磁层顶边界层剪切流引起的MHD波模转化

采用非本征模方法（non modal analysis）研究了磁层顶边界层中剪切流导致的MHD波模转化及其与背景流场的能量交换过程.发现在分别代表磁层顶内、外边界层及过渡区的均匀剪切流场中,初始设定的Alfvén波扰动可部分转化为快、慢磁声波.而且,在不同区域,根据等离子体参数的不同,发生的波模转化过程也不相同.在外边界,Alfvén波主要转化为慢磁声波;在内边界,Alfvén波则主要转化为快磁声波;而在二者之间的过渡区中,Alfvén波可同时转化为两种类型的磁声波.我们还发现,含有较强快波分量的扰动可从磁层顶剪切流场中获得能量而得到线性放大.上述物理过程可能对解释磁鞘至磁层的能量及动量异常输运现象有所帮助.     

Alfven行波涌浪携带的场向电场──极光粒子加速机制

提出一个剪切Ａｌｆｖｅｎ波加速极光粒子的新模式。频率远小于离子回旋频率的Ａｌｆｖｅｎ波由磁层向电离层传播会演化成孤波，当场向电流超过离子声不稳定性的临界电流时，激发离子声不稳定性，波与粒子的相互作用产生反常阻尼使Ａｌｆｖｅｎ波演化成行波涌浪。它携带一个方向向上的平行电场，加速极光电子形成分立极光。对等离子体密度、电场及其对应的电势进行了数值计算，结果发现满足磁层加速区条件形成Ａｌｆｖｎ行波涌浪，提供足够强的加速粒子的电场。     

磁重联与等离子体波动

磁场重联与等离子体波动之间存在显著的联系.其中准静态波动、激波和动力学阿尔芬波的本征模是磁重联结构的重要组成部分.而其它的高频波动,不仅能吸收粒子的自由能,还可以导致粒子的加热和反常电阻的产生.这些多尺度的波动过程揭示了磁重联中能量转换的多尺度性质.本文探讨了地球磁层磁重联过程中的各种等离子体波动,涵盖了动力学阿尔芬波、低混杂波、哨声波、静电孤波、离子声波以及电子尺度的高频静电波,并分析了它们在磁重联中的特性和作用.近期的研究成果表明,动力学阿尔芬波（kinetic Alfven wave, KAW）能够描述磁重联区域的微观结构,其中包括霍尔磁场、霍尔电场、平行电场、霍尔电流以及场向电流.在这一过程中,霍尔电场作用于离子,有助于提高重联速率.低混杂波主要在电流片的密度梯度较大处被激发,并对电子进行平行加热.而哨声波是由朗道共振和回旋共振机制驱动的.据当前研究所示,低混杂波和哨声波对于重联过程中的反常电阻效应的影响是次要的.静电孤波多在磁重联分界线区域出现,其对等离子体的加热效应仍需进一步研究.与此同时,关于高频静电波（例如高混杂波和电子伯恩斯坦波）的研究重点在于磁重联的扩散区,这些波被...     

垂直无碰撞激波的离子加速机制

利用一维全粒子模拟得到的垂直无碰撞激波的位形,通过试验粒子方法研究了不同初始能量粒子的激波加速机制.将与激波相互作用的离子分成反射和直接穿过两类,发现只有被激波反射的离子可被激波明显加速,其中初始能量较小的反射离子通过激波冲浪机制加速,而初始能量较大的离子通过激波漂移加速机制加速.同时激波厚度还对离子被加速过程有重要影响.     

地球磁层中超低频波与低能粒子的相互作用

太阳风—磁层耦合过程会产生各种等离子体波,其中超低频波的频率最低(1 mHz～1 Hz)、波长最长(与内磁层磁力线长度相当)、能量密度最大.超低频波在磁层粒子加速、物质输运和能量转化中起着重要作用.以往的研究主要关注超低频波的全球性传播和分布特征以及这些波动与磁层能量粒子(辐射带电子和环电流离子)的相互作用过程.最近几...     

一个新的太阳宇宙线的日-地传输模型

提出了一个新的太阳宇宙线日 -地传输的数学模型 ,它包括日冕粒子分布源和行星际传播方程 .根据对太阳宇宙线耀斑黑子群特征和耀斑相的观测 ,提出了多极性黑子湮没的两阶段日冕传输过程和传输方程 ,得到了与观测特征一致的日冕粒子分布源 .日冕传输的第一阶段 ,和太阳耀斑脉冲相的时间相当 ,加速粒子通过扩散很快均匀地分布在耀斑区 ,形成所谓快传播区 .第二阶段 ,加速粒子向快传播区以外的日冕区扩散并向行星际空间逃逸 ,形成慢传播过程 .日冕传输模型的数值结果和日冕传输的观测特征符合 .太阳宇宙线的行星际传播采用三维正交均匀各向异性方程描述 .最后把模型的数值结果与 1 997年 9月 2 4日事件的SOHO（SolarandHeliosphericObservatory）观测资料作了比较 .能较好地符合 .     

ESF中一种重要新波模的探讨

本文从计入离子-中性粒子碰撞频率Vin效应的等离子体二流体方程组出发,导出统一描述ESF小尺度和中小尺度区域现象的二维静电模型.对模型方程进行了详细的线性波理论分析.结果表明,晚间赤道F层可存在正能波和负能波;Vin效应的影响是否重要依赖于波数和离子梯度漂移速度u_d乘积的大小.在小尺度区域,Vin影响较小,本文模型将变成我们已提出的小尺度无碰撞模型;而在中小尺度区域,Vin效应很重要,本文模型将得到著名的Rayleigh-Taylor不稳定性结果,Vin项对波的影响可以是致稳作用也可能是失稳作用,RT不稳定性波模对应于负能波分支.     

电离层星载阻滞势分析器的误差仿真分析

阻滞势分析器经过半个世纪的发展,在国际上已经成为就位探测电离层离子密度、离子温度和离子速度的重要手段.本文介绍了阻滞势分析器的工作原理,建立了多种仿真模型,从微观上比较几种模型对粒子的作用特性.栅网和等离子体鞘层是影响阻滞势分析器误差的主要因素,本文重点研究了这两个因素对离子透过率的影响,分析发现鞘层电场会进一步影响栅网的电场畸变,从而加剧栅网对离子的"聚焦"作用.最后,我们通过仿真生成伏安特性曲线,利用理想模型公式进行最小二乘拟合并获得离子参数,对两种模型在不同温度输入时离子密度、离子温度和离子法向速度的探测误差做出了分析.     

GRAPES全球非静力大气模式的正规模分析

为分析数值模式动力学框架中不同波动的特性及对数值天气预报模式计算稳定性的影响,文章对GRAPES（Global/Regional Assimilation and PrEdiction System）全球非静力大气模式进行了正规模分析.首先,建立了静止大气状态下模式的线性化系统,并在适当的边界条件下将线性化系统分解成具有垂直与水平结构方程的本征值、本征函数耦合问题.然后在等温大气条件下,利用耦合问题的数值结果分析得出：GRAPES非静力模式除了有几乎和对应的静力模式一致的向东、向西传播的重力惯性波及向西传播的Rossby波外,还有一个向东、向西传播的声惯性波;特别是,只有当纵横比较大时,非静力模式对重力惯性波才会有显著影响.     

垂直切变风场中声重波的Burgers-KdV方程研究

本文从可压缩流体的原始动力学方程出发,利用二维约化摄动方法推导出垂直切变风场中考虑曳引效应的二维声重波的Burgers-KdV方程,并对其非线性性态作了一些研究.主要结果:1.声重波在远场处能激发起孤波和多周期波列等非线性波动;2.给出上述非线性波动与大气背景风场、密度等的制约关系;3.进一步推测大气风剪切是E_s形成的可能机制.从本文推导出的方程出发,可进一步研究声重波远场处的相互作用、能量转换、不稳定性和定源等问题.     

基于波动方程预测和双曲Radon变换联合压制表面多次波

基于波动方程预测的表面多次波压制方法可处理复杂地下介质的地震资料,但计算成本较高.基于滤波的多次波压制方法计算效率较高,但其成功应用仅局限于一次波和多次波有明显时差差别的地震数据,对来自速度逆转等复杂介质数据则较难获得满意的压制效果.本文将波动方程预测的反馈迭代法和滤波法有效结合,采用GPU(图形处理器)和CPU协同并行加速计算粗略预测表面多次波,随后在双曲Radon域比较分析原始数据和预测的多次波,设计合理有效的Butterworth型自适应滤波器,滤出原始数据Radon域中的多次波能量,进行Radon反变换后,在时空域将多次波从原始数据中减去,得多次波压制结果.文中对理论模拟的单炮数据、复杂的SMAART模型以及实际地震数据进行了计算,结果表明,结合基于波动方程预测和双曲Radon变换的方法有效突破了两种方法各自的局限性,可高效高精度地压制复杂地下介质的表面多次波.     

近磁尾TC-1观测到伴随有高速流的ULF波及不稳定性分析

2004年8月3日近地TC-1卫星在磁尾X_GSM~－12R_E的等离子体片内,观测到了伴随着高速流的低于离子回旋频率的波,即超低频波(ULF,Ultra Low Frequency).该波垂直分量的振幅在高速流及其振荡减速期间大致相当;而平行分量振幅在高速流时明显大于其振荡减速时. 利用一个扰动双流模型对完全磁化离子横场漂移驱动的电磁不稳定性计算后,预测结果表明:(1)对于垂直分量来说,横场漂移速度与Alfvén速度的比值影响不稳定性增长率和激发波频率,随其比值增加,增长率变大,激发波频率从负值增加到正值.(2)对于平行分量来说,温度各向异性时等离子体热速度与Alfvén速度比值只影响不稳定性增长率和激发波频率,未改变不稳定性模类别;而温度各向同性时离子横场漂移速度与Alfvén速度比值既影响不稳定性模的种类及其分支,又影响激发波频率.进一步将卫星观测到的等离子体密度、温度、整体流速和磁场代入模型方程,进行数值计算与上述预测结果对比后发现:卫星观测中垂直分量的功率谱密度(PSD,Power Spectrum Density)增强时间和频段与理论模型中由β_//、β_⊥和v_⊥/V_A引起不稳定性激发的波一致;卫星观测中平行分量的功率谱密度增强时间与理论模型基本相符,但是前者的频率明显地低于后者.因此,除了需考虑平行磁场的离子整体流速对不稳定性激发波频率的可能影响,还需要统计上进一步核实伴随有高速流的ULF波与不稳定性的相关性.     

超低频波粒相互作用分析器

地球磁层的超低频(ULF)波是导致能量带电粒子快速加速的主要原因,同时这些粒子又可以使ULF波发生阻尼,它们之间的相互作用的过程可以通过星载仪器来定量观测.作者根据波与粒子相互作用的原理,结合中高轨道三维空间电场测量系统DC和低频部分的频率响应特点,设计了一种针对ULF波的波-粒相互作用分析器,并进行了模拟实验和验证.该仪器具有快速、精确、结构简单的特点,在中高轨道卫星观测时能对ULF波与粒子的相互作用的过程进行实时的定量测量.     

海浪破碎对海面微波后向散射系数的影响

在海面波破碎区，假定随机粗糙的海面被两层不同散射性质的球形粒子覆盖，上层是由海面飞沫组成的球形Ｒａｙｌｅｉｇｈ粒子层，下层是由气泡组成的球形Ｍｉｅ粒子层，根据大量观测和实验的统计结果，确定了两层散射粒子的平均半径和单位体积的粒子数；并用迭代法求解随机粗糙海面上的两层粒子的矢量辐射传输方程．根据风波破碎时白冠覆盖率和海面飞沫、气泡的统计模型，给出了一个新的风驱海面的微波散射理论模型．利用这一模型定量地给出了海面后向散射系数和风速、视角、极化和白冠覆盖率等特征参量之间的函数关系，并研究了覆盖在波破碎区的散射粒子对海面后向散射系数影响程度．     

风驱动下f-平面准地转三维海洋环流的形成及总质量守恒的应用

将理想化的南中国海海盆在垂直方向上划分为Ekman层、惯性层和摩擦层. Ekman层中的运动由大气风应力驱动，其底部的扰动压力将作为其下惯性层中运动的上边界条件. 惯性层中的运动是由f 平面三维非线性方程在准地转近似下位势涡度守恒控制，由此得到控制惯性层中运动关于扰动压力的三维椭圆型方程. 在惯性层以下考虑到深层的海盆水平尺度很小，由此引进带有底部摩擦的线性控制方程，方程的边界条件为惯性层和摩擦层交界面上的扰动压力连续，沿海盆边界假定海水与相邻的固壁间无热量交换，由此设在海盆边界上扰动温度为零. 在此基础上分别利用惯性层和摩擦层中的椭圆型控制方程计算了相应层次上冬、夏季的扰动压力和准地转流. 结果表明冬季各层上以气旋式环流为主，且随深度的增加流速减小；夏季各层上以反气旋式环流为主，流速也随深度增加而减小. 这在一定程度上和观测事实相符.     

磁场重联中离子轨道的混合模拟研究

在使用2.5维混合模拟方法研究了Petschek模型稳态驱动磁场 重联演化的基础上， 本文考察了计算域内各典型区域中粒子分布函数的变化，描绘了重联区不同位置几种类型的 非Maxwell分布函数. 结果表明，磁场重联会将重联区少部分粒子加速到很高的能量，不同 加速程度的粒子将形成球壳状的速度分布. 粒子的轨道特征表明，在重联区中出流的粒子， 有一部分被磁镜捕获，其回旋半径大于重联区宽度，并构成整个流体速度的低速部分. 另外 ，在X中性点附近进入重联区的粒子沿磁力线向出流区以三种形式漂移，分别为：沿磁力线 逃逸、捕获在磁镜中随流体运动、横越磁力线漂移，其比例分别约为70%，20%和10%。     

太阳风与彗尾等离子体作用引起微观不稳定性的讨论

Ⅰ型彗尾中有较大的粒子加速现象.本文应用等离子体动力学理论,采用较新的观测数据,以及不同的等离子体分布形式进行对比、分析.得出的结论是,在彗尾内部可能存在这种微观不稳定性,并有可能引发观测到的粒子加速现象.     

基于测试粒子模拟的垂直无碰撞激波对离子的加速研究

本文利用测试粒子模拟的方法研究离子在通过垂直无碰撞激波结构时的加速.我们首先探究了在理想激波条件下,离子通过激波结构后的能量增益与其初始参数(包括回旋相位角、初始位置和上游平均能量)的关系;然后进一步探索了离子通过由自洽的一维混合模拟给出的更接近真实的激波结构时获得的加速,研究了激波内部的电场和磁场结构对离子能量增益的...     

弹性波逆散射微扰论

本文将普遍声逆散射微扰论应用于弹性波层析成像问题,在Born变换下推出了以旋转角为补偿参数的各阶微扰重建公式,实现了对非均匀各向同性散射体内3个参数（质量密度ρ和两个Lamé系数λ,μ）的同时重建. 对于层析成像问题,在弹性波的传播过程中P波与SV波有耦合,但它们不会和SH波发生耦合,于是可以得到3个形式相对简单的标量方程. 在Born变换下,在散射波中引入微扰参数,将散射体的3个参数分别按该微扰参数展开,然后利用二维自由空间的Green函数分别得到散射的P波、SV波和SH波的积分表示. 最后,经一维傅氏变换后,得到Born变换下散射体3个参数的各阶微扰重建公式.     

北极地区低平流层惯性重力波的观测研究

南极地区重力波活动有大量报道,相对而言,北极地区重力波的研究还很少.本文利用极区Ny-Alesund站点（78.9°N,11.9°E）无线电探空仪从2012年4月1日到2017年3月31日共5年的观测数据,统计分析了北极地区低平流层惯性重力波的特征.观测显示,月平均纬向风在20 km以下盛行东向风,再随着高度增加,逐渐呈现出半年振荡现象.对流层顶高度在5~13 km范围内变化,其月平均高度显示出年循环,最高出现在夏季,约为10 km,最低出现在冬季,约为8.5 km.对流层和低平流层月平均温度都显示出明显的年周期变化,这与中低纬度观测结果有所不同.结合Lomb-Scargle谱分析和矢端曲线方法,估算了准单色惯性重力波参数.个例研究表明,低平流层惯性重力波呈现出远离源区的自由传播性质.统计结果显示,惯性重力波的水平和垂直波长分别集中在50~450 km和1~4 km范围内,本征频率集中在1~2.5倍惯性频率间,这些值都比中低纬度观测值稍小.垂直方向本征相速度主要集中在-0.3~0 m·s^-1,而纬向和经向本征相速度集中在-40~40 m·s^-1之间.在5年的观测中,大约91.5%的惯性重力波向上传播.在冬季和早春,由于极地平流层极涡活动,激发出向下传播的惯性重力波,因此,向下传播的比例上升到相应月份的20%左右.由于低层大气盛行的东向风的滤波效应,低平流层大部分惯性重力波向西传播.波能量呈现出明显的年周期变化,最大值在冬季、最小值在夏季,与北半球中低纬度观测结果一致,表明北半球重力波活动普遍冬季强、夏季弱.