大尺度大气动力学
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527页（5158字）
大气运动的不稳定性问题，是一个经典而又困难的问题。
非传统的不稳定性理论近年来有了较大发展。Arnold(1965)提出一种的变分方法来求不稳定性判据。Arnold(1965)和Dikii(1965)给出了二维无辐散模式的带状流或常定曲线的不稳定性判据。
Blumen(1968)给出了三维带有等熵下垫界面的地转模式的不稳定性判据。
McIntyre等(1987)对这一理论方法作了推广，Shepherd(1988、1989)应用Arnold的不稳定性定理，提出了正压和斜压－基流非线性的普遍关系式。曾庆存(1979、1985、1986、1990)将Arnold的定理推广为大气运动中普遍的不稳定的变分原理。
得到包括正压或斜压，分层或连续模型，准地转或原始方程组，带状或非带状基流，定常或非定常基流等各种可在大气模式普遍适用的不稳定性判据。特别是他第一次得到了关于非定常流、地形扰动和非地转流的不稳定性判据，具有重要意义。
纬向非均匀气流的稳定性问题正成为大气动力学研究的一个热点，这需要广义的时间正交模理论来处理，近年来提出了不稳定理论及模式结果分析的新的论点。即非纬向气流的不稳定度依赖于绝对不稳定度的存在(Merkine，1977、1978、Farrell，1983)。Pedlosky(1989)进一步研究了纬向非均匀气流的不稳定动力学特征。
Farrell(1985、1988、1989)指出，由含Ekman摩擦的Eady和Charney模式的初值问题的解表明，对于气旋空间尺度和真实的垂直湍流粘性系数值，扰动有大的瞬变增长，但所有的标准模指数衰减。
这意味着指数不稳定一般不能解释中纬气旋尺度扰动的发展。Valdes和Hoskins(1988)则认为，即使含有Ekman摩擦的实际大气纬向平均状态对标准模也是不稳定的，并肯定了Farrell注意初值问题的意义。
他们认为对单个系统，初值问题和非标准模增长问题是十分重要的，他们得到初始瞬变增长率在初始1～2d中比较标准模增长率大两倍。Farrell(1989)则认为他们的e折叠时间尺度为132s不恰当。
看来，单个系统的初始瞬变增长，或非标准模的增长问题已成为当前研究气旋生成机制的一个很重要研究方向。在研究动力学非指数增长的扰动发展时，进一步探讨不稳定理论是很有意义的，这种扰动与变形场有关，一般积分约束条件，观测研究和模式研究一样可用于推广和发展新的设想。这种设想包括与非标准模形式的波动有关过程，在波动和大气环流的能量学中，这种暂时增长的作用，以及它与传统的标准模增长的关系值得进一步研究。
叠加在基流上的小扰动的演变过程是一个经典的理论问题。
长时间以来，人们特别注意其中的运动失稳问题，并创造了标准模求解法，但Case(1960)和Burger(1966)指出，只有当基流为零时，对应离散谱函数才是完备的；而当基流不为零时，对应于离散谱的谱函数(特征波动)可能是不完备的，仅有离散谱的线性组合，不能表示任意的扰动。曾庆存(1979、1982、1983)、卢佩生(1981)、陈久康(1980)，为了克服这一困难，改用波包表示法，指示出扰动发展与否的普遍性判据，以及波幅、波长、波速随时间变化的规律性。
陈久康(1980)还提出了β效应随纬度变化对波演变的影响，首次提出了δ效应问题。杨惠君(1987、1988、1989)采用δ平面近似，系统讨论了δ效应对Rossby波包的演变影响问题。
曾庆存、卢佩生等(1986、1990)采用更通用的方法，研究了线性准地转模式、线性原始方程模式的谱及相应的标准波动的性质和结构，给出了正压原始方程连续谱的表达式，并指出在波一流相互作用中连续谱占有重要地位。
Hoskins等(1981)研究了球面大气对热力和地形强迫的定常线性响应。
黄荣辉等(1982)给出了球面34层准地转模式对大地形和定常热源的响应。Alpert(1983)、Jaegmin和Linden(1985)、Lin(1983)认为，运用线性理论就可以得到定常波动的主要特征。
Nigan等(1986)通过精密的大气环流模式研究，证明了线性理论的适用性，并指出了它的缺陷。雷兆崇(1988)研究了球面多层原始方程模式对大地形和热力强迫的线性和非线性定常响应。
认为在纬向平均基本气流相对较弱的区域和层次上，非线性响应与线性响应有明显大的差异。30°N以南的热带区域加热场对中高纬行星波有重要影响，但不如热带外区域加热场及地形动力强迫作用影响大。
Linden(1986)也曾对热带加热在强迫高纬定常波中起着主要作用提出质疑，认为PNA型只能说明行星波变化的18%，显然，PNA中热带部分忽略后，并不会对行星波的变化有大的影响。
Eliassen和Palm(1960)、Charney和Drain(1961)提出了关于平均气流和波动相互作用引起平均场变化的无加速理论。
这一理论由于Andrews和McIntyre(1976)引进准格朗日意义下的平均气流转换方程和定义新的E－P通量以及余差环流而得以广泛推广。Edmon、Hoskins和Melntyre(1980)将无加速定理推广到任意振幅的扰动，并借此研究定常涡旋和瞬变涡旋对平均气流的作用。
Stone和Salustri(1984)则定义E－P通量，同时证明湿空气中的无加速定理。Andtrews(1983)、Plumb(1985、1986)则把E－P通量概念推广到三维的情形，并讨论了波与非纬向对称流相互作用守恒定理。Pfeffer(1981)曾把郭晓岚(1956)的平均经圈环流方程引进波－流相互作用的研究中，从而考虑了波－流相互作用时，次级环流的影响。吴国雄(1989)采用类似处理方法，提出了原始方程中的无加速定理。该理论还推广到湿空气中，得到有无凝结作用时，E－P通量有很大不同。
近年来长期天气过程物理机制的研究日益深入，特别对北半球三维遥相关及其物理机制作了不少研究。
Wallace等(1981)发现了北半球冬季5个遥相关型，Hoskins与Karoly(1981)把叶笃正所提出的Rossby波频散理论推广到球面大气中，提出了“大圆路径传播理论”。黄荣辉等(1982、1983、1984)利用波的折射指数平方与E－P通量系统地研究了准定常行星波的传播规律，特别是提出了两支波导，引起国内外重视。陆维松(1989)直接从物理直观导得球面上定常波传播的普遍方程。由于准定常行星波在球面大气中的传播，某区域大气环流异常会引起另一些区域大气环流的异常。
Moura和Shukla(1981)、Keshavamurty(1982)、Shukla和Wallace(1983)、Tokicha等(1985)利用数值模拟方法研究了PNA遥相关产生机制，赤道东太平洋海表温度异常增暖，将会引起北半球PNA型大气环流的异常。Gambo、卢理和李维京(1987)模拟了热带大西洋海温异常对北半球欧亚型环流异常的作用，Nitta(1987)、黄荣辉等(1987、1988)从观测和数值模拟指出，西太平洋海表温度异常增暖所引起的菲律宾周围的对流活动异常活跃，会引起盛夏东亚上空西太平洋副高加强和北半球夏季环流异常，黄荣辉等(1985)还模拟了青藏高原夏季热源异常对北半球大气环流异常的作用。
Simmons、Wallace和Branstator认为即使没有发生厄尔尼诺现象，也可能由于纬向非均匀气流的正压不稳定引起PNA型。王国民和黄仕松(1989)通过数值试验提出，时间平均环流的空间结构对低频波的结构特征有重要影响，在急流区上游，低频波沿西北－东南向波导向副热带频散，而在急流出口区，则出现PNA型遥相关。
对于阻塞这种现象，国际上举行了专题研讨会，主要有波－波相互作用，波－流相互作用，外部源、汇作用，线性共振作用等形成阻塞的机制，这是全局性的。另一方面，还有从局地性的孤立子和偶极子来讨论阻塞的形成和维持。
在波一波相互作用中，Egger(1987)、Wiin-Nilsen(1986)等提出自由波与地形波非线性共振相互作用是产生阻塞的主要机制，陆维松(1989)提出波的非线性准共振可能产生阻塞，并指出准共振的频率偏离与中纬低频振荡有关。在波－流相互作用中，Kalnay-Rivas和Merkine(1981)提出基流纬向非均匀性产生的不稳定，可能激发背风波列的形成，从而使得阻塞产生。
Simmons(1983)利用真实纬向非均匀的基流得到其不稳定模对应低频波列。在研究阻塞的许多工作中都包含了外部源汇作用。
Linden和Tung(1979、1986)提出了波动与大地形线性共振即可产生阻塞，而Chamey等(1979)开创的多平衡态与阻塞也可看作有外源下基流与波的相互作用。
中国朱抱真、朱正心强调了热力作用在产生阻塞作用。
纪立人则引入大地形作为强迫项直接研究阻塞。在局地观点中，一种是偶极子，自从Stern(1975)首先提出偶极子解以来，Mcwilliams、Flierl(1980)等将偶极子用于解释阻塞的形成。
为了解释偶极子的成因，Shutts(1983、1986)提出了瞬变涡旋与局地非线性“自由模”——偶极子型的共振是阻塞形成的重要机制。Pierrehumbert等(1984、1985)、Read(1985)也强调这种大尺度涡旋的强迫作用。
另一种是孤立波，Malgui和MalanotteRioli(1984、1985)详细研究了弱非线性Rossby波孤立波作为理想阻塞模型，提出涡旋强迫机制维持孤立波。
为了说明偶极子和孤立子这样的定常解的激发机制，Hou和Farret(1986)从数值试验和理论分析得到，在无粘Couette流中的一个有限振幅正压波能演变为准定常的永形波。
这表明准定常状态能够从缺少直接强迫力的初始条件的区域中产生。他们认为，一个有限振幅波与平均流相互作用能够产生定常解，这是从初值激发闭合的非线性偶极子和孤立波的可能机制。Young(1987)进一步提出，定常解的形式取决于能量与动量平方之比：e=EM2。当此参数e小于临界值，最小位涡拟能值解是平行流，而当e大于临界值，最小位涡拟能值解是有限振幅Rassby波。此时能量、环流和动量均为常数。值得注意，上述Hou和Farrell的解使用了不适当的通道长宽比，但若利用这个不适当的长宽比，其最小位涡拟能值解可能是平行流。Butchart等(1989)利用位势函数A=dq／dΨ将弱非线性的孤立子与强非线性的偶极子联系起来统一考虑，函数A提供了这两种孤立相干结构的共同的动力学特征。中国巢纪平等(1980)用非线性椭圆余弦波解释阻高；刘式达、刘式适(1982、1989)用孤立波来解释阻塞形势；罗哲贤(1989)也作了强迫耗散孤立子与局地阻塞的研究。
吕克利(1988)的研究认为，基本气流的经向切变对西风带中Rossby孤立波的形成具有重要作用，较强的切变则能形成类似于阻塞高压的流型。
已经证明，Rossby波也会像重力波一样，有类似的波破碎现象(McIntyre和Palmer，1984)，为了探索这种可能的现象，已经分析了中层大气资料(Leory等，1985)。Warn(1976)、Warn和Stewartson(1978)提出了非线性对临界层的作用，得到SWW解。
Killworrt和McIntyre(1985)利用SWW解得Rossby波的破碎，并研究了Rossby波的临界层的吸收、反射和超反射问题。
Maslowe(1986)对切变流中非线性临界层研究的进展作了综述。Held等(1987、1989)提出了球面上正压和斜压切变流上扰动的线性和非线性衰减，在非线性和耗散两种作用下，临界层附近Rossny波破碎，且有可能产生反气旋。
非线性临界层和Rossby波的破碎是当前大气动力学的一个很活跃的研究方向。
(南京气象学院陆维松、陈久康撰)