瞬变波同纬向平均流相互作用研究进展

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1、瞬变波同纬向平均流相互作用研究进展 高守亭 ( 中国科学院大气物理研究所) 大 气中 波与流的 相互 作用 是大气动 力学 的!要课题之一。 R o s s b y ( 1 9 3 9 )首先讨论了 纬向平均流同驻波之间的关系，指出 在弱的纬向 平均流时期，半永久性阿留申 ( A l e u t i a n ) 低压趋于向西双移，反之亦然。 R o s s b y 和Wi l le t t ( 1 9 4 8 )又 研究了与波流作用有关的指数 循环。C h a m e y V D r a z i n ( 1 9 6 1 )等研究低层行星尺度的扰动向高层传括时，提出了非加 速原理。 E l i

2、a s s e n 和P l a m ( 1 9 6 1 )对波与流相互作用的研究作出了较突出的贡献，他们得 到可用于诊断分析的类波扰动对纬向平均流加速的E一 P 通盈。自 从引 人E一 P 通f后， 吸引 更多的 学者 关注 并从事波 与流相互作用的研究。 A n d re w ， 和M c I n t y r e ( 1 9 7 6 ) 首先推 广了E一 P通最，他们通过引进剩余环流分f而得到变形后的欧拉方程。A n d re w s 和 M c I n t y r e ( 1 9 7 8 ) 再次把E - P 通盆 关系 扩展到有限振幅的扰动，他们 使用了 广义的拉格 朗日 平均，得到了

3、有限振幅的非加速原理。总的说来， E- P通t关系被扩展成两种类别， 其一是适用于小振格的波动，但含有非守恒效应的广义E一 P 通盆关系;其二是适用于有 限振幅的E一 P通t关系。 一、行星尺度环流的E - P 通量与波一 流相互作用 E d mon 等 ( 1 9 8 0 ) 利用箭头展示了E - P通量的垂直剖面，这种剖面图是诊断E- P 通量辐合、辐散的直观方法。黄荣辉等 ( 1 9 8 3 )把E 一 P 通f推广到球面并用此研究行星 波上传的波导间题，Wu 等 ( 1 9 8 9 )又把E一 P 通量推广到湿大气。在A n d r e w s 等 ( 1 9 7 6 ) 推广的E 一

4、 P 通量中，主要适用于正压并含有扰动的位移项 ( ，不便于用资料直接诊断。 为此，高守亭等 ( 1 9 8 9 )进一步把E一 P通a关系推广到斜压大气中，并遵免扰动位移 ( 的出 现，可用常规观测资料直接进行诊断。 由于在压力坐标系中，广义E 一 P 通量中含有扰动位移项，不易直接用资料进行诊断。 为克服 这一 不足， A n d re w s ( 1 9 8 3 ) 又 把E H M ( E d m o n , H o s k in s a n d M c I n t y re , 1 9 8 0 )导 出的准地转近似下的E 一 P通量矢推广到等摘坐标系中有限振幅的E 一 P 通量矢。T

5、 u n g ( 1 9 8 6 )认为在压力坐标系中，由于平均非地转经向流 ( 南北向)的存在，给用E - P 通2 散度去诊断纬向平均流的加速带来困难， 但在等摘坐标中这个间题可以 避免。于是他给出 了等摘坐标系中非地转条件下的E - P 通f关系， 这个关系不限于小振幅、定常态和绝热 流。Y a n g 等 ( 1 9 9 0 )又 进行了 全球性的等摘坐标系中E 一 P 通量散度的研究。因此，8 0 年代对E - P 通I的研究进入了高潮，并且有的研究成果被直接应用到了业务中。 此外，Wh i t h a m ( 1 9 6 5 , 1 9 7 0 )通过运用变分原理首先给出了波作用方

6、程，接粉 H a y e s ( 1 9 7 0 )进一步发展了模态波作用守恒方程。陈 英仪等 ( 1 9 8 3 ) 利用WK E 方法导出 1 4 4 了级旋罗斯贝 波的广义波作用f所瀚足的方程。G r i m s h a w ( 1 9 8 4 ) 研究了层结切变流中 彼 作用和波与平 均流相互作用的关系。 Z 1e 等 ( 1 9 8 6 ) 对大尺度扰动的 演空和波与流的相 互作用做了在球面大气上的研究，他指出 在莱些条件下，由 于旋转适应，非纬向扰动可以 完全被纬向拢吸收，并指出非纬向能t的吸收依软于纬向急流的切交度和抚动的尺度。 二、波的临界层与波的吸收和破碎 书，.1.皿习1.

7、1色111、咬11亡、11|十别，j. 三、有限振幅波动与流相互作用 如年代以来， 波与流相互作用的 研究更进入了纵深的阶段， 这主要体砚在四个方面: 如 P f e f f e r ( 1 9 9 2 )研究了用艺一 P通t对 舞1c, #$f7E-Pif$1fkJilr3JIAille 33- fK39k 1r i1 , 7 1 11illiElf Iit rJt( MOW- L.eeW (1996) #JrJhlk), RE $ 7iCR il1?;IkJrUi Vanneeu (1998) 91-!P*R7idtfi+fI It 7i)is 1 ;fE S=TFB E Ei 1 ux

8、ti ic5L 1F!t, VKe-menkmichf (1994) Gao (1995) WATA-y7y,gifcciALhctUa fIfRTjfaunE!#!.#9hiAla.11tItffF4 关系 ( 徐祥称， 高守事。1 9 9 9 ) , l 筋 了!.r.Jltt.户去盈老了.，.县.结，.万竹1 二, ate甲 一一 ， 一门 盯翩呱盔口抓 % l ,! : . . 四、波一 流相互作用的天气学和诊断分析研究 除了从动力甚至 数值方面研究波与流相互作用外，不少气象学者也进行了天气学和诊 断分析方面的研究。L a u ( 1 9 7 9 ) 研究了冬季北半球瞬变扰动的结构和能

9、量学。他指出， 瞬变涡旋引 起的动量和热量的水平翰送对时间平均流的影响而言，热盘物送一般强于动量 抽送。S h u t t s ( 1 9 8 3 ) 指出，即使对阻高的研究，中 性涡旋能够通过雷诺应力 ( 即扰动相 关t) 增很阻高流型，有利于阻高的维持。丁一汇 ( 1 9 9 1 )指出，瞬变涡动的动A抽送与 拐度的祸动抽送有关，这种动量翰送能强迫平均的副热带急流北移。 五、中尺度的波一 流相互作用 尽管多年来关于波与流相互作用的研究广泛而深入，但主要集中在对大尺度系统方面 的研究。 近来人们发现波与流相互作用也与中尺度系统发生、发展有关系。G a o ( 1 9 9 1 ) 发展了一种研

10、究中尺度波与流相互作用的A一 B混合方程法，同时高守亭等 ( 1 9 9 1 )研究 了波能集中与低空饰生的关系。可见在中尺度系统的研究中，波与流相互作用也是重要 的。这是因为中尺度系统的发展，同 荃本流的垂直切变的大小有很大的关系，而基本流的 垂直切变增大又依核于波与流相互作用，所以中尺度系统的研究同波与流之间的相互作用 有紧密的联系。 另一个重要方面是大气本身为非均匀介质 ( 主要指大气层结和风速的分布不均匀) 。 这种不均匀造成扰动波的波数在空间中 变化，波数的改变又导致波包的群速度变化，从而 在某些区城 ( 比 如急流的出口 区) 造成波能的局地集中，在波能集中区，墓本流发生局地 改变

11、有可能导致强风基的发展。 总之，波与流相互作用的内容广泛而丰富，可以说涉及到大气动力学的各个方面，这 里只限于回 顾瞬变波同 纬向平均流相互作用的 研究 进展，至于瞬变波同时间平均流及经向 平均流的相互作用等间题的研究进展这里并未涉及。即使在瞬变波同纬向平均流相互作用 的研究方面也还存在着很多觅待解决的问题.如波与局地平均流的相互作用、 外源位置和 强度的变动所强迫的 瞬变波同墓本流作用时它们的位里和强度如何发生变化等。可见，有 一系列的问压尚有待于进一步的探索和研究。 .考文献 1 1 陈英仪、 集纪平， 1 9 8 3 , 旋R o m b y 波的波作用守恒和橄定性， 中国科学( B )

12、 , 7 , 6 6 3 - 6 7 2 2 】 丁一汇, 1 9 9 1 ， 高等夭气学， 气象出 版社. 3 3 - 6 6 3 1 高守$, 1 9 8 8 . 东互寒湘期间波与流相互作用的研究. 博士论文， 中国科学院大气物理研究所, 1 7 2 4 1 高守拳、 门 诗言、 丁一汇, 1 9 8 9 , 表征波与流相互作用的广义E 一 P 通1 t中国科学( 8 ) , 7 , 7 7 一 ， 8 4 5 1 高守岑、 自 诗言, 1 9 9 1 , 高空急流加速与低层 饰生， 大气科学, 1 5 , 1 1 - 2 1 6 1 黄荣辉， 1 9 8 3 ， 冬攀格陇兰高原对北半球定

13、常行垦波形成的作用. 大气科学， 7 , 3 9 3 一 4 0 2 7 1 黄荣辉、 岸保幼三郎, 1 9 8 3关子冬季北半球定常行星波传播另一波导的研究卜 中国科学( B ) , 1 0 , 9 4 0 - 9 5 1 8 1 徐祥每、 高守亭, 1 9 9 9 。 外源强迫与波流相互作用动力学原理， 海洋出版杜， 2 4 5 1 肠 f 9 A n d r e w s , D . G . a n d M c I n t y r e , M. E . , 1 9 7 6 , P la n e t a r y w a v e s i n h o r iz on t a l a n d v

14、e r ti c a l 曲 .: t h e g e n e r a l - ic e d E li m1 - P a l 口r e l a t i on a n d t h e r u m e n a o o e l 肚 d a a i a n, J . A mp s . S . . 3 3 , 2 0 3 1 一 2 0 4 8 1 0 1 A n d r e w s , D . G . , 1 9 8 3 , A f i n i t e - a m p l i t u d e F J i a s s e n - P a l m t h eo r e r u i n ise n t r

15、o p i c c o o r d i n s t m J . A t + a o r . S c i . ,们，1 8 7 ， 一1 8 8 3 川 A n d r e w s , D . G . a n d M c I n t y r e , M . E . , 1 9 7 8 , A n t h e or y o f n o n l i n e a r w a v e s o n a J s a t a n g i a o- t ur a n 伪. ， J . Ra i d M - k . , 8 9 , 6 0 9 一 6 4 6 1 2 1 C h a r n e y , I . G . a n d D r a z in , P . G， 1 9 6 1 , P m t fo n o f pl a n e ta ry - s ca l e d is t u r b a n c e a .f m m t h e la w e r i n t o t h e u p p e r a t m o s p h e r e , J . Go p A 3 s . R .二6 6 , 8 3 一1 0 9 1 3 1 D ic ki n s o n , R . E， 1 9 6 9 , T h e o ry o f p la n e