地球旋转对地球流体中波的产生有及其重要的作用, 其中在大气海洋领域中它的作用也是显而易见. Rossby波同样与地球旋转是密不可分.国内外学者从不同角度出发对Rossby波的特性进行研究[1-5].大气千变万化, 大气运动可以被一系列基本原始方程所描述, 如有连续方程、运动方程、能量方程.自从Long开创性用KdV方程来描述较为理想状态正压流体中的Rossby波的振幅演变规律后[6].许多学者分析诱导与加强大气运动中Rossby波会受到beta效应、地形强迫、耗散和外源、基本流的切变效应、地形缓变效应以及行星波与天气波的相互作用等因素的影响[7-9].其中在分析Rossby波振幅特性的过程中, 通常从准地砖位涡方程出发来进行研究. Dellar等[10]利用变分原理推导含有完整Coriolis力作用的准地转位涡方程.在2010年, 他们[11]扩展了这项工作, 并导出了具有完整Coriolis力的方程来描述无粘、不可压缩流体的多层流体背景下的Roosby波的流动.尹晓军从含有完整Coriolis力的准地转位涡方程出发[12], 推导出了mKdV-Burgers方程, 进一步阐述了Rossby波的振幅演变规律会受到地球旋转水平分量、beta效应以及强耗散三个因素的影响.杨红卫从基本方程出发, 推到出分数阶BDO方程去描述Rossby波的振幅演变规律[13].关于完整Coriolis力相关报道, 见文献[14-16].但是我们发现上述文献都没有讨论中高纬度Rossby波的波动形态, 实际上极端的天气现象(气旋、反气旋、寒潮等)主要发生在中高纬度地区, 极大的影响了人们的生活.另一方面, 由于描述波的波动形态是一系列微分方程, 因此寻找微分方程的解析解或者孤立波解近年来得到了迅速发展.如吕兴等应用双线性变换求解了(3+1)维非线性演变方程以及Boussinesq方程的各种精确解以及多孤立子解[17-18].再比如Jacobi椭圆函数展开法[19], 同伦摄动法[20], Bäcklund变换法[21]等.
本文主要对受到完整科里奥利力、地形效应、耗散和外源强迫共同作用的准地转位涡方程进行研究.首先对准地转位涡方程所表示的大尺度问题作了无量纲变换; 然后把流函数分为基本流函数和扰动流函数两部分, 在色散和非线性之间平衡的条件下, 通过作时空伸缩变换和摄动展开法推导出弱地形作用下的非齐次mKdV-Burgers方程, 阐述科里奥利力对方程齐次项系数产生影响, 所得的弱地形效应影响到方程中强迫项; 最后对得到的非齐次mKdV-Burgers方程应用简化的微分变化法和Maple数学软件进行了近似求解, 并且对一种特定Rossby波的振幅进行图形模拟后发现, Rossby波的振幅随时间在逐渐增大, Rossby波的波峰与波谷出现的经度位置随时间没有明显改变.
考虑含有完整科氏力以及带有耗散和外源的准地转位涡方程:
其中$ \phi(x, y, t) $表示总的流函数, $ x $、$ y $、$ t $分别表示经度和纬度变量以及时间变量, $ \nabla^{2}\phi = \frac{\partial^{2}\phi}{\partial x^{2}}+\frac{\partial^{2}\phi}{\partial y^{2}} $, $ f = f_{0}+\beta(y)y $和$ f_{H} $分别表示科里奥利力的垂直分量和水平分量, 且$ f_{0} $和$ f_{H} $为常数, $ H $表示垂直尺度, $ B(x, y) $表示底地形函数, $ \mu_{0}\nabla^{2}\phi $表示耗散, $ \mu_{0} $表示耗散强度, $ Q $表示外源.侧边界条件满足的刚壁条件
方程(2.2)中$ y = y_{1} $, $ y = y_{2} $分别表示地球南北方向的边界.
首先通过无量纲化方程(2.1)和(2.2)变为
引入两个无量纲参数$ \delta = \frac{H}{L_{0}} $, $ \delta $表示形态比. $ \lambda = \frac{f_{H}}{f_{0}} $.其中$ L_{0} $表示水平尺度.假设总的流函数$ \phi(x, y, t) $是由基本流函数和扰动流函数两部分构成, 即
把(2.5)式代入到方程(2.3)中得
其中$ p(y) = [\beta(y)y]'-U'' $, $ J[E, F] = \frac{\partial E}{\partial x}\frac{\partial F}{\partial y}-\frac{\partial E}{\partial y}\frac{\partial F}{\partial x} $.为了色散和非线性之间达到平衡, 令
把变换(2.7)式代入到(2.6)式得
为了讨论非线性长波, 可作时空伸缩变换, 即Gardner-Morikawa变换
其中$ X $, $ T $分别为经度和时间的缓变量, 同时由变换(2.9)得
把变换(2.9)和(2.10)代入到方程(2.8)中得
其中$ G = (\varepsilon^{2}\frac{\partial^{2}\phi'}{\partial X^{2}}+\frac{\partial^{2}\phi'}{\partial y^{2}}) $, $ J[E, F] = \frac{\partial E}{\partial X}\frac{\partial F}{\partial y}-\frac{\partial E}{\partial y}\frac{\partial F}{\partial X} $.假设底地形函数
把(2.12)式代入(2.11)式中得
通过后续(2.17), (2.21), (2.24)式分析得
从而底地形函数$ B(x, y) = \varepsilon^{3}h(X, y) $, 因为科氏参数$ \varepsilon $$ \ll $1, 所以底地形函数$ B(x, y) $表示相对非常小的量, 即为弱地形作用.进一步方程(2.13)可变为
下面采用摄动展开法.首先设扰动流函数有如下的小参数展开式
把方程(2.16)代入到方程(2.15)中, 通过比较$ \varepsilon^{0} $的系数得
假设$ \phi_{0} $具有下列形式的分离变量解
其中$ A(X, T) $表示Rossby波的振幅, 把方程(2.18)代入方程(2.17)中得$ \Phi_{0} $满足
由于函数$ p(y) $的未知性, 所以从本征值问题(2.19)和(2.20)来确定本征函数$ \Phi_{0} $和本征值$ c_{0} $的精确解是比较困难.为了确定Rossby波振幅$ A(X, T) $的数学演化模型, 继续比较$ \varepsilon $的系数得
假设$ \phi_{1} $具有下列形式的分离变量解
把(2.22)式代入(2.21)式, 通过分析可以得到$ \tilde{A} = \frac{1}{2}A^{2} $, 得$ \Phi_{1} $满足
通过分析, 还不能从方程(2.23)中确定Rossby波振幅的演化规律所满足的数学模型, 需要提高精度, 继续比较$ \varepsilon^{2} $的系数得
其中
把(2.18)和(2.22)式代入(2.25)式中, 并利用(2.19)和(2.23)式得
利用本征函数的正交性和消奇异条件
可以得到Rossby波的振幅满足下列非齐次mKdV-Burgers方程
其中系数如下
从方程组(2.28)和(2.29)中的$ \frac{dH_{1}}{dX} $和$ \lambda\delta\frac{dH_{2}}{dX} $可以看出底地形效应对方程起到了强迫作用, 其中$ \gamma A $表示耗散的作用, 与标准Burgers方程中的$ \frac{\partial^{2}A}{\partial X^{2}} $具有相同的物理意义, 体现科里奥利力的水平分量参数$ \lambda $加强了地形的强迫作用.因此方程(2.28)表明Rossby波的振幅满足带有地形强迫的非齐次mKdV-Burgers方程, 其中系数依赖于基本剪切流以及$ \beta $效应.
下面采用简化的微分变化法求解方程(2.28).假设方程(2.28)具有如下形式的解
为书写简便, 同时方程(2.28)的非齐次项记为$ g(X) $, 即
把(3.1)和(3.2)式代入到(2.28)式得
分别比较(3.3)式中$ T^{0} $, $ T^{1} $, $ \cdots $, $ T^{j-1} $, $ \cdots $前的系数得$ T^{0}:A_{1}+\alpha A^{2}_{0}A'_{0}+\beta A'''_{0}+\gamma A_{0} = g $, 由此可得
$ T^{1}:2A_{2}+\alpha A_{0}(A_{0}A'_{1}+2A_{1}A'_{0})+\beta A'''_{1}+\gamma A_{1} = 0 $, 由此可得
$ T^{j-1}:jA_{j}+\alpha (\sum\limits_{k = 0}^{l}A_{k}A_{l-k})A'_{j-l-1}+\beta A'''_{j-1}+\gamma A_{j-1} = 0(j\geq2) $, 由此可得
把(3.4)、(3.5)和(3.6)式代入(3.1)式中, 可得方程(2.28)的解
由(3.4)、(3.5)、(3.6)和(3.7)式得, 当系数$ \alpha $、$ \beta $、$ \gamma $、$ A_{0} $和$ g(X) $确定后, 方程(2.28)的解也就确定了, 即确定了Rossby波振幅的演化规律.由(3.1)和(3.7)式得$ A(X, T) $的近似解[7]为
假设初始项$ A_{0}(X) = m \sec h X $和非齐次项$ g(X) = \sin nX $, 由递推关系(3.4)式和(3.5)式应用Maple数学软件得
把(3.9)和(3.10)式代入(3.8)式中, 方程(2.28)的近似解就即可确定.从(3.4)、(3.5)式和(3.6)式体现出弱地形效应会对方程解的系数$ A_{j}(X), j\in N $均会产生影响.进一步得出, 在正压模式下底地形效应对Rossby波的振幅起主要作用.
依据初始项$ A_{0}(X) = m\sec h X $和非齐次项$ g(X) = \sin nX $, 通过(3.9)和(3.10)式方程(2.28)的近似解就可以完全确定.当$ \alpha = 0.5, \beta = 1, \gamma = 1, m = 1, n = 0.5 $时, 方程(2.28)的近似解的图形如上.从图 1和图 2可以看出:这种模拟式Rossby波的振幅在随时间的改变而振幅逐渐在增大.波峰和波谷出现的经度位置随时间发生略微改变.
本文从中高纬度含有完整Coriolis力的准地转位涡方程出发, 利用时空伸缩变换, 得到了描述Rossby波的振幅形态满足的非齐次mKdV-Burgers方程.在推导模型过程中, 发现底地形函数$ B(x, y) = \varepsilon^{3}h(X, y) $, 因为这里考虑的是大尺度问题, 即$\varepsilon \ll 1$时, 所以底地形函数就表示弱地形效应.当底地形效应彻底消失的时候就是文献[12]的情形.最后对非齐次mKdV-Burgers方程利用简化的微分变换法做近似求解, 对影响解的因素做出分析.
通过所得的分析结论, 可以看出在理想状态正压模式下底地形效应对Rossby波振幅影响较大.在大气海洋学中, 该结论为研究Rossby波在接近地球低层的振幅形态提供了理论依据.