旋转地球上不可压缩流体惯性重力波的频率方程

用微扰动方法对旋转地球上不可压缩流体的控制方程组进行线性化,得到了扰动解和流体界面上惯性重力波的频率方程。表面惯性重力波和惯性重力内波的相速公式都是这个更普遍的频率方程的特殊情况。     

海洋波动的波谱分析和尺度划分

对垂直切变基本流中刚盖海洋的大、中尺度波动作了波谱分析.发现随着基本流切变的增大和扰动波长的减小,涡旋波和重力惯性波的连续谱区会互相靠拢,最后发生重叠,这时已不能区分为快波、慢波;而能否重叠的关键在于临界波长与扰动波长的相对大小;基本流切变越大,扰动波长越短,重叠现象就越严重.这可用作尺度划分的客观标准.当波动尺度大于临界波长时,属大尺度,这时涡旋波和重力惯性波连续谱区互相不重叠,涡旋波是准地转的;当波动尺度小于临界波长而大于临界波长一半时,出现了涡旋波与重力惯性波连续谱区重叠的现象,并出现了涡旋-重力惯性混合波,而涡旋波是非地转的,此时运动属α中尺度.当波动尺度小于临界波长一半时,则已无纯粹的涡旋波,只有涡旋-重力惯性混合波和纯粹的重力惯性波,此时所有的运动均是非平衡的,该运动属β中尺度.采用这一方法划分的尺度标准与通常的标准在量级上相一致.     

旋转层化二维海洋中扰动的连续谱临界层分析

讨论了旋转层化二维海洋垂直切变基本流中海洋内部波动扰动连续谱临界层出现的情况和可分性问题.当存在垂直切变基本流时,横波型扰动表现为3类波动:一对重力惯性波和一支涡旋波,这3类波动均存在连续谱和临界层;当扰动波长大于该临界波长的1/2而小于临界波长时,则涡旋波的连续谱与重力惯性波的连续谱两波可发生重叠,但临界层不相重叠.在扰动尺度和地转参数小而基本流切变大的条件下, 扰动波长小于临界波长的1/2时,这3类波动的连续谱会发生重叠,在重叠区会出现涡旋-重力惯性混合波,临界层可能发生重叠.     

旋转流体中的非线性惯性波

本文从旋转流体中非线性惯性波的基本方程出发,通过微分几何理论论证了非线性惯性波在传播方向上的周期性及不存在孤波解。采用Hamilton函数及其作用──角度变量给出非线性惯性波的解析解。并以简洁形式提出了一种有限振幅的非线性惯性波和用罗斯贝数作为控制参量的非线性频散关系和波速公式。     

气侯平均风场作用下热带太平洋主流系和赤道行星波研究

将两层约化重力原始流体动力方程耦合气候月平均风场,数值计算流场基本能够正确反映热带太平洋上层主流系和温跃层的空间分布和季节变化．在气候平均条件下,东太平洋125°W附近经向风应力可激发出高阶混合Rossby重力波．海洋高阶赤道Kelvin波流速模态可从西太平洋边界传播到东太平洋边界,而高阶赤道Kelvin波温跃层模态从西太平洋边界东传后,在中太平洋受到高阶混合Rossby重力波诱发的西传温跃层扰动的阻挡．     

气候平均风场作用下热带太平洋主流系和赤道行星波研究

将两层约化重力原始流体动力方程耦合气候月平均风场,数值计算流场基本能够正反反映带太平洋上层主流系和温跃层的空间分布和季节变化,在气候平均条件下,东太平洋１２５°Ｗ附近经向风应力可激发出高阶混合Ｒｏｓｓｂｙ重力波,海洋高阶赤道Ｋｅｌｖｉｎ波流速模态可从西太平洋边界传播到东太平洋边界,而高阶赤道Ｋｅｌｖｉｎ波温跃层模态从西太平洋边界东传后,在中太平洋肥到高阶混合Ｒｏｓｓｂｙ重力波诱发的西传温跃层扰动的     

海洋对移行风场的瞬时响应

本文研究无界有限深度海洋对移行风场的短周期响应问题。分析表明:第一,响应扰动具有两种类型,即地转流动和惯性重力波动,第二,提出一种圆形旋转风场在海上移动所产生的扰动源,扰动源主要决定于风应力旋度的分布,第三,以扰动源作为一种脉冲构成运动方程的非齐次项,求解得出海洋的响应主要取决于圆形风场;最后,通过计算求得扰动流速和海面升高的时空分布,扰动响应在强度、范围及持续时间上均与风场密切相关。     

海洋内重力惯性波不稳定模态分析

基于海洋动力方程的内重力惯性波数学模型给出其数值求解方法,并对沿垂直切变背景流传播的海洋内重力惯性波的不稳定做了探讨,得到的结论有:在不考虑海底地形和采用刚盖近似的条件下,在稳定层化海水中,当背景流为常数时,海洋内重力惯性波均是稳定的。在较弱的稳定层结下,具有垂直切变的背景流会导致海洋内重力惯性波的不稳定。该不稳定内波的增长率对其波长具有选择性并可有短波截断。增长率最大处出现在波长为几十公里的范围内。对固定的内波波长,背景流垂直切变越强则其最大增长率越大;若此时有多个不稳定模态,则增长率最大的模态其垂直结构最简单。该不稳定内波流函数的结构在垂直方向大体呈单圈环流形态,环流中心可以是一个,也可以是2个,后者则呈"猫眼"结构。     

地球流体中的非线性重力波

从地球流体运动浅水模式的非线性方程出发，采用行波分析法给出了平面自治系统，利用相图理论，讨论了行波解的性质，提出了平面非线性系统不存在孤立波的结论；利用K-B平均法，首次获得有限振幅惯性重力波以Rossby数作为控制参量的非线性频散关系。     

海洋运动对大尺度风场影响的解析研究

为探讨海洋向大尺度风应力响应的具体过程,建立了考虑海面风应力强迫的正压原始方程海洋模型,并利用Green函数做了解析求解和讨论。发现风应力引起的Ekman抽吸正比于风应力旋度。得到了海洋向风应力响应的具体形式:即海洋流场和压力场进行着准平衡的演变,并有海洋中压力梯度与科氏力之间的准地转平衡以及海洋Ekman体积输送的散度场与风应力旋度场之间的准平衡;此时有短周期的重力惯性波被激发,该波会较快弥散掉;而准平衡的演变则始终持续着。海洋在大尺度风场的强迫下的运动由重力惯性波、强迫惯性振荡和缓慢演变的准平衡过程三部分组成;前两部分是快过程,第一部分更快,第三部分是慢过程。最终海洋运动表现为强迫惯性振荡和准平衡演变过程的叠加。     

重力梯度仪辅助惯导导航的误差分析

研究了重力梯度仪辅助惯导的导航误差方程,计算某区域重力异常、垂线偏差和二阶的扰动重力张量,并在此基础上对扰动重力补偿惯导系统误差进行了仿真计算,与无重力梯度仪辅助惯导的误差进行数值比较,结果表明采用重力梯度仪辅助导航之后,扰动重力引起的惯导误差有了明显的改善。     

扰动重力补偿惯性导航系统误差分析

重力扰动是高精度惯导系统的主要误差。 讨论了减小扰动重力场对惯性导航系统影响的方法,以分辨率为 1''×1''的某区域垂线偏差数据为背景场,对采用实时补偿扰动重力数据的情况进行仿真。 建立梯度仪补偿惯导系统的扰动重力模型,与无重力梯度仪辅助惯导的误差进行数值比较,讨论同一重力异常背景场扰动重力对惯导系统影响,最后建立基于重力梯度仪的 Kalman 滤波方程,结合惯导系统对引入梯度仪补偿扰动重力的情况进行估计,结果表明可以很好的抑制扰动重力引起的速度误差。     

旋转层化二维海洋波动连续谱的波包特征分析

对旋转层化二维海洋波动中重力惯性波和涡旋波连续谱波包的结构以及演变特征作了计算和分析,并得到以下结论:这两类波动的结构与演变各不相同。连续谱波包的演变不但依赖基本场的分布,而且还依赖初始扰动的结构。根据初始场的不同,扰动可衰减,也可先增长、再衰减,有时增长还很大,但其最终是衰减的。连续谱波包的结构随时间变化,然而构成该波包的连续谱其结构则不随时间变化,这是两者的最大差异。连续谱波包的上述演变特性表明,在有限时段扰动的演变中连续谱是不能被忽略的,在海洋波动演变中连续谱和离散谱的作用均须予以考虑和重视。     

惯性技术视角下动态重力测量技术评述(一):比力测量与载体动态的影响

重力测量系统中测量的重力,即重力加速度,是一种特殊的加速度,因而重力传感器是一种特殊的加速度计。在动态场合,现代重力仪一般采用基于陀螺仪构建的各种平台为重力传感器提供姿态基准。因此采用加速度计和陀螺仪这些惯性元件的动态重力测量系统可以看做是惯性技术的一种具体应用。从惯性技术的角度对动态重力测量的理论和现状进行了分析。首先介绍了在地球表面附近进行重力测量时涉及的参考坐标系。然后详细推导了动态重力测量的基本理论,即比力测量理论,指出比力方程是动态重力测量和惯性导航的共同基础。最后对不同载体对动态重力测量系统的影响与要求进行了分析。     

数值天气预报模式初始化和动力平衡

原始方程线性模型允许两类波(罗斯贝波和重力波)的解,这两类波的振幅由初始条件确定。大尺度的罗斯贝波在结构和相速度方面类似于大气中观测到的瞬态波运动。而另一部分解大尺度的重力波所具有的频率超过了观测到的大尺度气流的频率一个多数量级。于是,象这样大尺度高频重力波在大气中不存在,或者至少它们具有非常小的振幅。另一方面,在大尺度气流的模式中,基于非线性方程,如果初始资料不满足风场和质量场之间的弱平衡,则大振幅高频振荡就建立起来了。象这样虚假的高频重力波振荡叫作气象噪音(Hinkelmann1951)。 用所建立的时间和(或)空间耗散模式,这些虚假高频振荡在一定周期的时间之后就消亡了。其长度取决于初始资料不准确的程度和取决于耗散的强度。在多数情况中,阻尼周期的长度或许小于24小时,至少对于较高频是如此,在这期间,振荡损害了质量场,特别是散度场的计算,从而损害了垂直运动和降雨量的计算。     

层结流体中的非线性惯性重力内波

根据地球流体力学基本方程组,在密度垂直层结的情况下,引进行波坐标,研究非线性定形波在相平面上的几何拓扑结构。严格论证了不存在定形孤立波,并通过Ｈａｍｉｌｔｏｎ函数及其角作用变把行波系统化成最简形式,由此而得到非线性惯性重力内波的解析解。     

大地形对正压扰动演变影响

本文着重研究大地形对正压大气迭加在非均匀纬向基本气流上挑动演变的影响。用WKBJ方法推导了正压扰动的频率和频散关系以及波作用量所满足的方程。当基本流场定常且存在无限长的东西向山脉时,则有波作用量守恒。据此,获得了正压不稳定的必要条件:即在所考察的平面域内至少在某点或某些点上含地形效应的某一物理量等于零,扰动就可能得到发展。对波包动能的倚时变化的讨论得知,在无摩擦正压纬向非均匀基流的情形,地形对扰动动能并无直接影响,即导波和曳波分别在西风急流的南侧和北侧得到加强,并分别在西风急流的北侧和南侧强度减弱。扰动的发展由扰动的结构所决定。导波和曳波的波长缩短总伴同其轴线倾向于东西向相联系,而它们的波长伸长总是与其轴线倾向于南北向同时发生。还指出,正压扰动的加强(或减弱)与波长的伸长(或缩短)不是必然的联系,它的成立是有条件的。     

大地形对正压扰动演变的影响

本文着重研究大地形对正压大气迭加在非均匀纬向基本气流七扰动演变的影响。。用WKBJ方法推导了正压扰动的频率和频散关系以及波作用量所满足的方程。当基本流场定常且存在无限长的东西向山脉时，则有波作用量守恒。据此，获得了正压不稳定的必要条件：即在所考察的平面城内至少在某点或某些点上含地形效应的某一物理量等于零，扰动就可能得到发展。对波包动能的倚时变化的讨论得知．在无摩擦正压纬向非均匀基流的情彤．地形对扰动动能并无直接影响．即导波和曳波分别在西风急流的南侧和北侧得到加强，并分别在西风急流的北侧和南侧强度减弱。扰动的发展由扰动的结构所决定。导波和曳波的波长缩短总伴同其轴线倾向r东西向相联系，而它们的波长伸长总是与其轴线倾向于南北向同时发生。还指出，正压扰动的加强或减弱，与波长的伸长(或缩短)不是必然的联系，它的成立是有条件的。     

南海北部海域对台风尼格的响应特征分析

本文基于布放于南海北部的ADCP海流数据和温度链数据,分析了南海北部上层海洋对强台风尼格响应特征。结果表明:台风活动会生成强烈的近惯性振荡;在热力学方面会引起南海北部海区特别是表层海水迅速降温,海温的日变化特征消失;动力学方面近惯性内波成为支配研究海区海水流动的关键因素,造成流速迅速增大;此外近惯性内波会向下传播,并且下传时经历由慢至快的过程;最后近惯性内波会引起波-波相互作用,包括近惯性内波的入射和反射波之间相互作用生成频率两倍于惯性频率的内波,以及近惯性振荡与半日内潮相互作用生成两者频率之和的波动,使近惯性能量发生转移。     

热带东风中经向扰动与纬向扰动的非线性相互作用

根据非线性的动量方程,利用多时间尺度分析方法,探讨由经向扰动与纬向扰动相互作用在热带东风中所造成的一类正压不稳定。分析表明:在零级近似下,给出了两个扰动传播的频率表达式,在一级近似下,得到了两个零级扰动振幅的解析表达式。鉴于方程中散度项的存在,当不同尺度的三个波相作用而发生共振时,仅总动能守恒,而总位拟能不守恒,这一点与无辐散大气的结论不同。两种扰动动能相互转换的机制则是涡度场与散度场的相互作用。