大气波动

各种波动的总称

地球大气在重力、惯性力、科里奥利力或层结等因素作用下所发生的各种振荡（见大气中的作用力、大气静力稳定度）。主要包括声波、重力波、惯性重力波、声重力波（见大气次声波）、行星波、开尔文波和罗斯比-重力混合波（见热带平流层波动）。

简介

大气扰动是大气中出现的各种波动的总称。大气层的波状流型与地面上的晴雨区域以及低层的气旋或反气旋的活动发展有较规律的配置。天气学或动力气象学中所涉及的基本波动有：大气声波、大气重力波、大气惯性波、大气长波等。

实际大气中所观测到的波动，往往是由各种不同振幅和不同波速（或频率）的单色波叠加而成的所谓波群。波群和单波的传播速度往往不同：波群传播的速度称为群速度cg，单波传播的速度称为相速度c。

主要分类

声波

弹性介质中传播的一种机械波，是纵波。起源于发声体的震动;可分为表面声波和体声波。频率高于20 000赫的声波(超声波)和频率低于20赫的声波(次声波)一般不能引起声感，只有频率在二者之间的声波(可听声波)才能听到。

惯性重力波

在地球自转惯性和重力作用下传播的自由波动。其频率范围大于惯性频率f，而小于长周期重力波频率(0.003 3)。在海洋里，受科氏效应影响强的边缘波、陆架波、海岸陷波，都具有惯性重力波的分量。它和重力波一样，也可分为惯性重力外波和惯性重力内波两种

惯性重力内波是大气中尺度运动（水平尺度l的量级约为102公里）过程中的主要波动,许多中尺度的天气现象都和惯性重力内波的活动密切相关。

长波

又称“浅水波”。即水深小于半个波长处的波浪。波浪传播速度与波长无关，仅决定于水深h，因为波速。例如，由太阳与月亮引起的潮波，其波长可达2万公里，但海洋的平均深度仅4公里，因此潮波显然是长波。浅水波中波浪水质点运动的轨迹是椭圆形，近海底处呈直线形，其短轴随深度减小，到海底时为零;而长轴自海面至海底几乎完全相同。所以，其水底附近的水质点运动和水面一样，依然明显，能够影响到海底。长波对海岸带泥沙的物质的输送，对沿海港口航道的回淤堆积作用影响很大。

重力波

重力波是中高层大气中最普遍、最重要的中小尺度扰动，而低层大气被认为是大气重力波的主要源区。

重力波是稳定层结大气中重力和垂直惯性力作用下产生的波动，有重力外波和重力内波之分，分别出现在流体自由表面和内部密度分布不均匀的层次中。它们对大尺度天气过程都没有影响，有时还被视为方程中的噪音。但重力内波尺度小于10km，浮力作用下通过稳定气层中的空气微团上下振动，产生水平空气质量辐合辐散、并向四周传播，成为给中、小尺度系统发展输送能量和动量的重要机制，可触发中尺度系统的发生。重力外波是经扰动后产生的水平振动，并以近300m/s的速度向四周传播，属于大气中的快波。

相互作用

重力波之间的相互作用和能量交换是中高层大气波动研究的关键问题之一。这一相互作用过程会导致波动能量在不同尺度之间的传输，改变大气能谱结构，也会激发出新的波动。

共振相互作用

研究发现共振相互作用是不可逆的。成波的能量主要来自主波，在相互作用过程中会伴随着强烈的能量交换，这说明重力波之间的非线性相互作用在大气波谱结构和高度上的动量输运过程中起着关键作用。

非共振相互作用

在和非共振相互作用中．相互作用波间也能出现显著的波能量交换。尤其是当次波足够强时．主波的绝大部分能量能转移给生成波。非共振相互作用不受共振条件的制约，因此这种强烈的非共振相互作用在中高层大气中可能频繁发生；并且由于非线性相互作用限制了波振幅的增长，这些波成分能进一步向上传播，可能对热层大气的能量动量收支有影响。非共振激发是不可逆的，在非线性相互作用中，波能量易于在两个高频波间交换。而从大垂直尺度向小垂直尺度串级传输效率很低，明显不同于强烈的湍流串级传输。这表明重力波的非线性串级传输直至耗散可能不是重力波的一种重要的耗散方式。由于在相互作用中两个高频波间能发生强烈的能量交换，因此，这种非线性效应能有效扩展波谱。

高阶相互作用

又叫三阶非线性相互作用，可能是中高层大气高频重力波的局地波源。研究表明，在三阶非线性相互作用中，波能量主要是从高频的主波向生成波转移，生成波的最终能量几乎正比于主波的初始能量，而且一支强的次波能强化这种能量转移。这与重力波二阶非线性相互作用的性质一致，因此这是相互作用中能量转移的共性。

研究意义

波动是中、高层大气的主要扰动形式。波动的传播和耗散使得能量和动量在不同大气层区之间相互耦合，影响甚至决定全球大气的动力学结构。波动间的相互作用不仅直接影响大气的能谱结构，也会影响波动对背景大气的动力学效应。波传播还会导致大气成分的输运，从而直接影响大气的光化过程。因而大气波动参数特征、波动传播和耗散过程、波动的激发和相互作用机制等一直都是中高层大气动力学研究中最基础的物理问题。

精确描述中高层大气环流及其变化必须考虑大气波动的效应，除了潮汐波和行星波等行星尺度的波动，中小尺度的重力波由于其在传播过程中的饱和和破碎也会对大尺度环流产生深远影响。事实上现在人们熟知的中高层大气动力学和热力学现象，大气波动都有着重要影响。例如，低纬低平流层纬向风的准两年振荡（QBO）；中层顶夏季极低温度，高纬平流层大气的突然增温（SSW）以及随后的平流层顶抬升（ES）和恢复等。另一方面，背景大气结构的变化也会影响波动的传播和相互作用，由此大气波动和背景大气构成一个复杂的相互耦合体系，它们之间的耦合决定了大气的不同时空尺度的基本结构和变化。

研究进展

神秘的波动

科学家发现土卫六赤道附近的震荡波可以导致箭头形状的云块出现。如果要更形象地理解这种震荡波是如何出现的，可以想象一只葡萄酒杯发出纯共振音的景象。酒杯的震动受到其内部结构的限制，因而只能发出特定的声响，土卫六也是一样，这就是整个系统发生的天然震荡，这一奇特的箭头状云块也仅仅是响应这种特征振动波的必然反映。

这种反常的云块结构会造成比常规降水强度强20倍的强降雨，从而对土卫六地表过程的塑造起到关键性的作用。大量的“雨水”造成剧烈冲刷侵蚀，这可以解释土卫六表面存在的一些宽阔的冲刷深谷。但是土卫六上的“雨水”可不是水，而是碳氢化合物。

更多神秘的云块

对于未来的研究方向，科学家表示可以综合整个卡西尼项目收集的数据来寻找其它独特的云块结构：“很有可能我们可以再次找到类似的云块结构并重复进行分析，从而进一步加深我们对土卫六气候模式的理解。”

与此同时，这些来自土卫六的研究同样可以对地球有所启发，因为从本质上而言，土卫六和地球非常相像。科学家们已经发现土卫六大气表现出的一些特征和地球赤道部分热带大气的性质非常相像。只是在地球上仅仅局限在热带地区的现象在土卫六上似乎扩展到了全球的范围。

“这种全球性质的波动形成了土卫六上的狂暴降雨云团，这和地球热带地区大气产生风暴的过程非常类似，尽管在地球上这种过程没有土卫六上那么明显，”科学家表示说：“我希望针对土卫六的研究将最终有助于我们弄清地球气候变化中出现的天气模式。”

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