在旋轉(zhuǎn)球上的流體（如大氣和海洋），存在一類沿著地形邊界傳播或者沿赤道傳播的大尺度重力波動，稱為開爾文波，它受科氏力影響。
開爾文波的特點是單向傳播及非彌散性。也就是說，波峰的相速度與波能的群速度在所有頻率時均相等，這意味著它在沿岸方向能始終保持原有的形狀。在北半球，開爾文波沿西邊界向赤道傳播或沿東邊界向極地傳播，或者沿封閉邊界逆時針旋轉(zhuǎn)傳播；在南半球則順時針旋轉(zhuǎn)傳播；在赤道處，開爾文波總是向東傳播。
大氣及大洋的赤道開爾文波均會將西邊界中的擾動傳至東太平洋，這種作用在厄爾尼諾-南方濤動的動力條件中扮演重要角色。
一般來說，判斷厄爾尼諾現(xiàn)象是否出現(xiàn)，主要看是否有很強的西風(fēng)產(chǎn)生與爆發(fā)，而連續(xù)的西風(fēng)爆發(fā)事件會激發(fā)一系列開爾文波，使暖水異常向東移動，形成中東太平洋的暖海溫。因此，西邊界暖水異常及開爾文波被視作厄爾尼諾發(fā)生的前兆。
正常條件下，赤道太平洋的東風(fēng)會令海水在赤道西太平洋堆積，但西風(fēng)爆發(fā)會減弱這一向西的輸送，將暖水推向太平洋中部或者東部，促使當(dāng)?shù)氐暮Ｋ疁囟壬仙?。而且，信風(fēng)減弱會使得赤道西太平洋堆積的海水向東傾斜，迫使東西太平洋的斜溫層（海水溫度有明顯差別的層面）變平。于是，這種過程會使整個降水區(qū)域向東移。
降水區(qū)的移動，導(dǎo)致原本擁有豐富降水的澳洲北部及印尼一帶發(fā)生干旱，另一方面卻又會為原本比較干旱的南美洲西部帶來大量雨水，導(dǎo)致秘魯及厄瓜多爾一帶出現(xiàn)水災(zāi)，山洪暴發(fā)，即發(fā)生厄爾尼諾現(xiàn)象。
不過，影響厄爾尼諾的原因錯綜復(fù)雜，單憑開爾文波似乎無法對厄爾尼諾進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測——2014年年初出現(xiàn)的一次強烈的海洋開爾文波，使得當(dāng)時國際上多家模式和預(yù)報中心都認(rèn)為會有一次相當(dāng)強的厄爾尼諾事件發(fā)生，甚至有科學(xué)家認(rèn)為這會改變整個太平洋地區(qū)海表溫度的年代際模態(tài)。不過，科學(xué)家沒有預(yù)料到當(dāng)時只是一次孤立的強開爾文波信號，再沒有后續(xù)強信號，因此大部分預(yù)測模式都高估了來年厄爾尼諾的強度。
這次厄爾尼諾和西風(fēng)爆發(fā)的關(guān)系也再一次證明了開爾文波和熱帶太平洋年際異常的動力和熱力關(guān)系。可以肯定的是，深入研究開爾文波對厄爾尼諾的激發(fā)與影響機理，有助于提高厄爾尼諾定量和概率預(yù)報準(zhǔn)確率。
目前已有的研究發(fā)現(xiàn)開爾文波不僅存在地域差異，而且在周期上具有可分性。開爾文波分為海岸開爾文波和赤道開爾文波兩種基本類型。在固定水深的成層大洋中，自由波沿海岸邊界以尺度為30千米的開爾文內(nèi)波形式傳播，這種波動稱為海岸開爾文波；在赤道附近，由于赤道帶的波導(dǎo)管作用，開爾文波被限制在赤道附近，并且向東傳播而不發(fā)生彌散，定義為赤道開爾文波，而且赤道開爾文波會導(dǎo)致熱帶海洋出現(xiàn)一些異?，F(xiàn)象，如風(fēng)壓異常、海洋20℃等溫線和混合層等。但這兩種波存在一定聯(lián)系，當(dāng)赤道開爾文波撞擊“東部邊界”，部分能量以羅斯貝波及重力波的形式反射回去，剩余部分能量則以海岸開爾文波的形式向兩極傳輸。此過程表明，開爾文波在赤道區(qū)域傳輸過程中將損失部分能量，且有部分能量將傳輸至兩極區(qū)域。
根據(jù)周期的不同，也可以把開爾文波分為三類：開爾文慢波（周期大概為10~20天）、快速開爾文波（周期大概為6~10天）、超快速開爾文波（周期大概為3~6天）。
這其中，由于超快速開爾文波具有較短周期和相對較長的垂直波長，其在傳播過程中耗散較少，能夠到達(dá)中間層頂、低熱層甚至更高的高度。這也使得超快速開爾文波對于中性大氣和電離層的耦合非常重要，進(jìn)而影響空間天氣。超快速開爾文波常年都會發(fā)生，頻率約為20~60天。研究發(fā)現(xiàn)，中間層頂?shù)某焖匍_爾文波調(diào)制了日落時分的粒子垂直漂移，進(jìn)而對電離層進(jìn)行調(diào)制。數(shù)值模擬表明，超快速開爾文波在350千米高度處能夠引起10%的中性密度波動。
編輯：王艷
查天氣
關(guān)注“廣西天氣”微信公眾號
