平行風切流的非均向化與初始值問題

林和

國立台灣大學大氣科學系

(中華民國七十七年一月七日收稿；六月十日定稿)

摘要

　　平行風切流中，對區域集中的擾動之瞬變演化，傳統的特徵分析完全束手無策；其實，Rayleigh方程式中基本機制只有兩項，即不均衡平移與扭轉。均向性因此受到破壞，相位軸可能傾向或垂直於風剖面，但這兩種效應可以經過阿諾限則連結在一起，所以非均向變化必須同時包括這兩項，而且暗示非均向過程可以透過動能，旋能在波譜的傳遞予以解釋。
　　本文將選擇週期性邊界的Sin噴射流作為基本流場，這種風切流本身對擾動而言處於指數型穩定狀態但擾動能量不一定守恆，我們使用解析及數值方法觀察均向渦旋在基本場中逐漸變形的過程。發現非均向平移的效果加諸擾動渦度場如同加諸被動追蹤劑，相位軸順風切傾側，動量通量朝逆梯度方向進行。至於基本場的渦旋梯度項則將相位軸扭往垂直風剖面的方向，擾動旋度通量為順梯度進行，這是風切流不穩定度的來源。
　　我們證明若初始狀態為統計均向，則此時動能、旋能皆處於最低位階，顯而易見，擾動能量將會開始增加，本研究將延伸到WKB解的近似行為上。

關鍵詞：均向性、初始問題、平行風切流、連續波譜