重力波在中层大气温度波导中的传播模式研究

本文给出了重力波在中层大气温度波导中的导制传播模型,并在此模型的基础上详细讨论了重力波部分导制传播下的对称模式与非对称模式,导出了不同模式下相应的特征函数和色散方程,进一步用离散的方法对两类色散方程进行了求解;同时还利用二维全隐欧拉格式（FICE）对重力波在温度波导中的传播进行了模拟,模拟的结果也成功地展现了对称与非对称两种传播模式.研究表明,下边界的扰动能量在向上传播进入波导区域后被俘获,形成导制传播.不同周期的初始扰动,在波导内均会形成对称与非对称形式两种模式的导制传播,由于两者的行进速度不一致,最终会引起两种不同模式的分离.数值模拟中重力波的水平行进速度与线性模型预测值非常接近.波导中不同模式下重力波的水平波长与初始扰动的水平波长非常一致,然而波导区域内重力波的频率与初始扰动的频率无关,频率不同的初始扰动会激发出相同频率的重力波对称与非对称导制传播模式.这表明在确定的温度波导中,水平波数才是决定重力波传播特性的决定因素.进一步的分析显示,初始扰动的水平波数-频率分布越接近完全导制传播的色散关系时,温度波导中更易于生成以该种模式部分导制传播的重力波.     

对流层上传重力波的非线性演化

利用二维全隐欧拉格式对重力波在可压、非等温大气中的非线性传播过程进行了数值模拟和分析.分析结果表明，从对流层顶激发的重力波能稳定地经平流层传到中层顶，从而将能量和动量从一个区域带到另一个区域；在向上传播过程中，重力波经历了发展、位温翻转、对流直至最终破碎的演变；重力波的破碎是对流和小尺度波动的重要的源，对流不稳定和翻转是非线性现象的一个基本特征.计算还显示，扰动源的大小直接影响着重力波的非线性传播过程，当扰动源足够小时，重力波能稳定传播，而大振幅扰动可以加速重力波的破碎.     

中层大气中重力波饱和机制的数值分析

通过对向上传播的重力波波包在中层大气中的非线性传播过程进行数值模拟,讨论中层大气中重力波的饱和机制.数值模拟结果表明,向上传播的重力波波包的扰动振幅在接近波包的本征水平相速度之前随高度单调增长,而当波振幅接近本征水平相速度时,在对流不稳定区域出现等位温面的翻转,同时波振幅的增长达到饱和（波振幅随高度不发生变化）.小尺度对流在等位温面的翻转和波饱和发生后产生,随后波包开始破碎,这些非线性过程的最终结果产生湍流.表明导致重力波饱和的关键因素是等位温面的翻转而不是诸如波破碎、湍流、波-流相互作用等其他的一些物理过程.     

空间尘埃等离子体中的重力波特性

建立尘埃等离子体中重力波的基本方程，推导尘埃等离子体中重力波的色散关系，分析地球极区中间层顶处尘埃等离子体层中的重力波特性，研究了重力波在电子密度垂直分层的尘埃等离子体中的反射. 结果表明尘埃等离子体改变了通常大气中的重力内波的色散关系，限制了小水平波数重力内波的传播，改变了波的能量特性，减小了重力波在不均匀大气中垂直向上传播时振幅的增长；在尘埃等离子体中传播时重力波可被电子密度垂直分层的结构反射而导致波能量的集中, 它产生的湍动所导致的空间电子密度的不均匀性分布是极区上空PMSEs的可能机制.     

重力波波包在向上传播过程中的破碎

采用二维全隐欧拉（FICE）格式对具有高斯分布的重力波波包在可压大气中传播时的饱和过程进行数值模拟和分析．数值计算结果表明,波振幅首先随高度增加而增加,但当波振幅接近于线性不稳定性给出的阈值时,不再增加,重力波波包达到饱和进而破碎．破碎出现的高度（86．50km）比线性理论预言的结果（84．59km）要高一些,并且一般都在波包的下游出现．波破碎过程能使波能量在空间重新分配,并对重力波能量有明显的耗散作用．并且波破碎会使波相关能量传输方向偏离线性射线理论的射线路径．     

重力波非共振激发的数值研究

应用二阶算子分裂格式，采用全非线性模式，对可压大气中重力波波包非共振激发进行数值模拟和分析.研究表明：两个向上传播的重力波波包，通过非共振相互作用，也能激发出一个向下传播的重力波波包.生成波的能量几乎正比于主波的能量，也随次波的能量增大而增大.能量传递方向主要表现为从高频的主波向次波和生成波转移，这与共振相互作用不完全相同.非共振作用的特征时间由主次波的初始位置和波长频率决定，与主次波的初始振幅无关.生成波的波矢量并不严格满足弱非线性相互作用理论预言的波矢量匹配条件，而且生成波的波长和频率在传播的过程中会随时间发生变化，这表明了弱非线性相互作用理论的局限性.     

台风“梅花”诱发平流层重力波的数值模拟与AIRS观测

为了分析台风这类强对流诱发平流层重力波的过程,本文利用中尺度数值模式WRF-ARW(V3.5)和卫星高光谱红外大气探测器AIRS数据对2011年第9号强热带气旋"梅花"的重力波特征进行了分析.首先,针对模式输出的垂直速度场资料的分析表明,台风在对流层各个方向上几乎都具有诱发重力波的能量,而在平流层内则呈现出只集中于台风中心以东的半圆弧状波动,且重力波到达平流层后其影响的水平范围可达1000km.此外,平流层波动与对流层雨带在形态、位置以及尺度上均具有一定的相似性.其次,对风场的分析结果表明,不同高度上波动形态的差异主要是由于重力波垂直上传的过程中受到了平流层向西传的背景风场以及风切变的调制作用,揭示了重力波逆着背景流垂直上传的特征.随后,基于FFT波谱分析的结果表明,"梅花"诱发的平流层重力波水平波长中心值达到了1000km,周期在15~25h,垂直波长主要在8~12km.最后,利用AIRS观测资料分析了平流层30~40km高度上的大气波动,得到了与数值模拟结果相一致的半圆弧状波动.对比结果也验证了WRF对台风诱发平流层重力波的波动形态、传播方向、不同时刻扰动强度的变化以及影响范围的模拟效果.此外,也揭示了多资料的结合对比有助于更加全面地了解台风诱发平流层重力波的波动特征.     

利用激光雷达测量重力波三维结构

激光雷达观测得到的密度、温度等数据被广泛应用于大气重力波研究.瑞利激光雷达可以获取激光路径上的大气密度、温度数据.对于大气中的三维波动而言,单条路径上的观测参量能提取得到的波动信息有限.本文首先以单色重力波为例,分析了利用激光雷达直接观测三维波动结构的可行性.激光雷达垂直观测即可得到重力波的垂直波长,当激光雷达以一定的天顶角斜向测量时,所得到的波长包含了重力波的垂直波长以及水平波长信息.因此,利用激光雷达同时以三个方向(垂直、向南(天顶角30°)以及向西(天顶角30°))测量,可以提取得到重力波的垂直波长和水平波长.本文利用中国科学院国家空间科学中心研制的车载532nm瑞利激光雷达的经向系统和纬向系统同时以不同的指向角观测大气重力波,对利用激光雷达获取三维波动结构的方法进行了分析研究.本文给出了北京地区激光雷达观测重力波的诸多案例,分析了30~60km高度范围内北京地区大气重力波的垂直及水平波长信息.并以2017年11月7日观测的准单色重力波为例,结合再分析资料的风场数据,分析了该重力波的水平波长,垂直波长及传播方向等信息.     

夏季极区中层顶光化诱发重力波不稳定判据的研究

讨论了夏季极区中层顶区光化学加热对重力波传播不稳定的作用,着重研究了耗散大气中湍流的黏性及扩散作用对该过程的影响,在此基础上给出了重力波不稳定的临界波长.探讨了对不稳定有影响的各种因素,研究发现温度以及氧原子的分布对这一过程有很大影响.     

基于OH全天空气辉成像仪观测的中国低纬地区的重力波传播统计特征

利用位于海南富克(19.5°N,109.1°E)和广西桂平(23.4°N,110.1°E)两个台站两年多的OH全天空气辉成像仪观测数据,对中国低纬地区的重力波传播统计特征进行了研究.从富克和桂平的气辉成像观测中, 分别提取了65和86个重力波事件.研究结果表明,观测水平波长,观测周期和水平相速度分别集中分布在10~35 km, 4~14 min和20~90 m·s^-1范围.重力波传播方向,在夏季表现出很强的东北方向传播.然而,在冬季主要沿东南和西南方向传播. 同时,结合流星雷达风场观测和TIMED/SABER卫星的温度数据,也发现在中层-低热层中传播的大多数重力波表现为耗散传播.且低层-中层大气中背景风场的滤波作用和多普勒频移可能对纬向方向传播的重力波产生的各向异性起到重要的调制作用.然而,经向方向传播的重力波产生的各向异性可能同时被低层大气中波源的非均匀分布以及潮汐变化所影响.     

The nonlinear effects on the characteristics of gravity wave packets: dispersion and polarization relations

By analyzing the results of the numerical simulations of nonlinear propagation of three Gaussian gravity-wave packets in isothermal atmosphere individually, the nonlinear effects on the characteristics of gravity waves are studied quantitatively. The analyses show that during the nonlinear propagation of gravity wave packets the mean flows are accelerated and the vertical wavelengths show clear reduction due to nonlinearity. On the other hand, though nonlinear effects exist, the time variations of the frequencies of gravity wave packets are close to those derived from the dispersion relation and the amplitude and phase relations of wave-associated disturbance components are consistent with the predictions of the polarization relation of gravity waves. This indicates that the dispersion and polarization relations based on the linear gravity wave theory can be applied extensively in the nonlinear region.     

损耗大气中重力波的非线性相互作用理论

基于中高层大气重力波动力学是由非线性过程和损耗过程共同决定的物理思想,本文采用弱非线性相互作用近似,推导出损耗大气中重力波的非线性相互作用方程.这组方程是研究固定相位和随机相位重力波相互作用问题的出发点.通过引入平均振幅,我们得到了损耗情况下离散重力波的三波相互作用方程,该方程描述了重力波波包非线性时空演变的规律.作为该方程的一个具体应用,我们考虑了由于波-波相互作用产生的不稳定性.当一大尺度大振幅的主重力波通过大气传播时,非线性相互作用可能导致两个次级波振幅随时间指数增长.由于分子损耗和频率失配,主波的振幅必须大于一个阈值,这种指数增长才可能出现.共振条件满足时,阈值变为最小.频率失配还会导致次级波本征频率发生改变,改变的大小是频率失配值的一半.     

The influence of background winds and attenuation on the propagation of atmospheric gravity waves

The influence of background winds and energy attenuation on the propagation of atmospheric gravity waves is numerically analyzed. The gravity waves, both in the internal and ducted forms, are included through employing ray-tracing method and full-wave solution method. Background winds with different directions may cause ray paths of internal gravity waves to be horizontally prolonged, vertically steepened, reflected or critically coupled, all of which change the accumulation of energy attenuation along ray paths. Only the penetrating waves propagating against winds can easily reach the ionospheric height with less energy attenuation. The propagation status of gravity waves with different periods and phase speeds is classified into the cut-off region, the reflected region and the propagating region. All the three regions are influenced significantly by winds. The area of the reflected region reduces when gravity waves propagate in the same direction of winds and expands when propagating against wind. In propagating region, the horizontal attenuation distances of gravity waves increase and the arrival heights decrease when winds blow in the same direction of gravity waves, while the attenuation distances decrease and the arrival heights increase when gravity waves propagate against winds. The results for ducted gravity waves show that the influence of winds on waves of lower atmospheric modes is not noticeable for they propagate mainly under mesosphere, where the wind field is relatively weak. However, strong winds at thermospheric height lead to considerable changes of dispersion relation and attenuation distance of upper atmospheric modes. Winds against the wave propagating direction support long-distance propagation of G mode, while the attenuation distances decrease when winds blow in the same direction of the wave. The distribution of TIDs observed by HF Doppler array at Wuhan is compared with the simulation of internal gravity waves. The observation of TIDs shows agreement with our numerical calculations.     

真实基流中非线性Rossby波演变特征(二):能量、结构演变及初始场影响

针对非线性的准地转正压位涡方程,利用自行设计的差分格式和高斯函数拟合得到的真实基流分布,数值研究了线性和非线性Rossby波流场结构和总能量的演变以及初值对总能量演变的影响.发现在非线性的真实基流中,线性和非线性Rossby波的相对总能量出现振荡型增长或衰减,非线性波动的振荡周期明显小于线性波动,非线性项不仅抑制能量的...     

一次暴雨过程中重力波参数演变特征的模拟结果

本文利用中尺度数值模式WRF对2003年7月4-5日淮河流域特大暴雨过程进行了数值模拟,并利用高时空分辨率模拟结果资料,提取了暴雨中心区大气重力波频率、周期、水平波长、垂直波长、水平相速和群速等特征参数,分析了暴雨过程中重力波参数随时间的演变特征.结果表明,对此次暴雨强降水过程影响较大的重力波主要是发展的中 α 尺度波和中 β 尺度波,暴雨后期随着重力波的频散,周期和水平波长有减小趋势,频率有增大趋势.非降水区的重力波参数特征和降水中心区有明显不同,大气中小振幅的中 α 尺度和中 β 尺度重力波是否发展和暴雨强降水的发生关系密切.     

The instability of internal gravity waves to localised disturbances

The instability of an internal gravity wave due to nonlinear wave-wave interaction is studied theoretically and numerically. Three different aspects of this phenomenon are examined. 1. The influence of dissipation on both the resonant and the nonresonant interactions is analysed using a normal mode expansion of the basic equations. In particular, the modifications induced in the interaction domain are calculated and as a result some modes are shown to be destabilised by dissipation. 2. The evolution of an initial unstable disturbance of finite vertical extent is described as the growth of two secondary wave packets travelling at the same group velocity. A quasi-linear correction to the basic primary wave is calculated, corresponding to a localised amplitude decrease due to the disturbance growth. 3. Numerical experiments are carried out to study the effect of a basic shear on wave instability. It appears that the growing secondary waves can have a frequency larger than that of the primary wave, provided that the shear is sufficient. The instability of waves with large amplitude and long period, such as tides or planetary waves, could therefore be invoked as a possible mechanism for the generation of gravity waves with shorter period in the middle atmosphere.     

Gravity wave exclusion circles in background flows modulated by the semidiurnal tide

In this short paper the exclusion circles and vertical phase locities for gravity waves launched from the ground into a time-varying wind are studied using a ray-tracing technique. It is shown that waves with initial observed phase speeds that should place them within the local temporally varying exclusion circle, are often Doppler shifted outside of the circle. This, and the finite lifetime of some critical levels, allow waves to survive the critical layer and reach higher altitudes. Also, for slower phase-speed waves, the temporally varying wind can shift the observed frequency to negative values, so that the observed phase motions will be opposite (i.e. horizontally reversed and vertically upward), even though the energy still propagates upward. This effect can also cause the phase velocity to move inside the local exclusion circle. Due to the directional filtering of wave sources by the stratospheric wind, the percentage of such reverse-propagating waves will change systematically with local time and height in our simplified but realistic model. These results are related to ground-based systems, optical and radar, which sample the wind field and gravity waves in the middle atmosphere.