studied by adopting geostrophic momentum approximation (cf. Hoskins, 1975) and the method of travelling wave solution. A nonlinear equation containing a unique variable of vertical p velocity is derived from a complete system of equations considering frictionless and adiabatic fluid. The stability of the solution for the nonlinear equation is discussed then. Furthermore, the approximate cnoidal wave solution, solitary wave solution and their existence condition are obtained. Received July 8, 1998 Revised December 1, 1998     

Nonlinear waves in barotropic model

In this paper, from the system of equation describing a barotropic atmosphere using the method of Taylor expansion for the nonlinear terms, the periodic solutions of the nonlinear inertio-surface gravity waves and Rossby waves have been obtained.The finite-amplitude nonlinear inertio-surface gravity waves and Rossby waves with horizontal divergence satisfy all the KdV equation. The solutions are all the cnoidal function, i, e, the cnoidal waves which in-clude the linear waves and form the solitary waves under certain conditions. For the finite-amplitude Rossby waves with horizontal divergence, we find the new dispersive relation including both the wave number and the amplitude parameter. In case of small amplitude it is reduced to the Yeh formula. It is shown that the larger the amplitude and width, the faster the finite-amplitude inertio-surface gravity waves and the slower the finite-amplitude Rossby waves with horizontal divergence propagate. The blocking or cut-off system in which the amplitude and width are large may be considered as Rossby solitary waves.     

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。     

THE NONDISPERSION SOLUTION OF NONLINEAR SPIRAL PLANETARY WAVES

In this paper,by using the simplified hydrodynamic equations of barotropic nondivergent atmosphere incylindrial coordinates,the nondispersion cnoidal wave solution of spiral planetary waves is discovered.The formulas of wave speed and the diagnostic relationships between wave parameters are obtained,mostof which are consistent with observed facts.It might mean that the nondispersion cnoidal wave does existin the real atmosphere.At least it might be a first approximation to the actual nonlinear wave.     

THE CISK MECHANISM AND THE INERTIAL GRAVITATIONAL WAVES IN SHEAR FLOW

By using the symmetric equations of atmospheric dynamics in y-z plane with vertical and horizontal shear of wind, the nonlinear ordinary differential equation is derived with the method of travelling wave.Its stability is discussed by using the theory of nonlinear stability and the KDV equation is solved. The effects of linear CISK, nonlinear CISK, inertial stability and vertical shear of wind on the amplitude and the width of isolated inertial gravitational wave are discussed. In order to understand deeply the formation and development of meso-scale synoptic systems, such as the squall line, MCC, the cold surge of Asia high and typhoon, the factors of development of the isolated inertial gravity wave are analysed.