局地热力强迫与准定常大振幅扰动的形成

文中导得了包括热力强迫和耗散的非线性强迫ＫｄＶ－Ｂｕｒｇｅｒｓ方程,并作了数值求解。计算结果表明,热力强迫和耗散是孤波质量和能量变化的主要原因,耗散使孤波质量能量随时间指数衰减;热力强迫与地形一样,都能在强迫区产生定常孤波,但前者产生的上游扰动振幅更大,而后者产生的下游扰动更为明显;加热和地形一样都能使孤波发生位相漂移,减小其移速,阻挡孤波的移动,从而增加与孤波的相互作用时间;适当大小的耗散与热力强迫的组合迫使移动性孤波在强迫区附近来回振荡,大大增加与热力强迫的相互作用时间;在耗散与热力强迫同时存在的非线性系统中,移动性孤波与热力强迫的相互作用可能是产生阻塞等长生命周期的局地准定常系统的重要因子。     

线性准地转模型中副热带感热加热强迫的定常波

通过求取定常线性准地转位涡模式的解析解,研究了感热加热强迫所激发的副热带定常波的结构特征,讨论了基本流、牛顿冷却及地面摩擦等对定常波振幅和位相的影响。结果表明,东风时定常波在垂直方向上表现为上、下层反位相的第一斜压结构,且地面系统远强于中高层;西风时定常波呈现出向上的传播特征,在高层,随着风速增大振幅随高度的升高有增大趋势。在近地层,东风时气旋（反气旋）主体位于加热西（东）侧;西风时气旋（反气旋）主体位于加热东（西）侧,近地层以上相反。此外,发现东、西风基本流的作用具有对称特征,这与潜热加热显著不同。研究结果还表明,牛顿冷却对定常波有重要影响,基本流越弱影响越显著。在静止大气中,感热加热强迫下无斯韦尔德鲁普（Sverdrup）解,考虑牛顿冷却时,感热强迫在热源范围内的近地层和中高层分别激发出气旋式和反气旋式环流,气旋中心位于加热中心略偏西的位置。在非静止大气中,牛顿冷却项使地面系统中心向上风方向移动,东风时向东移。牛顿冷却对高、低层系统均有削弱作用。地面摩擦则明显不同,它总会使低层系统减弱,高层系统增强。     

水平切变基流中惯性重力波的发展

采用分层浅水波方程组和ＷＫＢ方法，建立了在基流的水平切变和地形的影响之下惯性重力波的能量方程，由此讨论波动的发展。主要得出：在急流的气旋性环流区，曳式波发展；在反气旋性环流区，导式波发展。在山脉的南北坡，导式波和曳式波均有发展的可能。     

模式大气对于大尺度地形动力强迫作用的非线性响应

本文与文献[1]相对应,利用一个非线性初始方程谱模式,研究了中、高纬度理想化的大尺度地形以及北半球实际地形的动力强迫作用对于冬季行星尺度的大气定常波的影响。计算结果证实,根据线性模式的数值试验结果所做的定性分析在非线性情形下仍然是成立的,同时,非线性扰动流场也与线性流场有明显的差异,在纬向平场基本气流相对较弱的地区或垂直层次上差异尤为显著。数值试验表明,北半球实际地形强迫的大尺度扰动,在对流层低层以及对流层上部的中、高纬均主要表现出纬向波数为2的行星波,但是在对流层上部的低纬地区3波分量比较明显。中、高纬的大地形动力强迫作用,对于低纬太平洋高空的反气旋和气旋环流的形成有重要的贡献。      

重力惯性波及其不稳定——急流附近飞机颠簸产生的可能机制

基于不可压缩流体运动方程组研究了急流附近重力惯性波及其不稳定,结合飞机风速变化方程,分析指出重力波失稳破碎为湍流是飞机颠簸产生的可能机制。斜压大气在急流轴北侧气旋切变区是惯性稳定的,当满足条件σ=f[f-/y] N2m2/n2<0时,由于天气尺度对流不稳定发展而引起重力惯性波不稳定破碎为湍流,可能是急流北侧气旋切变区对流性天气引起飞机颠簸产生的一种机制。但是在急流轴南侧反气旋切变区是惯性不稳定的,当满足条件σ=f[f-/y] N2m2/n2<0时,可能由于惯性不稳定的作用,急流重力波不稳定发展破碎为湍流,可能是急流南侧反气旋气流中晴空湍流和飞机颠簸产生和发展的一种机制。揭示了急流附近晴空湍流和飞机颠簸产生的物理本质,有利于增强航空飞行颠簸的预测能力。     

关于高原山地对大尺度过程的动力作用的研究

本文对高原山地所产生的大尺度动力过程问题作了综合评述,包括定常行星环流的纬向不对称性、地形强迫波的共振和多态平衡、非线性地形性不稳定、定常地形波能量的垂直传播、爬流和绕流以及背风坡的气旋生成等。     

气流的垂直分布对地形雨落区的影响

从大气运动的基本方程出发,讨论了华北地区太行山东侧低空东风气流背景下不同垂直分布气流对降水落区的影响。认为：当垂直于山体的气流随高度减小时,地形的作用表现为迎风坡上水平辐合,造成气旋式涡度增加,产生风场切变,因此对迎风坡降水产生明显的增幅作用。当气流的垂直分布随高度增加时,迎风坡方向表现为反气旋涡度增强,而在背风坡方向产生辐合作用,造成气旋式涡度增加,发生风场切变。     

基流水平结构变化在定常Rossby波列传播及正压能量转换中的作用

本文利用球面正压大气的准地转方程组讨论了基本气流水平结构及其变化对于定常Ross(?)y波列传播的影响,发现定常Rossby波列的两维传播与基本气流的水平切变有关,急流的存在阻挡了波长较短的波列的径向传播,使其在强迫源附近被“trapped”,但长波可以通过很强的急流区并具有准径向传播的特征。另外本文还分析了基本气流水平结构的变化对正压不稳定能量转换的影响,定性地解释了急流附近定常Rossby波列强度的变化。     

热带大气中的地形强迫运动

本文研究了在基本气流无切变和有切变的情况下地形对低伟大气大尺度定常运动的影响。从赤道β平面的线性化正压原始方程出发,求得一个解析形式的地形影响函数。对它的分析表明:大气的受迫运动不仅取决于越过山脉的基本气流的方向,而且还与山脉所处的纬度以及山脉的尺度有关。当适度的西风越过山脉时,会在背风侧形成地形槽。在线性模式中,基本气流的东西风切变对地形强迫波的经向伸展范围起限制作用。利用本文的模式,对东南亚近赤道地区的气压场和流场进行模拟,其结果与观测事实定性一致。最后,本文还讨论了越赤道气流通道的形成机制。      

冬季格陵兰高原对北半球定常行星波形成的作用

本文应用包括Rayleigh摩擦、Newton冷却和水平涡旋热量扩散的定常、准地转、34层球坐标模式来研究北半球地形强迫所产生的定常行星波. 由模式所计算的结果表明:冬季在高纬度的地形——如格陵兰高原,在北半球地形强迫所产生的定常行星波中起着重要作用.     

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。     

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。     

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。     

EFFECTS OF TOPOGRAPHY ON SOLITARY ROSSBY WAVES IN A BAROTROPIC ATMOSPHERIC MODEL

The influences of topography on solitary Rossby waves are discussed by using a barotropic atmosphericmodel.The results show that the topography is an important factor exciting solitary Rossby waves,and itseffects are different with different height scales.Two different patterns of solitary Rossby waves are obtainedby using numerical calculation.     

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。     

INFLUENCES OF TOPOGRAPHY ON BAROCLINIC SOLITARY ROSSBY WAVES IN A MULTILEVEL MODEL

The KdV equation with topography included in an N-level model is derived. It is shown that if the topography ex-ists. the KdV equation may describe the solitary Rossby waves in the case of basic current without vertical shear, and itis no necessary to introduce the MKdV equation. The results of calculations show that the change of horizontal shearpattern of basic flow may cause an important change of the streamline pattern of the solitary waves with the oddmeridional wavenumber m, and has no effect for the even meridional wavenumber m. The vertical shear increases thesteepness of the barotropic solitary modes, and it has a complicated effect on the baroclinic modes. The influences oftopographic slope on the solitary waves are very great. The southern and northern slopes of topography may cause dif-ferent solitary wave patterns, with the effect of northern slope greater. The effect of Froude number on the solitarywaves is generally to steepen the solitary waves, however, the effect also depends on the meridional wavenumber m andthe modes of solitary wave.     

INTERACTION OF TOPOGRAPHY WITH SOLITARY ROSSBY WAVES IN A NEAR-RESONANT FLOW

An inhomogeneous KdV equation including topographic forcing is derived by usingperturbation expansions and stretching transforms of time and space.The generation of forcedsolitary Rossby waves by topography in a near-resonant flow and their interactions with freesolitary waves are discussed,and some interesting results are obtained.The numerical resultsshow that the topography has obvious effect on enhancing the amplitude of disturbances,and itmay explain to some degree the formation of blocking by localized topography.     

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。     

考虑β随纬度变化下的Rossby孤立波与偶极子阻塞

利用文献[4]得到的推广的β平面近似式为f=f0+β0 y—（δ0/2）y2,研究由δ0项所引起的一类Rossby孤立波，而不考虑基流切变和地形等因子的作用。经过计算可以发现，当经向波数为1时，这种孤立波具有显著的南低北高的偶极子阻塞结构，它主要存在于弱西风气流中，并且偶极子的能量随着纬度的增高更容易集中(即高纬偶极子结构趋于局地化)，因而，β随纬度的变化可能是中高纬度地区偶极子阻塞产生的原因之一。