STUDY OF NONLINEAR ROSSBY WAVES IN THE ATMOSPHERE UNDER SEMI-GEOSTROPHIC APPROXIMATION*

Under semi-geostrophic approximation the nonlinear ordinary differential equations are obtained for the motion in the barotropic and baroclinic atmospheres with the effects of zonal shear basic flow and topographic forcing included.Two constraints are acquired of finite-amplitude periodic and solitary waves in the original model with the aid of the phase-plane geometric qualitative theory of a dynamic system defined by the differential equation.The explicit solution of the nonlinear waves is found by means of the approximation method and some significant results are achieved.     

Rossby参数β在涡旋Rossby波中的作用

利用尺度分析方法得到Rossby参数β在强涡旋中有着不可忽略的作用.在无基本气流径向切变的涡旋系统中,在Rossby参数β的作用下有涡旋Rossby波出现.由于涡旋Rossby波存在,从而破坏了涡旋系统的轴对称性,表现出非轴对称特征.在考虑切向基本气流的涡度径向变化时,涡旋Rossby波的频散关系同时包含了切向基本气流涡度径向切变项和β项的作用.一般情况下涡旋Rossby波在切向基本气流涡度径向切变的作用下有向外频散能量的特性,而β项的作用随方位角θ而变化,使涡旋能量频散不对称.     

非线性Rossby波动特征的进一步探讨

在一定的假定下,利用自然坐标系对正压非线性Rossby波的特征作了进一步探讨,指出控制Rossby波动过程的本质方程是摆型方程及类似于Sine—Gordon方程的关系式,得到了波动过程中复杂的质点振动轨迹和非线性振荡的周期;给出了定常Rossby波的几种复杂流型,证明了非线性Rossby波的位相传播和能量传播是沿着流线进行的。这些结果对深入认识大气内部动力过程和解释某些观测现象具有一定意义。     

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。     

地形对热带大气超长尺度Rossby波动的影响

应用赤道β平面近似，建立一个简单的正压大气半地转浅水线性模式，在连续方程中引入地形的作用，讨论地形对热带大气超长尺度Ｒｏｓｓｂｙ波的影响。结果分析表明，起伏不平的于形动力抬升作用导致热带大气超长尺度Ｒｏｓｓｂｙ波动不稳定并且影响波动的特性。     

简单海气耦合的线性和非线性Rossby波

采用忽略Ｒｅｙｌｅｉｇｈ摩擦和Ｎｏｗｔｏｎ冷却的定常，线性大气模式和地转动量近似下的非线性海洋模式。这里包含了大气通过线性风应力影响海洋，海洋通过加热过程影响大气的物理机制。用相平面理论讨论了海气耦合作用对简单耦合线Ｒｏｓｓｂｙ波和非线性Ｒｏｓｓｂｙ波的影响。     

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。     

旋转正压大气中的Rossby波射线

本文将缓变介质中波动的传播理论应用于Rossby波。在基流和不同走向地形假设下，计算了Rossby波射线路径及沿射线波数的变化。结果表明大尺度地形对Rossby波射线有显著影响。     

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。     

斜压罗斯贝波非线性问题的研究

本文利用两层斜压准地转模式,讨论了波-流相互作用问题,得到以下结论:(1)当大气中基本流切变较大时,波流间能量交换明显。切变较小时,波幅变化较小;(2)在较小的基本流切变下,波动可出现稳定的平衡态,此平衡态多为相当正压状态;(3)斜压波在发展过程中,温度场和流场之间具有制约关系。     

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.     

大地形对Rossby波波射线的影响

本文利用Ｒｕｎｇｅ－Ｋｕｔｔａ方法计算了大地形对定常、非定常低频Ｒｏｓｓｂｙ波波射线的影响，计算结果显示，地形对Ｒｏｓｓｂｙ波波射线有重要影响。对位于地形上游的波源，定常波波射线在传播过程中，遇到地形时，会绕过地形偏向高纬度传播并加密波射线，地形起阻挡屏障作用；波源位于地形中心时，东西走向的地形使波射线发生分支现象，南北走向地形没有这种现象产生。文中还计算了地形存在下，周期为５０ｄ的低频Ｒｏｓｓｂｙ波波射线。结果显示，地形对低频波波射线的影响似乎更复杂。     

大地形与正压Rossby孤立波

文中讨论了地形对正压Rossby孤立波的影响,指出,当基本气流没有切变时,地形是产生Rossby孤立波的重要因子;不同高度的地形,其作用有很大的不同;计算得到了两类不同的孤立波流型。     

NONLINEAR SCHRODINGER EQUATION IN THE ROTATIONAL BAROTROPIC ATMOSPHERE AND ATMOSPHERIC BLOCKING

In this paper,the WKB method is used to obtain the nonlinear Schr(?)dinger equation satisfied by nonlinearRossby wave in the rotational barotropic atmosphere.It is found that the nonlinear Schr(?)dinger equation hasan envelope solitary wave solution under the condition 1≤m≤2(m the zonal wavenumber),and the phasespeed of envelope solitary Rossby wave in the atmosphere is related to the square of its amplitude linearly,thatis,the larger the amplitude of envelope solitary Rossby wave,the smaller its propagation speed.Farthermore,the blocking high and cut-off low pressures which are consistent with the observations of blocking in the atmo-sphere are obtained by calculating envelope solitary Rossby wave,and the blocking structures persist more thanfive days,the results demonstrate that the envelope solitary Rossby wave is a possible mechanism about theformation,maintenance and breakout of blocking in the atmosphere.     

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。     

台风螺旋雨带——涡旋Rossby波

台风中的螺旋云雨带是由多种探测手段被观测到的现象,是为大家所共识的不争事实.但是,对它的形成、维持的理论解释,虽有多种学说,一直以来人们都倾向于重力惯性波说.而重力惯性波说有一个致命的弱点,即波的相速理论值为101m/s量级,它要比螺旋云雨带实测移速只有100m/s几乎大一个量级.于是从前几年开始,人们又回到30多年前提出的涡旋Rossby波说那里去寻找合适的解释.经典的Rossby波是β=(df/dy)作用的大尺度波动,而适用于台风中螺旋云雨带的涡旋——Rossby波乃是f平面(β=0)上的中尺度波动.那末,对这两类尺度不同和成波机理不同的波动,何以均冠予Rossby波一词?本文试图从动力学等价原理上,对此作统一联系的说明.其结果是:台风基本气流的涡度ζ随径向(r)变化的梯度dζ/dr=(1/r)(∂/∂r)(rvλ),在动力学上等价于科氏参数f随纬度变化的梯度即β=df/dy;或者说它们在绝对涡度守恒的前提下,作为波扰动的成波机理是等价的.     

一个大气定常波的非线性初始方程谱模式

本文提出了一个可以用于大气定常波数值模拟的非线性初始方程三维谱模式,模式的动力学框架与文献[1]中的线性模式是相互对应的。利用线性模式的定常解作为初值,通过Newton-Raphson迭代法求出了收敛的非线性定常解。文中给出了这一模式大气对于北半球大尺度地形和1979年1月平均非绝热加热场的响应作为计算实例,并与对应的线性响应以及观测事实进行了对比,证明在考虑了大气中波动之间的非线性相互作用之后数值模拟的结果确实比线性模式有显著的改进,尤其是对于低纬环流系统更是如此。这表明了非线性作用对于热带环流系统的极端重要性。