评“稳定的和不稳定的斜压行星波”的研究

谢义炳教授在八十年代初期,发表了关于“稳定的和不稳定的斜压行星波”的论文(以下简称H3)[1].在论文引言中说到Rossby波和不稳定斜压波的矛盾;文中提出所谓“空间不稳定”的概念;并在结语讨论中说:这一研究的“所得结果,实质上否定了传统的斜压不稳定理论的基本观点……”.众所周知,自从四十年代,赵九章[2]、Charney[3]和Eady等开创性地提出斜压行星波理论后,几十年来继续发表的研究是极为可观的,但从未看到否定了传统的斜压不稳定理论基本观点的研究.因此H3引起人们的兴趣.     

斜压球面螺旋行星波和角动量输送

本文分析了斜压大气中球面螺旋行星波的三维结构,讨论了这类行星波对大气运动角动量的输送过程。结果表明:在基本流场中存在着水平和垂直切变的急流区,在水平方向它使西风角动量向急流中心辐合;在垂直方向上,西风急流区角动量下传,以补偿地面摩擦;在低纬和极地,东风带角动量向上传递。     

一个正压和斜压不稳定的充要条件

提出一个新的李雅普诺夫函数，首次得到了正压和斜压不稳定的充要条件，大大改善了热知的Ｒａｙｌｅｉｇｈ－郭晓岚定理和Ｆｊｏｒｔｏｆｔ定理，解决了Ｒａｙｌｅｉｇｈ（１８８０）提出的无粘切变流正压稳定性问题。     

深厚和浅薄球面大气中的斜压行星波

本文在包括对流层-平流层-中间层(0-80公里)的半球及全球大气模式中,求解特征值及特征函数问题,得到夏季及冬季纬向平均基流中发展型行星波及天气尺度波的增长率、相速度及空间结构.结果指出,在冬季环流中存在三种不同结构及相速的发展型波动:1.行星尺度的准稳定Green波(波数1-2),其振幅在平流层中上部达到极大;2.深厚而准稳定的Char-ney波(波数3-4),其振幅在对流层中达到极大;3.天气尺度的移动性Charney波,这是一些波数5-9的对流层波动.在夏季环流中存在两种发展型波动:中间层内自东向西移动的波动1-4及对流层中自西向东移的天气尺度波动.这些发展型波动的结构、移速及出现层次与实际大气中的瞬变波有相当好的对应,由此推论,深厚球面大气基本流的动力不稳定可能是激发这些波动的重要机制.此外,深厚模型与浅薄模型的对比分析指出,以行星波为对象的数值模式必须包括对流层和平流层,简单的对流层模式会严重歪曲行星波的结构与移速.     

斜压大气螺旋行星波结构的变化和感热输送

本文用准地转位势涡度方程,在基本气流随时空缓变的条件下将其线性化。讨论了斜压大气螺旋行星波结构的变化和螺旋波对感热的输送作用,得到一些有意义的结果。     

斜压大气亚临界不稳定的数值试验

利用一个由表面摩擦和辐射线弛强迫驱动的斜压准地转两层模式作数值试验，来研究斜压大气中的亚临界不稳定现象。试验结果表明，当无量纲量β≥0.25时，斜压两层大气中能够发生亚临界不稳定现象。亚临界不稳定现象的发生与初始扰动的选择有关。科氏参数的经向梯度的大小又是影响斜压稳定性强度的一个重要因素，其值越大，斜压稳定性强度越小。     

纯斜压基流上斜压波的发展和锋生过程

利用地转动量近似和水平坐标变换建立的三维半地转方程,讨论了具有均匀位涡的基态流上非线性斜压扰动的发展和锋面的形成过程。计算结果表明,对于纯斜压流,斜压波的发展既取决于初始扰动,也与基流的垂直切变有关,垂直切变越大,斜压波增长越快。不同的基流.扰动有不同的增长率。对于某个确定的基流,斜压波在各个时刻的特性仅取决于初始扰动。斜压扰动发展到一定程度,形成大的风速和等温线密集区,即产生锋。     

球面斜压大气中上传行星波与纬向平均气流的相互作用

本文指出在球面斜压大气中的行星尺度扰动与纬向平均气流相互作用中必须考虑非地转风分量对位涡度南北方向输送的作用,从而证明了球面大气中行星尺度运动的波作用守恒,并求得球面大气中的行星尺度扰动与纬向平均气流相互作用的欧拉平均运动方程组。 本义利用1979年2月的实际天气观测资料分析了北半球一次对流层阻塞形势建立与平流层爆发性增温过程的行星波与纬向平均气流的相互作用。从分析结果可以看到:由于行星波向上传播,使得在高纬度对流层中、上层出现行星波的波作用通量(也称E-P通量)辐合,使得西风气流减速,因而在高纬度对流层中、上层形成阻塞形势。并且,随着行星波的继续向上传播,使得平流层下、中层的基本气流相继减速并出现东风,因而在平流层下、中层出现爆发性增温。然而,由于高纬度对流层低层出现东风,行星波不能往上传播,在上层波的E-P通量矢量变成辐散,气流由东风又变成西风。     

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。     

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。     

論气压波和温度波的移动

利用一个修正的二层模式,作者推导了在均匀基本气流情况下大气中层气压波和其以下平均溫度波的移速公式.其主要結果如下: 1) 在一般情况下除波数为3—10的波外,溫度波的移动速度大子气压波; 2) 当地面基本气流为西风时,气压槽接近地势高的地方加速,离开时減速,而气压脊則相反. 把这些結果和气压波、溫度波的发生发展联系起来,可以解释一些天气图上出現的現象。 作为上述情况的推广,对在不均匀基本气流情况下气压波和溫度波的移速也进行了討論,其主要結果是: 1) 气压波、溫度波的移速和基本气流的分布有极密切的关系,并主要由后者所决定; 2) 一般气压波和溫度波在高原北侧比在高原南側移动快,但在它們之間位相差很小而振幅差較大时則有例外. 最后,对这些結果和高原以西斜槽、急流沿高原分支、切断低压形成等的联系也作了討論。     

地球大气行星波的螺旋结构

本文从描写大气大尺度运动的动力方程组出发,讨论了地球大气行星波的螺旋结构,给出了这种螺旋结构的“宏图”,指出:(1)螺旋状的行星波在整个大气三度空间都存在;(2)准水平面上的行星波是对数螺旋结构,这种行星波在垂直方向上也呈对数螺旋分布;(3)螺旋行星波存在一个相速条件(即存在范围),它的形状与波位相速紧密相关,而且它有频散作用;(4)螺旋波的形成,主要由于南北方向和垂直方向空气的较差转动及Coriolis参数随纬度的变化。     

地形对长波和超长波不稳定发展的影响

图3.2.1—3.2.5表示了地形对长波和超长波移动和发展影响的一般规律。如以地形脊对东移西风冷槽的影响为例,当地形相当涡度和扰动涡度的振辐比am/a20较小时,在它越过地形脊时,首先流场槽减弱而温度槽加强,减弱的流场槽以较快的速度移动,而温度槽则相对减慢,越过地形脊后,流场槽又重新增强。我们根据地形的影响,初步讨论了一锢囚气旋在向风坡填塞,在背风坡又重新产生的物理过程。超长波的斜压不稳定的不能发展,是由于温度场东进和流场西退造成的。根据地形脊对超长波脊移动的影响,可以推测,在两个地形超长波脊之间的地区,最有利于超长波脊的不稳定发展。阻塞脊出现频数的地理分布的观测结果和理论推测有很好的一致性。     

1981-1982年冬半年大气行星波的传播特征

利用ECMWF15天平均资料计算了定常波的EP通量以及波动动能和有效位能的三维分布。发现了大气中某些新的遥相关型,特别是从中纬度传播到热带地区的波列在那里发生路径转向和透射的现象。指出对流层低层向上传播的有效位能可能对维持高空定常波有一定作用。同时讨论了大气中的三维遥相关特征。     

斜压大气中的地形扰动

本文主要讨论地形对天气系统的影响,研究了斜压大气中地形背风气旋的问题。用小参数法简化基本运动方程,利用青藏高原和落基山脉的实际地形,采用FFT的数值方法,考虑了不同地形、风切变、大气层结等诸因素对地形扰动的影响。结果表明:青藏高原和落基山脉东侧的地形扰动与统计结果较一致;层结对地形扰动的影响较敏感。     

斜压大气中基本气流与扰动的若干制约过程

将涡度方程及绝热方程分离变量,化成非线性常微分方程组,以Runge-Kutta法在电子计算机上进行数值积分。从所得的结果中看出:基本气流与扰动是相互制约的,基本气流的变化有准周期性,具有10—13天不等的周期,在各个循环中,基本气流增长及减弱的速率也很不一样。波数为6的扰动,变化周期为11—13天,振幅变化近于正弦曲线;波数为4的扰动,其振幅变化较复杂;波数为2的扰动,变化周期为3天。波数为6的扰动,上下层同时发展或同时阻尼,但波数为4及2的扰动,上下层的变化趋势刚好相反。 最后从所得的结果中看到:对于非线性方程,如果初值不同,那么解的平均周期也不同。     

低频球面正压大气行星波的频散特征及大气环流遥相关型形成的物理机制

本文研究了非均匀基本纬向流中低频球面正压大气行星波的能量频散特征,讨论了波射线,求得了波射线路径的近似方程。此外,还讨论了沿波射线波包振幅和能量的变化。所得结果可给出大气环流遥相关型水平结构形成及其演变的基本物理图象。