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.顺风传播的重力波的小尺度和低频部分会容易被急流吸收,从而加强了对流层急流,而逆风传播的重力波更容易上传,会导致中间层区域向西的背景风增强.这体现了低层大气急流对中间层大气风场结构的影响.热源的尺度直接决定激发波的尺度;激发波的垂直尺度和时间尺度对热源的变化比其水平尺度更敏感.     

中层大气Rossby波与惯性重力波的非线性相互作用（Ⅱ）波包之间的相互激发

进一步讨论了大中尺度Ｒｏｓｓｂｙ波与惯性重力波的非线性相互作用问题．从共振相互作用曲线来看，Ｒｏｓｓｂｙ波和惯性重力波可以在相当广泛的角谱范围内发生共振非线性相互作用．在一定条件下，一个大振幅波包可以激发两个小振幅波包不稳定增长而出现参量不稳定现象，这三个波包可以是同种类型或不同类型的波包．当两个大振幅波包发生相互作用时，非线性过程会产生另一个波包并使它增长，并且增长速度大于仅有一个大振幅波包时的增长速度．大尺度Ｒｏｓｓｂｙ波包税发两个较小尺度惯性重力波的过程是一种重要的能量串级（ｃａｓｃａｄｅ）过程．     

中层大气Rossby波与惯性重力波的非线性相互作用（Ⅱ）波包之间的相互激发

进一步讨论了大中尺度Ｒｏｓｓｂｙ波与惯性重力波的非线性相互作用问题．从共振相互作用曲线来看,Ｒｏｓｓｂｙ波和惯性重力波可以在相当广泛的角谱范围内发生共振非线性相互作用．在一定条件下,一个大振幅波包可以激发两个小振幅波包不稳定增长而出现参量不稳定现象,这三个波包可以是同种类型或不同类型的波包．当两个大振幅波包发生相互作用时,非线性过程会产生另一个波包并使它增长,并且增长速度大于仅有一个大振幅波包时的增长速度．大尺度Ｒｏｓｓｂｙ波包税发两个较小尺度惯性重力波的过程是一种重要的能量串级（ｃａｓｃａｄｅ）过程．     

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.     

中层大气Rossby波与惯性重力波的非线性相互作用（Ⅱ）波包之间的相互激发

进一步讨论了大中尺度Ｒｏｓｓｂｙ波与惯性重力波的非线性相互作用问题．从共振相互作用曲线来看，Ｒｏｓｓｂｙ波和惯性重力波可以在相当广泛的角谱范围内发生共振非线性相互作用．在一定条件下，一个大振幅波包可以激发两个小振幅波包不稳定增长而出现参量不稳定现象，这三个波包可以是同种类型或不同类型的波包．当两个大振幅波包发生相互作用时，非线性过程会产生另一个波包并使它增长，并且增长速度大于仅有一个大振幅波包时的增长速度．大尺度Ｒｏｓｓｂｙ波包税发两个较小尺度惯性重力波的过程是一种重要的能量串级（ｃａｓｃａｄｅ）过程．     

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.     

青藏高原南缘绝对重力测站的非构造重力效应特征

基于2002—2017年的ECMWF Interim三维大气再分析资料、GRACE时变重力场模型和GPS数据,分析了青藏高原南缘的拉萨、日喀则、仲巴、噶尔4个绝对重力测站的非构造重力效应。结果表明:ECMWF Interim大气负荷重力效应主要表现为季节性变化特征,最大周年振幅可达到1.4μGal;GRACE陆地水负荷重力效应和GPS地壳垂直位移引起的重力效应均存在较为明显的季节性及长期趋势变化特征,二者的最大周年振幅和长期趋势分别达到2.6μGal,-0.6μGal/a和1.8μGal,-0.3μGal/a;GRACE与GPS的比较分析结果表明青藏高原南缘的非构造重力效应会受到局部流体质量负荷的显著影响。     

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.     

中层大气Rossby波与惯性重力波的非线性相互作用 （Ⅰ）相互作用方程

从包含Ｒｏｓｓｂｙ波和惯性重力波的大气运动方程组出发,采用弱非线性相互作用近似,推导出耗散大气中这两种尺度相差很大的波动之间的非线性相互作用方程．以此为基础,得到了描述窄角谱Ｒｏｓｓｂｙ波包和惯性重力波包的非线性时空演变规律的三波相互作用方程．数值分析表明,当一个Ｒｏｓｓｂｙ波包与两个惯性重力波包发生相互作用时,两个惯性重力波包之间进行快速的能量交换,同时与Ｒｏｓｓｂｙ波包之间进行缓慢的能量传输．从时间尺度上讲,惯性重力波可以看作Ｒｏｓｓｂｙ波包运动的背景噪声,因此上述非线性相互作用过程可以理解为大尺度Ｒｏｓｓｂｙ波包与背景噪声之间的能量交换过程．     

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.     

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.     

A note on the general concept of wave breaking for Rossby and gravity waves

A recently proposed general definition of wave breaking is further discussed, in order to deal with some points on which misunderstanding appears to have arisen. As with surface and internal gravity waves, the classification of Rossby waves into breaking and not breaking is a generic classification based on dynamical considerations, and not a statement about any unique signature or automatically recognizable shape. Nor is it a statement about passive tracers uncorrelated with potential vorticity on isentropic surfaces. A strong motivation for the definition is that proofs of the nonacceleration theorem of wave, mean-flow interaction theory rely, explicitly or implicitly, on a hypothesis that the waves do not break in the sense envisaged.The general definition refers to the qualitative behaviour of a certain set of material contours, namely those, and only those, which would undulate reversibly, with small slopes, under the influence of the waves' restoring mechanism, in those circumstances for which linearized, nondissipative wave theory is a self-consistent approximation to nonlinear reality. The waves' restoring mechanism depends upon the basic-state vertical potential density gradient in the case of gravity waves, and upon the basic-state isentropic gradient of potential vorticity in the case of Rossby waves. In the usual linearized theory of planetary scale Rossby waves on a zonal shear flow, the relevant material contours lie along latitude circles when undisturbed.     

Modelled effect of changes in the CO2 concentration on the middle and upper atmosphere: Sensitivity to gravity wave parameterization

We have studied the temperature response to changes in the CO₂ concentration in the middle and upper atmosphere using the Coupled Middle Atmosphere–Thermosphere Model 2 (CMAT2). We have performed simulations with a range of CO₂ concentrations and three different ways of accounting for the effects of gravity waves, to allow for comparison with previous studies and sensitivity analyses. We initially find that the response of the model to the changes in CO₂ concentration which took place between 1965 and 1995 (320–360 ppm) is strongly dependent on the gravity wave parameterization that is used, but this is to a large degree due to steps or kinks in an otherwise nearly linear curve describing the temperature as a function of CO₂ concentration. We have not been able to identify the cause of these steps as part of the present study, which is a limitation and must be studied in future work. Here we treated the steps as model noise and rather focused on correcting for their effects by fitting straight lines to the temperature–CO₂ curves to estimate the overall slope of the curves. From these slopes we were able to obtain more robust trend estimates than can be obtained by comparing only two model simulations, as is normally done in other, similar studies. The corrected temperature responses to a 40 ppm change in CO₂ concentration still show up to 15–17% sensitivity to the gravity wave parameterization in the mesosphere and thermosphere. This remaining sensitivity is likely to be related to the fundamental differences in the way a change in temperature modifies the propagation and dissipation characteristics of gravity waves in each parameterization, which is particularly different for linear and non-linear schemes. The corrected trends we find are largely in agreement with other modelling studies, and therefore do not fully explain observed trends, which are typically larger than those predicted by modelling studies. However, modelling results could be similarly sensitive to other model parameters and settings, for example to gravity wave characteristics or solar activity level, and this should be further investigated as well.     

成层粘弹性土中桩土耦合纵向振动时域响应研究

从三维轴对称角度出发,采用粘性阻尼粘弹性连续土介质模型,考虑桩土相互作用效应,对成层土中桩土纵向耦合振动时的桩顶时域响应进行了解析研究。求解时,首先建立定解问题,然后利用拉氏变换先对底部土层进行求解得到其振动位移形式解,然后利用桩土接触界面连续条件来考虑桩土耦合作用,分析底层土中桩段的动力反应,然后利用桩段阻抗函数的传递性,进行逐层递推求解,最终得到桩顶时域和频域响应的半解析解。通过参数影响分析和与工程实测曲线的对比,讨论分析了成层土中桩土耦合振动的响应特性,验证了本文解。基于本文研究可为桩基抗震、防震设计、桩基动力检测提供新的理论支持。     

可控源海洋电磁勘探中空气波影响的理论分析和数值模拟

可控源海洋电磁勘探(MCSEM)中空气波对海底电磁响应的影响已为业界所熟知,且已提出了多种压制方法.然而,由于空气波与海水层中其它信号相互作用的复杂性,至今其作用机理及对有效信号的影响方式尚未完全清楚,这也阻碍了浅水域MCSEM油气勘探的应用.本文在前人研究的基础上, 基于一维层状介质的电磁位和电磁场分析,采用电磁场的模式分解理论导出了空气、海水层和海底地层之间的相互作用关系.分析了MCSEM电磁响应的影响因素和空气波的作用机理.以无限水深假想模型、三层介质模型和四层介质模型为基础,导出了水平电偶极子(HED)的横电(TE)和横磁(TM)模式的电磁场关系,分析显示了前人提出的上下行波分离进行空气波压制所存在的缺陷.通过理论和数值模拟知道, 利用横电(TE)和横磁(TM)模式受空气相互作用影响的差异和电磁场水平分量与垂直分量受空气层相互作用影响程度的不同可减弱空气波对有效信号的影响,这将有助于实现浅水域海洋电磁勘探数据的有效利用.     

可控源海洋电磁勘探中空气波影响的理论分析和数值模拟

可控源海洋电磁勘探(MCSEM)中空气波对海底电磁响应的影响已为业界所熟知,且已提出了多种压制方法.然而,由于空气波与海水层中其它信号相互作用的复杂性,至今其作用机理及对有效信号的影响方式尚未完全清楚,这也阻碍了浅水域MCSEM油气勘探的应用.本文在前人研究的基础上, 基于一维层状介质的电磁位和电磁场分析,采用电磁场的模式分解理论导出了空气、海水层和海底地层之间的相互作用关系.分析了MCSEM电磁响应的影响因素和空气波的作用机理.以无限水深假想模型、三层介质模型和四层介质模型为基础,导出了水平电偶极子(HED)的横电(TE)和横磁(TM)模式的电磁场关系,分析显示了前人提出的上下行波分离进行空气波压制所存在的缺陷.通过理论和数值模拟知道, 利用横电(TE)和横磁(TM)模式受空气相互作用影响的差异和电磁场水平分量与垂直分量受空气层相互作用影响程度的不同可减弱空气波对有效信号的影响,这将有助于实现浅水域海洋电磁勘探数据的有效利用.     

A numerical coupling scheme for nonlinear time history analysis of buildings on a regional scale considering site‐city interaction effects

Seismic damage simulation of buildings on a regional scale is important for loss estimation and disaster mitigation of cities. However, the interaction among densely distributed buildings in a city and the site, ie, the “site‐city interaction (SCI) effects,” is often neglected in most regional simulations. Yet, many studies have found that the SCI effects are very important in regional simulations containing a large number of tall buildings and underground structures. Therefore, this work proposed a numerical coupling scheme for nonlinear time history analysis of buildings on a regional scale considering the SCI effects. In this study, multiple‐degree‐of‐freedom models are used to represent different buildings above the ground, while an open source spectral element program, SPEED, is used for simulating wave propagation in underlying soil layers. The proposed numerical scheme is firstly validated through a shaking table test. Then, a detailed discussion on the SCI effects in a 3D basin is performed. Finally, a nonlinear time history analysis of buildings on a regional scale is performed using the Tsinghua University campus in Beijing as a case study. The Tsinghua University campus case results show that the SCI effects will reduce the seismic responses of most buildings. However, some buildings will suffer much more severe damage when the SCI effects are considered, which may depend on the input motions, site characteristics, and building configurations.     

地震动输入界面的选取对深软场地地震效应的影响

以天津和上海两个典型的深厚软弱场地为研究背景,探讨了地震动输入界面对场地地表地震动参数的影响。对于场地1(天津)和场地2(上海),分别选择7个和8个剪切波速(υs)大小不同的土层位置作为地震动输入界面,并选用Taft、Northridge地震加速度记录和南京人工波作为输入地震动,将Taft波、Northridge波和南京人工波的加速度峰值水平调整为0．35m／s^2、0．70m／s^2和0．98m／s^2,用SHAKE91程序对这两个场地进行了不同的地震动输入界面、输入地震波和峰值加速度水平的128种组合的场地地震反应分析。与从假想基岩面(υs≥500m／s)输入地震动的结果(假想的实际值)相比,可得到如下结论：(1)随着地震动输入界面深度(剪切波速)的增加,场地地表加速度反应谱逐渐地向实际值接近;(2)地震动输入界面的深度相同时,地震动加速度峰值水平越高,两者的加速度反应谱谱值的相对差异也越大;(3)对于一般建筑物,可以把剪切波速为400m／s左右的土层作为地震动输入界面;对于中长周期的建筑物,则应慎重选择地震动输入界面,最好选取υs≥500m／s^2的土层或基岩面作为地震动输入界面。     

激发态氮分子N*2在电离层中的作用的模拟研究

激发态氮分子N*2在电离层F区中起着重要的作用,它使F区占主导地位的O+离子的损失率增大,从而使该区的电子浓度减少. 本文利用理论电离层数值模型,通过考虑与不考虑N*2的作用,对包括1990年6月、1997年5月、1998年5月以及2000年4月磁暴事件在内的时间区间的电离层响应情形进行模拟研究,并与实测结果进行对比. 结果表明,N*2对电离层电子浓度的影响在太阳活动高年非常明显,在太阳活动低年虽有些影响,但效果并不明显,其程度远不如高年. 在太阳活动高年,不仅是磁暴期间,在较宁静期间也必须考虑N*2的影响. 而且,在考虑N*2的作用时,还与激发态振动温度Tν有关,在采用Tν=Tn（其中Tn为背景中性大气的温度）的简化处理时,所得结果与观测结果的符合程度不如对Tν进行精确计算时所得的结果好. 模拟结果还表明,太阳活动高年,N*2作用的结果主要是使150km高度以上的F区电离层电子浓度减少,而对150km以下高度的电离层电子浓度则影响不大. 另外,N*2基本不影响F2层峰高hmF2的值.