何谓罗斯贝波

 

      罗斯贝波(Rossby wave),

        由于地球的转动和地球曲率而使位涡在深度和纬度上产生改变，这一改变导致一种非常慢的大尺度振荡，即罗斯贝波。从对流层的中下层到平流层的低层均可见到，是行星锋区中的一种长波的扰动。目前已知罗斯贝波对平流层有较大的影响。

      一种低频长波。地球自转角速度的铅直分量（行星涡度铅直分量之半）随纬度的改变或海底的倾斜，都是形成罗斯比波的条件。大洋平均深度一般只有 4公里，而罗斯比波的水平尺度，至少具有百公里的量级，故属长波。由海底坡度形成的罗斯比波，又称地形罗斯比波，其波长的量级约为百公里。这种波往往出现在陆架或大陆斜坡附近的海区。若不考虑海水的粘性和层结效应，则罗斯比波的水平流速和深度无关，这时任一铅直水柱在运动过程中都恒保持铅直，且其位势涡度守恒。为了说明罗斯比波的成因，可在北半球大洋中同一纬度上任意选择3个相邻的铅直水柱A、B和C。设大洋为平底的，且忽略洋面水质点的铅直运动。若 B柱在某瞬间受到某种扰动而北移，则它在新的位置上将获得一个行星涡度的增量，且必然出现一个负的相对涡度，以满足位势涡度守恒,故围绕着B将产生一个顺时针的环流。此环流将导致水柱A和C分别向北和向南移动。类似地围绕着A和C将分别产生顺时针环流和逆时针环流；并且这两者的环流都有使水柱 B向南移回原始位置的趋势。但由于海水的惯性，B将超过原始位置而南移,如此周而复始地振荡，就形成了罗斯比波。由此可见，它的形成取决于行星涡度梯度，而重力并非它的恢复力。罗斯比波的圆频率小于惯性频率（科氏参量），其水平流速场和压强场满足准地转关系。由行星涡度梯度形成的罗斯比波的传播速度，只有偏西的分量。忽略水面质点铅直运动的罗斯比波，称为“无辐散罗斯比波”，而计及洋面水质点振动的罗斯比波和无辐散罗斯比波相比，由于引入了重力效应的修正，在同样的波数下，其频率略为降低，可称为“辐散罗斯比波”。就相位而言，虽然罗斯比波是向西传播的，但其能量的传播速度（群速）却可能有向东的分量；特别是当波数向量在南北方向的分量为零时，其群速恒与相速相反；前者向东，后者向西。一般来说,对于较短的罗斯比波，群速有向东的分量,而对于较长的罗斯比波，群速有向西的分量。由于群速和相速不等，故罗斯比波属弥散波。有岸界存在时，会引起这种波和波群的反射，其特点和岸界的走向有关。以西边界的反射为例，其主要特征是：反射波和入射波的频率相等，波数向量的南北分量相等，反射波和入射波的流速的东西分量相等，反射波和入射波的平均能流量相等。

     上述结果，可以直接推广到地形罗斯比波，只要假定海底坡度颇小，并注意到在北半球海洋中浅水位于底形罗斯比波传播方向的右侧、而在南半球则相反即可。

      实际大洋中海水密度的层结效应，使罗斯比波失去了二维性，即在铅直方向上表现为不同的结构；而后者主要取决于布伦特－韦伊塞莱频率的铅直分布和波型的“阶”。事实上，在层结大洋中传播的罗斯比波包含各阶波型,其零阶波型即密度为恒量的无辐散罗斯比波,称为无辐散的"正压罗斯比波”，其他高阶波型统称为“斜压罗斯比波”。若以一个相应于该阶的斜压波型的“当量深度”代替大洋的深度，则上面给出的正压罗斯比波的结果，也适应于层结大洋中的各阶斜压罗斯比波。当量深度并非大洋的真实深度,它仅为和布伦特-韦伊塞莱频率的平方成正比且具有长度因次的当量而已。应当指出，层结大洋和密度均匀的大洋不同，上述由行星涡度梯度形成的斜压罗斯比波的结果，不能推广到与之相应的斜压底形罗斯比波的情形。在实际海洋中，行星涡度和海底地形都是变化的，所以这两种成因应同时加以考虑。

     海洋中的罗斯贝波理论，应用于大洋环流动力学的研究,特别是对于海洋的中尺度涡、大尺度湍流(地转湍流)和各种大尺度和中尺度运动的相互作用的研究,其中有关罗斯比波和大洋环流的关系、罗斯比波和陆架拦获波的相互作用，非线性罗斯比波的理论和数值模拟的研究，已成为海洋动力学和地球流体动力学研究中非常活跃的课题。

 

      罗斯贝波是一种行星波。不考虑海水的非均匀性和可压缩性的罗斯贝波称为正压的，其波长可达几百千米。考虑了海水分层的罗斯贝波称为斜压的。斜压的罗斯贝波只能从东向西传播。' a2 d2 P3 `) a

开尔文波：7 \9 k( P* ?: h- u

      是罗斯贝波的反向过程。$ @7 C) B: Y+ i9 H! ]' ^! ^1 |

      例如在厄尔尼诺现象中，就存在着这2种波动。' n7 ?. X' w4 `5 Z

      演示的厄尔尼诺简化模型表明了能量在海洋中传播过程中的不同波动的作用。1 S$ w4 U% C( y9 ?, k

      在这个简化模型中，海洋中的被称为罗斯贝波的波动，从赤道附近的异常暖的海面向西传播。当它达到海洋的西边界时会被反射成一种不同的波，称为开尔文波，这种波向东传，它起着抵消或改变原来的暖海温距平符号的作用，并引发降温事件出现。整个厄尔尼诺事件中这半个循环所需时间是由这些波传播的速度决定的。      

平流层中罗斯贝波和开尔文波，是在研究中已经发现的发生在热带地区平流层低层的2种波动。其特点是周期性振荡。

      这两种波动都是叠加在赤道平流层纬向风的准两年周期振荡之上的周期较短的波动。准两年周期振荡主要指东风和西风以24～30个月为周期交替出现的现象。

     在西风盛行时期，平流层的经向风具有4～5天的准周期振动，这种振动是由一种水平波长约10000公里，铅直厚度约4～8公里，波动的位相一面向西一面向下传播而能量向上传播的波动造成的。这种波称为罗斯贝-重力混合波。

       在东风盛行时期,平流层存在只有纬向风扰动的另一种波动，其周期约15天，波长约30000公里，铅直厚度约6～10公里，波动的位相一面向东一面向下传播而能量向上传播，这种波称为开尔文波。

      根据动力气象学的理论，对于受地球自转影响的行星尺度的惯性重力波而言，存在一种既具有罗斯贝波特性又具有重力内波特性的混合波，即为罗斯比-重力混合波，这种波的气压场（高度场）和流场的理论特性，向西移动的波的特性相符，波的气压场（高度场）对赤道不对称，但经向风扰动在赤道最大，向两极衰减。

开尔文波是一种无经向速度扰动的行星尺度重力内波。早已在海洋中发现，相当于沿海岸传播的浅水重力波，它垂直于海岸的扰动速度分量为零。在大气中，赤道南北的科氏参数（f＝2ωsin角度，ω-地球自转角速度，角度-地球纬度）的符号相反，这相当于赤道起了海岸的作用，垂直于赤道的南北向扰动速度为零。) S& t2 s7 q8 a7 z+ ?- ]

　　 因此，平流层的这两种行星尺度的波动，都是由赤道附近对流层中大规模对流加热的振荡而激发起来的。热源振荡产生的能量向上传输，从而激发上述波动。此外，平流层纬向风的准两年周期振荡，也可由罗斯贝—重力混合波和开尔文波的动量铅直传输得到解释。西风区中的罗斯贝—重力混合波向上输送东风动量，使东风区的风速加强而向下扩展；开尔文波则将西风动量输送到盛行东风的区域之上的西风区，使西风得以下传，改变了风系，形成下传的平流层纬向风系准两年周期振荡。