切变基流中赤道Kelvin波及纬向对称扰动的稳定性

本文使用赤道β平面下的热带大气Boussinesq近似方程组,分析了纬向切变基流中的赤道Kelvin波以及纬向对称扰动的稳定性。研究结果表明,在纬向基本气流只具有y方向水平切变的情况之下,基本气流在y方向的切变并不能导致Kelvin波发生不稳定,只能导致不同的纬度上对应于Kelvin波传播的相速度有所不同。扰动位势和扰动风速等物理量在y方向的分布特征与基本气流无关。在只考虑垂直切变基流时,要存在稳定的相对于平均基流向东传播的Kelvin波必须要满足Richardson数Ri>2的条件。基本气流在垂直方向的切变也不能导致Kel-vin波发生不稳定,只能导致Kelvin波的相速度发生Doppler频移效应。扰动位势以及扰动速度在y方向的分布特征与基本气流在垂直方向的切变有关。当风的垂直切变大于零时,对流层低层的扰动位势和扰动速度沿y轴的正反方向衰减较快;而当风的垂直切变小于零时,对流层高层的扰动位势和扰动速度沿y轴的正反方向衰减较快。对于沿纬圈方向的对称天气系统,只要风的垂直切变较大,满足Ri<1时,低纬重力惯性内波一定会发生不稳定。而当基本气流的垂直切变较小(Ri>1)时,本文则给出了该扰动发生不稳定的判据条件。只要风的水平切变足够大,大于某一临界值(该临界值与垂直波数m,β因子,静力稳定度N2以及Richardson数Ri有关),在赤道y—z平面上的重力惯性内波也会发生不稳定,从而引起这种沿x轴对称扰动的激发产生与发展。

热带海气耦合Kelvin波的弱相互作用

本文在简单的热带海气耦合方程组中 ,引进基本风场和平均海流的作用以后 ,对热带海气耦合 Kelvin波的不稳定性进行了讨论 ,得到其耦合不稳定的判据条件 ,并且分析了它的传播结构特征。

分层热带海洋模式中的Rossby波和Kelvin波——初始混合层深度异常与大气热力强迫激发波动

利用一个两层半的热带海洋模式，采用数值实验的方法研究了热带海洋对于初始海洋混合层深度异常和大气季节内时间尺度热力强迫激发产生的Ｒｏｓｓｂｙ波和Ｋｅｌｖｉｎ波。研究表明，初始海洋混合层深度异常和大气热力强迫，可以在两层半热带海洋模式中激发产生东向传播具有Ｋｅｌｖｉｎ波性质的波动和具有Ｒｏｓｓｂｙ波性质的波动。热力强迫激发产生海洋Ｒｏｓｓｂｙ波和Ｋｅｌｖｉｎ波所需时间长于初始海洋混合层深度异常和大气季节内动力强迫激发产生两波所需时间，与大气季节内动力强迫激发的Ｒｏｓｓｂｙ波相比，初始深度异常与大气热力强迫激发产生Ｒｏｓｓｂｙ波具有不同的热力性质。

CISK-Kelvin波、CISK-Rossby波和低频振荡

本文应用描写低纬大气运动的一个斜压半地转的wave-CISK模式,讨论了由CISK机制激发的Kelvin波和Rossby波,即所谓的CISK-Kelvin波和CISK-Rossby波。分析表明:wave-CISK机制对于大气低频振荡起重要的作用。

热带大气平均环流的纬向不均匀性和Kelvin波的动力作用

本文利用一个包含Ｗａｖｅ－ＣＩＳＫ机制以及蒸发、感热与扰动风场的反馈机制，并引入实际的下垫面温度分布和海陆差异的热带大气模式，较好地模拟了低纬平均环流在风场、散度场及低层位势高度场上的纬向非均匀性。分析表明这种纬向非对称性是由于下垫面的热力非均匀性造成的强迫与大气内部的热力－动力反馈过程相互作用的结果。对热力强迫的响应形成了西太平洋暖水区上的西风和东太平洋上的东风，而对简化模式的解析分析说明，由于热力－动力反馈造成的Ｋｅｌｖｉｎ波的发展过程。

印度洋赤道Kelvin波对安达曼海东部近岸温跃层深度的影响

安达曼海东部近岸温度跃层深度变化呈现半年周期特征,与局地风场年周期变化不同。分析结果表明,安达曼海内部环境场受到来自赤道印度洋的海洋波动信号的影响,赤道印度洋风场导致的赤道Kelvin波沿赤道印度洋东传,并在印度洋东边界反射北传,从而将热带印度洋信号传输至安达曼海,作用于近岸海水,导致安达曼海近岸海水温跃层变化呈现半年周期的双峰状结构。年际时间尺度上,厄尔尼诺和印度洋偶极子事件是影响安达曼海东岸温跃层年际变化的两个重要因素,这对理解年际尺度的气候异常事件对近岸生态系统的影响有着重要意义。

二层海洋赤道Kelvin波解析解模态分析

采用赤道β平面近似下的线性化二层海洋扰动方程组,对其中的赤道Kelvin波做解析求解,结果表明:该赤道Kelvin波共有2个模态;两者上、下层流场均为东向纬向流,振幅均在赤道处最大,并都呈经向衰减态势,两者波动均是非频散的,这些都与经典Kelvin波相同。第一模态(前者)的相速要比第二模态(后者)大2个量级,后者相速与海洋流速相近。前者是快波模态,后者是慢波模态。前者周期约为半天,后者约为1季度,并具气候意义。前、后者各层流场向高纬的衰减分别表现为缓慢和迅速,后者呈赤道俘获波形态。两模态各层位势场向高纬的衰减同流场。将后者与实际热带印度洋和太平洋的实况及诊断作对比后知,它们具有一致之处。后者能对实际赤道海洋情况以及ENSO现象做出某种解释。

南黄海非线性内波的数值模拟研究(1)——内潮的内Kelvin波模型

若干观测结果表明,黄海内潮波具有较显著的内Kelvin波性质,并且在南黄海其非线性演变过程是产生内孤立波的重要机理之一。本文给出连续分层海洋的内Kelvin波模型,并且对南黄海进行了初步的数值模拟研究。数值模拟结果表明,内潮引起的质点水平速度u的大的剪切值(绝对值)发生在30 m深度以上的水层,而在30 m深度以下的水层中剪切值很小。

低纬大气Kelvin波和Rossby波的非线性相互作用

利用多重尺度摄动法,对低纬大气Kelvin波和Rossby波的波包演变进行了分析,得到两波的非线性相互作用方程为耦合的非线性复系数Landau方程组。数值计算表明两波相遇将使波振幅变化,波宽变窄;两波非线性相互作用可能是低纬强烈天气突然爆发的原因之一。

赤道海洋Kelvin波对外强迫风场的响应

采用无界理想海洋线性扰动模型,对赤道海洋Kelvin波在纬向风场异常强迫下的响应即强迫赤道海洋Kelvin波的异常做了解析求解,主要结果如下:该强迫赤道海洋Kelvin波的频率、波长和波速都与外强迫风场的相同,在赤道纬向流振幅最大并随纬度增加衰减,该风场越强,该强迫赤道海洋Kelvin波也越强,两者呈正比关系。当该风场频率和范围确定后,则该强迫赤道海洋Kelvin波被限制在一定平均水深范围内;该风场的频率越高、纬向波长越长、随纬度增加衰减越小,则该水深就越大。在所取参数下,该风场异常与该强迫赤道海洋Kelvin波流场异常的位相基本相同。在西风强迫下有东向流,反之亦然;强迫赤道海洋Kelvin波的流场与位势场则完全同位相,东向流对应于正位势,反之亦然,这也是经典Kelvin波的配置。该强迫赤道海洋Kelvin波与经典Kelvin波的不同在于:前者是频散的强迫波动,并被限制在一定水深中;后者是自由波动。将该强迫Kelvin波的解析解与热带印度洋和太平洋的实况以及诊断进行对比后知,两者总体看来一致,实际热带大洋中该强迫赤道海洋Kelvin波应确实存在。

论简单热带海气耦合模式中的Kelvin波

从理论上证明了在局地热平衡情况下,仅由大气Kelvin波和海洋Kelvin波组成的热带海气耦合系统中,耦合扰动不能发展.

有地形坡度的非线性Kelvin行波

提出了一个考虑地形坡度的非线性Kelvin行波解的模型,在假定了地形坡度沿山脉走向不变而仅在垂直于山脉走向的方向有改变的情况下,求得了该模型的解析解,这有助于加深对沿海山地捕获波的认识。文中还将该解与经典情形(即侧边界取为垂直刚壁而底面为水平)的解作了比较,发现前者的波速与扰动振幅均较后者要小,这与我国东南沿海武夷山区的沿海山地捕获波的情况相一致。

海平面上升导致潮波系统变化的机理(Ⅰ)--基于理论模型的研究

基于沿海峡相反方向传播的Kelvin波,导出了因海平面上升导致潮位振幅和位相变化的特征函数。这2个特征函数有一定的空间分布模式,可反映出由于海平面上升引起的潮位振幅和位相的变化哪儿是正,哪儿是负。文中计算了海平面上升1 m所引起的潮位振幅和位相的变化值。可以看出:对于一个给定的角速率ω来说,正变化区域的振幅变化值的平均值和负变化区域的振幅变化绝对值的平均值ω随纬度φ的增加而减小,而对于一个给定的地理纬度φ来说,正变化区域的振幅变化值的平均值和负变化区域的振幅变化绝对值的平均值随ω的增大而增大。在矩形海湾满足边界条件的解当中,Kelvin波占主导地位,因此,2个特征函数能够用来描述矩形海湾和某些实际海湾中因海平面上升引起的旋转潮波系统变化的分布特征。

论陆架波系动力学及其在厄尔尼诺信号传播中的作用

文中讨论了陆架波系和赤道波系在动力学上的相似性，和赤道波系一样，陆架波系也由惯性重力波、Ｋｅｌｖｉｎ波、Ｒｏｓｓｂｙ（长、短）波和有条件的Ｒｏｓｓｂｙ－重力混合波组成。指出，当 海洋三边存在陆架而一边为赤道时（如北太平洋），则陆架波系和赤道波系中的Ｋｅｌｖｉｎ波， 将以逆时针方向携带信号绕海盆一周，而两个波系中的Ｒｏｓｓｂｙ长波，将以顺时针方向绕海盆一周，即通过陆架波和赤道波为海洋中某些信号的传播组织成一个绕海盆的环路。这种物理 过程可望用以解释发生在海洋中的某些长周期现象，如Ｅｌ Ｎｉ ｏ现象。文中进一步 讨论了陆架波的各种简化运动。

一类陆架地形波系在El Nio信号传播中的作用

从ElKino信号在赤道外陆架海洋中传播的可能性出发,讨论了陆架地形波系和赤道波系在动力学上的相似性,和赤道波系一样,陆架波地形系也由惯性重力波、Kelvin波、陆架地形-Rossby波、Rossby-重力混合波等组成.指出,当海洋三边存在陆架而一边为赤道时(如北太平洋),则陆架波系和赤道渡系中的Kelvin波,在北(南)半球将以逆(顺)时针方向携带信号绕海盆一周,而两个波系中的Rossby长波和陆架地形Rossby长波,在北(南)半球将以顺(逆)时针方向绕海盆一周,即通过陆架地形波和赤道波为海洋中某些信号的传播组织成一个绕海盆的环路.这种物理过程可望用以解释发生在海洋中的某些长周期现象,如El Nino/La Nina现象.

有关沿岸山地俘获波的研究

在采用线性化的浅水方程组并假设地形坡度沿山脉走向不变的情况下,本文对具有底面地形坡度的沿岸山地俘获波作了研究,结果表明,当底面地形缓变时,可用摄动法得到沿岸山地俘获波的结构,此时零级近似为经典Kelvin波解,一级近似体现了Rossby变形半径内的底面地形对经典Kelvin波解的修正;直至一级近似,沿岸山地俘获波仍是非频散的。在沿岸处当底面地形坡度平缓时,沿岸山地俘获波表现为Kelvin波结构,此时扰动位势高度最大值出现在沿岸;而当底面地形坡度陡峭时,其表现为修正Kelvin波结构,此时扰动位势高度最大值偏离沿岸,在沿岸则扰动位势高度相对为低值,而在沿岸外侧则有位势高度的高值。在沿岸底面地形高度越高,地形坡度越大,扰动位势高度廓线的变化就越剧烈。

地球自转与EI Nino──波动理论

考虑地球自转速率随时间的变化，应用描写低纬的地球流体（大气和海洋）的浅水模式方程组，分析了地球自转速率变化对低纬大气和海洋波动的影响．研究指出：地球自转速率的变化不但会直接影响纬向风和洋流的变化，而且通过Ｋｅｌｖｉｎ波的传播导致海平面和海温的变化，从而导致ＥＩ Ｎｉｎｏ现象的产生．所以，地球自转速率的变化是影响全球气候变化的重要因素之一．

赤道行星波对西赤道太平洋暖池热传播的作用

利用热带海洋和全球大气试验(TOGA)期间(1980～1996年)热带大气海洋观测阵(TAO)的长期浮标资料,分析了赤道行星波对西赤道太平洋暖池热传播的作用。结果表明,西赤道太平洋暖池纬向热传播主要出现在次表层水体中,并沿温跃层向东传播;而向西传播的季节热结构变化主要出现在中、西赤道太平洋的混合层中;驻波型传播在西赤道太平洋主要出现于温跃层,在中赤道太平洋主要出现于混合层和温跃层,在东赤道太平洋主要出现于混合层。在平均条件下,赤道太平洋上层水温纬向热传播信号以驻波型和东传型较强,西传型较弱。赤道Kelvin波压力分量贯穿西、东赤道太平洋并向东输送暖池热能,纬向流分量的热输送主要出现在西赤道太平洋;Rossby波压力分量的热输送主要出现在东、中赤道太平洋;混合Rossby重力波激发纬向流的热输送作用比相应温跃层扰动强。在平均条件下,赤道太平洋上层水温的驻波型变化制约了西赤道太平洋暖池热量的持续向东输送,因此形成了赤道太平洋水温的正常季节变化形态。当水温的驻波型变化减弱而东传型变化加强时,随后将形成厄尔尼诺现象。

龙目和翁拜海峡海流季节内变化特征与机制分析

基于INSTANT(International Nusantara Stratification And Transport)观测资料的分析,龙目和翁拜海峡不同深度流量的季节内变化具有不同的显著周期。根据这一特征,龙目海峡水体输送可分为150 m以浅和150~300 m两层,其显著周期分别为30~70 d和30~40 d,前者由第二斜压模Kelvin波引起,而后者受第一斜压模Kelvin波影响;翁拜海峡水体输送可分为4层,300 m以浅为准40 d和50~75 d振荡,300~600 m为30~45 d和55~75 d振荡,600~1 000 m为30~40 d、准50 d、60~75 d振荡,1 000~1 200 m为30~40 d振荡以及较弱的20 d以下高频振荡。起源于赤道中印度洋的季节内Kelvin波的传播过程是引起龙目和翁拜海峡海洋季节内变化的重要因素,它在水平向东传播的同时,在垂直方向也会引起位相的传播,且率先抵达深层。据估算,海洋季节内变化从赤道中印度洋传播至龙目和翁拜海峡的速度约为1.59~2.95 m/s,由第一和第二斜压模Kelvin波构成。苏门答腊-爪哇岛沿岸风对季节内Kelvin波的传播也有重要影响。

船行波的三维可视化仿真

从经典的Kelvin模型出发对船行波进行仿真,把船行波积分分为了船首和船尾两部分,并把船首部分的水粘性对船行波的影响考虑进去,使得船行波仿真更加真实。在求解积分方程时采用了收敛速度较快的龙贝格积分法,实现了三维船行波的可视化仿真。实验结果表明该方法可以灵活实现动态、逼真的三维船行波仿真。