简单热带海气耦合模式中的耦合波及其不稳定性（I）

本文建立了一个简单的热带海气耦合模式，模式大气和海洋中包含了Kelvin波和长Rossby波。在赤道β平面近似下，讨论了取耦合系统中最大径向模时，即大气和海洋中只存在Kelvin波时耦合波的性质。结果指出，向东传的耦合Kelvin波可以出现不稳定性，并且由于海气相互作用，在长波部分可以产生向西传的耦合Kelvin波。 耦合Kelvin波的性质与模式中所选用的参数有很大关系，当大气与海洋中自由波的频率相差很大时，耦合波的性质与没有海气相互作用时自由波的性质非常接近；只有当大气与海洋中自由波的频率相差不太大时     

一个简单的准地转海气耦合模式

文章采用准地转带耗散因子的大气和海洋的动量、热力学方程,建立了一个简单的描写大尺度运动的准地转海气耦台浅水模式,分别在中高纬和低纬地区讨论了海气的耦合效应,分析了耦合低频模(海洋模)的振荡周期随耦合频率和经向波数的变化转征,并由此而说明低频振荡与海气相互作用有关。然后从海洋和大气的频散曲线中揭示出耦合强度对Rossby波传播的影响,还从缓变波列的观点,讨论了两种模之间的转换机制。 结果表明:Newton冷却Rayleigh摩擦对海洋Rossby波起稳定作用。随着耦合频率的增加,耦合低频模的周期也相应增加;经向波数越大,这种增加就越迅速。当耦合频率趋近于临界值时,海洋Rossby波趋于静止。当海气耦合强度增加到一定程度时,海洋Rossby波的传播方向变成与原来相反。通过海气相互作用,海洋Rossby波的一部分将转换成大气Rossby波,本文求解了其能量转换系数。      

简单的热海气耦合波──Kelvin波和Rossby波的综合作用

在本文中，考虑到对于研究ＥＮＳＯ事件中的某些现象，人们更感兴趣的是大尺度低频运动的物理性质。为此，本文中引进长波低频近似，这时纬圈运动基本上满足地转平衡。分析表明，对赤道偶对称运动，当经圈结构函数（抛物线柱函数）取ｎ＝０，２时，海气耦合系统中的自由波分别为大气和海洋中的Ｋｅｌｖｉｎ波和Ｒｏｓｓｂｙ波。它们经相互作用后，可以激发出不稳定的海气耦合波。根据海气相互作用强度（αγ）和ε（＝ｃｓ／ｃａ。ｃｓ，ｃａ分别为海洋和大气中的重力波波速）的大小，可以把不稳定区分成三个部分。在ε＜０．１６的强海气相互作用区，不稳定的耦合波，在短波波段是向东传播的，在长波波段则转为向西传播。在ε＞０．１６的弱海气相互作用区中，在长波波段的不稳定耦合波是向东传播的。另外，在ε＞０．１６的强相互作用区中，不稳定耦合波的物理性质较为特殊。在短波波段存在一支向东传播的不稳定波，但由于增长率太大，可以预测波将很快破碎而变成大尺度湍流运动。在长波波段虽然也存在一支频率很高的不稳定波，但其物理性质很难从自由模的比较中追踪出来。文中对由大气和海洋Ｒｏｓｓｂｙ波经相互作用后的对赤道奇对称耦合波也作了讨论。     

不稳定热带海气相互作用中快波的过滤

Ｐｈｉｌａｎｄｅｒ［１］明确指出在热带海气耦合系统中能够存在不稳定的海气相互作用。Ｐｈｉｌａｎｄｅｒ等［２］的数值计算表明，由于海气相互作用，不稳定扰动可以向东传播。Ｙａｍａｇａｔａ［３］和Ｈｉｒｓｔ［４］从理论上也证明了海气之间存在着正反馈过程。巢纪平和张人禾［５］运用一个流场和压力场的高阶平衡近似，即在热带大气和海洋中只存在向西传播的赤道Ｒｏｓｓｂｙ波时，得出了两种介质中向西传播的赤道Ｒｏｓｓｂｙ波通过海气相互作用过程，可以产生向西传的不稳定波。并且在一定条件下，还可出现一类不属于Ｋｅｌｖｉｎ波的向东传的不稳定波，这些结果对解释ＥＮＳＯ事件的传播过程是值得参考的。     

简单热带海气耦合模式中的耦合波及其不稳定性（II）

为了分析热带海气耦合系统中不稳定扰动究竟由哪种自由波占主导地位，根据本文第I部分提出的热带海气耦合模式，讨论了取耦合系统中不同的径向模时耦合波的性质，即分别讨论了大气长Rossby波和海洋长Rossby波、大气Kelvin波和海洋长Rossby波、大气长Rossby波和海洋Kelvin波的耦合波以及考虑了大气和海洋中所有这些波动时耦合波的性质。结果指出，这些耦合波对海气耦合模式中参数的取值很敏感，不同的参数可以产生性质不同的耦合波。本文的结果也说明了海气耦合系统的性质与热带大气的性质和结构有很大关系。     

对热带不稳定海气相互作用模式的改进

对以前提出的热带海气相互作用模式［１］风应力的参数化作了改进。和以前一样，在这个耦合模式中，滤去了大气和海洋中的重力惯性波，只保留了向西传播的Ｒｏｓｓｂｙ波。但经过海气相互作用后，理论分析指出，在耦合模式中存在着快的和慢的两类波动。快波频率的实部、即其相速度是向西传的，并接近于未经海气相互作用时大气中Ｒｏｓｓｂｙ波的频率；而慢波的性质和以前的结果类似，短波部分是向西传的，长波部分向东传，东传波的临界波数随海气相互作用增强向短波部分位移。与以前结果不同的是，除一个慢波不稳定增长外，另一个快波在长波部分也是不稳定增长的。海气相互作用越强，不稳定增长率和不稳定波所出现的波段范围越大。另外，本文的研究结果还指出，高频和低频不稳定波产生的物理条件是不一样的。     

东亚夏季对流云顶黑体辐射温度的频率分布及其日变化

利用简单海气耦合模式，分析了经向风应力和纬向风应力对热带太平洋不稳定海气耦合模态的相对贡献。结果表明：在局地热力平衡假设下，海气相互作用导致了海洋Kelvin波的不稳定，该不稳定模态发生在一定波长范围内，只有纬向风应力对其作出贡献；在海温仅由平流过程决定的假设下，海气相互作用导致了海洋Rossby波的不稳定，该不稳定模态在整个波长范围内都有发生，波长越大，不稳定越强，经向风应力与纬向风应力都可以对海洋Rossby波的不稳定作出贡献，但是前者贡献较小；不稳定Rossby波比不稳定Kelvin波的增长率要小；由于无论哪一种不稳定模态，都是纬向风应力在海气耦合中起着绝对的主导作用，所以在研究热带太平洋海气耦合动力学对ENS0不稳定发展的贡献时，采用忽略经向风应力作用的近似是合理可行的。     

简单的热带海气耦合波——Rossby和Kelvin波的相互作用

本文分析了当大气和海洋中未经耦合前的自由波分别为Kelvin波和Rossby波,经相互作用后所产生的耦合波的性质。结果表明,不管大气的自由波为Kelvin波或Rossby波,而海洋的自由波为Rossby波或Kelvin波,经相互作用后的耦合波可以分成两类。一类耦合波的色散关系接近自由的Kelvin波;另一类则由不同经圈模的Rossby波经相互作用后的耦合波。这两类波都具有不稳定性。文中讨论了耦合波的传播和不稳定的物理机制,并指出这类不稳定的热带耦合波,对研究ENSO事件中的某些现象有一定的参考意义。     

简单热带海气耦合模式中的耦合波及其不稳定性（Ⅰ）

西文建立了一处简单的热带海气耦合模式，模式大气和海洋中含了Ｋｅｌｉｖｎ波和长Ｒｏｓｓｂｙ波。在赤道β平面近似下，讨论了取耦合系统中最大径向模时，即大气和海洋中只存在Ｋｅｌｉｎ波时耦合波的性质。结果指出，向东传的耦合Ｋｅｌｖｉｎ波可以出现不稳定性，并且由于海气相互作用，在长波部分可以产生向西传的耦合Ｋｅｌｖｉｎ波。耦合Ｋｅｌｖｉｎ波的性质与模式中所选用的参数有很大关系，当大气与海洋中自由波的频率相差     

海气相互作用与年代际气候振荡可能机制初探

从简单海气相互作用方程组出发，引进新的海洋对大气加热函数，得到简单海气相互作用方程组的解析解。解析解表明，海气相互作用可以产生不稳定耦合波，这种波的不稳定程度随海气相互作用系数和深海对海洋混合层的影响而不同，并且e-折时间尺度随海气相互作用系数出现极小值，这个极小值点对应的周期是最不稳定海气耦合波的周期；海气相互作用产生的最不稳定海气耦合波的周期在中纬度地区是18a，在低纬度是3．5a，在高纬度是35a，它可能是海气系统年代际振荡的机制之一。     

THE AIR-SEA INTERACTION WAVES IN THE TROPICS AND THEIR INSTABILITIES

By using a simple air-sea coupled model,the interaction of Rossby waves between the air and sea inthe tropics is discussed.It is shown that the coupling of Rossby waves in the two media produces notonly the westward propagating waves,but also a type of new wave which moves eastward.The eastwardpropagating waves exist in the scope of comparatively long wavelengths and this scope is governed bythe intensity of the air-sea interaction.In addition,instability may appear in both the eastward and west-ward propagating waves,and the wave amplifying rates are also governed by the intensity of the air-seainteraction.In the end,a possible explanation to ENSO events is given in terms of the air-sea interactionwaves.     

NUMERICAL EXPERIMENTS ON THE TROPICAL AIR-SEA INTERACTION WAVES

By means of the numerical method,the tropical air-sea interaction waves are studied.The results show that whenthe Kelvin waves are filtered out and only the equatorial Rossby waves are reserved both in the atmosphere and in theocean,the disturbances can also propagate eastward because of the air-sea interaction.The critical wavelength of theeastward propagating waves is related to the intensity of the air-sea interaction.The stronger the air-sea interaction,thelarger the eastward propagating components of the air-sea interaction waves.The results of the numerical experimentsare in good agreement with those of the theoretical analysis(Chao and Zhang,1988).     

Unstable tropical air-sea interaction waves and their physical mechanisms

In this paper, the tropical air-sea interaction is discussed by using a simple air-sea coupled model, in which the inertia-gravity waves are filtered off and only the equatorial Rossby waves are reserved in both the atmosphere and the ocean. There exist two kinds of air-sea interaction waves in the coupled model, that is, the high-frequency fast waves and the low-frequency slow waves. The phase speed of the fast waves is westward and the frequencies are close to those of the equatorial Rossby waves in the atmosphere. The slow waves propagate westward in the part of short wavelengths and eastward in that of long wavelengths. There exist instabilities for both the westward and eastward propagating slow waves. If the fast waves are filtered off, there is little effect on the slow waves which have great in-fluence on the long range process in the tropical air-sea coupled system. According to the tropical air-sea interaction waves we obtain here, a possible explanation to the propagating process of ENSO events is given.     

STUDY OF CHARACTERISTIC MODES IN SIMPLE TROPICAL COUPLED AIR-SEA MODEL

The propagation features, stabilities and dynamical characteristic structures of coupled Kelvin inner modes andsecond order Rossby inner modes are studied using a simple tropical coupled air-sea model in this paper. It is shownthat there is mechanism of selecting scale and frequency in the tropical air-sea system. The effects of air-sea couplingare mainly on the large-scale modes and nonuniform. These effects make the frequency of Kelvin modes decrease andeven excite the eastward propagating Rossby inner modes. These effects make the unstable development of Kelvinmodes and result in the decay of Rossby modes. The effects of atmospheric damp are opposite to those of air-sea coup-ling. The oceanic damp only make the wave amplitudes decay. Simutaneously, this paper shows the dynamical character-istic structures of air-sea coupled system and the phase relations between the atmospheric and the oceanic wave compo-nent.     

El Nio事件发生和消亡中热带太平洋纬向风应力的动力作用 Ⅱ.模式结果分析

为了分析 ＥＩ Ｎｉｏ事件发生和消亡中热带太平洋纬向风应力的动力作用，建立一个类似于Ｚｅｂｉａｋ的简单热带海洋数值模式，在观测到的风应力异常的强迫下，模拟赤道太平洋地区 １９７１年１月至 １９９８年８月海表温度异常的变化。结果表明，模式对观测的Ｎｉｏ３区海表温度异常（ＳＳＴＡ）有很好的模拟能力。模拟和观测Ｎｉ区ＳＳＴＡ之间的相关系数可达 ０．９０。模式对 Ｅｌ Ｎｉｏ事件期间赤道太平洋海表温度异常随时间变化也有较好的模拟能力。为了分析Ｅｌ Ｎｉｏ期间ＳＳＴＡ的空间分布及其随时间变化的动力学机制，还对１９８６～１９８９年 ＥＮＳＯ循环期间赤道太平洋地区观测的 ＳＳＴＡ的传播特征及其形成机制进行了分析。模式较好地模拟出了观测到的赤道太平洋地区ＳＳＴＡ的传播特征，即从１９８６年底至１９８７年 ４月， ＳＳＴＡ具有向东传播的特征，从 １９８７年 ６月至 １９８８年 ２月具有向西传播的特征。动力学分析的结果表明，赤道中西太平洋地区的缔向风应力异常对 Ｅｌ Ｎｉｏ事件的发生和消亡具有重要作用。赤道中西太平洋地区的西风异常可强迫出东传的Ｋｅｌｖｉｎ波，这个东传的 Ｋｅｌｖｉｎ波对正 ＳＳＴＡ的东传起主要作用，当这个东传的 Ｋｅｌｖ     

El Nino事件发生和消亡中热带太平洋纬向风应力的动力作用 II.模式结果分析

为了分析ElNio事件发生和消亡中热带太平洋纬向风应力的动力作用，建立一个类似于Zebiak的简单热带海洋数值模式，在观测到的风应力异常的强迫下，模拟赤道太平洋地区1971年1月至1998年8月海表温度异常的变化。结果表明，模式对观测的Nio3区海表温度异常(SSTA)有很好的模拟能力。模拟和观测Nio3区SSTA之间的相关系数可达0.90。模式对ElNio事件期间赤道太平洋海表温度异常随时间变化也有较好的模拟能力。为了分析ElNio期间SSTA的空间分布及其随时间变化的动力学机制，还对19861989年ENSO循环期间赤道太平洋地区观测的SSTA的传播特征及其形成机制进行了分析。模式较好地模拟出了观测到的赤道太平洋地区SSTA的传播特征，即从1986年底至1987年4月，SSTA具有向东传播的特征，从1987年6月至1988年2月具有向西传播的特征。动力学分析的结果表明，赤道中西太平洋地区的纬向风应力异常对ElNio事件的发生和消亡具有重要作用。赤道中西太平洋地区的西风异常可强迫出东传的Kelvin波，这个东传的Kelvin波对正SSTA的东传起主要作用，当这个东传的Kelvin波到达东边界，由于东边界的反射作用，在东边界产生西传的Rossby波，这个西传的Rossby波对赤道中东太平洋地区正SSTA的西传起主要作用。东传Kelvin波和反射的Rossby波对ElNio期间赤道东太平洋正SSTA二次峰值的形成具有重要作用。     

夏季东亚高空副热带西风急流季节内异常的环流特征及前兆信号

位于东亚中纬度上空的东亚高空副热带西风急流是东亚季风环流系统中的重要成员,我国夏季降水雨带的季节内变化受东亚高空副热带西风急流位置季节内异常变化影响。根据1979~2008年中国降水资料、NCEP/NCAR再分析资料以及NOAA ERSST V3月平均海表温度资料,利用统计分析和物理量诊断方法对夏季东亚高空副热带西风急流位置季节内异常的东亚大气环流特征及外强迫信号的物理过程进行了探讨。研究指出:6月东亚高空副热带西风急流位置异常主要受欧亚大陆中高纬东传的Rossby波列位相变化影响,春季北大西洋海温异常是欧亚大陆中高纬度Rossby波列位相变化的最显著的外强迫信号;7月东亚高空副热带西风急流位置异常主要受西太平洋热带向副热带传播的Rossby波列位相变化影响,春季西太平洋热带海温异常是西太平洋热带向副热带传播的Rossby波列位相变化的最显著的外强迫信号;8月东亚高空副热带西风急流位置异常主要受南亚大陆向东亚大陆热带、副热带传播的Rossby波列位相变化影响,春季印度洋海温异常是南亚大陆向东亚大陆热带、副热带传播的Rossby波列位相变化的最显著的外强迫信号。     

Midlatitude unstable air-sea interaction with atmospheric transient eddy dynamical forcing in an analytical coupled model

While recent observational studies have shown the critical role of atmospheric transient eddy (TE) activities in midlatitude unstable air-sea interaction, there is still a lack of a theoretical framework characterizing such an interaction. In this study, an analytical coupled air-sea model with inclusion of the TE dynamical forcing is developed to investigate the role of such a forcing in midlatitude unstable air-sea interaction. In this model, the atmosphere is governed by a barotropic quasi-geostrophic potential vorticity equation forced by surface diabatic heating and TE vorticity forcing. The ocean is governed by a baroclinic Rossby wave equation driven by wind stress. Sea surface temperature (SST) is determined by mixing layer physics. Based on detailed observational analyses, a parameterized linear relationship between TE vorticity forcing and meridional second-order derivative of SST is proposed to close the equations. Analytical solutions of the coupled model show that the midlatitude air-sea interaction with atmospheric TE dynamical forcing can destabilize the oceanic Rossby wave within a wide range of wavelengths. For the most unstable growing mode, characteristic atmospheric streamfunction anomalies are nearly in phase with their oceanic counterparts and both have a northeastward phase shift relative to SST anomalies, as the observed. Although both surface diabatic heating and TE vorticity forcing can lead to unstable air-sea interaction, the latter has a dominant contribution to the unstable growth. Sensitivity analyses further show that the growth rate of the unstable coupled mode is also influenced by the background zonal wind and the air–sea coupling strength. Such an unstable air-sea interaction provides a key positive feedback mechanism for midlatitude coupled climate variabilities.