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.     

重力波诱导OH气辉分布的变化

利用全隐欧拉格式和全球热层-电离层-中间层-电动力学环流耦合模式（TIME GCM） ,本文分析了非线性重力波在向上传播过程中对OH气辉廓线的影响,结果表明,当较小垂直 尺度重力波经过OH气辉发射层时,对其峰值分布有明显的影响,有时会出现双峰现象,说明 非线性重力波传播是引起气辉双峰分布的一个直接原因;重力波在中层顶区域的破碎 在OH气辉分布均有不同程度的表现,这不仅可以解释一些实际的观测,同时也对利用OH气辉 观测分析重力波传播特性有明显的指示意义.      

重力波与潮汐之间的非线性相互作用

采用二维可压缩大气中重力波非线性传播的数值模式, 研究了重力波与潮汐之间的非线性相互作用. 结果表明, 重力波在潮汐背景中传播时, 先后在z = 75~85, z = 90~110和z = 15~130 km 3个高度上发生不稳定. 垂直波长首先由12 km变成27 km左右, 新生成的长波逐渐被压缩并再次生成20 km左右的长波. 长波和短波出现的高度分别对应于反向和同向背景风场区域的高度. 在重力波主要的破碎区域(90~110 km)以上, 仍有部分重力波继续上传. 重力波在上传过程中除了对背景风场加速之外, 还增大了潮汐的振幅, 特别是在重力波发生不稳定之后, 对潮汐振幅的放大作用更加明显.     

一次冰雹过程的惯性重力波观测及数值模拟

使用高灵敏度的电容式微压波传感器对1998年4月11日16时发生在贵州省普定县的一次降冰雹过程的重力波进行观测,利用WRF（Weather Research and Forecast）中尺度模式对这一过程进行数值模拟,使用Morlet小波方法对模拟结果进行分析,得出这一过程中惯性重力波的分布和变化规律,并分析急流、地形及切变线对惯性重力波的影响.观测发现：在降冰雹前,每隔1~4小时出现一次短周期重力波阵性增强的现象.数值模拟结果显示：在低空降冰雹前几个小时有强的短周期重力波出现,其中周期较长的出现早、存在时间长,周期较短的出现晚、存在时间短;强的低空急流和风速垂直切变触发对流或湍流的发生和加强,对流或湍流又激发了80~200 min的短周期重力波;短周期重力波更容易向垂直方向传播,而长周期重力波倾向于水平方向传播.长周期重力波在降冰雹后周期有明显变短现象,随高度越加明显.由地形形成的重力波在最高山峰上空振幅最大.     

重力波包在中层大气温度波导中传播的数值模拟

给出了重力波在中层大气温度波导中的反对称形式导制传播的线性理论模型，并采用二维非线性的数值模型对重力波波包在中层大气温度波导中的传播和演变过程进行了模拟研究.模拟的结果表明，下层大气激发的重力波能量进入波导区域后被俘获形成导制传播.重力波在波导内不停地来回反射，垂直方向的自由传播受到限制，能量在波导内沿着水平方向传输，模拟得到的波参数与理论值相近.重力波包在温度波导中传播时伴随着能量泄漏，且能量泄漏的速率随时间变缓，最终总有部分能量被限制在波导区域.重力波在水平方向上传播几百公里后，依然维持着良好的波结构，同时数值模拟也给出了重力波在波导区域内能量密度的时空分布.     

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.     

热源激发重力波特征以及波流作用的数值模拟研究

本文在二维等温可压大气中引入了一个随时间和空间变化的热源扰动,分别以静止风和中纬1月份月平均向东的纬向风急流为背景,对不同背景下热源激发的重力波的传播详细过程及其特性进行了数值模拟研究.热源激发出来的重力波在初始阶段有很宽的频谱范围,随后由于重力波的传播效应,水平波长和垂直波长分布范围随时间都有所减小.顺风传播的重力波...     

AIRS观测的东亚夏季平流层重力波特征

对流性重力波对中层大气环境有显著影响.重力波活动及重力波源的地理和季节性变化等信息是理解和模拟重力波效应的基础.卫星高光谱红外大气垂直探测器AIRS的4μm和15μm波段可用于识别30~40km高度范围和41km高度附近的重力波,其11μm通道可同步观测对流层深对流.观测个例表明,海面和陆面上空的平流层扰动影响范围均可达1000km,不同高度的扰动强度分布也存在差异.基于2007年6月至8月的AIRS观测资料,分析了东亚区域的对流层深对流活动和平流层的重力波,得到了深对流和重力波发生频率的水平分布.统计结果表明,东亚区域夏季夜间的深对流活动明显少于白天,但AIRS观测到的平流层重力波发生频率和扰动强度均显著大于白天,揭示了夜间对流层深对流诱发的平流层重力波在强度、范围等方面可能与白天存在显著差异.进一步对比分析表明,AIRS观测的平流层扰动高值区与深对流高值区明显不同.平流层重力波与对流层深对流之间的相关分析表明,在36°N以南的区域,41km高度上AIRS观测的重力波中,深对流云诱发的重力波的比例约为30%~100%.在10°N至36°N区间,90%的深对流均可诱发平流层重力波.分析得到的30~40km高度区间和41km高度附近的重力波水平分布对比表明,后一高度上的扰动强度明显大于前一高度,且前一高度在东南亚区域存在强扰动中心而在后一高度则没有.最后,给出了AIRS观测的几种典型形态的东亚区域平流层波动,表明了该区域平流层环境波动形态的复杂性和多样性.     

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.     

用传输函数构建的大气重力波传播理论模式

本文根据考虑大气热传导和黏滞的重力波复色散关系，采用传输函数的概念，基于重力波的线性理论，构建了用于研究对流层内重力波激发源与电离层响应之间的传输函数数值模式.在相空间中讨论了传输函数振幅的分布特性，并以地面单位脉冲源为例，分析了从地面到300 km高空的响应，得到了物理量的时空分布特征.结果表明：（1）对内重力波的传播而言，大气相当于一个滤波器，只有波动周期在15～30 min，水平波长在200～450 km之间的重力波扰动才最容易到达300 km电离层高度；（2）电离层的响应主要在与地面的激发源之间相隔较远的水平距离上发生；（3）黏滞和热传导系数在低层对上传重力波的影响较小，随着高度的增加它们对重力波的影响越来越大；（4）在低层计算的波动频率与Row理论的计算结果比较一致，然而到了高层却相差较大.     

Acoustic gravity wave growth and damping in convecting plasma

The propagation of acoustic gravity waves through steadily convecting plasma in the thermosphere has been analysed theoretically. The growth and damping rates of internal gravity waves due to the feedback effects of wave-modulated Joule heating and Laplace forcing have been calculated. It is found that large convection flow velocities lead to the growth of large-scale internal gravity waves, whilst small- and medium-scale waves are heavily damped, under similar conditions. It has also been shown that wave growth is favoured for waves travelling against the plasma flow direction. The effects of critical coupling when wave phase speeds match the plasma flow speed have also been investigated. The results of these calculations are discussed in the context of the atmospheric energy budget and thermosphere-ionosphere coupling.     

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.     

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.     

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.     

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.