切变流中的CISK机制与惯性重力波

利用板对称，有切变的大气动力学方程组，由行波法导出非线性微分方程，通过非线性稳定性理论讨论方程的稳定性，求解了ＫＤＶ方程，并讨论了线性ＣＩＳＫ，非线性ＣＩＳＫ，惯性稳定度参数和大气风速垂切变对惯性重力孤波强度和宽度的影响，目的早通过了解影响惯性重力孤波发展的因子，更深入地理解低纬中尺度天气系统形成和发展的过程。     

斜压基流中的非线性中尺度重力惯性波

本文使用行波法分析求解y-z平面上的二维流体非线性动力学方程组，在斜压基流的背景场下讨论了CISK加热影响下的粘性非线性椭园弦波以及重力惯性弧立波的特征，一般情况下，中高纬度地区层结较稳定在呈气旋性切变的强斜压性基流背景场之中，CISK加热系数ηb较小而ηd较大影响下的重力惯性弧立波表现为陡而范围小的特征，也就是说，在较小的中尺度范围内，集中产生较为强烈的灾害性天气。     

影响惯性重力波活动规律的动力学因子研究

通过探测发现大气重力波有明显的活动规律:重力波强度在冬、春季强于夏、秋季,在5月和10月发生急剧减弱和加强的转变,无天气过程时晚上比白天强,尤其短周期的重力波,周期为40~80min的重力波平均强度最强,其他较弱。在斜压大气和考虑积云对流加热条件下,运用积云对流参数化、Taylor公式展开等方法,推导出惯性重力波的非线性KdV方程,求出其孤立波解,以此解释以上得出的大气重力波的活动规律:惯性重力波强度随风速垂直切变增大而增大,急流是最重要的惯性重力波波源,是重力波强度在冬、春季强于夏、秋季的主要原因,亚洲急流在5月和10月的北跃和南落,是重力波强度发生急剧变化的原因,急流下方是激发惯性重力波最强的地方。一般情况下,惯性重力波强度随着大气背景流场绝对涡度增大而增大,正涡度对惯性重力波起激发和增强的作用。当惯性重力波向下传播时,波的强度随层结稳定度(N2)增大而增大,由于太阳辐射的作用白天大气层结稳定度比晚上小,这解释了在无天气过程时晚上重力波强度强于白天的原因。惯性重力波强度和波的频率成正比,这解释了周期为40~80 min比周期为140~160 min的重力波强的原因。重力波强度还与非线性积云对流参数常数b及科氏力参数f成正比。     

与水平风切变强度不均匀相联系的CISK惯性重力波

在虚拟高度坐标系中, 用一个简单的线性模式初步研究了水平风切变强度不均匀分布对长江流域梅雨锋附近贯穿整个对流层的深厚惯性重力波发生发展的影响。结果表明:水平风切变强度不均匀对CISK惯性重力波不稳定有重要作用。在一般干的层结大气中, 实际可能出现再强的水平风切变的影响也难以使惯性重力波变得不稳定; 只有在积云对流潜热参与, 原为弱稳定条件下, 水平风切变强度不均匀能促使低空急流北侧不稳定扰动的发生发展。而水平风切变强度不均匀对不稳定贡献最大的区域是梅雨锋南侧的急流轴附近。     

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。     

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。     

对流和加热对重力惯性波的激发

用线性模型讨论了对流和加热对重力惯性波的激发，分别讨论了初始垂直速度扰动和初始位温扰动及大气内部加热在静态层结大气中激发的重力惯性波，及重力惯性波过程引起的大气温压场的变化。得到的结果可以帮助理解中小尺度系统的发生发展，对流过程与环境大气的相互作用。     

台风中－α尺度重力惯性波的发展与暴雨增幅

通过数值模拟和诊断研究得出，９２１６号台风暴雨的增幅过程与台风中－α尺度重力惯性波的发展、传播，非均匀层结的分布以及积云对流潜热反馈有关。大尺度非线性平流项的作用激发出大尺度的重力惯性波，积云对流潜热加热作用导致非地转风场扰动大大加强，从而使重力惯性波波幅加大，上升运动增强，暴雨加大。当重力惯性波向稳定度减小的方向传播时，波能量最易加强     

非线性惯性重力内波的特征及天气意义

对大气非线性惯性重力内波方程组,利用相平面分析法导出了相应的ＫｄＶ方程。采用直接积分法求出两类有意义的孤立波解,讨论了波解的基本特征,并着重分析了一类奇异孤立波与某些天气系统（如青藏高原５００ｈＰａ低涡）的可能联系。     

垂直切变流中非线性重力波及其相互作用

利用多重尺度摄动法，推导出斜压大气中(基本风场具有垂直切变)两个非线性重力波相互作用方程，这两个方程联立组合为耦合非线性schrǒdīnger方程组。两个重力波相互作用时可激发出重力驻波。数值计算表明：两个孤立重力波相遇，相追会使波振幅增大，波宽变窄。强烈对流天气突然爆发的可能原因之一是中尺度重力波非线性相互作用的结果。     

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.     

大气波动的波谱和谱函数──垂直切变基流中的波谱分析

作者研究了具有垂直切变基流时大气波动连续谱的重叠问题和临界层出现的情况。发现随着基流切变的增大和扰动波长的减小, 一支涡旋波和两支重力惯性内波的连续谱区会互相靠拢, 最后发生重叠, 这时已不能区分为快波、慢波, 而能否重叠的关键在于临界波长与扰动波长的相对大小, 基流切变越大, 扰动波长越短, 重叠现象就越严重。这可用作划分运动尺度的客观标准。当运动尺度大于临界波长时, 是大尺度的, 这时三支波动连续谱区互相不重叠, 涡旋波是准地转的; 当运动尺度小于临界波长时, 可认为是中尺度的, 此时出现连续谱重叠现象。采用该方法划分的尺度标准与通常的标准在量级上则相一致。     

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.     

正压模式中的非绝热波动

应用含有非绝热因子的正压模式方程组,着重分析了对流凝结加热、蒸发－风反馈和ＣＩＳＫ机制等非绝热因子对低纬Ｒｏｓｓｂｙ波和Ｋｅｌｖｉｎ波的影响。既获得了圆频率的表达式,又分析了波的周期与稳定性。结果表明：非绝热因子的存在不但扩大了绝热波的周期,而且改变了波的稳定性。因此,可以认为：所谓季节内振荡（３０—６０天的周期振荡）等低频振荡实际上是一类非绝热波,这类非绝热波是引起中长期天气变化及短期气候演变的重要因素。     

THE DIABATIC WAVES IN BAROTROPIC MODEL

The equations of barotropic model are used to discuss the effects of diabatic factors such as heat-ing of convective condensation, evaporation-wind feedback and CISK on the Rossby wave and the Kelvin wave. In low latitudes we have obtained the angular frequency and analyzed the period and stability of waves. The result shows the existence of the diabatic factors not only enlarges the period of adiabatic waves but also changes the stability of waves. Thus we think that the so-called intraseasonal oscillation and some other low-frequency oscillations are a kind of diabatic waves which are important factors producing the long-term weather changes and short-term climatic evolution.     

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.     

线性和非线性地形罗斯贝波

本文在半地转概念下,讨论了线性和非线性地形罗斯贝波的稳定性及其解。指出:线性和非线性稳定性判据形式一致。在线性时,地形东西向及南北向坡度对稳定波动的周期和传播速度有明显影响,其解为周期函数;在不稳定时,解为非周期函数。二级近似时其解为孤立波形式——不稳定时,在地形不同位置可形成东移或西移的孤立波槽或孤立波脊;而在稳定时只形成孤立波槽。三级近似时解出现间断点。     

CISK-related Rossby Waves in the Tropical Atmosphere

In terms of a baroclinic quasi-geostrophic wave-filtering technique in connection with a dimensionless paramet-er, η(z), of condensation-released latent heat that indicates the CISK mechanism, a model is established for des-cribing tropical atmosphere CISK-Rossby waves alongside its analytical solution. Theoretical study shows that there exists pronounced difference between Rossby waves, CISK-involving and classic, and the former can be used to in-terpret some aspects of the low-frequency oscillation in the tropical atmosphere     

层云加热对热带大气季节内振荡的影响

本文研究了层云降水加热对于激发热带大气季节内振荡(Madden-Julian oscillation,简称MJO)所起到的作用.将层云加热作用引入到非线性的CISK (Conditional Instability of Second Kind)-Kelvin波方程组,并分别利用截谱方法和四阶Runge-Kutta方法...