PDF《斜压不稳定理论的发展历程分析 س》

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4 6 ) F i g .

1 T h em i n i m u mv a l u eo f t h ec r i t i c a lw a v e l e n g t hp r o p o s e db yH a u r w i t z( J a w,

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4 6 ) 之后, 为了克服水平无辐散假设的主观局限性, 赵九章又利用连续方程中的密度变化引入辐合、 辐 散项, 得出该假设条件下的波速和临界波长.并指 出, 加入辐合、 辐散项后所计算出的移动速度和临界 波长相对于假设无辐散的状况下仅减小1 0%左右, 故辐合、 辐散对扰动发展的影响不大.因此, 后面的 推演均忽略了与散度项有关的项, 以致推导出的部 分结果与实况不符. 在论文的最后, 赵九章重点讨论了能量转换的 问题.首先考虑了热量和质量的输送与能量转换的 联系, 并指出, 在不稳定扰动的情况下, 即暖空气北 上、 冷空气南下发生大尺度混合时, 南北向气流的动 能增加.水平力管场的作用是通过改变涡度或产生 风切变来引起系统的不稳定.如果将大气看作不可 压缩流体, 那么温度的经向分布相当于在北边有一 个高密度系统、 南边有一个低密度系统.当密度通 过混合变得相等时, 系统的势能不再能通过混合过 程发生改变, 这时南北向气流的能量不能从水平力 管场获得.之后, 又考虑了动量输送对西风环流的 影响: 在大尺度混合过程期间, 西风动能减小, 经向 环流的动能通过纬向环流能量的消耗获得.此外, 赵九章还指出当南北向的相互交换较大时, 西风气 流的速度将减小, 而当相互交换较小时, 西风气流的 速度将增大.这一思想在当时是完全超前的. 2.

2 斜压不稳定理论的建立和发展 2. 2.

1 查尼建立斜压不稳定理论 被国际大气科学界认可的斜压不稳定理论的建 立者是美国气象学家查尼.查尼在1

9 4 0年之前一 直在学习数学和物理,

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4 1年成为美国加州大学洛 杉矶分校教授 H o l m b o e的助手后, 才真正开始接触 和学习气象学( 贾朋群,

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0 2) .查尼对斜压不稳定 理论的研究始于他的博士论文《 斜压西风气流的长 波动 力学》 ( T h ed y n a m i c so fl o n g w a v e si nab a r o c l i n i cw e s t e r l yc u r r e n t ) ( C h a r n e y ,

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4 7) , 在这篇 文章中, 他将自己的数学天赋与对大气科学的深入 理解进行了很好地结合.这篇文章发表于《 J o u r n a l o fM e t e o r o l o g y 》

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4 7年第4卷第5期, 首次对中纬 度气旋的发展给出了令人信服的物理解释.这项工 作弥补了长波扰动研究中对于纬向气流垂直切变和 地球角速度垂直分量考虑不足的问题, 给出了一个 更加接近实际大 气状 况的解决 方案.在 研究过程 中, 查尼将大气扰动方程简化为一个可以求解的系 统, 推导出大气稳定状态的判据, 并发现中纬度西风 带会发生连续的动力不稳定.在此基础上, 查尼进 一步研究了不稳定波的特性, 发现不稳定波在很多

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3 张 萌等: 斜压不稳定理论的发展历程分析 方面与观测到的大气扰动非常相似: 一般向东传播, 并和纬向气流的速度相近, 这些波动体现出热力的 不对称性, 波型随高度向西倾斜等. 查尼从原始方程组出发, 提出可以将实际气流 看作是基本气流=( ) 叠加上一个微小扰动, 并 指出计算时滤除不重要的波非常有意义, 这样就能 获得可以求解的方程组.他运用尺度分析的思想, 通过近似分离出重力波和声波, 仅留下长波分量, 最 终得到一组准地转方程.他指出, 准地转假设和滤 波假设是等价的, 可以从大气运动问题中滤去 气象 噪声 , 从而使问题得到极大简化. 查尼还求出了纬向风切变的临界值, 指出当风 切变超过该临界值时, 波动将变得不稳定, 且不稳定 性随着切变的增强越发显著, 而波的稳定性与地面 纬向风速没有关系;