大气的各种运动状态,可以看成是基本气流和各种不同尺度的扰动(波动)叠加的结果。
叠加在纬向的带状基本气流(ū )上的扰动
,有三种可能的变化:①随时间而增强(发展),按气象界的习惯,称为不稳定;②基本上保持原有的强度,即所谓稳定或中性;③随时间而衰减,即所谓阻尼。通常,称波的不稳定性为动力不稳定。扰动发展,必须供给能量,根据能源的不同,可将动力不稳定区分为正压不稳定和斜压不稳定两种。
若视大气为正压大气,则基本气流只能有水平切变。假定基本气流(ū )主要在南北方向有切变,即ū =ū (у),在一定的条件下,这样具有南北切变的纬向气流中扰动可能是不稳定的。因为正压大气不能释放全势能,所以,引起扰动不稳定发展的能量,只能来自其平均动能(见大气能量)。具有这一特征的扰动的不稳定发展,称为正压不稳定。
郭晓岚(1949)最早研究了行星波(即长波)的正压不稳定,得到了正压不稳定的必要条件:在流场内至少有一点满足
在斜压大气中,引起动力不稳定的能量,主要来自基本气流的全势能,在扰动发展过程中全势能将转换成扰动的动能。这种扰动的不稳定发展,称为斜压不稳定。最早注意到斜压大气中行星波的动力不稳定的,是中国气象学家赵九章。后来美国科学家J.G.查尼和气象学家E.T.伊迪对斜压不稳定进行了深入的研究,提出了比较符合实际大气情况的斜压不稳定理论。他们的理论结果表明,当行星波的波长大于临界波长时,波动将是不稳定的,而临界波长随着静力稳定程度(见大气静力稳定度)的增加而增加,在中纬度对流层的典型条件下,临界波长约为3000公里。此外,波动的增长率和大气的斜压性有关,斜压性愈强波动增强得愈快。