行星大气与生命

在茫茫宇宙之中,我们所居住的地球,正处在生机勃勃的中年期。生命在地球上的历史大约只有三十五亿年时间,生命之花正含苞欲放。我们人类在地球上诞生才有三百万年左右,这在地球史上只是短暂的一瞬。然而,自工业革命以来特别是近二十年来,由于人口爆炸、大气污染、淡水资源匮乏,以及自然资源破坏、生态环境恶化,已使人类生存面临着严重的挑战。现在,各国政府首脑和科学家们都在为摆脱危机、走出困境而绞尽脑汁,费尽心机。     

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。     

行星大气温度分布的气候理论

应用郭晓岚的辐射通量计算格式,本文设计了一个二维能量平衡的气候模式,用此模式计算了地球大气、火星大气和金星大气中的温度分布。理论结果和观测接近。     

正压大气中的螺旋行星波

本文对天气图上常见的螺旋状的行星波(Rossby波)的形式、发展以及其它方面的动力学性质作了理论分析,并讨论了它在维持大气环流中所起的作用。     

大气行星尺度运动的动力特性

本文首先利用尺度分析方法分析了行星尺度运动的动力特性,指出第二种地转运动方程——Burger方程只能描述经向度很大的而不能描述经向度较小的行星尺度运动. 本文还利用一个包含涡旋粘性、Newton冷却的β平面近似准地转模式,计算了中纬度地形与热源强迫所产生的准定常行星波,并且与用Burger方程的计算结果相比较,表明了准地转模式适用于经向度不太大的行星尺度运动,而Burger方程则不能正确描述这类行星尺度运动.     

黑河地区行星边界层大气的气候分析

分析指出:气温和比湿的季节变化基本上呈峰谷相当波型;各月气温和比湿的直减率分别小于和略大于自由大气的直减率。整层各月为准无辐散和弱有旋的西北气流,风速的季节变化在近地层也呈谷峰相当波型,其振幅随高度迅速增强,但位相恰与温、湿波型相反。张掖单站分时次的月平均资料分析表明,风向、风速和层结稳定度都有明显的气候日变化;当考虑湿度层结时,夏季7月19时的平均层结是真潜不稳定,其余季节和时次仍为稳定层结。扩展域边界层月平均温、湿、风场的分析指出,黑河地区近地层在1、4、10月基本上位在平浅温度槽区,而7月却处在纬向水平温度梯度矢端;该区比湿7月相对最高,而其余各月很低;全域近地层流场仅7月稍复杂点,黑河试验区位于弱辐合流场中,其余月份黑河地区边界层平均基本上为平直西北气流所控制。     

行星大气有效位能理论之进一步探讨

本文讨论了从两种观点(方法)出发推导的有效位能数理表达式。即Lorenz(1955)导出的欧拉观点有效位能表达式和Smith(1969)[2]导出的拉格朗日观点表达式。本文用拉格朗日方法重新推导的P坐标有效位能表达式与Smith方法有异。在此基础上,重新推导了有效位能平衡方程并讨论了其中的效率因子问题。指出,用欧拉方法不可以得到所谓效率因子。      

大气中行星尺度孤立波的动力特征

大气中的非线性波一直是气象学界所关心和重视的问题,Long[1]和Benney[2]等人最早把孤立波理论应用到大气中来,成功地解释了大气中的一些天气现象,后来我国学者巢纪平[3]、刘式达、刘式适[4]等又进行了这方面的研究工作,取得了一些有意义的结果。本文利用行星大气中的相当正压模式和Burger模式,在一定的条件下分别导出了它们所满足的KdV方程,其解是椭圆余弦波和孤立波,并讨论了孤立波的凸凹性,找到了孤立波西移的判据,指出了中高纬度大气中的阻高和切断低压等天气系统具有“孤立波”的性质。     

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.     

正压大气球面行星波螺旋结构变化的机制

本文就正压大气球面行星波螺旋结构的发展变化机制进行探讨。当经向波数是时间t的缓变函数时,得到波的平方涡度,波能量和波振幅的三个不同增长条件。球面螺旋波只和具有较差转动的基本气流交换能量和平方涡度。分析表明,旋转大气的球面效应是十分重要的。β效应随纬度的变化,通过对波的传播发生影响,使波的结构发生变化,在北半球,它总是有助于中纬地区东北——西南向槽脊的形成;在南半球,则有助于中纬地区西北——东南向槽脊的形成;使波的角动量涡动输送指向两极;从而有助于低纬东风,中高纬西风的维持。实例计算表明,理论分析和实况较为一致。     

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。     

准定常行星被对大气中臭氧输运的动力作用

本文从拉格朗日平均环流观点讨论了行星波对大气中Ｏ３。的输运作用。理论分析表明，当行星波是定常保守时，行星波对大气中Ｏ３没有输运作用；而非定常的行星被对大气中ｏ。有明显的输运作用，它可以强迫出一个正的输运环流、即从热带上升，而从高纬下沉的环流；此外，只有当耗散的行星波传播到平流层才会在平流层强迫出输运环流。为了说明行星波对大气中Ｏ３输运的动力作用，本文还利用一组３４层波－流相互耦合球坐标原始方程谱模式计算了地球大气中行星波对Ｏ３变化的作用，其计算的Ｏ３变化与实际观测到的Ｏ３分布变化很相似。     

准定常行星波对大气中臭氧输运的动力作用

本文从拉格朗日平均环流观点讨论了行星波对大气中O3的输运作用。理论分析表明，当行星波是定常保守时，行星波对大气中O3没有输运作用；而非定常的行星波对大气中O3有明显的输运作用，它可以强迫出一个正的输运环流，即从热带上升，而从高纬下沉的环流；此外，只有当耗散的行星波传播到平流层才会在平流层强迫出输运环流。为了说明行星波对大气中O3输运的动力作用，本文还利用一组34层波—流相互耦合球坐标原始方程谱模式计算了地球大气中行星波对O3变化的作用，其计算的O3变化与实际观测到的O3分布变化很相似。     

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。     

湍流的频散效应对行星边界层大气平衡运动的影响

本文应用包含湍流粘性和湍流频散效应的新的Reynolds平均运动方程求解了行星边界层中大气的平衡运动,着重分析了湍流频散效应对平衡运动的影响。分析指出:(1)考虑了湍流频散效应后,在γ>0时,Ekman层风速随高度的变化减缓,而Ekman层厚度增大,新的Ekman螺线更加附会于实际;(2)考虑了湍流频散效应后,近地面层中性层结下的风速随高度变化仍呈对数定律,只是Karman常数     

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。     

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。      

大气中定常行星波的Eliassen-Palm通量与波折射指数的关系

本文研究了β平面近似下波作用量守恒,得到波作用通量——Eliaaen-Palm通量的一般形式.本文还利用WKBJ方法求得球面大气中定常行星波的Eliassen-Palm通量与波折射指数的关系. 本文还用一个准地转34层球坐标模式计算了冬季北半球地形与定常热源强迫所产生的定常行星波的Eliassen-Palm通量,证明了冬季受迫定常行星波在垂直及侧向传播中存在着两支波导,从而证明了理论上所得到的关系.