Kelvin和Rossby波 Part-1（简要介绍）

news2024/11/18 18:19:38

Equatorial Kelvin and Rossby Waves

赤道Kelvin和Rossby波；在该部分简要介绍

Kelvin waves和Rossby waves是海洋对西风突发等外界作用力变化的调整方式。这种调整是通过受重力、科氏力f以及科氏力的南北变化 $\partial f/\partial y=β$ 影响的海流和海平面波动来实现的。这些波动具有不同的频率、波长和速度，因此有许多不同类型的这些波。如果重力和f是恢复力，这些波被称为Kelvin waves和 $Poincar\acute{e}$ waves。如果β是恢复力，这些波被称为行星波。Rossby wave是一种重要的行星波类型。

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上图：盛行西风（蓝）、东北信风（黄）、东南信风（棕）。
该图来源：wiki - 西风带

对于厄尔尼诺现象，有两种类型的波尤为重要：internal Kelvin waves and Rossby waves。这两种波都可以存在于一个狭窄的以赤道为中心的南北区域内，称为赤道陷阱波。在较高纬度地区，这两种波存在稍有不同的形式。

Kelvin and Rossby wave theory is beyond the scope of this book, so I will
just tell you what they are without deriving the properties of the waves. If you
are curious, you can find the details in Philander (1990): Chapter 3; Pedlosky (1987): Chapter 3; and Apel (1987): 6.10 - 6.12. If you know little about waves, their wavelength, frequency, group and phase velocities, skip to Chapter 16 and read 16.1.
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图14.9 绘制了用于计算赤道地区行星波的赤道海洋的双层模型草图。引自Philander (1990: 107)。

赤道波的理论基于海洋的双层模型（图14.9）。由于热带海洋在一个薄而温暖的表层之上有一个陡峭的热跃层，这样的模型对于这些地区是一个很好的近似。

Equatorial-trapped的Kelvin波是非频散的，其群速度为：
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$g^{'}$ is reduced gravity, $\rho _{1}$ ; $\rho _{2}$ are the densities above and below the thermocline, and g is gravity.

Trapped Kelvin waves propagate only to the east. Note, that c is the phase and group velocity of a shallow-water, internal, gravity wave. 它是扰动沿着热跃层传播的最大速度。式（14.2）中的量的典型值为：
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在赤道地区，Kelvin波以最高3 m/s的速度向东传播，它们能够在几个月内穿越太平洋。与这种波相关的海流在各处都是东向的，具有南北分量（图14.10）。

Kelvin waves是一种在海洋或大气中沿边界（海岸）或波导（赤道）传播时，科氏力由此边界效应产生的压强梯度力相平衡的低频长波。
该处压强梯度力： 由于海岸或赤道两侧流体相向运动的阻挡而产生。
参考：《海洋学》第8章海洋中的波动-1-3

如在赤道处产生的Kelvin波：
赤道开尔文波是经由赤道附近由西向东吹的海面风刮起来的。原本赤道太平洋的东风会令海水在赤道西太平堆积，但**西风爆发(Westerly wind burst)**会将暖水推向太平洋中部，而促使当地的海水温度上升；而且，信风的减弱会令在赤道西太平洋堆积的海水向东倾泻，并产生开尔文波，并迫使东太平洋的斜温层(海水温度有明显差别的层面)下降及令当地的海面温度增加。
参考：快懂百科：开尔文波

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图14.10 左图：由热跃层的钟形位移产生的 equatorially trapped waves 所伴随的水平海流。右图：由于波浪引起的热跃层位移。图示表明，在20天后，初始扰动分裂为向西传播的罗斯贝波（左图）和向东传播的Kelvin波（右图）。引自Philander等人（1984: 120）。

赤道上重要的Rossby波的频率远小于科氏频率。它们只能向西传播。群速度为：
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最快的波以接近0.8米/秒的速度向西传播。与该波相关的洋流在赤道上呈两个中心对称的逆时针旋转涡旋中几乎达到地转平衡（见图14.10）。

远离赤道的地方，低频率、长波长的Rossby波也只能向西传播，与这些波相关的洋流再次几乎达到地转平衡。群速度强烈依赖于纬度：
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赤道地区的波动动力学与中纬度地区的波动动力学存在明显的差异。斜压波速度更快，海洋对风力变化的响应也比中纬度地区快得多。对于赤道附近的行星波，我们可以谈论equatorial wave guide。