对称不稳定大气中的孤立行波精确解

通过对二维准动量无辐散、无摩擦、密度非均匀分布的层结大气中基本气流切变对非线性方程组行波解的影响问题的研究，证明：（ａ）在对称稳定（ｑ＝Ｎ２Ｆ２－Ｓ４＞０）的大气中：非线性行波解为周期解，且其周期与相应的线性周期解的周期相等；（ｂ）在对称非稳定（ｑ＝Ｎ２Ｆ２－Ｓ４≤０）的大气中：存在两类非线性行波解，其性质是由参数Ｂ决定的。Ｂ＝（Ｎ２ｓｉｎ２φ－２Ｓ２ｓｉｎφｃｏｓφ＋Ｆ２ｃｏｓ２φ）／σ２。（１）当Ｂ＞０时为周期解，且其周期与相应的线性周期解的周期相等；（２）当Ｂ≤０时为孤立波解。     

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。     

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。     

冬季风期间南海地区冷涌的动力学分析

利用一个部分非线性的二维经向重力内波动力模式，通过求行波解，对冬季风期间南海冷涌的传播形式，传播特征和传播速度进行了分析，并讨论了大尺度经向环流及其垂直结构、热力作用、层结稳定状况和初始扰动条件对冷涌传播的作用。主要结论是：冷涌的传播表现为具有非线性效应的无频散或弱频散的重力行波，其向南传播速度远大于平流速度而接近于重力内波波速；不同流场和位温的初始扰动状况决定了冷涌将以周期重力行波或者以孤立重力     

层结大气中重力惯性波的非线性周期解

本文在动量无辐散近似下的层结大气中,考虑密度空间分布的不均匀性引入非线性项,并假设解为行波形式,得到了一个二阶非线性系统。应用本系统不仅可以得到刘式适等(1984)所得到的一切结果,而且可以证明一次近似系统存在周期解时,非线性系统也存在周期解,且避免了应用级数展开时所带来的一些数学问题。文中还讨论了非线性系统的一系列近似解。     

非静力平衡层结大气中的重力惯性波和惯性对流

本文根据一些新的流体力学实验结果及某些天气事实,建立了一个非静力平衡条件下旋转地球大气中重力惯性波和惯性对流的理论模型,并分别求出它在稳定层结,中性层结及不稳定层结三种情况下的点源扰动函数形式的解。 分析解的性质得知,中性及弱不稳定大气中可以激发一种主要由地球旋转惯性决定的大幅度垂直速度振动,其周期大于(至少等于)地球在该纬度的惯性周期2π/f。这也许能说明文献[1]所发现的那种准周期性惯性对流的某些动力性质。在稳定层结流体中,地球旋转参数对流体重力振荡的频率影响不大,层结越稳定,越类似于单纯的重力振荡,只有在层结接近中性时,f对重力振荡的频率修正作用才明显起来。 最后给出不同纬度处不稳定层结大气中所能产生的惯性对流的最大临界尺度。     

不稳定边界层下地形重力内波

水槽实验及线性理论研究表明,当低层大气处于近中性或不稳定时,如果地形引起的动力扰动足够强,地形扰动可在上部稳定层结中激发出重力内波,波动反过来影响低层流场,引起动量输送。低层大气处于近中性或不稳定时,地形波同样对大气运动可产生波阻,这应引起模式工作者的重视。最后讨论了大气粘性对中性或不稳定层结下地形波的影响。     

半地转模式中非线性慢行波解的研究

本文讨论了在半地转近似下带有Rayleigh摩擦并以静止流体为背景的非线性Rossby行波解的存在性。研究表明:当μ=0时存在孤波解和周期解；当０＜μ＜μ0时存在振荡型行波解；当μ≥μ0时存在单调行波解，特别在一组特定参数下，导出了单调行波解的解析表达式。最后指出:对于中纬地区，且ｃx（波速）远大于ｃ*x（临界波速）时，系统易产生振荡型行波解；对于高、低纬地区，且ｃx接近ｃ*x时，系统易产生单调行波解。     

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。     

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。     

大气中行星尺度孤立波的动力特征

大气中的非线性波一直是气象学界所关心和重视的问题,Long和Benney等人最早把孤立波理论应用到大气中来,成功地解释了大气中的一些天气现象,后来我国学者巢纪平、刘式达、刘式适等又进行了这方面的研究工作,取得了一些有意义的结果。本文利用行星大气中的相当正压模式和Burger模式,在一定的条件下分别导出了它们所满足的KdV方程,     

Oscillatory Rossby Solitary Waves in the Atmosphere

The linear Rossby wave frequency expression is expanded at higher accuracy based on the scale difference char?acteristics of atmospheric long waves in the and directions. That the nature of the waves represented by the expan?sion is identical to that of the original ones is demonstrated both in phase velocity and wave energy dispersion speed , followed by the derivation of the nonlinear expression describing atmospheric long wave behaviors with the associated approximate analytic solution obtained. Then, for the first time atmospheric’ oscillatory Rossby solitary wave’ with its dispersion relation is obtained by numerical calculation with the aid of physical parameters of the real atmosphere. The solitary wave is found to be very close to such longwave systems as blocking highs and cut-off de?pressions in the actual atmosphere.     

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。     

Algebraic rossby solitary wave and blocking in the atmosphere

In this paper, the atmosphere is divided into two regions which are governed by different equations. Furthermore, multiple-scale method is used to obtain the Benjamin-Ono equation satisfied by the nonlinear Rossby wave in weak shear zonal flow. The equation has algebraic solitary wave solution, and the stationary streamfunction fields in-ithe atmosphere are calculated by using numerical method, and the results demonstrate that the stationary solution is antisymmetric dipoles with the anticyclone north of the cyclone, and the structure is similar to the equivalent modon obtained by Mcwilliams (1980). Because the modon obtained here is an algebraic solitary wave, the modon may be called “algebraic modon”, and the stationary algebraic modon is consistent with observations of blocking pattern in the atmosphere.     

Baroclinic solitary waves with radial symmetry

A model for the structure and motion of baroclinic solitary waves in the atmosphere or ocean is presented. Like gravity wave solitons, these planetary wave solutions are both weakly nonlinear and weakly dispersive. The dispersion effects, induced by β, are small because the scale of the wave is large compared to the deformation radius. The steepening effects are provided by the interaction of the wave with exterior mean shear flow, which may be either barotropic or baroclinic. The solutions have two properties which suggest that such theories may be useful in modelling solitary disturbances in the atmosphere or ocean: radial symmetry and fluid speeds which exceed the phase speed of the wave itself. As an example, we apply the model to Gulf Stream Rings.     

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。     

旋转正压大气中的Rossby孤立波和偶极子阻塞

大气中的阻塞动力学一直是大气动力学中所要解决的重要问题之一,随着数学的发展,阻塞动力学的研究也取得了较大的进展。大气中的阻塞可以分为两类:一类是单个非偶极子阻塞(只存在高压或低压),另一类是偶极子阻塞(高压的南侧存在闭合的低压)。关于偶极子阻塞的动力学研究是在80年代以后才进行的。为了解释大气中所出现的偶极子阻塞,Mcwilliams(1980)提出了Equivalent     

与海南岛秋季暴雨有关的一类热带中尺度涡旋的动力学分析

对惯性重力内波方程组分别通过线性和非线性求解探讨造成2010年10月海南岛一次特大暴雨中一类热带中尺度涡旋生成发展的动力、热力机制,研究发现:（1）在副热带高压和大陆冷高压南侧反气旋性纬向水平风切变大值区、静力不稳定大气层结、积云对流潜热释放、低空急流、适当强度的冷空气有利于热带中尺度涡旋的形成和发展;（2）非线性惯性重力内波的孤立波解与这类热带中尺度涡旋有很好的联系,在静力不稳定的大气层结下,热带中尺度涡旋的形态主要由对流凝结潜热加热所决定,即潜热加热下的孤立波解要求热带中尺度涡旋在垂直方向是一个浅薄的涡旋系统;另外强盛的对流凝结潜热对热带中尺度涡旋垂直运动振幅的增强起主要作用,更有利于涡旋的发展和维持。基于天气事实分析的理论研究为深化影响海南的热带中尺度涡旋乃至南海中尺度对流系统的机理认识进行了探索。