静力适应过程中波流相互作用

The theory of the barotropic geostrophic adjustment process and the baroclinic geostrophic adjustment is very mature. Some achievements have been made in the hydrostatic adjustment process theory with the stationary basic airflow. But the impact of the vertical shear of the basic airflow on the hydrostatic adjustment process is still an open problem. The solution of this problem is of great theoretical significance to improve the mechanism of the hydrostatic adjustment process. Firstly, by taking into account the hydrostatic adjustment equations with the basic westerly air flow, the multi-scale analysis method and WKBJ method is used with the slowly varying wave packet model. The corresponding dispersion equation, phase velocity, group velocity, amplitude evolution equation and wave action equation are derived. The wave-current interaction problem how the vertical shear of the basic airflow affects the wave characteristic, energy exchange, wave action, momentum and heat transportation is analyzed, and compared with the corresponding problem of the hydrostatic adjustment process with the stationary basic airflow. Finally, a complete description of the influence mechanism of the basic airflow on the hydrostatic adjustment process is given. It lays a theoretical foundation for perfecting the mechanism of the hydrostatic adjustment process.

正压地转适应过程和斜压地转适应过程理论已非常成熟，基态为静态情况下的静力适应过程理论已有部分成果，但基本气流垂直切变对静力适应过程的影响仍是一个开放的问题，该问题的解决对完善静力适应过程机理具有重要的理论意义。本项目首先通过考虑基本西风气流的静力适应方程组，采用多尺度分析方法和WKBJ方法，在缓变波包模型下，推导相应的频散方程、相速度、群速度、振幅演变方程和波作用量方程等，分析基本气流的垂直切变对静力适应过程的波动特征、能量转换、波作用量、动量和热量的输送等波流相互作用影响问题，并和静态情况下静力适应过程相应问题进行比较，最终给出基本气流对静力适应过程影响机理的完整描述，为完善静力适应过程机制奠定理论基础。

热对流伴随着静力适应过程，即声重力波的频散，从而达到静力平衡。为揭示静力适应过程的适应机理，研究了基本气流存在垂直切变时静力适应过程中的波流相互作用问题。主要研究了非静态大气静力适应过程的数学模型，构造常数型、线性切变型、反气旋切变型和气旋切变型四种水平基流垂直分布，导出了波动频散方程、相速度方程和群速度方程，并分析存在水平基流垂直切变时大气静力适应过程中波动的响应情况。发现当垂直折射指数大于零时，基本气流垂直切变的存在，不仅改变了波动频率的大小，而且改变波动的方向；气块的运动轨迹呈椭圆形，水平基流及其垂直切变影响椭圆的扁率，同时也影响扰动物理量之间的偏振关系；水平基流的垂直切变是扰动能量和水平基流能量发生转换的媒介，当存在垂直向上的动量输送时，正的垂直风切变对应扰动能量的衰减，水平基流能量的增加，负的垂直风切变对应扰动能量的增加，水平基流能量的衰减；对于水平基流呈反气旋切变型和气旋切变型，扰动发展的波动垂直结构为急流轴上方波动等相位线自下而上向西倾斜，急流轴下方波动等相位线自下而上向东倾斜，反之亦然。在基本气流垂直切变的扰动方程组基础上，导出了扰动动能方程、扰动有效势能密度收支方程和扰动弹性势能密度收支方程，分析了能量转换的机制，发现静力适应过程中扰动能量以有效势能、有效弹性势能、动能的形式存在并相互转换；扰动有效势能与其他形式能量之间的转换与混合声重力波或者重力内波有关，扰动有效弹性势能与其他形式能量之间的转换与声波有关。研究了初始扰动对静力适应过程中物理量场适应方向的影响；从能量分配和转换的角度探讨了静力平衡破坏后大气运动的物理本质。研究发现垂直气压梯度场和密度场、垂直气压梯度场和水平流场ｕ分量之间相互适应的因果关系受波动螺旋结构、水平基流及初始扰动性质等因素的影响。也研究了垂直变量配置对静力适应过程的影响。这些成果对完善静力适应过程机理具有重要的理论意义。