研究生 陳建河 JEN-HER CHEN
    論文名稱 季風合流區之正壓動力研究
     The Research of Barotropic Dynamic of Monsoon Confluent Flow
    論文頁數 149
     關鍵字 波動能量累積 wave energy accumulation
季風合流 monsoon confluent flow
能量頻散 energy dispersion
尺度縮減 scale contraction
非線性beta 效應 nonlinear beta effect
臨界經度 critical lontitude
向西北傳波動 northwestwrad propagating wave
[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效應、非線性渦度平流作用(兩者合稱非線性beta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 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度的氣旋(以北)、反氣旋式(以南)渦旋及一長條微弱的中心緯度西風氣流,波動能量於是在臨界經度附近累積。

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(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 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。