波流相互作用是指基本气流(通常指时间平均或纬向平均)与其上的波动(即对基本气流的偏离)之间的相互作用。这是大气
动力学的一个关键研究领域,其中波的发展受到基本气流的影响,而基本气流的变化则依赖于Rossby波的
动量和热量传输。
在大气科学研究中,常将
物理量分为基本态和称为"波"或"涡动"的扰动态。基本态可通过时间平均、纬向平均或
平滑滤波等方式获取,而物理量与基本态之差被视为扰动态。这种分解法简化了问题研究,但也引发了如何处理基本态与扰动态之间关系的问题。波流相互作用正是探讨大气基本态与扰动态间的相互作用,对于理解天气系统整体时空演化至关重要。波流相互作用理论的应用有助于解释多种天气现象,如赤道平流层东西风准两年振荡、平流层爆发性增温和对流层顶高空
急流的加速增强等。
波流相互作用理论的研究主要集中在两个方面:一是探索描述基本气流对波动强制作用的"波作用"(守恒)
方程;二是研究波动对基本气流的强制作用。
波流相互作用的例子表明,波的发展受基本气流影响,而基本气流的演变也依赖于Rossby波的
动量和热量传输。例如,衰减的Rossby波会增强基本气流及其切变,导致波移动加快,槽脊线向东西走向的演变减缓。相反,发展的Rossby波会使基本气流及其切变减小,波移动减慢,槽脊线向南北走向和垂直方向的演变也减缓。这些过程确保了
大气环流中的基本气流和扰动得以维持。
波流相互作用理论自诞生以来,在理论上有多次重大创新,如E-P通量的提出、剩余环流的引入、广义E-P通量的出现、三维E-P通量的建立、波作用守恒
方程的发展等。在实践上,该理论成功解释了赤道平流层东西风准两年振荡、
极地平流层爆发性增温、瞬变波对阻高的维持和高空
急流加速等现象,并为预测
行星波传播、研究
风暴轴、诊断分析具体波能集中区和发散区提供理论基础和科学方法。