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《推进气象科技创新加快气象事业发展——中国气象学会2004年年会论文集(下册)》2004年
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球面Rossby波的波谱分析

张立凤  张铭  
【摘要】:波动是地球大气中固有的一种现象。其产生、演变和发展直接与大气中的天气、气候变化和异常有关,波动的不稳定发展还可激发出强烈的天气现象。以往对Rossby的研究多在局地直角坐标系中,并得到了许多有意义的结果。但地球大气是在球面上运动,对行星尺度的运动,必须采用球坐标系。此时由于考虑了地球的球面效应,其波谱分布如何?是讨论大尺度天气和气候变化机制时必须搞清楚的问题。二维正压大气是最简单的大气模型,它可以讨论高空槽脊等天气系统的许多动力学过程。本文主要从理论上定性分析了球面正压涡度方程的性质,指出了球面大气中涡旋波波谱分布特征与基流的关系,得出球面—Rossby波出现连续谱的条件是基流角速度存在切变,连续谱的频率范围是[mU_(mmin),mU_(mmax)],在基流角速度为常数时,只存在离散谱。通过数值计算得到了扰动的谱函数,无论基流角速度有无切变存在,离散谱的谱函数在子午圈上都呈波状分布,从流场上看具有全球分布的特征,谱函数可分为两种类型:一类关于赤道呈对称分布;一类关于赤道呈反对称分布。连续谱的谱函数表现为子午圈上的非光滑函数,在某个纬度上出现了跳跃。其结构也可分为两类:一类谱函数表现在南半球西风急流附近,一类谱函数表现在北半球西风急流附近,在这个区域之外谱函数迅速减为零,无论谱函数表现在南半球还是北半球,其不为零的区域都不会越过赤道到达另一半球,这反映了连续谱具有局地性,且不会发生南北半球的相互作用。在计算出谱函数的基础上,按谱函数展开表示的方法,又计算了扰动波包、连续普波包和离散谱波包,指出了连续谱波包和离散谱波包的不同作用。在中高纬度地区,连续谱波包的结构与扰动波包的结构相似,而在赤道附近,离散谱的波包结构与扰动波包结构相似,这说明在两个半球的中高纬度地区扰动主要表现在连续谱上,而低纬度地区扰动主要表现在离散谱上。

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