QUASI-RESONANCE OF BAROCLINIC ATMOSPHERIC WAVES AND EXTRATROPICAL LOW-FREQUENCY OSCILLATION*

In operating the quasi-geostrophic two-layer model,the quasi-resonance occurs possibly in two cases:(1)pure barotropic waves;(2) two baroclinic and one barotropic waves.For case (2),we find the analytical solution of triad amplitude of quasi-resonance and approximate expression for the period of wave energy variation.Both the approximate expression and numerical calculation indicate that this period tends to approach the period (2πε)/(△ω) of the quasi-resonance frequency mismatch △ω itself for the baroclinic atmosphere than for the barotropic atmosphere.Physically,there is a feedback mechanism between the wave phase and amplitude,and the slowly varying phase difference between the barotropic wave and the baroclinic wave causes the conversion of kinetic energy and available potential energy,which gives rise to the wave-related low-frequency oscillation alternatively strengthening and weakening with the oscillation period identical to the above approximate formula.For △ω～(0.1-0.02) 0(ωj),the averaged energy period is 12-43 days and when △ω=0,it is 366 days.Therefore,the occurrence of frequency mismatch △ω is probably a new important mechanism for the formation of extratropical low-frequency oscillation in baroclinic atmosphere as well.     

THE EFFECTS OF THE PLATEAU'S TOPOGRAPHIC GRADIENT ON ROSSBY WAVES AND ITS NUMERICAL SIMULATION

By using barotropic model equations, this article analyzed the characteristics of Rossby waves, the propagation features of wave energy and the influence of dynamic and thermal effects of the Tibetan Plateau on Rossby waves, and the focus is on discussing the plateau's topographic gradient effects on atmospheric Rossby waves. Then based on the WRF3.2 and the NCEP/NCAR FNL reanalysis data, we devised comparative tests of changing the plateau's topographic gradient and simulated a process of persistent heavy rain that happened in May 2010 in South China. The results are shown as follows. The Tibetan Plateau’s topography is conducive to the formation of atmospheric Rossby waves. while the plateau's terrain, its friction and heating effects can all make the atmospheric Rossby waves develop into the planetary waves; The effects of plateau's north and south slopes on the Rossby wave’ phase velocity is opposite, and when the slope reached a certain value can the quasi-steady normal fluctuations be generated; Simultaneously, due to the plateau's topographic gradient, descending motion appears at the west side of the plateau while ascending motion appears at the east side, and the vertical movement increased with the amplification of topographic gradients. The plateau's topographic gradient also obviously amplified the precipitation in South China, and the rainfall area increased with the amplification of topographic gradients and gradually moved from south to north and from west to east, which is conducive to the occurrence and development of convective activities in the downstream areas of the Tibetan Plateau; Moreover, for the plateau’s dynamic and thermal effects, the Rossby wave’ propagation shows upstream effects of energy dispersion, so the plateau can then affect the weather in downstream areas. Moreover, the wave group velocity increased with the degree of topographic slope.     

垂直切变和地形影响下惯性重力波的发展

采用分层浅水波方程和ＷＫＢ方法，分别讨论了在基流垂直切变和地形的影响下，二维惯性重力波的稳定性及其发展，并根据理论结果试图解释１９９２年６月２１日发生在京津冀的一次飑线演变与惯性重力波之间的关系，这可能为飑线预报提供一种思路     

线性和非线性风应力对海-气耦合波的影响

在略去Ｒｅｙｌｅｉｇｈ摩擦和Ｎｅｗｔｏｎ冷却的条件下，采用定常的线性大气模式和半地转近似的非线性海洋模式，讨论了线性和非线性风应力对海－气耦合Ｒｏｓｓｂｙ波的影响，结果表明，当耦合波处于非线性不稳定的情况下，线性和非线性风应力均可产生孤立波，不同之处在于，非线性风应力所产笺波图像具有间断特点，波能的急剧聚集有可能使波的性质发生变化。     

纬向切变基流中的非线性正压Rossby波

在半地转近似下,用相角函数方法得到了包含纬向基流及其切变的非线性常微分方程。利用常微分方程解的拓扑性质的定性理论,直接得到该方程存在有限振幅的周期波解与孤立波解即非线性正压Rossby波解存在的条件,由此分析了纬向切变基流对波解存在的影响。最后利用函数逼近法求得了非线性正压Rossby波解的显式表达式。结果表明,纬向切变基流对波的影响不仅表现在波的存在方面,而且还表现在波的形态方面,反映了波的非线性特点和基流对波动的作用。     

斜压气流中波包的演变及其对外压不稳定波的激发

把斜压气流中的短波槽看成波包，并把波包作为准地转模式的初值进行研究，发现波包的结构对其演变有重要影响，初始阶段急流轴下面向西倾斜的波包能够获得较快的发展，而向东倾斜的波包则是衰减的，这与ＷＫＢＪ方法得出的结论［１］是一致的，但是无论西倾还是东倾的波包，除了其自身随时间的演变外，还会激发出斜压不稳定波动，而且随着扰动的发展，不稳定斜压波会逐步在扰动中占主导地位。由此可以解释某些中纬度气旋的发生发展问题。     

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。     

环境气流及非绝热加热对热带气旋结构和移动的影响

设计一个三层的准地转斜压模式,研究了不同结构环境气流和环境非绝热加热场中热带气旋移动路径和结构的特征.数值试验的结果表明:(1)无外界影响下热带气旋向西北方向移动,垂直速度场有明显的螺旋结构;(2)热带气旋主要受基本环境气流引导,非对称环流中的小扰动干扰了热带气旋的移动;(3)非绝热加热场对热带气旋影响较大,热带气旋有向加热中心移动的倾向,同时热带气旋的水平、垂直结构都有较大的变化.     

印度洋海温异常对中高纬大气低频振荡影响的数值试验

用数值试验的方法,应用强迫耗散准地转正压涡度方程的全球谱模式,在方程中考虑了偶（单）极子的热力强迫作用,并在三个行星波准共振的条件下,模式共积分90d,得到：在偶、单极强迫热源和基本气流强度的共同作用下,三个行星波之间存在很强的波．波相互作用,且波动振荡呈现准双周和季节内振荡。同时偶、单极强迫源及基本气流的强度变化对中高纬大气的低频振荡调制作用不同。在准共振三波流函数场随时间变化的试验结果中,进一步证实了中高纬大气存在较好的低频振荡。     

层结切变流体非线性惯性重力内波的稳定性

本文从层结切变流体的非线性惯性重力内波的方程组出发,设解为行波的形式并将非线性项在平衡点附近作Taylor展开,导得了两个变量的一阶自治动力系统的常微分方程组。应用常微分方程的稳定性理论,讨论了惯性重力内波的稳定性。分析指出:在考虑了速度垂直切变和非线性作用后,惯性重力内波的稳定性发生了变化,当LL_0时是稳定的结论只是在时才是正确的,当时,L_0~2<0和L>L_0成为不稳定的条件。 本文还讨论了某些条件下非线性惯性重力内波的解析解。     

基本气流和大地形对于正压波动的作用

本文利用能量变化的观点,分析了正压波动发展的机制。结果表明,大地形的作用只能影响涡度拟能的变化,而不能直接影响动能。但基本气流的特征,对于动能与涡度拟能都起一定的作用。如果基本气流是均匀的而且地形的影响可略,则平均动能和涡度拟能都是守恒的,也就是说,这些量都是有界的。但是在切变气流或者波状基本气流中,波动的发展与基本气流的特征以及波动本身的结构具有非常密切的关系。在一般情况下,动能与涡度拟能就不再是守恒的。在本文中,还对某些简单地形作了分析与讨论。     

地形对重力惯性波传播与发展的影响

本文用ＷＫＫＢＪ方法研究了地形对重力惯性波传播与发展的影响，得到了地形影响下重力惯性波的波作用量守恒方程。结果表明：重力惯性波能量有向地形较高的区域传播的趋势，并且波包振幅上坡时加大，下坡时减小。     

切变基流中惯性重力波的发展

采用分层浅水波方程、一简单的二层模式和ＷＫＢ方法，考虑基本气流的垂直切变，水平切变以及地形的影响，分析了惯性重力波的发展变化，得到有关导式波和曳式波发展的环境条件。     

环境温度场对台风等扰动发展和移动的影响

本文应用一个CISK机制的扰动模式,从理论上分析了环境温度梯度场对台风等对流性扰动发展和移动的影响。结果表明,环境温度梯度对台风等扰动的发展可产生明显的影响,而且该影响与环境温度梯度的方向及该梯度场和台风间的相对位置有很大关系,另外,环境温度梯度可使扰动出现一相当强的趋暖运动。本文的结果可为冷空气对台风发展和移动的影响提供一些动力方面的解释,对于实际的台风预报,有一定的参考价值,对于了解斜压环境中的对流系统的发展机制和参数化,本文的结果也有一定意义。     

纬向切变基流中的非线性Rossby波

本文在半地转近似下讨论了纬向切变基流中的非线性正压Ｒｏｓｓｂｙ波，给出了存在波解的切变基流条件。     

经向基流和地形对惯性重力波的影响

采用分层浅水波方程组和ＷＫＢ方法，分别讨论了经向基流的垂直切变和南北走向的地形对二维惯性重力波的移速，稳定性以及发展的影响。     

EFFECTS OF THE AMBIENT TEMPERATURE GRADIENT ON DEVELOPMENT AND MOVEMENT OF TROPICAL DISTURBANCES

The effects of the ambient temperature gradient on the development and movement of tropical disturbanceshave been analysed through a two-layer model of the CISK.The results show that when the gradient exists inthe external area of disturbances and directs to their center,it is favourable to the development of distur-bances,but an unfavourable case occurs when the gradient exists not only in the external but also in theinternal areas of the disturbances.It is also shown that the gradient makes the disturbances tend to movetoward warm environments.These results coincide with the observational facts which take place when coldfronts approach typhoons or tropical cyclones.     

大气静力稳定度的铅直分布和不同风速铅直廓线对天气系统发展的影响

采用一个准地转三层模式,对于高低空不同层结及不同风速铅直廓线下的斜压不稳定性问题进行了分析和讨论。指出:(1)大气层结特征对斜压不稳定的影响不仅表现在对不稳定临界波长和临界风速切变的制约上,而且其铅直分布的不均一性决定了大气的各个层次对斜压不稳定的贡献大小;扰动的斜压发展主要取决于静力稳定度较小的那些层次内的热力、动力学条件,在这些层次内,扰动也最为明显。(2)高低空风速比中空为大的“高低空强风型”风速铅直分布最有利于扰动的不稳定发展,在这种风速铅直廓线下,不稳定波波谱较宽,不稳定波临界波长和最不稳定波波长也较短。     

大气层结的非均匀性对重力内波波射线的影响

文中利用ＷＫＢ近似，讨论了非均匀层结对惯性重力内波和纯重力内波能量传播路径的影响，得到了波的能量密度，广义波作用密度，和广义拟能密度守恒的条件，导得了重力内波不稳定的必要条件，给出了在波的传播过程中控制波射线折射的方程，得到了两类不同的临界层，最后还利用四阶Ｒｕｎｇｅ－Ｋｕｔｔａ方法计算了不同层结分布下的波射线。     

基本流场切变对赤道长Rossby波的影响

文中应用赤道β平面近似 ,建立一个简单的斜压大气半地转模式 ,在热力学方程中引入表征基本位温场 (θ)经向分布特征的无量纲参数 σ,对线性化的扰动方程进行了频率分析 ,研究基本位温场经向非均匀分布以及基本气流垂直切变对赤道纬向超长尺度 Rossby波动的影响 ,并指出仅考虑基本气流垂直切变或者基本位温场变化的作用是不合适的。定性分析结果表明 :基本位温场经向温差必然有基本气流垂直切变与其相匹配 ,而基本气流垂直切变将导致赤道长 Rossby波动不稳定并影响其纬向传播速度