波-流相互作用源函数及其对海浪模拟的影响

当前,基于第三代海浪模式的波-流相互作用研究,通常仅考虑背景流场对海浪群速度大小、方向的改变及其所引起的波浪折射效应,忽略了流场对波浪能谱的影响。本文以波-流相互作用源函数为切入点,利用MASNUM海浪模式进行理想实验,阐释了水平方向上的波-流相互作用对海浪能谱的改变以及对海浪模拟可能造成的影响。结果表明:水平流速梯度量级、水深、波浪成长状态以及流速梯度方向均可以影响波-流相互作用源函数的作用效果,使得有效波高、谱峰波向的模拟结果发生变化。在更符合实际的水平流速梯度量级下,波-流相互作用源函数对有效波高和谱峰波向模拟值的影响非常小;但考虑到涌浪的长距离传播,其对谱峰波向的影响仍可能明显改变涌浪的传播形态。

波-流相互作用的缓坡方程及其波作用量守恒

当表面波从开阔海域传播至近岸水域时,普遍的波-流相互作用经受着海底的强烈影响,运用水波Hamil-ton变分原理,建立了近岸水域任意水深变化海底上波-流相互作用的缓坡方程.它可包含波、流和水深一般变化的二阶效应,约化为某些典型的缓坡型方程.据此得出广义程函方程,并且证明该缓坡方程的波作用最守恒.

近海波-流相互作用的缓坡方程理论体系

在对近海一大类水波模型——缓坡方程的总体考察、分析和判断基础上,引进一个表征近海普遍波-流相互作用机制的算子,进而借助普适的Hamilton水波变分原理,建立了一个关联于时间的近海波-流相互作用缓坡方程理论体系,从形式到内容上达到了一种高度协调和统一.

对称扰动与纬向基流的相互作用 II.粘性波包的发展与弥散

该文对对称扰动与纬向基流的相互作用理论进行了深入的研究。这里是该文的第二部分，主要讨论粘性波包的发展与弥散。在对称扰动波包的动力学方程组中引进粘性作用（Ｐｒ＝１）可以发现，粘性耗散及扩散导致了“虚群速度（Ｃｉｇｙ，Ｃｉｇｚ）”的产生，它对波包的发展有着比较重要的影响。此外，各种稳定度参数的时空变化对扰动波包的发展具有重要作用。在一定的条件下，还可以产生波包的不稳定现象。

任意水深多孔介质海底上的线性波流相互作用

为了全面、合理地刻画波 流相互作用和多孔介质海底分布的这些近岸水域的普遍特征 ,并且充分注意近岸水深变化的一般性 ,从线性水波理论出发 ,运用Green第二恒等式建立了任意水深变化、多孔介质海底上的波 流相互作用综合水波模型方程理论 .这是对缓坡方程理论的一次有效的扩展 ,为后续非线性波传播理论的建立提供了一个良好的线性波理论基础 .

基于神经网络的二阶波-流和结构物相互作用

基于时域二阶势流理论,对位于均匀流中的水平半圆柱体在水面上的二阶波绕射问题进行了计算,得到了自由表面波时间历程、圆柱所受到的水动力时间历程及相应的一、二阶波和水动力幅值,并以此作为神经网络的训练样本,采用LM-BP神经网络来预测任意参数(波浪频率或波数、流速或傅汝德数)组合下波浪和水动力幅值或峰值及其时间历程,可以快速地获得精度较高的计算结果.研究结果表明:对于样本数较小的一阶、二阶波浪和水动力幅值预测,可以采用单个隐含层及较少的神经元数或节点数即可获得较高精度的预测结果;而对于样本数很大的波浪和水动力时间历程预测,需要至少2个隐含层及较多的节点数才能获得较满意的结果.

二阶波-流与直立双圆柱的相互作用研究

基于势流理论分析了均匀水流存在时二阶波与三维双垂直截断柱体相互作用问题.通过有限元法计算获得每一时步的一、二阶速度势,有限元法方程通过SSOR(对称连续超松弛)预条件共轭梯度法来求解.采用人工阻尼区来保证外传波的条件.对处于均匀流中的双截断柱体的绕射问题做了计算,得到了波-流和作用在圆柱上的水动力时间历程,分析了流速、无因次波数及流向角对一、二阶波和水动力幅值的影响.研究表明:双圆柱内外侧一阶波及水动力基本随流速增大而增大;同时,内侧波受圆柱干扰严重,而流向角能明显地影响波浪和水动力的大小.

平均流变化对波反馈的A-B混合方程理论及应用

从两层模式的基本方程出发,推导了描述平均流对波振幅反馈的A-B混合方程,并通过适当变换把混合方程转化为洛仑兹系统,用于研究平均流对边缘波扰动振幅增长的反馈机制,以及在中性廓线附近边缘波的稳定性问题。这是对研究波流相互作用的E-P通量理论的一个重要扩充。同时,作者还指出了A-B混合方程理论在研究大气中的波流相互作用及对流方面有相当应用前景。

二阶波-流和结构物相互作用的高阶有限元分析

基于时域二阶势流理论,采用基于三次形函数的高阶有限元法分析波流和结构相互作用问题.一、二阶问题分别满足各自的自由表面条件和物面条件,开边界条件采用人工阻尼区来保证外传波条件.用四阶Adams-Bashforth格式并配合时步处理来计算自由表面上的波和速度势,在每一时步,一、二阶速度势通过有限元法计算求得.对位于均匀流中的水平半圆柱体在水面的绕射问题进行了数值模拟,计算自由表面波时间历程和圆柱所受到的波浪力,分析了水流对一、二阶波及作用在结构物上的一、二阶水动力的影响,结果表明：上游和下游区域二阶波均随傅氏数增大而增大,当较大无因次波数时二阶力也均随傅氏数增大而增大.

北半球平流层准定常行星波与平均流的相互作用及其对ENSO事件的响应

利用ERA-40再分析资料和ECHAM5/MPI-OM模式输出资料分析了北半球平流层准定常行星波与平均流相互作用及其对ENSO事件的响应.结果表明,准定常行星波在冬季活动最强,并分别沿极地和低纬两支波导传播,准定常行星波活动的三维结构显示45°N以北的欧亚大陆和北太平洋是行星波活动的源.行星波的传播特征清晰地表现出平均流对波动的影响,而行星波上传至平流层后与平均流相互作用则会使纬向西风减弱.通过对ElNio事件和LaNia事件的合成分析发现,北半球冬季行星波对ENSO事件有显著的响应.与LaNia事件相比较,ElNio事件发生时行星波在平流层的向上传播明显增强,并且更偏向极地;波流相互作用的结果使得纬向平均风场呈现出偶极子型变化,即中低纬西风增强,而高纬平流层西风减弱.通过对比模式模拟结果和再分析资料结果发现,尽管平流层中的模拟结果仍然比再分析资料中略偏弱,但ECHAM5/MPI-OM模式对行星波活动气候态的模拟总体较好,且比以往的模式结果有很大提高.但是,模式中行星波对ENSO事件的响应与再分析资料结果差别较大,不论是波动振幅还是行星波与平均流的相互作用都只在对流层中有较好的反映,而在平流层中信号非常弱.由此可见,大气环流模式对平流层环流和动力过程的模拟仍然有待进一步的提高.

基于高阶有限元法的均匀流中物体二阶波辐射问题研究

主要研究应用高阶有限元法,分析二维波-流和结构物相互作用问题.通过高阶有限元法计算获得每一时步的一、二阶速度势,而有限元法方程通过SSOR预条件共轭梯度法来求解.开边界条件采用人工阻尼区来保证外传波条件.对位于均匀流中的水平半圆柱体做水平和垂直运动计算,得到了自由表面波和半圆柱所受到的波浪力时间历程,分析了水流在不同无因次波数下对一、二阶波及一、二阶水动力的影响.

初夏东亚—太平洋遥相关波列年际变化的一种物理机制

根据1978—2002年北半球500hPa高度场、地表温度场以及中国夏季雨带类型资料,应用最小二乘法获得了能反映1978—2002年各年北半球大气环流演变大尺度特征的25组空间谱函数。采用改进的低截谱模式方法和多种统计假设检验方法获得了夏季东亚—太平洋遥相关波列年际变化的一个物理机制。结果表明,当大气环流的内部动力过程中大尺度波-波和波-流相互作用明显时,大气环流的演变表现出明显的非线性特征,导致初夏从低纬到高纬东亚—太平洋遥相关波列多为"-、+、-"分布,相应的EAP指数多为正值,西太平洋副热带高压北跳明显,相应中国夏季多雨区主要位于淮河流域及其以北地区;反之,当大气环流的内部动力过程中大尺度波-波和波-流相互作用较弱时,大气环流的演变表现出较为明显的线性特征,初夏从低纬到高纬东亚—太平洋遥相关波列为"+、-、+"分布,EAP指数多为负值,夏季西太平洋副热带高压北进不明显,相应中国夏季多雨区主要位于淮河、长江流域及以南地区。

关于平流层异常影响对流层天气系统的研究进展

人们传统上认为大气平流层很少能对对流层产生重要影响,但是,最近几年的观测研究表明这种自上而下的影响是显著的和非常重要的,特别地,近几年关于北极涛动的研究极大推动了这一问题的研究进展。这方面的研究发现平流层异常可以对对流层天气系统产生重要影响,也就是冬季平流层北极涛动(AO)的负异常可以诱发中高纬度地区寒潮天气,而AO的正异常则导致中高纬度地区的温暖晴朗天气。由于观测分析表明平流层AO的异常信号总是领先对流层AO异常,一些学者甚至建议冬季北半球平流层的异常信号可以作为预报对流层天气变化的先行指标,并可以把对流层天气预报的时限提高到3个星期以上。综述这一领域在最近几年的研究进展、阐述平流层异常影响对流层天气系统的物理机制和总结各种不同的学术观点,并对将来研究中应注意的问题提出了建议。

平流层极地臭氧损耗影响对流层气候的研究进展

大气平流层臭氧的严重损耗将导致到达地面的太阳紫外辐射增加已经是公共社会普遍关切的问题。最近几年,平流层臭氧损耗能否对对流层大气环流和气候产生重要影响也引起了广泛的重视,并且已成为大气科学的一个热点问题。观测研究表明近二三十年来在两极臭氧严重损耗的季节,地表气温有明显的变暖趋势,也就是欧亚大陆1—3月份和南极半岛12—5月份的地面温度呈现显著增温。这些增温趋势很可能是平流层两极的严重臭氧损耗造成的。当然,这些增温并非是由臭氧损耗的辐射效应直接造成的,而是通过波-流相互作用以及平流层-对流层相互作用等动力学过程实现的。大量的数值模拟工作也对此问题进行了研究,一些模拟结果与观测结果基本一致,另一些则发现平流层臭氧损耗的强迫作用较弱,也有模拟工作认为其他外界强迫如温室气体增加和热带海面温度升高也非常重要。作者综述了这一研究领域在近几年的最新研究进展,总结有关的观测分析和数值模拟结果,阐述平流层极地臭氧损耗可能影响地面温度的物理机制,以及澄清各种争论要点。

伴随均匀流作用的有限水深三阶三色三向表面张力-重力波之完备对称解

着眼于"多色多向"这一典型的海洋表面波传播特征而以"三色三向"加以基本地刻画,并纳入普遍的波-流相互作用机理和丰富多样的表面张力波效应,由此给出了有限水深三阶三色三向波运动系统的一完备对称解.这是对目前业已存在的经典、现代"单色、多色多向波理论"的一次充分包容和集中反映.

作用于海流上的线性表面张力-重力短峰波

短峰波为一基本的三维海洋表面波,代表着当今水波发展的一大前沿态势;表面张力波可产生种种显著效应,与海面雷达遥感直接相关;海流贯穿表面波的整个运行过程.根据上述理念构造出表面张力-重力短峰波的一般线性动力系统,并纳入海流效应,得到下列运动学、动力学变量的解析表达式:自由表面位移、速度势、角频率、波高、波陡、相速度、水质点速度、加速度和轨迹、波压力.该套解析解可包含若干种经典、代表性和最新的波况特例.

近岸非平整海底上波浪传播的非线性统一方程

针对波浪在近岸复杂地形条件下从深水向浅水传播的连续性特征,通过引进一种典型的近岸非平整海底变化的假设,由Hamilton水波变分原理建立了波浪传播的非线性统一方程,并且证明以下4种最具广泛影响力的波浪方程或关系成为它的特例:扩展的Airy非线性浅水方程;广义缓坡方程;二阶Stokes波色散关系;高阶Boussinesq型方程。

缓坡方程的推广

为了描述水波和强烈的环境流在非平整海底上的相互作用，运用无旋运动的Ｌａｇｒａｎａｇｉａｎ变分原理，对经典的Ｂｅｒｋｈｏｆｆ缓坡方程进行了改进．假定水流沿水深方向基本上保持均匀性，这正如潮流运动的特征．海底地形由慢变、快变两个分量叠加构成：慢变分量满足缓坡逼近假定，快变分量的波长与表面波波长为同一量级，但其振幅小于表面波的振幅．在以上假定条件下，得到了适用于非平整海底的推广型浅水方程和应用性更加广泛的波－流－非平整海底相互作用的一般缓坡方程，并且从理论上证明一般缓坡方程包含了以下３种著名的缓坡型方程：经典的 Ｂｅｒｋｈｏｆｆ缓坡方程；波－流相互作用的 Ｋｉｒｂｙ缓坡方程、 Ｄｉｎｇｅｍａｎｓ关于沙纹海底的缓坡方程．最后，通过与Ｂｒａｇｇ反射实验数据的比较，表明该模型可以准确地反映快变海底的典型地貌特征．

一个观察北极涛动与北大西洋涛动关系的典型个例

北极涛动与大西洋涛动是否属同一气候变率模态一直是北极涛动动力学研究方面的一个颇具争议的话题。文中通过对"0801南方雪灾"期间及其前后北极涛动与北大西洋涛动异常及产生原因进行个例分析,对两者之间的关系进行了讨论。首先使用交叉子波变换与子波相关方法分析了两者的相位关系。发现在30—60天时间尺度上北极涛动与北大西洋涛动相位相差90°或-90°。而在10 20天这一尺度上北极涛动与北大西洋涛动具有大致相同的相位。对北极涛动及北大西洋涛动形成的动力过程及其在拉尼娜背景下各自特点的分析表明,这种不同尺度上位相关系的差异来自于波-流相互作用动力学的局域性。众所周知,北极涛动的3个活动中心的形成与分别位于北大西洋、北太平洋和北极平流层的3个波流相互作用中心有关。而北大西洋涛动则主要与位于北大西洋的波-流相互作用中心有关。拉尼娜事件的出现通过影响太平洋急流及行星尺度的准定常波从而进一步强化了30-60天时间尺度上北极涛动与北大西洋涛动的这种差异。这主要是因为太平洋急流或准定常行星波在对流层中直接影响了位于该区域的北极涛动的活动中心。同时准定常行星波冬季向上传播至平流层并与平流层极涡相互作用从而也影响了北极涛动在北极的活动中心。而在10—20天时间尺度上的北极涛动与北大西洋涛动同步关系则说明它们都是北极涛动的另一活动中心即大西洋上同一波-流相互作用现象——天气波破碎的反映。基于上述分析.文中倾向于认同将北极涛动和北大西洋涛动区别考虑的观点。

下边界条件对北极涛动影响的数值模拟研究

利用NCAR大气模式CAM3.0探讨了包括山脉和海陆分布等下边界条件对北极涛动(AO)或北半球环状模(NAM)形成的影响。主要进行了控制试验和两个地形敏感性数值试验,对比了控制试验结果与资料分析结果。控制试验和NCEP/NCAR资料分析结果对比指出,CAM3.0模式能够较好地模拟出AO的水平环状结构和垂直相当正压结构。在去除山脉的敏感性试验中发现,AO中纬度北太平洋和北大西洋两个活动中心的强度、范围和位置发生变化。在水球敏感性试验中发现,AO两个大洋上的活动中心被环绕极地主活动中心的环状结构代替。两个敏感性试验共同表明,AO是大气内部某种过程作用的结果,它的存在本身不取决于下边界条件的改变。山脉和海陆分布主要影响的是AO的具体形态。通过控制试验和两个敏感性试验对比,又分析了准定常波和瞬变波对AO的影响。去除山脉和海陆分布热力差异共同强迫的准定常波,AO纬向平均纬向风高纬地区平流层异常最大值活动中心消失,这表明在平流层准定常波和纬向平均流的相互作用与AO活动关系密切。在只有对流层瞬变波作用时,AO仍然存在,表明准定常波不是AO存在的必要条件。平流层准定常波与平均流的相互作用和对流层瞬变波与平均流的相互作用与AO形成之间的具体关系有待通过E-P通量诊断进一步确定。