地球自转的δ效应

在旋转的地球上运动着的大气必然具有旋转地球给它带来的一些特有性质。陈久康在讨论球面行星波螺旋结构时曾对球面的δ效应对波的结构的影响作过讨论,指出:由于β效应的牵连涡度平流对东传波列的减速作用随纬度的差异,使北半球的行星波列成为东北—西南向的曳式波。下面我们推广朗(R.R.Long)和巢纪平等在β平面中对大气KdV波动的研究工作,从另一个角度来说明δ效应(β随纬度的变化)的非线性性质。     

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。     

球面定常行星波射线的变化与波列的分支

为了解释大气低频波列的结构特征,本文把慢变介质中波传播的理论应用于行星波。采用射线追踪方法,借助于几何直观,在波射线与纬线平行的纬度附近,讨论了波数k_s的分布对波射线变化与波列分支的作用。并讨论了沿波射线路径波幅的变化。提出,在波数k_s为极值的纬度附近,定常行星波列存在着明显的分支现象。在传播期间,波幅在分支纬度附近为极大值。这些结论与双测和模拟的结果是相当一致的。此外,本文还讨论了“大圆路径理论”的局限性。     

长波物理机制经典论断新探

本文通过对经典罗斯贝长波理论,斜压大气环流实验室模拟研究成果的重新归纳与分析,以及相应于上述理论和实验系统的简化数学物理模型的分析与比较,揭示出在大尺度旋转斜压自由流体系统中,β效应的存在与否,虽然可以修正波动的性质,但不影响波解结构与波动振幅演变方程的同构性质;发现β效应也不足以解释冬3夏4天气事实,而且也不足以描写冬夏波型转换机理;同时还发现在均匀旋转斜压流体系统中,存在一个可以解释冬夏波型现象的斜压非线性波长波型确定与转换机制. 本工作建议,关于大气长波本质上就是罗斯贝波,形成大气长波的物理机制是β效应的经典论断,有必要重新考察.本文认为,形成大气长波的物理机制是与地球大气南北温差相关联的斜压非线性效应.     

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。     

地球旋转水平分量对Rossby波的影响

利用合理的β平面近似方程组,研究β效应和地球旋转水平分量共同作用下大气中Rossby波动的特征.结果分析表明,若扰动与纬度有关,科里奥利参数分量fH=2Ωcosψ将影响波动传播的频率特征,并加强水平散度对斜压Rossby波的作用;如果扰动与纬度无关,则科里奥利参数分量fH的影响消失.     

β项对大尺度大气运动的影响

简要分析了由于柯氏力随纬度变化引起的β项对大尺度大气运动的影响。分大气长波、大尺度涡旋和行星尺度的大气运动三个部分来讨论     

地球旋转向量水平分量对赤道β平面上波动的影响

文中利用合理的赤道 β平面近似方程组研究 β效应和地球旋转向量水平分量 (即Coriolis力分量 f*=2 Ω cosφ)共同作用下低纬度大气波动的特征。定性结果分析表明 ,若扰动与纬度有关 (混合 Rossby-重力波和 Rossby波 ) ,f*虽然不影响波动传播的频率特征 ,但修改其决定波动经向结构的振幅。如果扰动与纬度无关 (Kelvin波 ) ,则 f*的影响消失 ,这与 f*- f平面上波动的情况显然不同。     

定常行星波的垂直传播及其动力学效应

本文用一个β平面准地转模式考察了定常行星波在大气中垂直传播的特性，讨论了波的水平尺度和基本气流的结构等对定常行星波垂直传播的影响，指出了高低层大气之间相互作用的特点及条件。     

非静力平衡层结大气中的重力惯性波和惯性对流

本文根据一些新的流体力学实验结果及某些天气事实,建立了一个非静力平衡条件下旋转地球大气中重力惯性波和惯性对流的理论模型,并分别求出它在稳定层结,中性层结及不稳定层结三种情况下的点源扰动函数形式的解。 分析解的性质得知,中性及弱不稳定大气中可以激发一种主要由地球旋转惯性决定的大幅度垂直速度振动,其周期大于(至少等于)地球在该纬度的惯性周期2π/f。这也许能说明文献[1]所发现的那种准周期性惯性对流的某些动力性质。在稳定层结流体中,地球旋转参数对流体重力振荡的频率影响不大,层结越稳定,越类似于单纯的重力振荡,只有在层结接近中性时,f对重力振荡的频率修正作用才明显起来。 最后给出不同纬度处不稳定层结大气中所能产生的惯性对流的最大临界尺度。     

考虑β随纬度变化下的Rossby孤立波与偶极子阻塞

利用文献[4]得到的推广的β平面近似式为f=f0+β0 y—（δ0/2）y2,研究由δ0项所引起的一类Rossby孤立波，而不考虑基流切变和地形等因子的作用。经过计算可以发现，当经向波数为1时，这种孤立波具有显著的南低北高的偶极子阻塞结构，它主要存在于弱西风气流中，并且偶极子的能量随着纬度的增高更容易集中(即高纬偶极子结构趋于局地化)，因而，β随纬度的变化可能是中高纬度地区偶极子阻塞产生的原因之一。     

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。     

大气中的包络Rossby孤立波——纬度效应的作用

本文进一步对旋转正压大气中的包络Rossby孤立波进行了研究，结果发现当Rossby波的波数m（m为纬向波数）满足1≤m≤2时，旋转正压大气中才存在包络Rossby孤立波，并且只有m＝2的包络Rossby孤立波才具有阻塞高压的结构。我们还对这种m＝２的包络Rossby孤立波随纬度变化的持续性进行了计算，得到了许多结果。     

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。     

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。     

稳定的和不稳定的斜压行星波

本文采用两层模式,初步地应用“时空同化”的自然观,引进空间不稳定性观点,把空间不稳定性和时间不稳定性结合起来,研究振幅随纬度变化的斜压行星波的存在范围和其稳定性;得出了稳定的和不稳定的斜压行星波及其空间不稳定判据,并对传统的斜压行星波不稳定理论和判据作出鉴定,重新提出了斜压行星波时间不稳定判据,并讨论其物理含义;还得出了高层和低层斜压行星波相互强迫振动的机制以及不同纬度间扰动振幅的关系。     

大气动力学的一些问题

大气动力学的基本问题,也是自然流体力学中的一些基本问题.大气运动是极其多种多样的.在时、空尺度上以及在形态和性质上都有很大差别.大体上说可以分为全球规模的和行星尺度的运动——即所谓大气环流、大尺度天气系统、涡旋、波动、对流以及边界层湍流.我们这里只讲关于前三者的一些问题. 一、大气环流和大尺度运动的动力学 1.在引力和旋转力场中流体运动的一般特点简言之,大气运动是由地球吸收太阳辐射能所推动的.然而它又是在地球重力场和旋转力场作用之下.     

模式大气对于大尺度地形动力强迫作用的线性响应

本文利用一个包含了Newton冷却Rayleigh摩擦以及▽~4水平扩散等耗散作用的定常、斜压、线性初始方程三维谱模式,研究了中、高纬度理想化的大尺度地形以及北半球实际地形的动力强迫作用对于行星尺度的大气定常波的影响。计算结果证实了简化的β平面正压理论的定性结论。地形动力强迫作用所导致的大气定常波具有相当正压的垂直结构,其对应的扰动流场在中、高纬地区旋转(无辐散)分量占据主导地位,而辐散(无旋)分量则主要集中在低纬区域。北半球实际地形所强迫的大尺度扰动,主要表现为纬向波数为2的行星波,其中青藏高原的贡献具有头等重要的意义,相对而言,落基山和恪陵兰高原的贡献则是第二位的。     

定常条件下感热和地形影响的Rossby波

通过在非绝热准地转线性模式中引入波动形式解,并确定适当的定解条件,用正交模方法求得了感热波的波动解。结果表明由于感热加热集中于近地层附近,其波动解具有与山脉波类似的波动垂直结构,波动等位相线随高度向西倾斜,波动能量向上传播。对NCEP/NCAR资料的分析验证了理论推导结果的合理性。大尺度大气定常波随纬度和季节有明显变化。热带地区定常波主要受潜热加热影响,副热带地区大气波动常表现为地形、潜热和感热加热的综合效应,而中纬度地区大气定常波则主要由地形和感热加热决定。     

以前1万年至未来3千年天文辐射时空分布的长期演变

大气上界太阳辐射又称为日射、完全透明大气的太阳辐射、入射太阳辐射、没有大气时的太阳辐射或天文辐射等等。本文均采用“天文辐射”一词。它较好地揭示了大气上界太阳辐射日变化、年变化与随纬度分布的原因实质(即地球自转角速度、赤纬、日地距离等天文参数的变化及地理纬度的分布)。而且,天文辐射在地质时代的长期演变也主要取决于地球轨道参数(黄赤交角、偏心率及岁差)的周期性变化。这主要是由于太阳系中的其他8个行星以及月亮等施加的引力所造成的。根据以上的分析可以认为,采用天文辐射一词是较为确切的。它从天体力学角度揭示了大气上界太阳辐射时(日变化、年变化、长年变化)空(地理纬度)变化的原因实质,相对于其他学术词汇而言,含有实质性的信息量。