基本介紹
- 中文名：大氣波動
- 外文名：atmospheric wave
- 分類：聲波、重力波、慣性重力波等
- 性質：各種波動的總稱
簡介,主要分類,聲波,慣性重力波,長波,重力波,波動間的相互作用,共振相互作用,非共振相互作用,高階相互作用,研究意義,研究進展,
簡介
大氣擾動是大氣中出現的各種波動的總稱。大氣層的波狀流型與地面上的晴雨區域以及低層的氣旋或反氣旋的活動發展有較規律的配置。天氣學或動力氣象學中所涉及的基本波動有：大氣聲波、大氣重力波、大氣慣性波、大氣長波等。
實際大氣中所觀測到的波動，往往是由各種不同振幅和不同波速（或頻率）的單色波疊加而成的所謂波群。波群和單波的傳播速度往往不同：波群傳播的速度稱為群速度cg，單波傳播的速度稱為相速度c。
主要分類
聲波
彈性介質中傳播的一種機械波，是縱波。起源於發聲體的震動;可分為表面聲波和體聲波。頻率高於20 000赫的聲波(超音波)和頻率低於20赫的聲波(次聲波)一般不能引起聲感，只有頻率在二者之間的聲波(可聽聲波)才能聽到。
慣性重力波
在地球自轉慣性和重力作用下傳播的自由波動。其頻率範圍大於慣性頻率f，而小於長周期重力波頻率(0.003 3)。在海洋里，受科氏效應影響強的邊緣波、陸架波、海岸陷波，都具有慣性重力波的分量。它和重力波一樣，也可分為慣性重力外波和慣性重力內波兩種
慣性重力內波是大氣中尺度運動（水平尺度l的量級約為102公里）過程中的主要波動,許多中尺度的天氣現象都和慣性重力內波的活動密切相關。
長波
又稱“淺水波”。即水深小於半個波長處的波浪。波浪傳播速度與波長無關，僅決定於水深h，因為波速
。例如，由太陽與月亮引起的潮波，其波長可達2萬公里，但海洋的平均深度僅4公里，因此潮波顯然是長波。淺水波中波浪水質點運動的軌跡是橢圓形，近海底處呈直線形，其短軸隨深度減小，到海底時為零;而長軸自海面至海底幾乎完全相同。所以，其水底附近的水質點運動和水面一樣，依然明顯，能夠影響到海底。長波對海岸帶泥沙的物質的輸送，對沿海港口航道的回淤堆積作用影響很大。
重力波
重力波是中高層大氣中最普遍、最重要的中小尺度擾動，而低層大氣被認為是大氣重力波的主要源區。
重力波是穩定層結大氣中重力和垂直慣性力作用下產生的波動，有重力外波和重力內波之分，分別出現在流體自由表面和內部密度分布不均勻的層次中。它們對大尺度天氣過程都沒有影響，有時還被視為方程中的噪音。但重力內波尺度小於10km，浮力作用下通過穩定氣層中的空氣微團上下振動，產生水平空氣品質輻合輻散、並向四周傳播，成為給中、小尺度系統發展輸送能量和動量的重要機制，可觸發中尺度系統的發生。重力外波是經擾動後產生的水平振動，並以近300m/s的速度向四周傳播，屬於大氣中的快波。
波動間的相互作用
重力波之間的相互作用和能量交換是中高層大氣波動研究的關鍵問題之一。這一相互作用過程會導致波動能量在不同尺度之間的傳輸，改變大氣能譜結構，也會激發出新的波動。
共振相互作用
研究發現共振相互作用是不可逆的。成波的能量主要來自主波，在相互作用過程中會伴隨著強烈的能量交換，這說明重力波之間的非線性相互作用在大氣波譜結構和高度上的動量輸運過程中起著關鍵作用。
非共振相互作用
在和非共振相互作用中．相互作用波間也能出現顯著的波能量交換。尤其是當次波足夠強時．主波的絕大部分能量能轉移給生成波。非共振相互作用不受共振條件的制約，因此這種強烈的非共振相互作用在中高層大氣中可能頻繁發生；並且由於非線性相互作用限制了波振幅的增長，這些波成分能進一步向上傳播，可能對熱層大氣的能量動量收支有影響。非共振激發是不可逆的，在非線性相互作用中，波能量易於在兩個高頻波間交換。而從大垂直尺度向小垂直尺度串級傳輸效率很低，明顯不同於強烈的湍流串級傳輸。這表明重力波的非線性串級傳輸直至耗散可能不是重力波的一種重要的耗散方式。由於在相互作用中兩個高頻波間能發生強烈的能量交換，因此，這種非線性效應能有效擴展波譜。
高階相互作用
又叫三階非線性相互作用，可能是中高層大氣高頻重力波的局地波源。研究表明，在三階非線性相互作用中，波能量主要是從高頻的主波向生成波轉移，生成波的最終能量幾乎正比於主波的初始能量，而且一支強的次波能強化這種能量轉移。這與重力波二階非線性相互作用的性質一致，因此這是相互作用中能量轉移的共性。
研究意義
波動是中、高層大氣的主要擾動形式。波動的傳播和耗散使得能量和動量在不同大氣層區之間相互耦合，影響甚至決定全球大氣的動力學結構。波動間的相互作用不僅直接影響大氣的能譜結構，也會影響波動對背景大氣的動力學效應。波傳播還會導致大氣成分的輸運，從而直接影響大氣的光化過程。因而大氣波動參數特徵、波動傳播和耗散過程、波動的激發和相互作用機制等一直都是中高層大氣動力學研究中最基礎的物理問題。
精確描述中高層大氣環流及其變化必須考慮大氣波動的效應，除了潮汐波和行星波等行星尺度的波動，中小尺度的重力波由於其在傳播過程中的飽和和破碎也會對大尺度環流產生深遠影響。事實上現在人們熟知的中高層大氣動力學和熱力學現象，大氣波動都有著重要影響。例如，低緯低平流層緯向風的準兩年振盪（QBO）；中層頂夏季極低溫度，高緯平流層大氣的突然增溫（SSW）以及隨後的平流層頂抬升（ES）和恢復等。另一方面，背景大氣結構的變化也會影響波動的傳播和相互作用，由此大氣波動和背景大氣構成一個複雜的相互耦合體系，它們之間的耦合決定了大氣的不同時空尺度的基本結構和變化。
研究進展
神秘的波動
科學家發現土衛六赤道附近的震盪波可以導致箭頭形狀的雲塊出現。如果要更形象地理解這種震盪波是如何出現的，可以想像一隻葡萄酒杯發出純共振音的景象。酒杯的震動受到其內部結構的限制，因而只能發出特定的聲響，土衛六也是一樣，這就是整個系統發生的天然震盪，這一奇特的箭頭狀雲塊也僅僅是回響這種特徵振動波的必然反映。
這種反常的雲塊結構會造成比常規降水強度強20倍的強降雨，從而對土衛六地表過程的塑造起到關鍵性的作用。大量的“雨水”造成劇烈沖刷侵蝕，這可以解釋土衛六表面存在的一些寬闊的沖刷深谷。但是土衛六上的“雨水”可不是水，而是碳氫化合物。
更多神秘的雲塊
對於未來的研究方向，科學家表示可以綜合整個卡西尼項目收集的數據來尋找其它獨特的雲塊結構：“很有可能我們可以再次找到類似的雲塊結構並重複進行分析，從而進一步加深我們對土衛六氣候模式的理解。”
與此同時，這些來自土衛六的研究同樣可以對地球有所啟發，因為從本質上而言，土衛六和地球非常相像。科學家們已經發現土衛六大氣表現出的一些特徵和地球赤道部分熱帶大氣的性質非常相像。只是在地球上僅僅局限在熱帶地區的現象在土衛六上似乎擴展到了全球的範圍。
“這種全球性質的波動形成了土衛六上的狂暴降雨雲團，這和地球熱帶地區大氣產生風暴的過程非常類似，儘管在地球上這種過程沒有土衛六上那么明顯，”科學家表示說：“我希望針對土衛六的研究將最終有助於我們弄清地球氣候變化中出現的天氣模式。”
