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button_star1.gif (227 bytes)季風合流區之正壓動力研究

陳建河

中央氣象局科技研究中心

摘要

本論文探討夏季西北太平洋地區向西北傳8-9天波動的可能動力機制,研究中強調了非線性動力之重要性。我們用波動與背景流的非線性動力過程來詮釋波動的能量累積,此論點與用WKB線性波動理論的觀點有很大的不同。線性理論強調:因背景合流使群速減速,從而造成臨界經度區域波動能量的累積。事實上,臨界經度區域附近百公里內之背景流變化快速,可能使WKB線性波動近似,於臨界線經度區域並不完全適用。

為了探討理想背景流場中羅士比波的動力行為,我們利用無輻散正壓渦度方程模式進行包括相反氣流、變形氣流及似季風環流等不同背景流場的相關實驗。以理想相反氣流及變形氣流為背景流場之實驗結果顯示,beta.gif (932 bytes)效應、非線性渦度平流作用(兩者合稱非線性beta.gif (932 bytes)效應)、背景流場(尺度縮減及背景輻合)三者交互作用的結果,使波動能夠在臨界經度附近一千公里內累積。動力演化的過程為:羅士比波隨背景東風向西傳播,因受beta.gif (932 bytes)效應作用,其渦度場與流函數場均呈現對稱於赤道的西北-東南(以北)及東北-西南(以南)傾斜。由於背景氣流具有partial.gif (197 bytes)的特性,當波動接近臨界經度時波長會變小,使非線性效應變得重要。因此,在beta.gif (932 bytes)效應與非線性渦度平流交互作用下,將對稱於波動傳送中心緯度的正渦度向西北移,負渦度向東南移,使中心緯度地區產生西風。當波動傳播到臨界線經度時,受背景輻合作用增強而產生緊鄰中心緯

針對波動與背景流的作用,我們亦進行了一系列動力因子探索,檢視羅士比波動對於波動能量累積的影響。結果顯示由於消散作用之故,若波動源一旦停止波動的持續供應,臨界經度區域之波動能量累積不能維持。在波動振幅固定的情況下,以波長為2000km左右所得到的波動能量累積最大,能量累積隨著波長增加而迅速減少,而短波(如2500km)非線性模式的情況下,累積能量和初始振幅呈非線性關係,但在長波(如7200km)非線性模式與短波線性模式情況下,累積能量則和初始振幅呈線性關係。我們強調尺度收縮對羅士比波之作用,由於得助於非線性動力效應,使緯向尺度波長2000-3000km之波動能較有效的獲得能量累積。

對於西北太平洋地區8-9天波動連續生成之可能機制的探討,我們設計一個似季風環流的背景流場,其特徵是熱帶地區的東、西風會合後形成一股向西北的東南氣流,它和向西北傳8-9天波動活躍期的平均850hPa氣流場相似。以非線性beta.gif (932 bytes)面模式進行30天的模擬中,當模擬至第15天的時候,在合流區加入一個5天時間尺度的大尺度輻合,可以形成一個正渦旋隨背景流向西北移動。由於渦旋與行星渦度梯度的非線性交互作用,使渦旋向西北移動的速度比背景流之平流速度快。而其所產生的能量頻散於上游區域(東南方),形成連續的正、負渦度場波列。此渦度場波列受背景流的尺度收縮作用,使非線性作用變得重要,透過對稱化動力過程而產生新渦旋,連續生成渦旋相距的空間尺度(約3000km)與生成時間尺度(約8天)和實際觀測熱帶擾動類似。

似季風背景環流亦扮演著使頻散波列尺度收縮的角色。渦旋受非線性beta.gif (932 bytes)作用,引起能量頻散波列,因受背景似季風環流的尺度收縮作用,使非線性作用(渦旋對稱化作用)的重要性增加,因而產生新的氣旋式渦旋。在無背景似季風環流的情況下,其結果則如同一般線性羅士比波頻散一樣,無法形成新的渦旋。此外,非線性動力也可以減少渦旋的頻散作用,從而幫助維持渦旋形狀。在此背景流(背景輻合及尺度縮減)與波動之間的非線性beta.gif (932 bytes)交互作用中,熱帶擾動尺度的非絕熱效應不一定是生成新渦旋所必須的。