波流相互作用

概念wave-mean flow interaction

波流相互作用考慮基本氣流(某種平均,如時間平均或緯向平均)如何與疊加在它上面的波動(對這一基本氣流的偏差)相互作用的問題。很多種波動都會與基流發生相互作用,如重力波和Rossby波。

內容介紹

在大氣科學研究中,常常需要把一個物理量分解成基本態和被稱為“波”或“渦動”的擾動態兩部分。一般情況下,人們通過對物理量進行時間平均、緯向平均或平滑濾波而獲得基本態,把物理量與基本態之間的偏差作為擾動態。這種分解方法為人們研究問題帶來了極大的方便,但同時也產生了如何看待和處理基本態與擾動態之間關係的各種問題。實際上,一個天氣系統的整體時空演變取決於大氣基本態和擾動態的各自發展以及它們之間的相互作用。
波流相互作用就是要考慮大氣的基本態和擾動態之間的相互作用,它是大氣動力學中一個非常重要的研究內容。波流相互作用的研究具有重要的理論價值和科學意義。利用波流相互作用理論可以解釋一些重要天氣現象,例如,利用重力波上傳理論可以解釋赤道平流層東西風準兩年振盪川;行星波上傳與臨界層理論可以解釋平流層爆發性增溫現象;廣義斜壓大氣E―P通量理論可以解釋對流層頂高空急流的加速增強現象等。

研究的主要問題

波流相互作用理論的研究主要包括兩方面:一方面是關於能描述基本氣流對波動強迫作用的“波作用”(守恆)方程的研究;另一方面是波動對基本氣流強迫作用的研究。

波流相互作用舉例分析

波的發展與否依賴於基本氣流,而基本氣流的演變也依賴於Rossby波的動量和熱量輸送。因此,波與基本氣流之間存在相互影響和相互作用。
衰減的Rossby波,基本氣流從波得到動量和能量,使基本氣流及其切變增加,因而波移動加快,y和z方向波加快收縮,而槽脊線向東西走向的演變減緩。因為此時水平和垂直風切變都加大,所以波的衰減相對加快。
發展的Rossby波,波從基本氣流得到動量和能量,使基本氣流及其切變減小,因而波移動減慢,y和z方向波的拉長減緩,而槽脊線向南北走向和垂直方向的演變也減緩。因為此時水平和垂直風切變減小,所以波的發展相對減慢。
就整個大氣平均狀況而言,一旦因太陽輻射的緯度差異形成了基本氣流,則發展的Rossby波將削弱基本氣流,而衰減的Rossby波將增加基本氣流,這樣,通過Rossby波的動量和能量輸送,使得作為大氣環流中一個環節的基本氣流和擾動都得以維持。

波流相互作用理論成果和實際套用

波流相互作用的研究進行到今天,不僅在理論上先後做過數次重大創新,如E-P通量的提出、剩餘環流的引進、廣義E-P通量的出現、三維E-P通量的建立、波作用守恆方程的發展等,而且在實際套用上也取得了豐碩成果。如科學地解釋了赤道平流層東西風準兩年振盪、極地平流層爆發性增溫、瞬變波對阻高的維持和高空急流加速以及大氣遙相關等,特別是為預測行星波的傳播,研究風暴軸和診斷分析實際大氣中具體的波能集中區和發散區提供了理論基礎和科學方法。

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