地球流体惯性重力内波的波作用量与稳定性

本文首先导出了地球流体中惯性重力内波的波能密度和波作用量;然后,用WKB方法和多尺度方法建立了波作用量方程,并讨论了惯性重力内波的稳定性;最后,定义惯性重力内波的广义波作用量,并在非均匀介质中论证了它的守恒性.     

地形对重力惯性波传播与发展的影响

本文用ＷＫＫＢＪ方法研究了地形对重力惯性波传播与发展的影响，得到了地形影响下重力惯性波的波作用量守恒方程。结果表明：重力惯性波能量有向地形较高的区域传播的趋势，并且波包振幅上坡时加大，下坡时减小。     

非均匀层结大气中的重力惯性波及其激发对流的物理机制

本文用WKBJ方法求解Boussinesq近似下的重力波方程,导出非均匀层结大气中重力惯性内波的一个守恒波作用量(称为广义波作用量)。根据广义波作用量守恒原理,着重讨论了重力惯性内波在发展过程中尺度变化的规律;在适当的条件下,重力波随着其尺度的变化而可能崩溃(或破碎),从而激发对流的发展。      

低空急流和非均匀层结条件下重力惯性波的传播与发展

本文从基流背景下线性化Boussinesq方程组出发,采用WKBJ方法,首先求得重力惯性波的广义波作用量变化方程及波参数随波包的变化方程,讨论了基流切变对重力惯性波传播和发展的影响;然后用Runge-Kutta方法讨论了不同层结(含降水影响)下重力惯性波的传播路径。得到了降水强度大、静力稳定度小的区域对重力惯性波有“吸引”作用,因而引起重力惯性波能量的集中,进而触发和强化对流天气的结论。      

切变基流对赤道大气波动稳定性的作用

在赤道β平面近似条件下，使用纬向切变基流下线性化Boussinesq方程组，分析了在纬向切变基流下几种赤道大气波动的稳定性特征。研究结果表明，基本气流的水平切变对赤道大气波动起到不稳定的作用，但是对赤道大气Kelvin波的频率、稳定性以及传播的相速度并不起作用。基本气流的水平切变使得相对于基本气流向东传播的重力惯性内波相速度减慢，而使得相对于基本气流向西传播的重力惯性内波的相速度加快，却造成相对于基本气流向西传播的Rossby波相速度减慢。基本气流的水平切变对于对赤道混合Rossby-重力惯性内波的影响主要取决于纬向波数k值的范围大小。当纬向波数k值较小时，基流的水平切变使得相对于基本气流向西传播的混合Rossby-重力惯性内波相速度加快；而当纬向波数k值较大时，则使得相对于基本气流向西传播的混合Rossby-重力惯性内波相速度减慢。在半地转近似下，风速水平切变的存在，会使得波长较大（纬向波数k→0）的赤道Rossby波相对于基本气流向西传播的相速度减慢；而风速垂直切变的存在，必然会引起这种波长较大（k→0）的Rossby波出现不稳定增长，同样也会造成赤道Rossby波相对于基本气流向西传播的相速度减慢。最后通过扰动发展能量方程，说明了基本气流的水平切变和垂直切变可以为扰动的发展提供能量来源。     

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。     

风速垂直切变下非均匀层结大气中重力惯性内波的稳定性

本文应用WKB方法研究了在弱非均匀层结大气中,当基本气流具有弱垂直切变时,重力惯性内波的稳定性问题.由导得的波能量方程出发,分析了风速垂直切变及非均匀大气层结对重力惯性内波波能变化率的影响.     

对流边界层中过山气流的数值模拟

采用ARPS4.0非静力中尺度气象模式模拟了对流边界层中气流过山引起的地形波,讨论了地形及大气条件改变对其的影响.模拟表明,当大气边界层是对流边界层时,气流过山引起的地形强迫,仍能在上部稳定层结中造成足够的垂直扰动,产生向上传播的重力内波,重力内波引起的波动阻力仍不可忽略.     

大气中的惯性重力内波作用密度守恒性

陈英仪等将大气中的波作用密度与稳定度问题联系在一起,阐述了 Rossby 波的稳定度和一些参数的关系,从而说明了波作用密度研究的重要性。本文采用 WK B 方法导出大气中惯性重力内波的波作用密度守恒。     

三维层结大气随高度变化基流的不稳定性及半椭圆定理

本文应用Ｈｏｗａｒｄ（１９６１）所用的精巧积分方法研究了三维非静力平衡层结大气随高度变化基流上重力内波的不稳定性质。给出了不稳定产生的必要条件和相速度在相速复平面上的分布规律；发展了Ｍｉｌｅｓ定理和Ｈｏｗａｒｄ半圆定理；得到了有限深度气层的半椭圆定理。并指出在随高度变化的基流中，重力内波的不稳定范围与基流的垂向结构及波传播方向有关；半椭圆的位置和长轴分别重合于Ｈｏｗａｒｄ半圆的位置和直径，而短轴则依赖于与Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ数相关的参数Ｊ０，Ｒ０和波数｜ｋ｜及流场厚度参数ｋ０     

INFLUENCES OF NONUNIFORM STRATIFICATION ON WAVE RAYS OF INTERNAL GRAVITY WAVE*

In this paper the influences of nonuniform stratification on the propagating paths of internal inertial-gravity and pure gravity wave energy are discussed by using the WKB approximation method.The conditions for conservation of wave energy,generalized wave action and wave enstrophy are obtained.The necessary condition of instability for internal gravity waves and the equation governing the refraction of wave rays are derived.Two types of critical levels are given.Finally,the wave rays for different distributions of stratification are calculated by using the fourth-order Runge-Kutta method.     

INFLUENCES OF NONUNIFORM STRATIFICATION ON WAVE RAYS OF INTERNAL GRAVITY WAVE

In this paper the influences of nonuniform stratification on the propagating paths of internal inertial-gravity andpure gravity wave energy are discussed by using the WKB approximation method.The conditions for conservation ofwave energy,generalized wave action and wave enstrophy are obtained.The necessary condition of instability for inter-nal gravity waves and the equation governing the refraction of wave rays are derived.Two types of critical levels are giv-en.Finally,the wave rays for different distributions of stratification are calculated by using the fourth-orderRunge-Kutta method.     

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。     

两次冷涌过程的分析

本文利用两次船舶航行实测资料及部分常规观测资料研究了两次冷涌过程的时—空结构。除进一步证实了冷涌具有重力波特征的论点外,还得出了几点初步结论:(1)这两次过程前缘的传擂速度为20—2米秒-1,很接近重力内波波速的动力气象理论值;(2)某海区冷涌到达之前的大气层结决定了冷涌是否具有重力波特征:(3)以重力波传播的冷涌比平流移动的更有效地把能量传至低纬洋面。      

三维静力适应过程中声重力波的特性和能量转换研究

为了研究三维静力适应过程的机理,推导三维静力适应方程组并导出声重力波的频散特征、解析解和能量转换关系以及位涡方程。结果表明,三维静力适应过程实际上就是三维声重力波和重力内波的频散过程,声重力波和重力内波的频率在水平方向上可以区分开来。声重力波的频率随着水平波数和垂直波数的增大而增大。取近轴近似,其解析解在空间上呈螺旋曲面,为大气中热通量和动量从一个区域向另一个区域的输送提供了一种机制,从而为研究大气提供了新的视角。垂直速度在动能与有效势能的转换、有效势能与有效弹性势能的转换中发挥着重要的作用,并且只发生在垂直方向上。在静力适应过程中总能量和位涡是守恒的。适应终态中有效势能比有效弹性势能大一个数量级。      

DEVELOPMENT OF INTERNAL INERTIAL GRAVITY WAVES IN THE ATMOSPHERE WITH HETEROGENEOUS STRATIFICATION

In this paper,by the WKB method the relation between the energy increase of internal inertial gravity waves andheterogeneous atmospheric stratification is derived,and a new generalized wave action is defined and its conservation isproved.     

非均匀大气层结中大气惯性重力波的发展

本文用WKB近似方法导出了非静力平衡下惯性重力波的能量增长与大气层结在时间和空间上不均匀性的关系,并定义了一种新的重力惯性波的广义波作用量。     

大气非线性波动方程的解

本文从非线性大气运动方程出发,用比较简洁的方法,求得了大气非线性惯性波、非线性重力内波和非线性Rossby波的周期解,这些解反映了非线性大气波动的特色。分析指出:对有限振幅的惯性波和重力内波,振幅大的波传播越快,而有限振福的非线性Rossby波,振幅大、波长长的波传播越慢;本文还分析了这些解的某些可能的实际意义。 这些非线性波的研究提供了解非线性方程的新的途径,而且,它可以与大家熟悉的线性波动进行比较。对于天气预报和大气湍流的研究都有一定的意义。     

Energy- and Flux-Budget Turbulence Closure Model for Stably Stratified Flows. Part II: The Role of Internal Gravity Waves

We advance our prior energy- and flux-budget (EFB) turbulence closure model for stably stratified atmospheric flow and extend it to account for an additional vertical flux of momentum and additional productions of turbulent kinetic energy (TKE), turbulent potential energy (TPE) and turbulent flux of potential temperature due to large-scale internal gravity waves (IGW). For the stationary, homogeneous regime, the first version of the EFB model disregarding large-scale IGW yielded universal dependencies of the flux Richardson number, turbulent Prandtl number, energy ratios, and normalised vertical fluxes of momentum and heat on the gradient Richardson number, Ri. Due to the large-scale IGW, these dependencies lose their universality. The maximal value of the flux Richardson number (universal constant ≈0.2–0.25 in the no-IGW regime) becomes strongly variable. In the vertically homogeneous stratification, it increases with increasing wave energy and can even exceed 1. For heterogeneous stratification, when internal gravity waves propagate towards stronger stratification, the maximal flux Richardson number decreases with increasing wave energy, reaches zero and then becomes negative. In other words, the vertical flux of potential temperature becomes counter-gradient. Internal gravity waves also reduce the anisotropy of turbulence: in contrast to the mean wind shear, which generates only horizontal TKE, internal gravity waves generate both horizontal and vertical TKE. Internal gravity waves also increase the share of TPE in the turbulent total energy (TTE = TKE + TPE). A well-known effect of internal gravity waves is their direct contribution to the vertical transport of momentum. Depending on the direction (downward or upward), internal gravity waves either strengthen or weaken the total vertical flux of momentum. Predictions from the proposed model are consistent with available data from atmospheric and laboratory experiments, direct numerical simulations and large-eddy simulations.