流体涡旋中螺旋波不稳定发展的理论研究

文章利用柱坐标下的流体涡度方程,通过求初始时刻的解析解,研究了螺旋波的不稳定发展问题.结论是：涡旋中螺旋波动之间可以通过基本流耦合相互作用,出现共振不稳定增长.其增长率大小与初始扰动的波数相关,数值计算结果也表明：波动在发展过程中,螺旋带状结构将越来越明显,螺旋角越来越小.     

Rossby波的螺旋斑图

应用描写大气大尺度运动的准地转方程组，求得了大气Rossby波的三维定常流场以及相应的位温场、涡度场和散度场，其中的三维流场构成了物理空间的一个非线性自治动力系统. 研究表明，Rossby波具有     

南亚高压区Rossby波能量向上穿越对流层顶传播的特征与机制

夏季平流层盛行强东风,Rossby波能量难以从对流层向上传播至平流层,而冬季平流层盛行西风,Rossby波能量容易上传,因此以往对Rossby波能量向平流层传播的研究多考虑冬季的情况.而事实上,因为夏季高原上空南亚高压反气旋环流,并非只有强东风存在,所以Rossby波能量也可能在南亚高压区向上传播,从而影响平流层的温度、风场及大气成分等.因此,本文利用ERA-interim逐日再分析资料,分析了1979-2015年夏季南亚高压区Rossby波能量穿越对流层顶传播的特征与机制.结果表明：Rossby波能量可以从南亚高压西北部的窗口区上传至平流层,最高可到达平流层顶,而在南亚高压的其他部分,Rossby波能量均不能穿越对流层顶上传或穿越对流层顶后无法继续上传.南亚高压西北区Rossby波能量可以穿越对流层顶传播的原因是盛行西风,且西风急流出现的频率很小,同时涡动热量通量异常引起的垂直分量的第一项对其上传有很大贡献.南亚高压东北区也盛行西风,然而Rossby波能量不能向上穿越对流层顶的原因是强西风出现频率较高,且温度脊与高度脊位相相近,不利于上传.南亚高压南部均盛行东风,在平流层中下层均为稳定层结,因此Rossby波能量很难上传.南亚高压西南区在对流层位于青藏高原环流的伊朗高原下沉区附近,层结稳定,并且温度脊超前于高度脊,所以Rossby波能量很难上传.而南亚高压东南区在对流层位于南海-西太平洋热带幅合带,层结不稳定,存在Rossby波能量较弱的上传,达到对流层顶后无法继续上传,该区域温度脊落后于高度脊的温压场配置也为Rossby波能量在对流层内的传播提供了条件.

     

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快速发展,也抑制能量的快速衰减;线性Rossby波的流场结构一直是以标准的正弦(或余弦)方式演变,而非线性Rossby波则是以类似椭圆余弦波的方式演变,并会出现长波调整现象;非线性Rossby波对初始场和基流结构具有强烈的依赖性,在其总能量演变过程中,可出现类似混沌的现象.     

油水两相渗流多孔介质弹性波传播动力学模型研究

弹性波在储层渗流场中的传播与衰减规律是研究波场强化采油动力学机理的重要基础.基于等效流体理论和饱和静态流体弹性波传播Biot理论,建立油水两非混相流体渗流条件下储层多孔介质中弹性波传播的动力学模型,通过算例求解与分析,发现含油水两相渗流储层多孔介质中同时存在着3种纵波P1、P2、P3和1种横波S;受频率和含水饱和度的影响,各波波速和品质因子呈现出不同变化规律,4种体波波速与频率、饱和度正相关,P1、P2波品质因子与饱和度正相关,P3和S波品质因子与饱和度负相关;最后,通过与传统静态弹性波模型结果对比,进一步分析了宏观渗流场对弹性波传播特征的影响规律,为揭示低频人工地震波辅助强化采油技术的动力学机理和工艺参数优化提供了重要理论依据.

     

自适应对数螺旋路径萤火虫算法反演瑞雷面波频散曲线

瑞雷面波技术是浅地层地质勘探的重要手段之一, 通过瑞雷面波频散曲线反演可有效获得地下横波速度模型.然而, 瑞雷面波频散曲线反演具有多参数、多极值和非线性等特点, 面对复杂地震-地质条件下的瑞雷面波资料处理, 传统方法难以快速、精确地对地层参数进行反演和重建.本文将自适应对数螺旋路径萤火虫算法(Adaptive Logarithmic Spiral-Lévy Firefly Algorithm, 简称ALSL-FA)引入到瑞雷面波频散曲线反演中, 有效解决了经典萤火虫算法(Firefly Algorithm, 简称FA)精于探索, 疏于开发的缺点.ALSL-FA集成了对数螺旋引导萤火虫路径, 并在搜索过程中通过自适应切换因子实现了全局搜索与局部开发自适应切换, 在增强局部开发能力的同时, 确保了全局搜索的能力.通过Rastrigin函数求解, 对比分析了FA、Lévy飞行萤火虫算法(Lévy Flying Firefly Algorithm, 简称LF-FA)和ALSL-FA的运算性能; 通过速度递增和含高速硬夹层地质模型的瑞雷面波频散曲线反演, 比较了人工蜂群算法(Artificial Bee Colony algorithm, 简称ABC)、FA、LF-FA和ALSL-FA的反演结果, 验证了本文方法的正确性和抗噪能力, 并进一步应用于一套实际瑞雷面波资料反演处理.研究结果表明, 本文方法有效弱化了对初始模型的依赖, 并进一步提高了反演的精度, 具有较强的全局寻优能力和局部开发能力, 同时兼备良好的抗噪性能.

     

单裂缝岩石标本的弹性波频响特征初步分析

通过分析单裂缝岩石标本中弹性波到时分布、波震相转换和波振幅衰减等规律，进一步用波场及频谱量刻划介质横向不均匀性。Ｐ波震相遇裂缝端部后出现“之”字形波峰，分叉成折射Ｐ波、绕射Ｐ波，它的特征也依赖于发射源和接收点相对于裂缝的位置，当波以大角度斜跨裂缝和发射点在约裂缝半长度范围时波到时和振幅差别更大。对其研究有助于认识弹性波场在含断层结构中的复杂图象特征、在野外勘探中提高地震资料解释、断裂构造识别能力和提高弹性波在非完整岩石实验中的声发射定位等能力     

A steady nonlinear and singular vortex Rossby wave within a rapidly rotating vortex. Part II: Application to geophysical vortices

In a previous paper, Caillol [Geophys. Astrophys. Fluid Dyn., 2014, 108] investigated the steady nonlinear vortical structure of a singular vortex Rossby mode that has survived to a strong critical-layer-like interaction with a linearly stable, columnar, axisymmetric and dry vortex. We presented a general theory for this wave/mean flow interaction through the nonlinear critical layer theory and calculated the mean azimuthal and axial winds induced at the critical radius at the end of this interaction in the final stage. We here apply that theory to rapidly rotating geophysical vortices: tropical cyclones, cold-air mesocyclones and tornadoes. We find that the numerous assumptions invoked in that paper agree well with the reality of those intense vortices. We also find that in spite of a lack of moist-convection modelling, this dry vortex is fairly well accelerated at the critical radius by such a shear wave with a magnitude of order the square root of the damped-wave amplitude. The intensification level strongly depends on the aspect ratio, height of the system: rapid vortex and parent vortex, over core radius. The thinner the vortex is, the sharper the intensification is. This result is in sharp contrast to the numerous numerical simulations on VR wave/vortex interactions that yield a much smaller intensification of order the square of the wave amplitude. This weakly nonlinear approach nevertheless fails to model small vertical wavelength VR wave/vortex interactions for their related asymptotic expansions are divergent and for they yield strongly nonlinear VR waves coupled with evolving critical layers whose extent can no longer be considered as thin.     

加速度迁移项散度在涡旋系统动力识别上的初步应用

本文从原始三维运动方程出发,考虑了大气平流变化的特性,引入加速度迁移项散度,并将其应用于2008年"凤凰"台风和2003年梅雨期引起暴雨的东移低涡中进行分析,结果表明,加速度迁移项散度能较好地识别和示踪台风中心及台风外围云墙,同时也能很好地捕捉沿梅雨锋东移的低涡系统.因此,加速度迁移项散度在涡旋系统动力识别方面有很好的应用价值,可以参考其异常区来示踪涡旋系统的移动.     

基于小振幅波方程的起伏海面构建及其对地震波场传播特性的影响

海面起伏状态对波场传播以及模型空间成像有着非常重要的影响, 在常规海洋地震数据采集和处理中, 都是将海面作为水平界面处理, 实际海洋地震数据采集中, 由于海水受风浪、洋流等的影响, 海面呈现高低起伏状态, 这样来自底层反射界面的反射波经过海水起伏界面反射后会引起波场的强烈散射, 从而造成地震记录反射波同相轴抖动和畸变, 最终影响成像效果.为了更加深入了解起伏海面存在对波场传播以及偏移成像的影响, 本文首先基于流体力学小振幅波方程, 从边界条件出发, 给出包含海浪谱信息的动态边界条件, 并在此基础上构建起伏海面速度模型; 然后在构建的起伏海面速度模型上通过冻结不同时刻海面开展波场传播特征分析, 研究起伏海面在不同冻结时刻下波场传播规律以及对反射地震记录和偏移成像的影响.研究结果表明, 不管是对于简单的层状介质模型还是海底较为复杂的大水深模型, 海面不同形态的起伏变化直接影响着波场记录以及波场快照形态, 同时会对偏移成像结果造成较大影响, 随着海水深度的增加, 该影响对于简单模型影响逐渐变小, 但对于复杂模型, 影响依然很严重.

     

Conservation laws of wave action and potential enstrophy for rossby waves in a stratified atmosphere

The purpose of this article is to discuss the evolution of wave energy, enstrophy and action for atmospheric Rossby waves in a variable mean flow. The presentation is theoretical, but does not represent original research; rather, it is pedagogic in nature. The work of a number of people has been drawn together into a unified account, with much of the algebra implicit in previous work made explicit here. The central results are that wave energy is conserved only when there are no spatial variations in the mean flow, and wave action is conserved even in the presence of such variations as long as they are not in the longitudinal direction. Finally, wave enstrophy is conserved in the presence of arbitrary (slow) mean flow variations.     

0.9 m薄煤层SH型槽波频散特征及波形模式

在0.9 m薄煤层中使用放炮方法做微震震源的条件,通过对所采集到的薄煤层槽波信号进行分析,发现薄煤层槽波在频域中存在高频和低频两个独立并且不连续的波段.其中高频区大约以2000 Hz为中心,低频域的中心频率约为490 Hz,并且高频域和低频域的能量差异不显著.通过时频分析,可以清晰地看到高、低两个频域几乎在同一时刻触发,并且其小波相关系数在这两个域中的分布规律表现出一定的相似性.通过对0.9 m薄煤层槽波频散曲线的理论分析可知,现场观测到的Airy震相的频率及速度和其理论值较为接近.震源置于煤层中心,且炸药能量对顶底板的扰动,对第二阶对称波形模式下槽波高频部分的形成起着关键作用.在这一对称高阶波形模式下槽波的波速基本上和煤层顶底板中S波的波速一致.由于这两个触发的波形模式在时间域中具有相似的特征,建议在高频域和低频域同时发育较好的薄煤层槽波勘探中,可以采用在同一时间域中高低频相结合的方法提高利用槽波勘探分析的效果.     

柯西波场及在角度域成像条件中的应用

角度域成像道集是叠前深度偏移的重要输出结果,它是偏移速度分析、各向异性分析和AVA分析等研究工作的基础.目前存在的角度域成像道集的生成方法受计算效率或角度分辨率的影响,仍然满足不了实际生产的要求.角度域成像道集的生成方法可以大致分为直接法和间接法两大类.在直接方法中,波矢量方向计算和局部平面波分解是两个最重要的内容,它们共同决定角度域成像条件的实现效率和角度域成像道集的质量.为了完善现有的角度域成像道集生成方法,本文提出一种新的波矢量计算方法和局部平面波分解方法.本文先用波动方程任意时刻的柯西条件构造一个只含原波场负频率成分的柯西波场,然后根据柯西波场在时间波数域的振幅谱计算波场的波矢量方向.该方法仅在需要计算波矢量方向的时刻合成柯西波场,不需要增加额外的数据读写操作,是一种高效的波矢量计算方法.本文还以柯西波场为基础提出一种高效的局部平面波分解方法,保证角度域成像条件的实现效率.结合柯西波场和局部平面波分解方法,本文最后给出一种新的角度域成像方法.文中最后的数值实验证明该方法得到的角度域成像道集具有理想的角度分辨率,可以反映地下构造的角度照明情况.     

Nonlinear wave propagation on a sphere: Interaction between Rossby waves and gravity waves; stability of the Rossby waves

Abstract

An analytical spectral model of the barotropic divergent equations on a sphere is developed using the potential-stream function formulation and the normal modes as basic functions. Explicit expressions of the coefficients of nonlinear interaction are obtained in the asymptotic case of a slowly rotating sphere, i.e. when the normal modes can be expressed as single spherical harmonics.     

地震波形的分形判别与特征提取

研究地震波的复杂性和它的自相似性以及计算地震道时间序列分数维等一系列特征问题,能得出地震波在复杂构造及断点位置的一系列特征,能轻易地实现地震道异常点的计算机自动拾取。对更深入地研究地震波和更准确地解释地震资料,会有很大的帮助。本文提出了计算地震道分数维的一般方法。实验表明地震道时间序列的分数维在异常点会具有不同的数值,其变化点能够定量指示出异常的准确位置。这对更精确的研究时间剖面上断点及不同地质构造变化有着非常重要的意义。     

数字化地震波形小震P波、S波震源参数对比研究

目前,国内在数字化地震资料研究中,主要应用S波来研究震源参数.本文充分利用上海数字化地震台阵(网)资料,挑选了2001～2004年华东地区发生的9个震级较大的中等地震,反演了单台记录垂直向纵波(P波)及横波(S波)震源谱,根据布龙模型,计算每个地震单台拐角频率、地震矩、零频谱值、震源破裂半径、应力降等参数,求出每个地震的震源参数(P波和S波)的平均值及其均方差,对这9个地震的P波、S波震源参数计算结果进行了对比.结果表明,用P波段数据进行震源参数的研究是可行的.