大气Rossby波动力学的研究进展

台风螺旋雨带———涡旋Rossby波Ξ余志豪(南京大学大气科学系,南京,210093)摘 要 台风中的螺旋云雨带是由多种探测手段被观测到的现象,是为大家所共识的不争事实。

但是,对它的形成、维持的理论解释,虽有多种学说,一直以来人们都倾向于重力惯性波说。

而重力惯性波说有一个致命的弱点,即波的相速理论值为101m/s量级,它要比螺旋云雨带实测移速只有100m/s几乎大一个量级。

于是从前几年开始,人们又回到30多年前提出的涡旋2Rossby波说那里去寻找合适的解释。

经典的Rossby波是β=(d f/d y)作用的大尺度波动,而适用于台风中螺旋云雨带的涡旋———Rossby波乃是f平面(β=0)上的中尺度波动。

那末,对这两类尺度不同和成波机理不同的波动,何以均冠予Rossby波一词?本文试图从动力学等价原理上,对此作统一联系的说明。

其结果是:台风基本气流的涡度 ζ随径向(r)变化的梯度d ζd r =1r99r(r vλ),在动力学上等价于科氏参数f随纬度变化的梯度即β=d f/d y;或者说它们在绝对涡度守恒的前提下,作为波扰动的成波机理是等价的。

关键词:台风,螺旋云雨带,涡旋Rossby波。

1999年12月在苏州召开的十一届全国热带气旋科学讨论会(文集50～51页)及2001年4月在扬州召开的第五届全国动力气象学术会议,学者王玉清博士的两次报告对台风中螺旋雨带均提到了可用涡旋Rossby波来解释,但在这两次会上有教授对此质疑。

分歧的焦点是Rossby波的基本概念。

此概念在动力气象教科书中是属经典内容,给人很深印象。

然而在近代大气科学进展中,Rossby波概念已被“借用”或延伸扩展。

此Rossby波已非彼Rossby 波,但两者在成波机理方面仍有其一定的等价性。

还有一个原因,是很长一段时期来台风螺旋雨带几乎都是用重力惯性波来说明的。

这表明大气科学高等教学内容,要及时反映这些新发展,不能墨守Rossby波固有的概念,要注入新的学术含义。

罗斯贝和大气长波理论罗斯贝(Carl-Gustav Rossby), 1898年12月28日生于瑞典斯德哥尔摩。

他的第一个学位是在斯德哥尔摩大学获得的。

一开始他主修数学和物理，于1818年获得理论力学基础学位(Kandidat)。

随后，他到当时的气象圣地挪威的卑尔根师从威廉.皮叶克尼斯学习气象学。

1921年他又随皮叶克尼斯去德国莱比锡大学学习一年，1922年回国，并在瑞典气象水文局谋得一个职位。

随后三年，他参与了在扬马延岛(位于格陵兰岛和冰岛之间)、环不列颠群岛、葡萄牙以及马德拉群岛的海洋科学考察活动。

同时，他还在斯德哥尔摩大学继续学习数学物理，1925年获得副博士学位(Licentiat)。

1926年罗斯贝访问美国，并加入位于华盛顿的美国天气局，继续做气象科学研究。

其间，他先后发表了几篇有关大气湍流和平流层动力学的重要论文。

与此同时，他还在加利福尼亚的一个试验基地组建了美国第一个航空气象台。

1928年他又在麻省理工学院组建全美第一个大学层次的气象专业。

不久，他成了该校的一名正教授。

他在麻省理工学院一共工作了11年，主要从事气象学教学和科研工作。

他的科研主要集中在气团热力学，大气和海洋湍流，海气边界层相互作用等领域。

后来，他逐渐将研究重点转移到大气的大尺度运动，在研究大气环流的时候引进了涡度和动量等基本概念。

1939年他离开麻省理工学院，再次加入美国天气局，成为该局主管研究工作的主任助理。

1940年，他应邀担任芝加哥大学气象系主任。

在此期间，他提出了著名的大气长波理论。

二战期间，他还为美国军方培训了许多军事气象预报员。

战后，他为芝加哥大学吸收了一大批杰出的气象研究人才，并在数值天气预报方程的构建中发挥了重要作用。

为了响应故乡的召唤，当时已经加入美国国籍的罗斯贝毅然返回瑞典。

1947年当他回到斯德哥尔摩后，立即作手为母校组建了一个新的部门，斯德哥尔摩大学气象研究所，并担任所长。

这个气象研究所具有很强的国际背景，她受瑞典、美国以及象联合国教科文组织，国际大地测量学和地球物理学联合会等许多国际机构的资助。

大地形激发的准静止行星波（定常波）天气学分析假定平直（均匀）西风气流爬越南北向山脉，如果气流没有水平切变（即初始时ζ= 0），大气层结是稳定的，且运动近于干绝热过程，则这种运动可视为垂直位涡守恒（如图1）即：++==constf f h h ζζ前前后后后前图1 西风气流过山形成的背风槽（a ）纬向剖面（b ）水平面气流爬越山脉时，迎风坡有地形强迫产生的上升运动，气柱厚度h 减小，则相对涡度ζ应随之减小。

因为初始时相对涡度ζ=0，这时应有ζ< 0，因此气流便产生反气旋式曲率，则空气将转向南运动；下山时，气柱厚度h 增大，相对涡度也增大，即上山时具有的反气旋式曲率减小。

若山脉是对称的，则上山过程的作图2 西风气流过山形成的背风槽示意图用被下山的相反作用所抵消，则在背风坡山脚，ζ恢复为零。

但是因为气流过山的全过程是反气旋路径，因此到达山脚时，气流已位于初始纬度0ϕ之南（即位于1ϕ维度），ƒ比初始时小，所以ζ必须比原来大（即下山时ζ增加的幅度大于上山时ζ减小的幅度），则在山脚变为正涡度，气流轨迹应为气旋式弯曲，即向北运动。

当气流返回到初始纬度0ϕ时，ζ应该回复到初始状态，即ζ=0.但是由于惯性作用（此时h=const ．，则位涡守恒→绝对涡度守恒），气流将继续向北运动→ƒ增大→ζ减小→反气旋式弯曲，到达一定纬度2ϕ时，气流又转向南运动……（重复上述过程）。

这样，山脉背风坡形成一系列的槽脊，但是由于摩擦作用，只有第一个槽在天气图上最清楚，称为背风槽或地形槽（见图2）。

由于是气流爬越山脉时为保持位涡守恒而形成的槽，故又称为地形Rossby （罗斯贝）波。

动力学理论数学推导据图3分析：假定平直西风爬越南北向山脉，气流无水平切变（即初始时ζ= 0），大气层结稳定，运动近似于无摩擦、干绝热过程。

过山前（0x <），有一均匀西风u ，气层厚度为H ，相对涡度00ζ=； 过迎风坡山脚（=0x ）后（0x >），由于存在山脉，设山脉高度为s h ，则气层厚度为s H h -，相对涡度00ζ≠。

动力气象学知到章节测试答案智慧树2023年最新南京大学绪论单元测试1.不同于普通流体，地球大气有哪些基本特征?参考答案:受到重力场作用;旋转流体;具有上下边界 ;密度随高度变化2.中纬度大尺度大气运动的特点包括参考答案:准水平无辐散;准地转 ;准静力 ; 准水平3.以下哪种波动的发现及其深入研究，极大地推动了天气预报理论和数值天气预报的发展？参考答案:Rossby波4.动力气象学的发展与数学、物理学及观测技术的发展密不可分。

参考答案:对5.大气运动之所以复杂，其中一个原因是其运动具有尺度特征，不同尺度的运动控制因子不同。

参考答案:对第一章测试1.以下关于惯性坐标系，错误的说法是参考答案:惯性坐标系下测得的风速是地球大气相对于旋转地球的相对速度2.关于科里奥利力，以下错误的说法是参考答案:在全球大气的运动中，科里奥利力均使得大气运动方向右偏3.物理量S(x,y,z,t)能够替代z作为垂直坐标需要满足哪些条件参考答案:需要满足一定的数学基础和物理基础;S与z有一一对应关系;要求S在大气中有物理意义4.通过Boussinesq近似方法简化大气运动方程组，可得如下哪些结论参考答案:垂直运动方程中与重力相联系的项要考虑密度扰动作用;连续方程中可不考虑扰动密度的影响，与不可压流体的连续方程形式相同;大气密度的扰动变化，对垂直运动有较大影响5.Rossby数的物理意义包括参考答案:Rossby数的大小可用于划分运动的尺度;表征地球旋转的影响程度;判别相对涡度和牵连涡度的相对重要性第二章测试1.下面哪些变量可以描述大气旋转性特征参考答案:螺旋度;环流;涡度2.在什么情况下，绝对环流是守恒的参考答案:正压无摩擦大气;绝热无摩擦大气3.对于中纬度大气的平均状况而言，从对流层低层向上到平流层，位势涡度会发生怎样的变化参考答案:位涡在对流层顶附近会迅速增加4.对大尺度运动，引起绝对涡度变化的量级最大的项为参考答案:散度项5.通常在大气中，非绝热加热在热源上方和下方分别会产生哪种位涡异常参考答案:负，正第三章测试1.地转偏差随纬度和季节变化的特征有参考答案:夏季比冬季大;在低纬度地区相对较大;在大气低层相对较大2.下列关于地转偏差的表述正确的是参考答案:在北半球与加速度方向垂直;与加速度项成正比3.下面哪项不是地转偏差的组成项参考答案:气压梯度项4.下面关于地转适应和地转演变的说法错误的是参考答案:地转演变可以看成线性过程5.以下正确的说法是参考答案:流场和气压场相互调整，使得大气恢复准地转平衡的过程称作地转适应;纯地转运动是定常运动第四章测试1.浪花云是由两种不同云层的切变不稳定导致，以下说法正确的是参考答案:快速移动且密度较低的云层在速度较慢且密度更高的云层上方2.小扰动法的基本气流一般取为沿纬圈平均的速度场，若考虑斜压切变气流，这一速度场应取为参考答案:y和z的函数3.以下哪些条件可以滤去重力内波参考答案:水平无辐散;中性层结大气;f平面上地转近似4.关于Rossby波的频散强度，以下正确的有参考答案:大槽大脊频散强;低纬频散强5.由一维线性涡度方程∂ζ⁄∂t+βv=0讨论Rossby波的形成，对初始只有v=Vcos(kx)的南北风谐波状扰动，以下不正确的是参考答案:x=0处的运动状态将被其左侧的运动状态代替第五章测试1.如果扰动随时间增长，那我们称这个扰动为参考答案:发展2.斜压不稳定中，扰动发展的能量来自参考答案:有效位能的释放;基本气流的动能3.若采用标准模方法分析稳定性，设扰动方程单波解为，以下哪个参数影响波在x方向上的传播速度。

1.简述ENSO现象赤道太平洋海面水温的变化与全球大气环流尤其是热带大气环流紧密相关。

其中最直接的联系就是日界线以东的东南太平洋与日界线以西的西太平洋—印度洋之间海平面气压的反相关关系，即南方涛动现象（SO）。

在拉尼娜期间，东南太平洋气压明显升高，印度尼西亚和澳大利亚的气压减弱。

厄尔尼诺期间的情况正好相反。

鉴于厄尔尼诺与南方涛动之间的密切关系，气象上把两者合称为ENSO（音“恩索”）。

这种全球尺度的气候振荡被称为ENSO循环。

厄尔尼诺和拉尼娜则是ENSO循环过程中冷暖两种不同位相的异常状态。

因此厄尔尼诺也称ENSO暖事件，拉尼娜也称ENSO冷事件。

2. 气候动力学的任务、特点和方法气候动力学是以地球流体力学和大气环流动力学为基础，是大气科学与海洋学等地球科学和物理学、数学以及计算机科学相互交叉的一个前沿学科。

它和当代大气环流以及大尺度、长期动力过程理论的发展越来越紧密，在很多方面都已很难严格定义气候动力学、大气环流和大尺度动力学之间的区分和差异，实际上它们是相互联系、相互渗透的大气科学动力学理论中极为重要的部分。

了解异常气候的变化规律和形成机制，并对异常气候作出较为可靠的预测，己成为各国政府做出决策和社会发展所必要的重要条件。

对这些问题的研究和解决是气候动力学的重要任务和目标。

当代气候的主要特点：1) 经典气候把气候当作静态来研究，因此常用多年“统计平均”来描述气候状态；而当代气候认为气候是不断变化的，因此，研究某个地区或全球范围的各种时间尺度的气候变化是当代气候的主要任务之一。

2) 在当代气候中引进了“气候系统”的概念，气候系统的子系统包括大气、海样、冰雪圈、陆地表面(岩石圈)和生物圈。

因此，气候的形成和变化不仅是大气内部的状态和行为的反映，而且也是气候系统各子系统相互作用的结果。

3) 在研究方法上经典气候主要采用统汁方法和定性描述方法；而当代气候则要求对气候系统进行定量观测和综合分析，并对气候形成和变化的动态过程进行理论研究和数值模拟。