羅斯比波又稱行星波，是在旋轉流體中以科里奧利力為回復力沿緯向傳播的橫波。其基本原理如圖1所示。羅斯比波的時空尺度極長。其波長與載波流體的尺度相當，波動周期比載波流體的旋轉周期長。相關探測需要在長時間段內對來自多個經度扇區的載波流體進行連續和同步的監測。此外，羅斯比波的耗散性和瞬態性讓相關探測更具挑戰性。這些困難使得羅斯比波成為近地空間中為數不多的在理論上先被預測之后才被觀測到的現象之一。
羅斯比波在塑造地球、太陽和其他天體的大氣、海洋和等離子體的天氣和氣候方面發揮著重要作用。其非線性行為被用來解釋天體的一些重要過程和周期性，例如，太陽表面磁結構的一些準周期性、地磁場的長期變化。這些非線性行為中最低階的是二次諧波產生。在這個過程中，波與自身非線性相互作用，產生具有兩倍頻率和波數的新波。作為一個波的原型行為，該機制廣泛用于無線電通信和非線性光學，例如，通過紅寶石激光器產生藍色激光(圖 2)。多年來，羅斯比波的二次諧波產生行為得到理論分析和數值模擬的支持，但并未被實際觀測到。
針對羅斯比波觀測技術上的困難，中國科學院國家空間科學中心太陽活動與空間天氣重點實驗室領域科學家何茂盛研究員及其合作者利用來自國家重大科技基礎設施——子午工程漠河站和同緯度上德國朱利葉斯魯站的流星雷達觀測，發展了行星尺度波動的雙站臺探測技術。利用該技術，何茂盛等發現了2019年1月平流層爆發性增溫事件前后地球中層大氣中由羅斯比波引起的一系列擾動。其中，有兩個擾動周期分別為16天和8天。這兩個擾動的時間演化、頻率和波數關系、以及雙譜和雙相干分析(bispectral and bicoherenceanalysis)都表明，它們分別對應著一個羅斯比波正態模及其二次諧波產生。此外，作者對雙譜和雙相干提出了新的物理解釋，將其分別解釋為能量的供給和接受雙方之間的一個復協方差和復相關系數。
圖1：羅斯比波基本原理示意圖： (a,b) 由科里奧利力的子午向梯度充當的回復力和(c—e)由位渦守恒而決定的相速度。(a)在水平氣壓梯度力與科里奧利力平衡的條件下，氣團沿著緯圈向東流動。(b)氣團位移的子午向擾動伴隨著科里奧利力的改變，該改變將產生與位移擾動方向相反的加速度，使得氣團沿著路徑l蜿蜒流動。(c)沿著l上相對渦度的梯度使得氣團產生切向的速度，該速度在緯圈方向上投影始終向西(局部放大的情形如d和e所示)，使得l呈現出向西的相速度。(d、e)中粉色和紅色箭頭表示相對渦度及其梯度。
圖2：通過二次諧波產生(Second harmonic generation，SHG)原理，利用紅色激光生成藍色激光。右側紅色（694 nm）高強度激光聚焦到石英樣品，經分光器后，得到左側藍色（347 nm）激光。
該研究成果于近日發表在學術期刊Nature Communications上。
文章鏈接:He, M., Forbes, J.M. Rossby wave second harmonic generation observed in the middle atmosphere. Nat Commun 13, 7544 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-35142-3