外源与孤波的相互作用对阻塞形成的影响

利用准地转涡度方程导出包括外源和摩擦耗散的强迫广义KdV-Burgers方程,分析表明,外源和耗散的存在是孤波质量和能量变化的原因,耗散使孤波质量和能量随时间呈指数减小。数值计算结果指出,移动性孤波和外源的相互作用,使孤波移速减小,振幅增大;在无耗散情况下,失谐参数α较小时,由于孤波迅速离开外源强迫区,因此不利于阻塞的形成;小耗散的存在,迫使相互作用过程中孤波在外源强迫区附近来回振荡传播,大大增加相互作用时间,可能是造成外源区附近局地阻塞的一种重要机制。     

切变气流中地形强迫激发的非线性长波

经推导得到了包括地形和耗散的ＦＫｄＶ－Ｂｕｒｇｅｒｓ方程,利用数值解讨论了地表强迫激发的弧波演变以及移动性孤波与地形的相互作用,结果显示,对于α〉０或α〈０,不论是在气旋式切变气流还是反气旋式切变气流中,地形都能在强迫激发出定常孤波,在其下游产生调制椭圆余弦波列的背风波,当α＝０时,在反气旋式切变气流中强迫区产生的是大振幅定常孤波,气旋式切变气流中强迫区产生的是复杂的非定常孤波,地形强迫产生的ｍ＝     

近共振热力强迫作用下多重平衡态的激发、建立和转换(一)——多重平衡态的渐近解

本文通过一个含有近共振热力强迫和耗散、基本流有常数切变的二层准地转β-平面纬向周期性窄通道斜压模式,运用多尺度方法导出一投影在T—X时空平面的、包含强迫波—自由波—自由波非线性相互作用的、关于定常热强迫波上扰动的偏微分方程组.借助奇异摄动法解析地求得了此方程组的平衡态渐近解.结果得到,在很大的参数范围内都可存在多重平衡态.     

地形对夏季冰雹事件时空分布的影响研究

从北京地区冰雹事件的时空分布特征出发,结合典型的天气个例,研究了地形热力和动力作用与强对流生成环境、降雹落区、移动方向和演变特征之间的关系。结果表明:北京地区降雹事件主要集中在北部山区,降雹时间一般出现在午后,可能与山区与平原地区之间,白天形成强烈的热力差异造成的不稳定以及由此产生的局地流场强迫有密切关系:1)在一定条件下(例如“焚风效应”等),午后山区的实际气温有可能接近甚至明显高于平原地区,为强对流天气系统在山区发展提供了更有利的热力不稳定条件;2)午后由山区指向平原的扰动温度梯度是造成低空垂直切变的强迫源。扰动温度梯度越大,低空垂直切变越强———即动力不稳定越强,因此,对流最旺盛(形成降雹)的地点往往出现在扰动温度梯度最大而不是地面气温最高的地方;3)地形热力环流和动力强迫构成的上升运动有利于强对流系统的启动。     

近共振地形强迫Rossby孤立波

利用扰动展开和时空伸长变换导得了包括地形强迫的非齐次ＫｄＶ方程，讨论了近共振地形强迫Ｒｏｓｓｂｙｙ孤立波的产生，及其与自由孤立波的相互作用，得到了一些有意义的结果，显示出地形对扰动具有明显的增幅作用，在某种程度上可以解释局地地形在阻塞高压形成中的作用。     

旋转流体物理实验中见到的大气环流特征

在合适的实验参数下(热力Rossby数R_(OT)=0.1,Taylor数T_a=2.2 ×10~7),在旋转斜压流中,大尺度地形强迫造成低频振荡以及大气环流中的“阻塞”流型。这是由于地形强迫造成的准静止波与行进波的相互作用及共振引起的。地形把波数单一的流动变成多波数的流动。地形强迫使波数减少。     

强迫和耗散作用下大气运动的非线性正压不稳定

本文从Charney研究多平衡态的包含摩擦耗散、热力强迫和大地形的非线性准地转正压涡度方程出发,应用Serrin-Joseph的能量方法,利用变分原理,分别用总能景和总位涡拟能导得纬向基流的非线性正压稳定性判据。      

夏季西藏高原对北半球定常行星波形成的热力作用

本文应用一个包括Rayleigh摩擦、Newton冷却与水平涡旋热力扩散的准地转34层球坐标模式来研究西藏高原对夏季北半球定常行星波形成的热力作用. 计算结果表明夏季位于西藏高原上空的热源对于北半球夏季定常行星波形成的热力作用要比高原地形的动力作用大得多. 本文还计算了夏季北半球地形与热源强迫所产生的定常行星波与等高面上定常扰动系统的分布,其计算结果与由实际观测所得到的分布比较一致.     

旋转大气中有限振幅扰动波包与基本气流的非线性共振相互作用

本文应用多重尺度法研究了在旋转球面上正压大气中有限振幅扰动波包与纬向基本气流的非线性共振相互作用。首先,导出了同时包含色散效应和耗散效应的三波共振非线性耦合方程。然后,在零耗散极限和无规相位近似下,求得了不同模态波包的非线性共振耦合方程。并着重讨论了有限振幅扰动波包与纬向基本气流之间的能量输运过程。结果表明,在旋转球面上正压大气中的有限振幅扰动波包通过非线性共振相互作用能够激发出纬向基本气流,而且其能量最终都要输运给纬向基本气流,直至大气运动成为完全的带状环流为止。从而阐明了非线性共振相互作用是大气旋转适应过程的重要物理机制。     

西太平洋副热带高压非线性稳定性问题的研究

本文采用了包含热力强迫和涡动耗散的三维非线性动力学模式，从系统稳定性的角度出发，探讨了夏季东亚副热带地区的环流状况，东亚大陆季风雨带和南海季风槽雨带的凝结加热以及扰动流的相互作用等因素对西太平洋副热带高压进退的制约和影响。给出了反映系统稳定性状况的能量判据，并据此进行了动力学分析和模式大气的计算。研究结果为一些天气分析事实提供了动力学解释，得到了一些新的见解，并为判断和预测西太平洋副热带高压在东亚上空的活动提供了参考依据。     

强迫耗散作用下的Rossby包络孤立波及其相互作用

本文讨论了强迫和耗散对Rossby包络孤立波的影响，得到了在强迫和耗散共同作用下，当准共振条件和锁相条件满足时，包络孤立波从外场那里获取能量来克服耗散并形成稳定的锁相包络孤立波。本文还研究了在强迫和耗散作用下两个包络孤立波的碰撞相互作用，发现在某些参数下，两波碰撞后性质变化不大，而在另外一些参数下，碰撞后两波性质显著改变。     

层结大气中非线性椭圆余弦波和孤立波的研究

在前文采用半地转近似和行波法来研究层结大气中的非线性波动的基础上,进一步探讨非线性方程及其级数近似方程的解的稳定性,波动解的存在条件和波动的一些特征。研究指出,在平衡点附近,将非线性方程用其级数近似方程代替是可行的、合理的。在初始拟能满足一定的条件下,椭圆余弦波和孤立波是存在的。文中还求得了椭圆余弦波解的周期、ｘ向波长和振幅以及孤立波的宽度和振幅。并指出,孤立波的宽度和振幅不但与波速有关,还与β因子和层结稳定度有关,而且在相同的某条件下,西行的混合Ｒｏｓｓｂｙ－重力孤立波比起东行的惯性重力孤立波来,宽度要小但振幅却大。     

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。     

COMPARISON OF LINEAR AND NONLINEAR WAVES ASSOCIATED WITH STEADY-STATE FORCING SOURCES

Low-frequency phenomena in the atmosphere are intimately related to stationary waves and, in a sense, the former may even be viewed as the time-varying part of the quasi-stationary waves themselves, Much attention has been focused on nonlinear interactions in the conceptual study on stationary waves. Linear and nonlinear primitive-equation baroclinic spectral models are adopted to investigate the response of stationary waves to largescale mechanical forcing and steady-state thermal forcing, both idealized and realistic, followed by calculations of the EP fluxes and three-dimensional wave activity fluxes(Plumb, 1985) for both the linear and nonlinear solutions. Results show that when the forcing source grows intense enough to be comparable to the real one, non-linear interaction becomes very important, especially for the maintenance of tropical and polar stationary waves. Care should be taken, however, in using the EP flux and Plumb's 3-D flux for diagnostic analysis of observational data as they are highly sensitive to nonlinear interaction.     

Planetary stationary waves in the atmosphere Part II: Thermal stationary waves

The contribution of thermal forcing to the planetary stationary waves will be studied also by assuming that heat balance in stationary waves over zonally asymmetric thermal forcing must be maintained over a long time period. Us-ing the same model of geostrophic waves introduced in Part I, we may explain successfully the observed and simulated responses to the thermal forcing in the atmosphere, such as the wave 1 structure at high levels of middle latitudes, the seasonal changes of the stationary waves in the Northern Hemisphere, the opposite phase distributions of stationary waves at high and low levels of the subtropical regions in both hemispheres and so on.     

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。     

MESOSCALE NONLINEAR GRAVITATIONAL WAVES AND THEIR INTERACTION IN VERTICAL SHEAR FLOW*

Interaction equations of two nonlinear gravitational waves in baroclinic atmosphere are presented via multi-scale perturbation method,which can be classified into coupling nonlinear Schrodinger equations.In particular,the interaction course of two nonlinear gravitational waves of basic flow in vertical linear and quadratic shear is illustrated.Numerical calculation displays that wave amplitude enlarges and wave width narrows when two solitary gravitational waves meet and chase;that basic flow with single shear is more beneficial than that with quadratic shear to the interaction of two nonlinear wave packets;and that the interaction of two wave packets makes wave shape change more greatly and energy more dispersive,which contributes to the occurrence of changeable weather.Therefore,one of the probable mechanisms for the appearance of strong convection weather is the interaction between mesoscale nonlinear gravitational waves.