中频雷达风场的双谱分析

对中纬度中频雷达１９９７年６月８２ｋｍ高度的小时平均风场数据进行了动态谱分析和双谱分析,得到了中层顶区域谱行为具有多样性和各向异性的特点,以及行星波,潮汐波和重力波之间相位相干的现象,讨论了中层顶行星波,潮汐波和重力波之间存在非线性相互作用的可能性。     

大气中层顶区域波相互作用的一个观测个例

利用SOUSY VHF雷达的观测数据分析了极区中层顶83.4-91.2km范围内大气风场波动的非线性相互作用。大气风场的谱在不同高度上均有明显的潮汐分量峰值，纬向风分量中35h波、半日潮和8.9h惯必重力波构成共振相互作用对，经向风分量中33h波、半日潮和19h惯性重力波构成共振相互作用对。双谱分析表明，这些共振对在许多高度上都发生耦合，35h或33h波振幅的极小值与半日潮的极大值出现的高度几乎相同，呈现出明显的非线性相互作用在空间上不是局域的，而是存在于中层顶区域的几乎所有高度上，这种相互作用不仅导致半日潮振幅随时间的变化，也使半日潮的振幅随空间变化。35h和33h波动可能是在其他时段或其他位置通过行星波与周日潮相互作用产生的，然后传播到观测点并与半日潮发生相互作用。     

重力波非线性传播过程中的饱和与破碎

采用水平方向的显式算法与垂直方向的隐式算法相结合的时间分裂法,建立了二维可压缩大气中重力波非线性传播的数值模式.用本模式对小振幅重力波传播过程的模拟结果与线性重力波理论预测的结果吻合很好,从而验证了本模式的正确性.我们用此模式模拟了有限振幅重力波在非线性传播过程中的饱和与破碎,结果表明,(1)翻转出现在饱和之前,但向破碎演化仍需要一段时间,由于非线性波-波和波-流相互作用使得非线性数值模拟的饱和高度(出现时间)高(早)于线性饱和理论预测的结果;(2)重力波在不稳定之前已经有能量向背景场中转移,破碎直接导致非线性波-波相互作用,造成能量向小尺度短波上转移;(3)背景风场的加速方向,形成射流的方向与重力波的水平传播方向一致,表明重力波与背景流的非线性相互作用加剧了背景风剪切和不稳定性的发展.      

损耗大气中惯性重力波的非线性相互作用方程及其初步讨论

根据弱相互作用理论,本文建立了损耗大气中极性重力波的非线性相互作用方程。这组方程在三个方面推广了前人的工作:考虑了波的空间传播;包含了粘滞产生的衰减;波谱可以是连续的。粘滞衰减率的大小与波的空间尺度以及传播方向有关。Coriolis力的引入使相互作用系数成为复量。根据这组方程,考察了惯性重力波的参量激发。结果表明:在共振条件满足时,主波存在一个阈值,阈值大小与次级波的损耗率成正比。当主波振幅大于这个阈值时,次级波将指数增长。在相互作用过程中,次级波的频率将发生变化,变化的大小与主波能量成正比。      

基于激光雷达夜间观测提取重力波方法的定量比较

以激光雷达夜间观测的温度数据的时空范围和时空分辨率作为参考,构造具有已知背景温度（由稳态背景、行星波和潮汐波组成）和重力波频谱分布的合成温度数据,针对合成温度数据,分别采用已有的夜间平均方法和时间滑动平均方法提取重力波.在此基础上,提出了用谐波函数近似表示背景大气变化的谐波拟合方法提取重力波.通过比较提取出的重力波与事先给定的重力波得到谱响应,利用谱响应定量分析各方法能够有效提取重力波的周期范围.研究结果表明:对背景温度成分敏感的夜间平均方法提取的重力波振幅易被严重高估;对半日潮汐比较敏感的时间滑动平均方法通常可以提取周期小于1.15倍窗口宽度的重力波;对背景温度成分不敏感的谐波拟合方法可用来提取周期小于0.4倍夜间时间长度的重力波.将各方法应用于Na激光雷达夜间观测的温度数据,从中提取重力波,结果表明时间滑动平均方法和谐波拟合方法可以得到较好的结果.      

MF雷达观测的潮汐变化特征及与GSWM的比较

利用安装于Andoya Rocket Range(69.14°N,16.02°E)的3 MHz、窄波束中频雷达2006年7月14日至8月14日之间的观测数据,研究了潮汐的变化特点并与GSWM模式的结果进行了比较.结果表明,在78～94km潮汐的纬向和经向分量随着高度的增加都经历了由弱到强然后减弱的过程.这说明潮汐在上传过程中很可能与其他波动相互作用而发生不稳定,在不稳定区域上方又生成新的潮汐波继续稳定地向上传播,或者有重力波等其他波动在此区域沉积动量导致潮汐振幅增大.潮汐振幅除了在垂直方向上发生变化,它随着时间演化也表现出显著的短期变化特点,逐日变化强度有时可达到3倍左右.结合近来的研究结果,可以认为,重力波的不稳定和破碎也可能是造成这种瞬态变化的原因之一.与GSWM-00模式的比较说明, GSWM-00模式能够较好地预测出周日潮汐的振幅和相位,而对半日潮汐的预测结果并不理想.     

损耗大气中随机重力波场的传输方程

从包含分子粘性的非线性相互作用方程出发, 采用随机相位近似, 推导了损耗大气中重力波场的非线性传输方程。由于分子损耗的引入, 谱演变的速率发生了改变, 在某些情况下, 还会得到与无耗条件下的传输规律相反的结论。损耗大气中重力波场的传输方程是研究中高层大气重力波能量收支平衡的出发点。      

重力波波包在可压大气中的非线性传播

本文采用二维全隐欧拉(FICE)格式对具有高斯分布的重力波波包在等温、可压大气中的非线性传播过程进行数值模拟和分析.数值分析结果表明:尽管存在非线性效应,在整个传播过程中,波动的等相面向下运动,波包和波相关能量向上传输.波相关扰动速度随高度增加指数增长,并且波与平流会发生非线性相互作用,最后导致平均流场增强.这与线性重力波理论完全一致.重力波波包的传播路径与重力波线性射线理论预言非常接近,但平均水平群速度和平均垂直群速度均明显小于线性射线理论给出的结果,可见波动的非线性过程会改变波相关能量的传输速度.模拟结果首次定量地展示出非线性效应对重力波波包传播的影响,表明建立在线性理论框架中的重力波运动学定义的合理性.      

大气准两年振荡对赤道行星波上传的影响

本文讨论了热带大气行星波在QBO风场中向上传播的规律,并运用数值模拟的方法,得到了开尔文波和混合罗斯贝重力波在QBO不同相位下交替上传的结果。试图用QBO对行星波的调制解释QBO在日地相关性中的作用.      

急流与低层大气重力波能量的相关性研究

通过分析武汉(30.5oN, 114oE)上空2000至2004年的Radiosonde常规观测数据, 对当地对流层(1~10 km)与低平流层(18~25km)的某些惯性重力波特征进行了研究, 发现重力波能量与急流强度变化之间存在显著的相关. 同时分析了海口(20oN, 114oE)(2000至2004年)、北京(40oN, 116oE)(2001年12月至2003年2 月)的Radiosonde观测数据并进行了比较, 发现较高纬度地区的相关性明显大于低纬度地区. 通过对武汉地区2006年1月5天Radiosonde加密观测数据的分析, 讨论了重力波动能与势能的高度变化, 进一步发现纬向风的垂直剪切与急流中心的分布分别与重力波势能和动能的强弱分布相对应.      

Time variations of dynamical processes in the midlatitude upper mesosphere — lower thermosphere

Complex studies with the use of spectrum and harmonic analysis allow determination of wave disturbances in the prevailing and tidal wind, and also mesoscale short period oscillation intensity per unit mass. We particularly find enhanced periods of 4–6, 9–12, 15–20, 25–30 days, which are typical for planetary waves in the lower and middle atmosphere of the Earth. We also reveal the non-linear character of vertical amplitude and phase profiles for wave disturbances with planetary wave scales in the prevailing, tidal and short period oscillation intensity. This non-linearity is interpreted as a consequence of the non-linear interaction of waves such as internal gravity waves, tides and planetary waves among themselves and with background movements.     

武汉上空中层和低热层大气潮汐的流星雷达观测

武汉流星雷达是2002年元月建成的我国第一部全天空流星雷达，本文对2002年2月19日到7月31日流星雷达观测的潮汐的讨论表明，武汉中层顶以周日潮汐为潮汐运动的主要分量，它的强度远大于半日潮汐，周日潮汐和半日潮汐的波源都在80km以下．周日潮汐分量在3、4月份最强，并且经向分量略强于纬向分量．两个分量的峰值在约95km处出现，分别达到44m／s和60m／s．半日潮的最大值24m／s出现在4月初约93km处．周日潮汐和半日潮汐的振幅和相位随时间呈现出拟周期变化的特征，这可能是潮汐与行星波非线形相互作用的结果．观测结果与GSWM模型的比较表明，GSWM模型在相位随高度变化趋势上与观测结果一致，但模型的周日潮相位比观测约超前1—2h，半日潮相位约滞后1—4h．在周日潮汐较强的月份，模型与观测有较大的差异，观测的幅度通常在95km附近有极大值，而模型并没有极大值．GSWM模型对半日潮的幅度的估计通常过小，观测的半日潮汐幅度有时甚至超过模型值的一倍以上．     

太阳风中动力论Alfven波的湍流谱(a)朗道衰减

提出一个太阳风中Alfven脉动湍流的新模式,动力论Alfven波是Alfven波和离子声波非解耦的新波模。由太阳向外传播的各种波长的动力Alfven波的非线性相互作用推导出动力论Alfven脉动湍流功率谱P_k,在Alfven半径以外,P_k∝k-3/2,而在Alfven半径以内,由太阳附近的P_k∝k-1变化成P_k∝k-3/2动力论Alfven脉动在Alfven半径以内完成朗道衰减。新模式克服了以前理论模式遇到的困难。      

大气行星波影响低频电波吸收变化的机制

本文根据冬季中低纬低电离层中、低频（ＬＦ）电波振幅扰动与高纬平流层中大气行昨波活动密切相关的观测事实，分析研究了可能引起低电离层对ＬＦ电波吸收变化诸因素的作用后，提出了一种能较好地解释观测现象的物理机制，大气行星波可通过两种方式改变大气离化率ｑ，因而引起低电离层中电子密度Ｎ扰动，进而改变由Ｎ大小决定的电离层电波吸收值，结果导致ＬＦ电波振幅发生相应变化。文中给出了描述这一物理计算公式和某些计算结果。     

Nonlinear Interactions between the Quasi 5-day Wave and Tides Based on Meteor Radar Observations at Maui

Nonlinear interactions between the quasi 5-day wave and tides based on meteor radar observation in the Mesosphere and Lower Thermosphere(MLT) at Maui are studied in this paper.Strong sum interaction between quasi 5-day wave and diurnal tide,and evident difference interaction between quasi 5-day wave and semidiurnal tide are observed during the time of attention.However,their difference and sum counterparts are clearly weaker.The secondary waves generated from those interactions beat with the tide and show intense modulation at the period of 5 days which confirms the existence of their interactions.Additionally,correlation coefficients among these waves are calculated to further explore their interactions and find that they can persist for several days although they are highly intermittent.The energy exchange among these waves can be reversible during the observational time.The periods when the significant difference interaction between the quasi 5-day wave and semidiurnal tide occur are much shorter than those when the significant sum interaction between the quasi 5-day wave and diurnal tide occur.Moreover,these two strong interactions can take place simultaneously.In generally,this study provides the proof of nonlinear interactions between quasi 5-day wave and tides which were seldom reported before.     

基于像素间孤波的图像处理模型分析

通过对数字图像像素栅格之间非线性影响的研究,建立了像素间非线性影响的一维和二维时间演化方程模型,通过对方程模型的分析可知图像在空间上是离散的,图像像素之间的作用关系是非线性连续的,且方程具有解析性的孤波解.模型重点研究像素孤波的两个孤波之间的相互作用,给出了像素孤波的二孤波解,利用像素孤波的相互作用来研究模型的性能,发现像素孤波相互作用后仍能保持自身性质不变,因此可用像素孤波代替像素本身.同时发现像素孤波在相互作用时其幅值是两者的非线性叠加,可以作为影响的结果;并且像素孤波相互作用时其相位会发生特定的改变,可以将其映射为像素之间相互影响的方向信息.通过实验表明,模型可以用在图像滤波中,平滑度并不最优但是图像细节得到更多保留.      

重力波波包在三维非等温大气和水平风场中非线性传播的数值研究

采用全隐欧拉格式（FICE）对重力波波包在三维非等温大气、均匀和剪切风场中的非线性传播进行了数值模拟，给出了重力波波包三维非线性传播的全过程，分析了重力波的传播特性及背景温度场、风场对重力波传播的影响。结果表明：波包扰动速度振幅的增长比在WKB条件下振幅的增长要慢；波包非线性传播的路径、能量传输速度不同于WKB近似下的结果，非线性效应导致了重力波的传播特性的改变；温度场的非均匀性会改变重力波传播的路径和速度；剪切风场使扰动速度振幅的增加变得缓慢，使垂直波长减小。