重力惯性波的螺旋结构

本文在简化条件下分析了绕心涡漩系统中重力惯性波螺旋结构形成的物理条件,主要结果是:(1)非静力平衡的对流性扰动比准静力平衡重力惯性波易于形成螺旋结构。(2)层结越不稳定,绝对和相对角速度越小,越有利于螺旋结构的形成。(3)水平不均匀的层结分布按如下方式起作用:不稳定的大气核区附近易生成螺旋波,而稳定的大气核区不利于绕心螺旋波的形成。(4)仅在离涡漩中心一定距离处才能生成螺旋波,距离越远,容许的臂数越多,这或许能解释卫星及雷达照片上看到的某些事实。(5)旋臂具有多种多样的型式,在较严的限制下得到对数螺旋,更一般的条件下得到阿基米德螺旋。     

影响惯性重力波活动规律的动力学因子研究

通过探测发现大气重力波有明显的活动规律:重力波强度在冬、春季强于夏、秋季,在5月和10月发生急剧减弱和加强的转变,无天气过程时晚上比白天强,尤其短周期的重力波,周期为40~80min的重力波平均强度最强,其他较弱。在斜压大气和考虑积云对流加热条件下,运用积云对流参数化、Taylor公式展开等方法,推导出惯性重力波的非线性KdV方程,求出其孤立波解,以此解释以上得出的大气重力波的活动规律:惯性重力波强度随风速垂直切变增大而增大,急流是最重要的惯性重力波波源,是重力波强度在冬、春季强于夏、秋季的主要原因,亚洲急流在5月和10月的北跃和南落,是重力波强度发生急剧变化的原因,急流下方是激发惯性重力波最强的地方。一般情况下,惯性重力波强度随着大气背景流场绝对涡度增大而增大,正涡度对惯性重力波起激发和增强的作用。当惯性重力波向下传播时,波的强度随层结稳定度(N2)增大而增大,由于太阳辐射的作用白天大气层结稳定度比晚上小,这解释了在无天气过程时晚上重力波强度强于白天的原因。惯性重力波强度和波的频率成正比,这解释了周期为40~80 min比周期为140~160 min的重力波强的原因。重力波强度还与非线性积云对流参数常数b及科氏力参数f成正比。     

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。     

对流和加热对重力惯性波的激发

用线性模型讨论了对流和加热对重力惯性波的激发，分别讨论了初始垂直速度扰动和初始位温扰动及大气内部加热在静态层结大气中激发的重力惯性波，及重力惯性波过程引起的大气温压场的变化。得到的结果可以帮助理解中小尺度系统的发生发展、对流过程与环境大气的相互作用。     

对流和加热对重力惯性波的激发

用线性模型讨论了对流和加热对重力惯性波的激发，分别讨论了初始垂直速度扰动和初始位温扰动及大气内部加热在静态层结大气中激发的重力惯性波，及重力惯性波过程引起的大气温压场的变化。得到的结果可以帮助理解中小尺度系统的发生发展，对流过程与环境大气的相互作用。     

中性和不稳定层结大气的孤立行波精确解

通过研究二维准动量无辐散、无摩擦层结大气非线性方程组的行波解问题证明，非线性行波解的本质属性是由参数ｂ的符号性质决定的。当ｂ＞０时，为周期解，其周期与相应的线性周期解的周期相等；当ｂ≤０时，为孤立波解。给出了一般行波解的解析表达式。并细致地研究了中性和不稳定层结大气中的孤立行波的特征，发现中性和不稳定层结大气中存在具有类似于飑线结构特征的孤立波。指出了中性和不稳定层结大气中的一般孤立行波物理量的分布特征。     

旋转地球大气中的非线性惯性重力内波

一、引言刘式达等利用非线性常微分方程中关于平衡点和相图分析的慨念,在力学的平衡点附近,设计了将非线性项作Taylor展开的方法,求得旋转地球大气中的非线性惯性波、重力波及Rossby波的椭圆余弦波解和弧立波解。本文将进一步地对旋转地球大气电的非线性惯性重力内波求解。     

重力惯性波及其不稳定——急流附近飞机颠簸产生的可能机制

基于不可压缩流体运动方程组研究了急流附近重力惯性波及其不稳定,结合飞机风速变化方程,分析指出重力波失稳破碎为湍流是飞机颠簸产生的可能机制。斜压大气在急流轴北侧气旋切变区是惯性稳定的,当满足条件σ=f[f-/y] N2m2/n2<0时,由于天气尺度对流不稳定发展而引起重力惯性波不稳定破碎为湍流,可能是急流北侧气旋切变区对流性天气引起飞机颠簸产生的一种机制。但是在急流轴南侧反气旋切变区是惯性不稳定的,当满足条件σ=f[f-/y] N2m2/n2<0时,可能由于惯性不稳定的作用,急流重力波不稳定发展破碎为湍流,可能是急流南侧反气旋气流中晴空湍流和飞机颠簸产生和发展的一种机制。揭示了急流附近晴空湍流和飞机颠簸产生的物理本质,有利于增强航空飞行颠簸的预测能力。     

与水平风切变强度不均匀相联系的CISK惯性重力波

在虚拟高度坐标系中, 用一个简单的线性模式初步研究了水平风切变强度不均匀分布对长江流域梅雨锋附近贯穿整个对流层的深厚惯性重力波发生发展的影响。结果表明:水平风切变强度不均匀对CISK惯性重力波不稳定有重要作用。在一般干的层结大气中, 实际可能出现再强的水平风切变的影响也难以使惯性重力波变得不稳定; 只有在积云对流潜热参与, 原为弱稳定条件下, 水平风切变强度不均匀能促使低空急流北侧不稳定扰动的发生发展。而水平风切变强度不均匀对不稳定贡献最大的区域是梅雨锋南侧的急流轴附近。     

层结切变流体非线性惯性重力内波的稳定性

本文从层结切变流体的非线性惯性重力内波的方程组出发,设解为行波的形式并将非线性项在平衡点附近作Taylor展开,导得了两个变量的一阶自治动力系统的常微分方程组。应用常微分方程的稳定性理论,讨论了惯性重力内波的稳定性。分析指出:在考虑了速度垂直切变和非线性作用后,惯性重力内波的稳定性发生了变化,当LL_0时是稳定的结论只是在时才是正确的,当时,L_0~2<0和L>L_0成为不稳定的条件。 本文还讨论了某些条件下非线性惯性重力内波的解析解。