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斜压波是中纬度地区的典型的天气系统,其生成的机制是斜压不稳定,其活动性较强的区域就是所谓的风暴路径,在风暴路径中斜压波往往表现为相干波包形式。对斜压波及斜压不稳定的研究包括观测研究,理论研究和模式研究,其中最简单的斜压模式就是所谓的准地转两层模式。
本文利用准地转两层模式,运用数值方法研究模式中斜压波包的发展与维持情况,发现叠加于不稳定基本流场上的小扰动发展经历三个阶段,分别是线性发展阶段,非线性波破碎阶段以及非线性平衡阶段。线性阶段斜压波的振幅远小于基本流场,非线性波破碎阶段斜压波的振幅达到最大并破碎,在非线性平衡阶段,斜压波振幅虽然与波破碎前的极值相比有所减弱,但仍然与基本流有着相同的量级,且维持在一个比较稳定的水平。
本文还扩展了传统准地转两层模式:保留了涡度方程中的相对涡度.散度项,这一项在最后的准地转两层模式中表现为非线性诶克曼泵项和非线性界面项,后者又分为局地变化相关的非线性界面项和平流相关的非线性界面项。通过比较斜压波包在扩展的模式中与在传统模式中的异同,发现在扩展模式中的斜压波包表现出南北不对称性,尤其是在上游区域,北部波包振幅大于南部。同时,由于非线性波流相互作用,急流中心向南移动,斜压波包动能中心与急流中心分离,这一性质与实际大气中的情况一致。
计算表明,平流相关的非线性界面项在所有三项中起主导作用,远大于其它两项的作用,其中非线性界面项效果与三项总效果在定性特征上相反,局地变化相关的非线性界面项的效果与三项总效果在定性特征上一致。模式结果还表明,波包的南北不对称以及急流中心和扰动动能中心分离现象不依赖于初始基本流的形状。