强迫耗散正压大气中四波共振

本文首次研究了含Ekman摩擦和非绝热加热的四波共振动力学．使用新的双时间尺度和新的时间变换式，由四波共振的广义Landau方程，导得普遍的非线性低频周期解，Ekman摩擦使得低频周期具有滞后和突变返回两个重要特征，而非绝热加热作用与中高纬准双周振荡有关，中高纬的30－50天振荡则与自由Rossby波准共振有关．本文还研究了四波共振产生的爆发性不稳定，指出较大振幅波产生的爆发性不稳定可能是阻塞迅速形成的又一重要原因，还首次得到在正压大气中Ekman摩擦能够激发爆发性不稳定．本文结果纠正了Craik于1985年提出的在流体力学中广泛应用的两个错误论断．     

正压大气中地形波与自由Rossby波的四波准共振

本文研究了正压大气中一个地形波与三个自由Rossby波的四波准共振动力学特征。由含大地形的准地转正压涡度方程，引入双时间尺度，导得了地用波与自由Rossby波的四波准共振耦合方程组，并求得其低频周期解．由数值计算表明，对于Charney所用地形高度，此解正是准双周振荡。大地形强迫是激发三个自由Rossby波相互输送能量的重要物理机制，使得二个自由Rossby波同时向第3个2波型自由Rossby波输送能量以形成准双周振荡或阻塞。这一结果与观测事实也比较一致。     

近常定有限振幅斜压Rossby波的激发与选择性衰减和不相容两原理

在斜压准地转两层流体的动量、能量和环流给定时，使用变分法，首次求得斜压流体最小位涡拟能解，此解正是斜压近常定有限振幅准确解。当通道长宽比、流体平均深度和能量三者都大于各自的临界值，且环流无垂直切变时，此准确解为有限振幅斜压Ｒｏｓｓｂｙ波，否则，此准确解为纬向流。本文还首次提出“不相容原理”，即斜压大气有限振幅近常定Ｒｏｓｓｂｙ波的正压和斜压两分量全波数不能相同。这表明这两种近常定波具有相当不同的水     

非线性斜压不稳定问题中的摩擦和对流凝结加热作用

本文用β平面两层准地转斜压模式,讨论了具有摩擦耗散作用和对流凝结加热作用的斜压不稳定有限振幅问题,并对所得的有限振幅斜压波的振幅控制方程进行了数值积分。结果指出,在无耗散作用时,斜压不稳定波的振幅是周期振荡的。当摩擦耗散作用仅存在于下层时,不稳定波振幅最终趋于一个为零的平衡态;当上下层都存在摩擦耗散时,对流加热强度较弱(即m~*<1),则存在着一个振幅为零,另外两个为非零的多平衡态,而扰动波振幅最终趋于非零的平衡态。对流加热较强时(即m~*≥1),则仅存在振幅为零的单个平衡态,扰动波振幅最终趋于这个平衡态。     

非线性波 波相互作用对准２０ａ气候年代际振荡的影响

从简单海气耦合相互作用的非线性方程组出发,导出描述大气和海洋运动的无量纲准地转涡度方程．对准地转涡度方程引入双时间尺度后,在准共振条件Ｋ１＋Ｋ２＋Ｋ３ ＝０和ω１ ＋ω２ ＋ω３ ＝Δω下,求得大气和海洋波－波非线性相互作用的２组耦合方程,其中大气耦合方程中含有海洋强迫作用项．由这２个耦合方程组求得大气和海洋波动能量变化周期的近似解．结果表明：在考虑非线性效应的情况下,由波动共振引起的大气和海洋波动能量变化在中纬地区具有准２０ａ的周期,说明非线性效应对海气耦合也具有调制作用,从而确定准２０ａ气候年代际振荡形成的新机理．     

正压大气波动的4波共振和准共振

从准地转正压涡度方程，提出新的双时间尺度，首次导得了正压大气波动的４波准共振耦合方程，即广义Ｌａｎｄａｕ方程，利用新的守恒量，求得其甚低频周期解，其周期为一年左右，这可认为是实际大气中年际振荡的一种新的物理机制。并可求出４波准共振波矢。     

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\     

热带大气能量频散波射线的低频动力学特征

首先在非零频波条件下采用有、无辐散两类数学模型 ,讨论热带大气低频波传播动力特征 ,研究结果表明 ,非零频的波频率参数是热带大气低频振荡源能量频散波路径及其波振幅的关键影响因子 ,且热带地区低频振荡的经向传播与其伴随着的强对流云团有显著相关 ,并与热带低纬 β因子等相关。文中还进一步揭示了低纬大气低频振荡经向传播伴随的积云对流现象及向高中纬传播机理 ,描述了 WKB近似方法数学模型及其波射线方程解模态对大气低频动力特性及其水汽分布垂直结构、不稳定层结等因子的响应特征。     

东亚和西太平洋地区 30～60天振荡的传播及其与月平均基流的相互作用

选取1985年和1988年这两个东亚和西太平洋地区月平均流场差异很大的年份,研究30～60天低频振荡的传播及其与月平均基流的相互作用.结果表明:在这两年,东亚和西太平洋地区的30～60天低频振荡受到两支低频涡旋的影响,其中一支来源于热带东印度洋,另一支源自中太平洋.在大部分时间里,这两支低频涡旋相遇于20～30°N地区,并影响到该地区位势高度场的变化.当低频气旋(反气旋)移经西太平洋的时候,该地区的位势高度场相应地降低(升高).另一方面,该地区的30～60天振荡还有着显著的年际差异.1985年的波列活动显著,中高纬低频涡旋南移至日本南部洋面.与1985年不同的是,虽然1988年的波列活动不明显,但中高纬的低频涡旋可向南传播至南海地区.从30～60天振荡和月平均基流的动能和有效位能相互转换来看,正压过程、湿斜压过程和干斜压过程的值相当,因而上述3种过程均有可能起主导作用.但转换强度存在年际差异,1985年的值远比1988年的大.研究还表明,暖池地区的30～60天振荡向月平均基流输送能量,中高纬地区的30～60天振荡则从月平均基流获取能量.     

正压准共振三波能量和拟能的传输

从准地转正压涡度方程出发，在ｋ１＋ｋ２＋ｋ３＝△ｋ、ｌ１＋ｌ２＋ｌ３＝０和ω１＋ω２＋ω３＝０的准共振条件下，分析了准共振三波能量和位涡拟能的传输。当△ｋ很小时，准共振三波组的总能量和总拟能近似守恒；三波之间能量和拟能的传输方向与共振情况基本相同，但中波向长波传输较多能量、向短波传输较多拟能和三波之间产生能量与拟能传输这三者的可能非线性准共振的面积与共振时相比均有较大的变化，而三者的面积比也有较明     

MESOSCALE NONLINEAR GRAVITATIONAL WAVES AND THEIR INTERACTION IN VERTICAL SHEAR FLOW*

Interaction equations of two nonlinear gravitational waves in baroclinic atmosphere are presented via multi-scale perturbation method,which can be classified into coupling nonlinear Schrodinger equations.In particular,the interaction course of two nonlinear gravitational waves of basic flow in vertical linear and quadratic shear is illustrated.Numerical calculation displays that wave amplitude enlarges and wave width narrows when two solitary gravitational waves meet and chase;that basic flow with single shear is more beneficial than that with quadratic shear to the interaction of two nonlinear wave packets;and that the interaction of two wave packets makes wave shape change more greatly and energy more dispersive,which contributes to the occurrence of changeable weather.Therefore,one of the probable mechanisms for the appearance of strong convection weather is the interaction between mesoscale nonlinear gravitational waves.     

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。     

大气中动能的双向转化和单向转化

根据绝热无耗散大气总动能和总位涡拟能守恒的特性，本文讨论了二维平面上动能谱分布随时间变化的规律。结果表明，大气谱动能变化必然涉及至少三种不同的空间尺度；或遵从双向转化原则，或遵从单向转化原则。在讨论能量的双向转化和单向转化条件的基础上，本文还分别研究斜压大气和正压大气中能量转化的一般状况。     

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.     

Effect of Baroclinicity on Vortex Axisymmetrization. Part Ⅰ:Barotropic Basic Vortex

The barotropic and baroclinic disturbances axisymmetrized by the barotropic basic vortex are examined in an idealized modeling framework consisting of two layers. Using a Wentzel-Kramers-Brillouin approach, the radial propagation of a baroclinic disturbance is shown to be slower than a barotropic disturbance, resulting in a slower linear axisymmetrization for baroclinic disturbances. The slower-propagating baroclinic waves also cause more baroclinic asymmetric kinetic energy to be transferred directly to the barotropic symmetric vortex than from barotropic disturbances, resulting in a faster axisymmetrization process in the nonlinear baroclinic wave case than in the nonlinear barotropic wave case.     

Effect of Baroclinicity on Vortex Axisymmetrization.Part Ⅰ：Barotropic Basic Vortex

The barotropic and baroclinic disturbances axisymmetrized by the barotropic basic vortex are examined in an idealized modeling framework consisting of two layers.Using a Wentzel-Kramers-Brillouin approach,the radial propagation of a baroclinic disturbance is shown to be slower than a barotropic disturbance,resulting in a slower linear axisymmetrization for baroclinic disturbances.The slower-propagating baroclinic waves also cause more baroclinic asymmetric kinetic energy to be transferred directly to the barotropic symmetric vortex than from barotropic disturbances,resulting in a faster axisymmetrization process in the nonlinear baroclinic wave case than in the nonlinear barotropic wave case.     

青藏高原大地形高度变化对东亚地区定常扰动能源转换的影响

利用CAM3（Community Atmosphere Model version 3）模式和ERA-Interim再分析数据研究了对流层中青藏高原大地形对东亚地区定常扰动能量源的影响。在冬季对流层中东亚地区的定常扰动的能量源地主要有两个,分别是高原北部的东亚地区和高原下游的西太平洋地区。高原高度增加时,对流层整层东亚地区斜压发展随高原高度增高而减弱,西太平洋地区斜压发展增强。定常扰动的正压发展与斜压发展的位置相似,但是明显的要比定常扰动的斜压发展弱。随着高原高度升高,在对流层中高原北部的东亚地区正压发展先减弱后增强,而在高原下游的西太平洋地区随高原高度增高正压发展一直增强。在冬季对流层中定常扰动的总能量发展与定常扰动的斜压发展一致,这样的发展趋势说明了冬季东亚地区和西太平洋地区定常扰动在对流层中的能量发展主要是斜压性引起的。     

Variations in Wave Energy and Amplitudes along the Energy Dispersion Paths of Nonstationary Barotropic Rossby Waves

The variations in the wave energy and the amplitude along the energy dispersion paths of the barotropic Rossby waves in zonally symmetric basic flow are studied by solving the wave energy equation,which expresses that the wave energy variability is determined by the divergence of the group velocity and the energy budget from the basic flow.The results suggest that both the wave energy and the amplitude of a leading wave increase significantly in the propagating region that is located south of the jet axis and enclosed by a southern critical line and a northern turning latitude.The leading wave gains the barotropic energy from the basic flow by eddy activities.The amplitude continuously climbs up a peak at the turning latitude due to increasing wave energy and enlarging horizontal scale(shrinking total wavenumber).Both the wave energy and the amplitude eventually decrease when the trailing wave continuously approaches southward to the critical line.The trailing wave decays and its energy is continuously absorbed by the basic flow.Furthermore,both the wave energy and the amplitude oscillate with a limited range in the propagating region that is located near the jet axis and enclosed by two turning latitudes.Both the leading and trailing waves neither develop nor decay significantly.The jet works as a waveguide to allow the waves to propagate a long distance.