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．     

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．     

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．     

中层耗散大气中Rossby波包的非线性相互作用理论

采用弱非线性近似得出中层耗散大气连续谱Ｒｏｓｓｂｙ波包的非线性时空演化方程,讨论了Ｒｏｓｓｂｙ波包的三波相互作用问题．数值计算表明,耗散和非线性的共同效应决定了Ｒｏｓｓｂｙ波包的演变．当一个Ｒｏｓｓｂｙ波包通过大气传播时,它的振幅若超过某个阈值,空间尺度分别比它大和比它小的两个次级Ｒｏｓｓｂｙ波包的振幅会随时间增长．特别当这两个次级波包同时随时空变化时,仅当主波的振幅超过一个更大的阈值,且其群速度介于两次级波包的群速度之间时,两次级波包的振幅才会随时空同时增长,即出现绝对不稳定现象,耗散和３个波包的频率失配都会增大不稳定的阈值．     

中层耗散大气中Rossby波包的非线性相互作用理论

采用弱非线性近似得出中层耗散大气连续谱Ｒｏｓｓｂｙ波包的非线性时空演化方程，讨论了Ｒｏｓｓｂｙ波包的三波相互作用问题．数值计算表明，耗散和非线性的共同效应决定了Ｒｏｓｓｂｙ波包的演变．当一个Ｒｏｓｓｂｙ波包通过大气传播时，它的振幅若超过某个阈值，空间尺度分别比它大和比它小的两个次级Ｒｏｓｓｂｙ波包的振幅会随时间增长．特别当这两个次级波包同时随时空变化时，仅当主波的振幅超过一个更大的阈值，且其群速度介于两次级波包的群速度之间时，两次级波包的振幅才会随时空同时增长，即出现绝对不稳定现象，耗散和３个波包的频率失配都会增大不稳定的阈值．     

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.     

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.     

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.     

中层大气重力波的全球分布特征

从2002年1月到2009年12月的SABER温度剖面数据提取了可以反映重力波活动的垂直尺度2~10 km的中尺度温度扰动,分析了全球中层大气重力波的分布.重力波扰动在夏季和冬季明显强于春季和秋季,而冬季与夏季相比,在70 km以下的高度夏季弱于冬季,在70 km以上夏季比冬季要强.从全球重力波分布来看,较大值分布在冬季半球和25°N到25°S的热带范围,其中热带范围重力波的峰值随着高度向北移动,而在南半球高纬度地区重力波扰动较大值位于极区涡流的边缘.热带范围的扰动沿着经度方向有明显的变化,这是由风过滤、地形和波动等因素共同作用的结果.重力波扰动强度随高度变化,在25~30 km处呈现下降趋势,而超过42 km后又逐渐递增.对比8年平均的重力波在不同高度的强弱分布,可以看到,在较低高度,重力波的强弱明显与地形有关,而在较高高度,重力波的分布与地形的关系变得不明显.这说明重力波的形成与地形有显著相关性,但在传播过程中重力波的分布会随高度出现明显的变化.     

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.     

根据LF天波的相位和振幅变化监测中层大气扰动

LF无线电波,白天在70—80km的区域被反射,夜间在90—100km的区域被反射.本文根据武昌电离层观象台长期连续的地面LF传播的实验记录,分析研究了上中层大气压力的变化、行星尺度波扰动、冬季异常等上中层大气的特性,并对其中的冬季异常的机理作了简要讨论,从理论上分析了造成冬季异常的原因,除通常所述的因素外,上中层大气中气压下降或温度降低可能也是一个重要因素.并指出地面LF无线电波传播实验是监测和研究上中层大气的某些特性和扰动的一个重要手段,也可以为进一步探索平流层一中层耦合提供某些实验依据.     

根据LF天波的相位和振幅变化监测中层大气扰动

LF无线电波,白天在70-80km的区域被反射,夜间在90-100km的区域被反射.本文根据武昌电离层观象台长期连续的地面LF传播的实验记录,分析研究了上中层大气压力的变化、行星尺度波扰动、冬季异常等上中层大气的特性,并对其中的冬季异常的机理作了简要讨论,从理论上分析了造成冬季异常的原因,除通常所述的因素外,上中层大气中气压下降或温度降低可能也是一个重要因素.并指出地面LF无线电波传播实验是监测和研究上中层大气的某些特性和扰动的一个重要手段,也可以为进一步探索平流层一中层耦合提供某些实验依据.     

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.     

超低频波与带电粒子的非线性相互作用

超低频波在日地能量传输和磁层—电离层耦合过程中都扮演着十分重要的角色,其在调节整个太阳—地球系统的能量流方面的研究一直是空间物理领域最重要的研究方向之一.超低频波是带电粒子在内磁层辐射带中加速和扩散的主要原因之一,磁层中的带电粒子具有典型的垂直于磁场的漂移运动和平行于磁场的弹跳运动,超低频波的频率范围能够覆盖带电粒子的...     

大气重力波产生大尺度赤道扩展F的理论

本文提出了大气重力波触发Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｔａｙｌｏｒ不稳定性并导致大尺度赤道扩展Ｆ的理论．重力波作为外部扰动派触发等离子体扰动,这种扰动在Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｔａｙｌｏｒ不稳定性的作用下继续增长,经过４００ｓ扰动幅度就能增长到５０％,经过７００ｓ后幅度趋近１００％,即为完全的等离子体泡．由于Ｅ区的影响,赤道扩展Ｆ主要出现于晚上．本文的理论阐明了重力波与Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｔａｙｌｏｒ不稳定性相互作用的性质,揭示了大尺度赤道扩展Ｆ的产生机制．     

大气重力波产生大尺度赤道扩展F的理论

本文提出了大气重力波触发Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｔａｙｌｏｒ不稳定性并导致大尺度赤道扩展Ｆ的理论．重力波作为外部扰动派触发等离子体扰动，这种扰动在Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｔａｙｌｏｒ不稳定性的作用下继续增长，经过４００ｓ扰动幅度就能增长到５０％，经过７００ｓ后幅度趋近１００％，即为完全的等离子体泡．由于Ｅ区的影响，赤道扩展Ｆ主要出现于晚上．本文的理论阐明了重力波与Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｔａｙｌｏｒ不稳定性相互作用的性质，揭示了大尺度赤道扩展Ｆ的产生机制．     

大气重力波产生的大尺度赤道电离层扰动

本文研究了大气重力波产生的大尺度赤道电离层扰动的性质．当重力波的传播方向与磁场方向倾斜相交时,重力波在Ｆ区产生行进电离层扰动．当重力波垂直于磁场传播时,能触发等离子体Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｔａｙｌｏｒ不稳定性,形成大尺度赤道扩展Ｆ不均匀体．重力波引起的扩展Ｆ主要出现于晚上,行进电离层扰动则可能出现于任何时间．本文建立了行进电离层扰动和大尺度赤道扩展Ｆ的统一理论模型,深入全面地揭示了电离层扰动的性质．     

大气重力波产生的大尺度赤道电离层扰动

本文研究了大气重力波产生的大尺度赤道电离层扰动的性质．当重力波的传播方向与磁场方向倾斜相交时，重力波在Ｆ区产生行进电离层扰动．当重力波垂直于磁场传播时，能触发等离子体Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｔａｙｌｏｒ不稳定性，形成大尺度赤道扩展Ｆ不均匀体．重力波引起的扩展Ｆ主要出现于晚上，行进电离层扰动则可能出现于任何时间．本文建立了行进电离层扰动和大尺度赤道扩展Ｆ的统一理论模型，深入全面地揭示了电离层扰动的性质．