基本气流的垂直切变对热带行星尺度大气波动的影响

通过一个赤道β平面上的绝热无摩擦的两层模式,讨论了线性垂直切变的纬向基本气流对热带行星尺度大气波动的影响。在长波近似下,当有纬向基本气流垂直切变时,可得到与东传Kelvin波和西传Rossby波对应的不稳定模态。对不稳定的Kelvin波模态,其相速受垂直切变的影响不大,而对不稳定的Rossby波模态,切变越大,西传速度越小。基本气流的垂直切变主要影响热带Rossby波。     

切变基流对赤道大气波动稳定性的作用

在赤道β平面近似条件下，使用纬向切变基流下线性化Boussinesq方程组，分析了在纬向切变基流下几种赤道大气波动的稳定性特征。研究结果表明，基本气流的水平切变对赤道大气波动起到不稳定的作用，但是对赤道大气Kelvin波的频率、稳定性以及传播的相速度并不起作用。基本气流的水平切变使得相对于基本气流向东传播的重力惯性内波相速度减慢，而使得相对于基本气流向西传播的重力惯性内波的相速度加快，却造成相对于基本气流向西传播的Rossby波相速度减慢。基本气流的水平切变对于对赤道混合Rossby-重力惯性内波的影响主要取决于纬向波数k值的范围大小。当纬向波数k值较小时，基流的水平切变使得相对于基本气流向西传播的混合Rossby-重力惯性内波相速度加快；而当纬向波数k值较大时，则使得相对于基本气流向西传播的混合Rossby-重力惯性内波相速度减慢。在半地转近似下，风速水平切变的存在，会使得波长较大（纬向波数k→0）的赤道Rossby波相对于基本气流向西传播的相速度减慢；而风速垂直切变的存在，必然会引起这种波长较大（k→0）的Rossby波出现不稳定增长，同样也会造成赤道Rossby波相对于基本气流向西传播的相速度减慢。最后通过扰动发展能量方程，说明了基本气流的水平切变和垂直切变可以为扰动的发展提供能量来源。     

切变基本纬向流中赤道Rossby包络孤立波

利用多重尺度摄动法，从描写赤道Rossby波的正压大气位涡度方程中推导出在切变基本纬向流中非线性赤道Rossby波包演变所满足的非线性Schrodinger方程，并得到其单个包络孤立子波解，分析基本流切变对非线性赤道Rossby波动的影响。     

两种类型中尺度涡旋Rossby波的相速度及其物理机制

本文使用正压浅水方程组以及纬向切变基流下二维中尺度横波型扰动的Bouss-inesq近似方程组,分析了这种沿着基本气流方向传播的中尺度扰动的波动传播物理过程。研究结果表明,中尺度涡旋Rossby波划分为两种类型。由于纬向基本气流的方向的二阶水平切变或者基本气流的垂直涡度在南北方向的变化(β*因子)所导致的涡旋Rossby波称之为第一类涡旋Rossby波(正压涡旋Rossby波),它产生的根本原因是β*因子的作用。这种第一类涡旋Rossby波相对于基本气流-U0是单向传播的,其传播方向则与β*因子的正负符号有关。基本气流在垂直方向上的风速切变对于中尺度横波型的扰动起着不稳定的作用。如果考虑基流的二次垂直切变时,可以得到第二类涡旋Rossby波(斜压涡旋Rossby波)的相速度表达式,第二类涡旋Rossby波产生的物理根源是基本流场的风速-U的二次垂直切变或者基本流场y方向的平均涡度在空间z方向上的不均匀性(亦即β**因子)。第二类涡旋Rossby波相对于基本气流-U0也是单向传播的,其相速度与纬向波数k有关,能量是频散的,在纬向x方向存在群速度。在基本流场的风速-U存在二次垂直切变时,横波型不稳定可能是混合的涡旋Rossby-重力波的不稳定;而当基本流场的风速-U仅仅存在线性切变,不存在二次垂直切变时,此时根本不存在涡旋Rossby波,横波型扰动的不稳定则仅仅是重力惯性波的不稳定。最后利用横波型扰动的总涡度守恒方程对第二类涡旋Rossby波形成的物理机制做出了解释。     

切变东风基流和非绝热加热对热带扰动的作用

文中用斜压模式讨论了东风水平切变基流和非绝热加热对热带扰动的影响,指出:基本气流的切变有使西传波动加速,东传波动减速的倾向;切变会造成赤道Rossby波的不稳定发展;加热激发的赤道强迫波可以是垂直传播波.      

中尺度斜交不稳定的波动性质及其数值模拟

使用三维中小尺度扰动动力学方程组,讨论了一类与基本气流方向成任意夹角的纬向线状扰动的斜交不稳定问题,其主要分析结论如下:(1)在基本气流的切变为线性切变的情况下,可以发生斜交不稳定。但是发生斜交不稳定必须要求沿着线状扰动方向的基本气流存在切变或者垂直于线状扰动方向的基本气流存在切变。此时,斜交不稳定的波动性质是重力惯性内波,而不存在涡旋Rossby波。(2)对于基本气流具有非线性二阶切变的情形,此时斜交型不稳定中的扰动除了包含重力惯性内波之外,还包含了涡旋Rossby波。对于本文所讨论的纬向线状扰动来说,涡旋Rossby波产生的物理根源是基本流场的经向风速V二次切变(β*=Vzz≠0),该涡旋Rossby波相对于基本气流V0是单向传播的。在中尺度斜交不稳定中,涡旋Rossby波的产生主要是由于在与线状扰动相垂直的方向上存在基本气流的二阶切变,而与线状扰动相平行的方向上基本气流是否存在二阶切变无关。(3)对于通常讨论的纬向线状扰动的情况,在基本流场的南北风速V存在二次切变(β*=Vzz≠0)时,即与线状扰动相垂直的方向上存在基本气流的二阶切变,则斜交不稳定有可能是混合的涡旋Rossby—重力惯性内波的不稳定。最后采用WRF模式,对2006年6月的一次福建闽江暴雨过程进行了数值模拟,部分验证了上述结论。通过分析6月6日13时降水区域平均的东西方向风速U随高度变化的曲线,发现在950—100 hPa的大气中,纬向风速U随高度的变化具有二次切变,在对流层低层以及高层附近纬向风速较小,而在对流层中层400 hPa附近的纬向风速则较大。在这种情况下,平均纬向风速随高度变化的二阶导数不为零,因此激发产生沿着纬向传播的涡旋Rossby波,这对于暴雨区域中β中尺度雨团的移动起到比较重要的作用。再分析6月5日23时和6月6日13时的850 hPa以及500hPa降水区域平均纬向风随南北方向的变化,发现在6月5日23时和6月6日13时的850 hPa层次上,都显示出平均纬向风速在南北方向具有二次切变;而在这两个时次的500 hPa层次上,平均纬向风速在南北方向不具有二次切变,只具有线性切变。说明在垂直方向上,对流层低层涡旋Rossby波容易被激发产生;而在对流层中层以上,由于不具备产生涡旋Rossby波的条件,因此不容易激发产生涡旋Rossby波,波动只是具有重力惯性内波的特征。     

β中尺度暴雨系统发生发展的一种可能物理机制I. 涡旋Rossby波的相速度

使用纬向基流下横波型扰动的Boussinesq近似方程组, 分析了这种沿着基本气流方向传播的中尺度扰动发生不稳定时, 大尺度背景流场在垂直方向上的各种分布特征.在大气层结比较稳定的情况下, 如果基本气流在低层和高层较大(有可能存在低空急流和高空急流), 此时产生的β中尺度不稳定扰动相对于基流向东传播, 甚至于快速向东传播.基本气流在垂直方向上的风速切变对于中尺度横波型的扰动起着不稳定的作用.如果考虑基流的二次切变, 可以得到涡旋Rossby波的相速度表达式, 涡旋Rossby波相对于基本气流是单向传播的.涡旋Rossby波产生的物理根源是基本流场的风速二次切变, 亦即基本流场y方向的平均涡度在空间z方向上的不均匀所致.涡旋Rossby波的相速度与纬向波数也有关, 它的能量是频散的, 其在纬向x方向也存在群速度.在基本流场的风速存在二次切变时, 横波型不稳定可能是混合的涡旋Rossby重力波的不稳定; 而在基本流场的风速仅仅存在线性切变, 不存在二次切变时, 横波型扰动的不稳定则是重力惯性波的不稳定.     

中尺度对称不稳定和横波不稳定的波动性质

使用纬向线性以及非线性切变基流下中尺度扰动的Boussinesq近似方程组，讨论了两种典型的中尺度扰动发生对称不稳定或者横波不稳定时，其不稳定的一些特征以及扰动的波动性质。研究结果表明：（1）对于扰动的等位相面平行于基本气流方向的对称性扰动来说，对称不稳定的波动实质是沿着与基本气流方向相垂直的方向传播的重力惯性内波的不稳定。基流二次切变对于中尺度对称扰动来说是一个不稳定因子，并且驱动不稳定的中尺度对称扰动在南北方向传播；（2）对于扰动的等位相面垂直于基本气流方向的横波性扰动来说，在基本气流为常数或者只具有线性切变的情况下，此时根本不存在涡旋Rossby波，横波不稳定的波动实质则是沿着基本气流方向双向传播的重力惯性内波的不稳定。如果考虑基本流场的风速存在二次切变或者非线性切变时，此时就会产生一支新的波动（涡旋Rossby波），涡旋Rossby波相对于基本气流^-U0是单向传播的，涡旋Rossby波产生的物理根源是基本流场的风速^-U二次切变（β＊=^-Uzz≠0），此时横波型不稳定可能是混合的涡旋Rossby——重力波的不稳定。实际大气中，涡旋Rossby波对于中够尺度对流云核、暴雨团等天气系统的发生、发展和演变的物理机制具有极其重要的意义。     

台风涡旋系统的波动性质及其数值模拟

本文使用柱坐标系下的正压浅水方程组以及斜压扰动方程组,分析得出台风涡旋系统中的涡旋Rossby波划分为两种类型。由于切向基本气流的二阶径向水平切变或者基本气流的垂直涡度在径向方向的变化(β*因子)所导致的涡旋Rossby波称之为第一类涡旋Rossby波(正压涡旋Rossby波),它产生的根本原因是β*因子的作用。这种第一类涡旋Rossby波相对于切向基本气流是单向传播的,其传播方向则与β*因子的正负符号有关。当基本流场垂直涡度-ζz沿着径向r方向增大时,第一类涡旋Rossby波是沿着切向圆周方向逆时针方向传播的;反之则是沿着切向圆周方向顺时针方向传播。如果考虑切向基流的二次垂直切变时,可以得到台风涡旋系统中第二类涡旋Rossby波(斜压涡旋Rossby波)的相速度表达式,第二类涡旋Rossby波产生的物理根源是切向基本流场风速的二次垂直切变或者基本流场径向r方向的平均涡度在空间z方向上的不均匀性(亦即β**因子)。第二类涡旋Rossby波相对于切向基本气流也是单向传播的,当-ζr沿着空间z方向上增大时,第二类涡旋Rossby波就是相对于基本气流-V0是顺时针方向传播的;反之则是相对于基本气流逆时针方向传播。在基本流场的风速-V存在二次径向水平切变或者垂直切变时,台风中的波动可能是混合的涡旋Rossby波——重力波;而当基本流场的风速-V仅仅存在线性切变,不存在二次切变时,此时根本不存在涡旋Rossby波,台风系统中的波动则仅仅是重力惯性波。最后,采用WRF模式对“云娜”台风进行了数值模拟,验证了上述结论。     

切变基流中赤道Kelvin波及纬向对称扰动的稳定性

本文使用赤道β平面下的热带大气Boussinesq近似方程组,分析了纬向切变基流中的赤道Kelvin波以及纬向对称扰动的稳定性。研究结果表明,在纬向基本气流只具有y方向水平切变的情况之下,基本气流在y方向的切变并不能导致Kelvin波发生不稳定,只能导致不同的纬度上对应于Kelvin波传播的相速度有所不同。扰动位势和扰动风速等物理量在y方向的分布特征与基本气流无关。在只考虑垂直切变基流时,要存在稳定的相对于平均基流向东传播的Kelvin波必须要满足Richardson数Ri>2的条件。基本气流在垂直方向的切变也不能导致Kel-vin波发生不稳定,只能导致Kelvin波的相速度发生Doppler频移效应。扰动位势以及扰动速度在y方向的分布特征与基本气流在垂直方向的切变有关。当风的垂直切变大于零时,对流层低层的扰动位势和扰动速度沿y轴的正反方向衰减较快;而当风的垂直切变小于零时,对流层高层的扰动位势和扰动速度沿y轴的正反方向衰减较快。对于沿纬圈方向的对称天气系统,只要风的垂直切变较大,满足Ri<1时,低纬重力惯性内波一定会发生不稳定。而当基本气流的垂直切变较小(Ri>1)时,本文则给出了该扰动发生不稳定的判据条件。只要风的水平切变足够大,大于某一临界值(该临界值与垂直波数m,β因子,静力稳定度N2以及Richardson数Ri有关),在赤道y—z平面上的重力惯性内波也会发生不稳定,从而引起这种沿x轴对称扰动的激发产生与发展。     

切变基流中赤道Rossby包络孤立波

A simple shallow-water model on an equatorialβ-plane is employed to investigate the nonlinear equatorial Rossby solitons in a mean zonal flow with meridional shear by the asymptotic method of multiple scales. The cubic nonlinear Schrodinger (NLS, for short) equation, satisfied for large amplitude equatorial envelope Rossby solitons in shear basic flow, is derived. The effects of basic flow shear on the nonlinear equatorial Rossby solitons are also analyzed.     

The algebraic decay of equatorial Rossby waves in a shear flow

Through numerical integration, we show that equatorial Rossby waves, like their midlatitude counterparts, decay algebraically in the limit t → ∞ in a linear shear flow. For small times, the growth expected for some components does not translate into any growth of the wave disturbance as a whole when the initial conditions has a broad Fourier spectrum. The conclusion is that Rossby waves will amplify with time only when the mean flow has an inflection point or when the initial eddy field is strongly concentrated in long waves tilted against the shear.     

On the low-frequency,planetary-scale motion in the tropical atmosphere and oceans

Scale analyses for long wave, zonal ultralong wave (with zonal scale of disturbance L1~104 km and meridional scale L2~103 km) and meridional ultralong wave (L1~103 km, L2~104 km) are carried out and a set of approximate equations suitable for the study of these waves in a dry tropical atmosphere is obtained. Under the condition of sheared basic current, frequency analyses for the equations are carried out. It is found that Rossby waves and gravity waves may be separated for n ≥ l where n is the meridional wave number, whereas for n = 0 and L1~1000 km, the mixed Rossby-gravity wave will appear. Hence it is confirmed that the above results of scale analyses are correct. The consistency be-tween frequency analysis and scale analysis is established.The effect of shear of basic current on the equatorial waves is to change their frequencies and phase velocities and hence their group velocities. It increases the velocity of westward travelling Rossby waves and inertia-gravity and mixed waves, but decelerates the eastward inertia-gravity waves and the Kelvin wave. The recently observed low-frequency equatorial ocean wave may be interpreted as an eastward Kelvin wave in a basic current with shear.     

基本气流对赤道Rossby波和重力波的影响

应用考虑基本气流作用的赤道β平面线性模式，分析了基本气流对赤道Rossby波和重力波的影响。分析表明，基本西风气流中西传的赤道Rossby波和西传重力波仍有混合现象，基本西风气流将使Rossby波出现不稳定增长，而基本东风气流中的Rossby波和重力波是完全可分的。     

赤道两层海洋模式中基本流的切变不稳定性

设计了一个热带赤道β-平面的两层海洋模式,在准长波近似下,应用最大截断模分析赤道波的基本形态,指出无论是正压模或斜压模Kelvin波、Rossby波及基本流所对应的“地形Rossby波”是最基本的波系,在基本流的一定切变条件下,它们之间可以耦合出一类不稳定波。在浅混合层近似和“快波近似”下,正压模和斜压模是可以分离的,因此可以分别分析它们的色散特征,由于它们的特征量不同,在同样波长(扰动的纬向尺度)下,扰动的增长率也不同,通过分析得出在一定参数下,斜压模扰动增长率为正压模的2倍。近似分析表明,混合层中流场的增长要快于温跃层,但温跃层的温度增长要比混合层明显。     

相当正压Rossby波和斜压Rossby波相互转换的分析

利用由两层准地转模式简化的低谱模式，得知相当正压结构Ｒｒｏｓｓｂｙ波为平衡态，讨论了具有相当正压结构的Ｒｏｓｓｂｙ波存在所需条件；并以定常Ｒｏｓｓｂｙ波（相当正压结构）为基态，导出反映高低层Ｒｏｓｓｂｙ波位相变化的振荡方程，指出高低层位相差的变化与垂直切交流的扰动、平均层上流函数和热成风流函数波动部分振幅扰动（Ａ’和Ｂ’）的关系，说明相当正压结构和斜医结构的Ｒｏｓｓｂｙ波是相互转换的。     

大地形与正压Rossby孤立波——弱二次切变基本气流

基本气流的经向切变对Rossby孤立波的形成具有重要的作用,不同强度的切变形成不同的孤立波流型;可变坡度地形也是形成Rossby孤立波的重要因子。弱切变基本气流和坡度变化不大的地形形成的主要是经向波数为1和2的孤立波。