地球流体力学的研究与进展.pdfVIP

第27卷第4期 大 气 科 学 V01．27No．4 2003年7月 Chinese of July2003 j。urnal Sciences Atmospheric 地球流体力学的研究与进展 穆 穆 季仲贞 王 斌 李 扬 (中国科学院大气物理研究所．北京lo0020) P牛A 摘要 简要介绍中国科学院大气物理研究所七十多年来在理论与计算地球流体力学方面 的若干研究及其新的进展。在理论地球流体力学方面，介绍了长渡动力学及线性稳定性问题、 弱非线性理论及行星波动力学以及用Arnold方法(能量caslmir方法)研究大气和海洋中 各种流体运动的非线性稳定性问题的成果。此外，对扰动演变、扰动和基流相互作甩及热带 大气动力学中的第二类不稳定条件(c1SK)也作了简要的介绍。在计算地球流体力学方面， 主要内容包括：用物理观点和数学分析相结合的方法阐述了造成计算紊乱和计算不稳定的机 理，论证计算稳定性、算子非负性和能量守恒性之间的密切关系，对国际上流行的瞬时能量 守恒的格式找到非线性计算不稳定的特解}设计出一批内部协调并且具有完全总能量守恒的 差分格式(包括隐式的、显式的和高精度的)，发展了多种经济省时算法等等。此外，对近年 来新发展的总能量守恒的半拉格朗日格式，多守恒格式及辛几何算法重点作了介绍。 关键词：地球流体力学；稳定性与不稳定性；总能量守恒；辛几何算珐；经济算法 引言 中围科学院大气物理研究所建所75年来，科研人员在理论流体力学及计算流体力 学的研究方面，做出r重要的贡献，取得了令人注目的成果，一些研究工作在国际j： 处jf领先地位，有些是开创性的。由于作者学识与水平有限，本文仅简单介绍75年来 大气物理所在理论流体力学及计算流体力学两方面所取得的若干主要成果。 2理论地球流体力学部分 2．1概述 地球流体力学将地球上的流体(主要指大气与海洋)作为一个整体进行研究．它 的主要任务是弄清地球流体运动的基本规律。大气和海洋运动的稳定性与不稳定性问 题是地球流体力学的中心问题之～。大气和海洋的波动可咀归因于无波动的基本动力 状态对扰动的不稳定性而各种波动常常在某些条件下产生和发展，在另一些条件下受 到抑制和阻尼。大气环流的演变，中纬度气旋和反气旋的发生、发展和消亡，月或季 平均图上的大尺度异常环流持续性发展和维持，阻塞的形成，维持与崩溃，气候对冰 2u03叭03收到．200303—17收到修改稿 998040901一l和G199903280 *国家重点基础研究发展规划项目G1 L以及中国科学院知识创新项目I(Zcx2 208共同资助 690 大 气 科 学 27卷 盖、海面温度等物理因子的敏感性，低频振荡等等．这些现象都与扰动或波动的动力 小稳定有关。此外，随着大气科学的迅速发展，许多重要的国际前沿课题，如气候的 变化与预测、全球变化等等，也都需要从动力稳定性方面去进行理沦探讨。因此，这 一领域的研究，对数值天气顶报的发展及气候变化与预测的研究具有首要的意义。 由各种波组成的扰动按照它们的特征振幅与基本气流的特征尺度的比，分为小振 幅扰动和有限振幅扰动。不稳定发展町以归咎于基本气流和扰动的相互作用(波流相 互作用)，或各种扰动之『剐的相互作用(波波相互作用)。本部分介绍理论地球流体力 学力面的有关研究进展，其中包括长波动力学的建立，线性稳定性研究中的标准模方 法及连续谱问题；行星波动力学，弱非线性方法及波包理论；用Arn01d方法研究大气 和海洋中各种流体运动的非线性稳定性问题，如：二维准地转模式，多层准地转模式、 三维准地转模式的非线性稳定性问题以及对称稳定性问题和Modon稳定性问题；此 外，对扰动演变的一般性问题；扰动和基流相互作用问题；热