从Rossby波能量频散理论到准定常行星波动力学研究的发展

本文是为纪念叶笃正院士诞辰百周年和他对大气动力学发展的重大贡献而撰写的。叶先生在20世纪40年代所提出的罗斯贝波能量频散理论不仅至今仍广泛应用于天气预报,而且开创了准定常行星波动力学的研究。在罗斯贝波频散理论的启迪和引领下,行星波动力学和大气环流异常遥相关的研究取得重要进展。特别是关于准定常行星波在二维和三维球面大气的传播特征以及北半球夏季大气环流异常的EAP(East Asia–Pacific)型和"丝绸之路(Silk Road)"型遥相关及其机理已做出系统的研究,本文简要地回顾这些研究。并且,本文还回顾了在叶先生所提出罗斯贝波能量频散理论的引领下,近年来我们关于东亚冬、夏季风和我国气候灾害的年际和年代际变化的内动力学机理研究所取得的进展。

热带气旋Rossby波能量频散问题研究进展

热带气旋是发生在热带洋面上的强烈气旋性涡旋.由于地转涡度梯度的存在,热带气旋在移动过程中不断发生Rossby波能量频散,并在热带气旋运动方向的后部激发出反气旋和气旋交替排列的Rossby波能量频散波列.多热带气旋共存和热带气旋的异常运动是当前国际热带气旋研究领域的热点问题,热带气旋Rossby能量频散被证实与多个热带气旋连续生成和异常运动密切相关.本文从热带气旋能量频散及波列特征、主要影响因子、反馈作用等方面,回顾总结了国内外关于热带气旋Rossby波能量频散的相关研究进展,并提出当前亟待解决的一些科学问题.目的是为深入研究热带气旋Rossby波能量频散及其影响提供基础和参考,以期使更多的研究学者关注热带气旋能量频散问题,从而进一步揭示热带气旋生成、发展和异常运动的动力学机理.

辐散风作用下低频Rossby波的能量传播

文中研究了热力强迫所激发的辐散风对低频Rossby波能量传播的影响 ,推导出辐散风作用下的Rossby波的频散关系和群速度表达式。理论分析表明 :如果扰动流函数与速度势的位相差α∈ (0 ,π) ,那么辐散风将减小Ross by波的圆频率 ,增大群速度的纬向分量 ,加速Rossby波在纬向方向上的传播 ;辐散风对经向群速度的影响是比较复杂的。波射线的分析表明 ,在纬向基本气流为常数的情况下 ,辐散风作用下的低频Rossby波从初始位置到反射纬度的传播路径表现为一段光滑的大弧 ;对于周期为 30d、纬向波数k =3,4的Rossby波 ,当辐散风减弱时 ,波能量经向传播距离和纬向传播距离都增大。对于k =3的Rossby波 ,当辐散风减弱时 ,Rossby波的经向传播范围增大 ,但振幅强度减小。

时间平均基本气流中的定常Rossby波频散及能量西传特征

本文利用正压无辐散模式讨论时间平均基本气流中的行星波活动特性。结果表明,当经向基本气流v≠0时,Rossby波在东风带(u<0)和西风带(u>0)里均存在振荡解。此外,在一定条件下,定常Rossby波能量可以向西传播。本文给出了定常Rossby波能量西传的充分必要条件,并且求得了波包能量传播路径的近似方程。所得结论可以解释埃尔尼诺与大气和海洋环流之间的某些遥相关现象,从而加深了对海、气环流异常物理机制的认识。

频散效应对Rossby波动量和热量输送的影响

本文分析了扰动的频散效应对Ｒｏｓｓｂｙ波动量和热量输送的影响，分析指出：（１）频散效应是大气大尺度运动中扰动动能向平均动能转换（即能量逆转）的根本原因，也是扰动有效位能转化为扰动动能所必不可少的。

TCM-90现场试验台风能量频散波列特征

采用ＴＣＭ－９０（台风运动－９０）台风现场科学试验资料，对台风ＦＬＯ，ＥＤ个例进行了诊断分析，并做了有关数值试验研究。分析研究结论揭示了台风涡旋作为一动力、热力强迫源或ＣＩＳＫ不稳定结构，其与环境场相互作用可激发出动能频散波列；台风扰源通过频散机制可构成类似２维Ｒｏｓｓｂｙ波的经向波列；台风涡旋的移动路径与上述能量传播特征有一定的相关关系。

复杂构型涡旋能量频散波列的形成过程

能量频散是一个基础性的科学问题,与台风、暴雨以及地震等灾害密切相关,一直受到多学科研究人员和广大预报员的关注。孤立圆涡能量频散波列形成过程己经清楚。但是,造成天气灾害的往往是非孤立圆涡,这里,非孤立圆涡指的是:一个热带气旋(Tropical Cyclone,TC)涡旋和一个中尺度涡构成的复杂构型。非孤立圆涡能量频散波列的形成过程研究目前尚未见报道。本文用线性化的正压无辐散涡度方程,研究了复杂构型的非孤立圆涡能量频散波列的形成过程,并指出该形成过程由三个阶段构成:涡旋东西向非对称结构的形成;涡旋主体东侧,频散高值系统的出现、持续和发展;在频散高值系统的东侧,频散低值系统的出现和加强。这些结果在台风预测中具有应用前景。

面波频散能量谱计算方法

面波频散能量谱成像精度是近地表横波速度计算的重要影响因素,有效提取面波频散曲线是后续反演地层结构及介质物性参数的重要环节.文中论述了τp变换法(τ为垂直波慢度,p为水平波慢度)、高分辨率线性Radon变换法、频率分解法、相移法、f k变换法(f为频率,k为波数)、SFK变换法和矢量波数变换法等7种不同面波频散能量谱计算方法的基本原理;通过上述方法,对三层速度递增水平层状介质模型正演模拟合成Rayleigh波记录进行频散能量谱计算,并与理论频散曲线进行比较;根据所得频散能量谱,分析不同方法在数据处理过程中的特点与应用差异.结果表明:在提取频散曲线过程中,高分辨率线性Radon变换法和矢量波数变换法提取精度较高,f k变换法提取精度最低,低频信息与高频信息无法有效识别;SFK变换法、矢量波数变换法、高分辨率线性Radon变换法抗噪性能强;τ-p变换法、f-k变换法、相移法计算速度优于其他方法.

对勒夫型槽波频散特性及能量问题的探讨

鉴于目前工作面构造勘探采用的主要技术均有其局限性,基于三层对称模型的建立,对勒夫型槽波的基阶与高阶模式的频散曲线、振幅与能量、频率与能量进行了相关研究。研究表明,勒夫型槽波的能量以基阶为主,且随着频率的增加能量越加集中在煤层中。研究结果有利于槽波勘探的资料分析解释,提高了分辨率和准确度。

热力适应、过流、频散和副高 Ⅱ.水平非均匀加热与能量频散

利用位涡方程和热力适应原理，讨论了因非绝热加热的空间不均匀性导致的大气动力特征的变化，进一步阐明了副热带地区的深对流凝结潜热加热的垂直非均匀性使副热带高压在中低空出现在热源区以东，在高空出现在热源区以西。在此基础上，深入研究了水平非均匀加热对大气环流的影响。结果表明加热区以北，虽然非绝热加热消失，但存在加热的水平梯度在西风环流的背景下在高低层造成深厚的负涡度强迫。因而高层热源北部边界附近的酉风向南偏转进入加热区，造成加热区北部边界及其以北发生次级辐散；低层热源区的南风发生反气旋偏转，汇入加热区外的西风气流中，造成低层加热区北部边界及其以北发生次级辐合。结果该区域产生了垂直上升运动及负的涡度强迫源，对应着异常强烈的反气旋环流。该负涡度强迫源还通过能量频散，在西风带中以Ｒｏｓｓｂｙ波的形式向中高纬传播，影响中高纬地区的异常环流型。

水平网格计算频散性的研究

从线性浅水方程组出发 ,在ArakawaA—E网格、Z网格和Eliassen网格上 ,分可分辨和不可分辨两种情况 ,从频率和群速方面讨论了这 7种网格的计算频散性 ,并指出了每种网格出现错误群速的水平尺度范围。结果表明 :在可分辨的情况下 ,Z、C和Eliassen网格较其它网格效果好 ;在不可分辨的情况下 。

水平网格对Rossby波的影响

文中从描述准地转、β平面近似下的Rossby波方程组出发,在Arakawa A-E网格和Z网格上,分可分辨和不可分辨两种情况,从频率和群速方面讨论了这6种网格的计算频散性。结果表明:在可分辨的惰况下,Z,D,C网格比其它网格对Rossby波产生的歪曲都要小;而在不可分辨的情况下,这6种网格的描述能力都比较差。

旋转正压大气中的Rossby波射线

本文将缓变介质中波动的传播理论应用于 Rossby波。在基流和不同走向地形假设下 ,计算了 Rossby波射线路径及沿射线波数的变化。结果表明大尺度地形对

基于SH导波的防腐层能量密度检测机理研究

涂敷防腐层是确保油气管道完整性非常重要的手段,但因环境或外力等因素使防腐层产生剥离、孔洞等缺陷。本文针对埋地管道外涂防腐层轴向剥离、孔洞缺陷,利用粘弹性动力学理论建立能量平衡单元体F的双层结构波动模型,对单元体F的频散特性、能量密度和导波衰减进行理论分析和数值计算,并设计SH-EMAT换能器进行了防腐层剥离缺陷实验研究。研究表明:防腐层剥离程度可引起单元体F中各模态频散特性变化,防腐层剥离厚度越大,SH导波模态对应相速度、群速度越大,且差异显著。在一定频率范围内,其相速度与防腐层剥离缺陷尺寸成正比。导波能量衰减依赖于能量密度因子QE且独立于导波模态,能量密度趋向于防腐层等效粘弹性介质的剪切速度倒数;单元体F中能量密度因子QE的特征参数可为管道防腐层剥离、孔洞缺陷内检测的量化研究提供理论依据。

透射槽波技术在煤田勘探中的应用研究

槽波地震勘探技术可以有效探查煤层中小断层、陷落柱等地质异常体,在探测精度和距离上明显优于其他煤矿井下勘探方法。透射法作为基本的槽波地震探测方法,具有简单灵活、探测范围大、准确率高等优势。采用透射槽波方法对实际煤矿工作面内断层构造进行探测研究,通过滤波、频散分析、波场及速度分析、能量分析以及透射CT成像等关键技术对实际透射槽波数据进行精细处理,获得准确的透射槽波成像剖面。根据槽波在煤层中受到断层阻断或遇到煤层破碎时其能量将急剧降低的特征,利用透射槽波能量CT剖面,并结合实际揭露情况,解释出12条可靠断层。通过实际煤层工作面透射槽波勘探方法测试,验证了透射槽波方法的有效性以及在煤田断层等构造探测中的实用价值。

北半球冬季准定常行星波的三维传播及其年际变化

作者回顾了应用叶笃正先生所创立的Rossby波频散理论 ,来研究准定常行星波在三维大气的能量频散以及在北半球冬季三维大气中的传播规律 ,并应用NCEP NCAR再分析资料和由大气环流数值模拟所得的模式资料的 4 0年风场、温度场资料计算了冬季北半球准定常行星波的E P通量。计算结果表明了北半球冬季准定常行星波在三维大气传播具有沿两支波导的传播特征 ,这与从理论分析所得的结果相吻合。作者还分析了冬季准定常行星波的E P通量分布的年际变化 ,分析结果表明了准定常行星波在北半球冬季三维大气中传播的这两支波导有明显的年际振荡 ;并且 ,从冬季准定常行星波的E P通量辐散辐合的年际变化与北极涛动的年际变化相比较 ,发现准定常行星波两支波导的年际振荡直接影响着北极涛动 (AO) ,因而说明了准定常行星波活动的年际变化可以影响对流层的气候变化。

小波变换在面波插值中的应用

利用瑞雷面波的频散信息可有效反演浅层横波速度结构。但在大时空采样地震记录中,由于瑞雷面波的速度很低,其记录中的高频成分容易出现严重假频,甚至出现超周期现象,这会降低其频率速度谱的信噪比,影响频散曲线的提取精度,在高频段更加如此。基于小波变换原理,实现对瑞雷面波的时空插值;根据瑞雷面波同相轴线性的特点,将线性动校正引入到插值中,改善高频信息的插值效果;进行理论模型数据和实际记录的试算与频率速度谱的提取以及插值前后频率速度谱的对比分析。研究结果表明:基于小波变换原理的插值方法是正确的;该方法可以有效提高频率速度谱的信噪比和频散曲线的提取精度,为大时空采样地震记录瑞雷面波频散曲线的提取提供理论基础。

声源对浅海地震波传播特性的影响研究

为提升水雷的探测能力,利用浅海地震波识别水下目标声源,研究声源高度和频率对浅海地震波的影响。采用交错网格有限差分方法对波动方程进行离散求解,实现不同高度和不同频率声源形成的浅海地震波在砂岩介质中传播过程的仿真模拟,并利用f-k频散能量提取方法,获得浅海地震波的频散能量图。结果表明:声源高度和频率均会影响浅海地震波的传播特性,但对其波速、频率集中范围和极化特性影响较小,Scholte波稳定的波速为1088 m/s,Scholte波振幅的频率范围在5~30 Hz之间;随着声源高度和频率的增加,形成的Scholte波在水下界面信号减弱。研究结果可为水雷引信的研制提供理论依据。

具有梯度静应力的红砂岩应力波衰减特性试验研究

地下工程围岩体承受梯度应力,导致围岩体在梯度空间上的孔隙度不同,影响应力波在其传播的衰减特性。为研究梯度应力对岩石应力波传播衰减特性的影响,利用改进的SHPB试验装置,对红砂岩试件进行不同静应力梯度工况下的应力波传播试验。将采集得到的波形时域数据分别进行傅里叶变换和小波包分解重构。分析应力波质心频率和频带能量分布与静应力梯度的关系,构建频域特征参数的演化经验模型,表征梯度静应力下岩石中应力波的衰减与频散特性。研究结果表明:应力波频谱幅值和应力波信号能量都主要集中于低频带,其中,频带0~7.81 kHz的能量占总能量的80%左右。梯度静应力作用时,岩石中的应力波质心频率随传播距离增加呈线性增加,在同一测点处,应力波质心频率随应力梯度的增加呈“先增加后减小”的变化趋势;在梯度静应力作用下,岩石应力波的频谱峰值衰减呈先快速下降再平稳发展的趋势;岩石应力波总能量与传播距离的幂函数呈线性变化;在梯度静应力作用下,应力波的频带能量和质心频率随传播距离的增加由低频带向较高频带偏移。研究结果阐释了梯度应力的围岩体中应力波的传播衰减规律,从频域的角度指出了应力波在具有梯度应力环境下的传播衰减特性。

相速、群速和能量传播速度

本文论述群速和能量传播速度的基本概念,并对相速、群速及能量传播速度的联系及区别作了讨论。