大气中波与流的相互作用

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第168页（3999字）

是大气动力学的重要课题之一。

1939年，Rossby首先讨论了纬向平均流同驻波之间的关系，指出在弱的纬向平均流时期，半永久性阿留申(Aleutian)低压趋于向西飘移，并且反之亦然。Rossby和Willett(1948)又研究了与波流作用有关的指数循环。Charney(1949)研究了行星波系的垂直传播，指出高层大气对行星波的穿透是极端敏感于平均纬向风结构。1961年，Charney和Drazin等研究低层行星尺度的扰动向高层传播时，提出了非加速原理。

Eliassen和Plam(1961)对波与流相互作用的研究做出了较突出的贡献，他们得到可用于诊断分析的类波扰动对纬向平均流加速的EP通量。自从EP通量引入后，吸引更多的学者关注并从事波与流相互作用的研究。

Andrews和McIntyre(1976)首先推广了EP通量。他们通过引进剩余环流分量V_*和W_*而得到变形后的欧拉方程。

这样做的好处在于能把扰动的热量部分从热量方程中搬进动量方程进行统一处理。

除此之外，另一个原因是，原来EP通量中是一个“病态”条件，因为此项实际计算出来的量级要比尺度分析所得的量小一个量级。

为避免这样“病态”条件的出现，Andrews等推广了EP通量。

在Andrews等推广的EP通量中，主要适用于正压并含有扰动的位移项η′，不便于用资料直接诊断。

为此，高守亭等人(1988)又进一步把EP通量关系推广到斜压大气中，并避免扰动位移η′的出现，可用常规观测资料直接进行诊断。Andrews和McIntyre(1978)再次把EP通量关系扩展到有限振幅的扰动，他们使用了广义的朗格拉日平均(Lagrangian-mean)，得到了有限振幅的非加速原理。总的说来，EP通量关系被扩展成两种类别，其一是适用于小振幅的波动，但含有非守恒效应的广义EP通量；其二是适用于有限振幅的EP通量关系。Edmon等(1980)利用箭头展示了EP通量的垂直剖面，这种剖面图是诊断EP通量辐合、辐散的直观方法。

Plumb(1985)认为EP通量仅是一种纬向平均量。因此它只能诊断纬向平均的沿东西方向和垂直传播的波的特征。

如果资料进行南北平均，并想分析研究波动的南北向传播，纬向平均的EP通量关系失效，需要导出新的诊断关系。为此，他得出一个新的矢量

由于在压力坐标系中，广义EP通量中含有扰动位移项，不易直接用资料进行诊断。

为克服这一不足，Andrews(1983)又把EHM(Edmon，Hoskins &McIntyre，1980)导出的准地转近似下的EP通量矢推广到等熵坐标系中有限振幅的EP通量矢。即把

K．K．Tung(1986)认为在压力坐标系中，由于平均非地转经向流(南北向)的存在，给用EP通量散度去诊断纬向平均流的加速带来困难。但在等熵坐标中这个问题可以避免，于是他给出了等熵坐标系中非地转条件下的EP通量关系。这个关系不限于小振幅、定常态和绝热流。

而后Yang等(1990)又进行了全球性的等熵坐标系中EP通量散度以及等熵混合系数的研究。

在研究波及纬向平均流相互作用的同时，Blackmon等(1977)较早地指出波与时间平均流的相互作用。后来Hoskins等(1983)给出了可以诊断时间平均流加速度的，并用矢量的辐射散与辐合解释了一些遥相关现象。

临界层波动量吸收及波破碎现象也是波与流相互作用的重要内容之一。例如有名的QBO(赤道平流层准面两年振荡)和平流层爆发性增暖现象。Dickinson(1969)研究了远离源区的涡动同纬向风之间的相互作用关系。

他不仅推广了Charney和Drazin(1961)的非加速原理，更主要的是较好地解释了内边界层()附近波与平均流的相互作用。Holton(1975)对临界层的情况进行了研究，并指出，在临界层以下有向上输送动量，且相对于平均流有向东运动的波。

而在临界层以上，有向下输送动量且相对于平均流有向西运动的波。Matsuno(1971)研究了平流层爆发性增强。

并有两个基本特征：其一是向上传播的波从平均流中吸取能量时，平均流减速；其二是，在临界层有波能吸收现象。曾庆存等(1986)对大尺度扰动的演变和波与流的相互作用做了在球面大气上的研究，他指出，在某些条件下，由于旋转适应，非纬向扰动可以完全被纬向流吸收，并指出非纬向能量的吸收依赖于纬向急流的切度和扰动的尺度。

波破碎现象也是波与流相互作用的一个方面。重力波上传在平流层内的破碎以及Rossby波在非线性临界层或者说“缓冲带”(Surfzone)内的破碎都会影响平均流。McIntyre等(1984)研究了平均流内的“缓冲带”。他们指出，“缓冲带似乎是波破碎的主要区域，并为从波产生区到“缓冲带”的净负角动量输送提供了一个物理图像。

这个图像描述了所谓负粘性现象。

除了从动力甚至数值方面研究波与流相互作用外，不少气象学者也进行了天气学和诊断分析方面的研究。Wallace(1979)在研究北半球冬季环流瞬变涡动输送的热量、纬向动量及位涡等量的分布中发现，在急流高度上纬向动量的无旋瞬变涡旋通量要比时间平均流平流动量的无旋通量小得多。Lan(1982)研究了大尺度的瞬变波对时间平均流的作用。

他指出，瞬变涡旋引起的动量和热量的水平输送对时间平均流的影响而言，热量输送一般强于动量输送。G．T．Shutts(1982)指出，即使对阻高的研究，中性涡旋能够通过雷诺应力(即扰动相关量)增援阻高流型，有利于阻高的维持。

尽管多年来关于波与流相互作用的研究广泛而深入，但主要集中在对大尺度系统方面的研究。近来，人们发现波与流相互作用与中尺度系统发生发展有关。

高守亭(1991)发展了一种研究中尺度中波与流相互作用的A-B混合方程法，同时，高守亭等(1991)研究了波能集中与低空锋生的关系。可见对中尺度系统的研究，对了解波与流相互作用也是重要的，这为波与流相互作用的研究开辟了新的前景。

中尺度系统的发展，同基本流的垂直切变大小有很大的关系，而基本流的垂直切变增大又依赖于波与流的相互作用，所以中尺度系统的研究同波与流之间的相互作用有紧密的联系。

另一个重要方面，大气本身是非均匀介质(主要指大气层结和风速的分布不均匀)。这种不均匀造成扰动波的波数在空间中变化，波数的改变又导致波包的群速度变化，结果在某些区域(比如急流的出口区)造成波能的局地集中，在波能集中区，基本流发生局地改变有可能导致强风暴的发展。

除了以上两个方面外，波能串级以及适合中尺度波流相互作用的广义EP通量关系仍是值得研究的。

当前在波与流相互作用中存在的主要难点是，如何找出波能局地集中同局地平均基本流加速的定量关系，这是波与流相互作用同中尺度系统发展相联系的关键。一旦这种关系被找到，中尺度系统的研究将会有重大突破。

总之，波与流相互作用的内容广泛而丰富，可以说涉及到大气动力学的各个方面，所以，对这方面的研究还有待于进一步探索。

。【参考文献】：

1 Dickinson R E. J Atmos Sci, 1969,26:73～81

2 MatsunoT. JAtmos Sci, 1971,28:1479～1494

3 Andrews D CMcintyre M E. J Fluid Mech, 1978,89:609 ～646

4 EdmonH J et al. J A S,1980,37:2600～2615

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9 Gao Shouting. Advan Htmos Sci, 1991,8(2) :165～174

10 高守亭，陶诗言．大气科学，1991，15(2)∶11～21

(中国科学院大气物理研究所高守亭撰)