中高层大气行星波与惯性重力内波的非线性相互作用

在弱非线性理论基础上,将三维大气中行星波和惯性重力波从原始非弹性近似方程中分离出来,讨论了典型的2天行星波与惯性重力内波的非线性相互作用过程.从共振曲面和参量不稳定增长率来看,行星波倾向于与空间尺度较大的惯性重力波发生相互作用.利用潮汐波的等价重力波假设,讨论了2天行星波与半日潮及9.6h惯性重力波的相互作用,三波相互作用时能量守恒.非线性相互作用使2天波和潮汐波的波幅受到长期调制.      

中层大气行星波的跨赤道传播

使用一个全球原始方程半谱模式,模拟了行星波的跨赤道传播。结果指出:冬半球对流层顶附近准定常行星波的幅度起伏和相位变化,可以造成中层大气行星波的跨赤道传播,并且在夏半球形成瞬变行星波。所得结果为中层大气行星波的跨赤道传播、夏半球行星波的形成和南北半球之间的耦合提供了一种物理机制。      

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。     

武汉上空中层顶大气重力波活动的钠层荧光激光雷达观测研究

从中国科学院武汉物理与数学研究所钠荧光激光雷达自1999年至今的观测数据中选取了分布于全年26天的数据进行重力波活动的分析研究.统计结果表明,武汉中层顶区的重力波活动非常频繁:26天总观测时间累计约为185.5 h,总共观测到124个重力波活动,平均发生频度为每小时0.7个波,且波的出现频度与地方时有一定关系.这些波的垂直波长主要分布在3-7km,垂直相速主要位于0.1-0.5 m/s.与国外报道的结果相比较,波长数值与分布较为一致,但相速明显较低.武汉中层顶区重力波活动的另一特点是多波过程很频繁,多、单波过程的出现比例约为3:2.利用钠层相对密度扰动时空图方法,给出了武汉中层顶区重力波传播和破碎现象的典型结果.还利用单色波模型对部分钠层数据进行了单色波相关参数的提取.      

重力波对中层顶区光化加热的影响

计算了重力波过程对光化加热的影响,并研究了不同温度背景及不同氧原子的背景分析对该过程的影响,计算表明重力波可以造成中层顶光反应加热的损失。     

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.     

2009年1月5日廊坊OH气辉观测图像的谱分析

2009年1月5日在中国河北省廊坊市韩村镇(39.4°N,116.6°E)进行了中国首次中间层顶大气重力波成像观测实验,记录了近4 h的OH气辉辐射数据,给出了依据该数据计算所得的该时间段内廊坊韩村附近水平方向约185 km范围内的中间层顶OH气辉扰动的谱分析结果.所得到的传播方向确定的二维功率谱和角度谱揭示了该时间段内重力波活动的波长和传播方向分布特点,表明波长下限较短,西向传播分量明显大于东向分量.     

极区中层惯性重力波VFH雷达观测的统计特征

本文采用ＳＯＵＳＹ ＶＨＦ雷达１９８７年６月２２日至６月２９日在挪威ＡｎｄΦｙａ（６９°Ｎ，１０°Ｅ）的观测数据，研究中层惯性重力波传播的统计特征，２１个周期为数小时的准单色波例子，在垂直方向上有确定的相位移动，表明它们是惯性内重力波，通过分析波相关水平扰动速度的矢端曲线，获得了水平传播矢量的大小和方向的分布，大多数（７６％）波具有西向传播的波矢分量，似乎与中层顶具有强的西向背景风有关；水平传播速     

Adelaide地区大气重力波的气辉观测

利用澳大利亚Adelaide(34.5°S,138.5°E)地区7年(1995-2001年)的OH和OI气辉观测数据,以及同地区中频雷达所测背景风场数据,通过最大熵谱分析方法,统计分析了该地区大尺度重力波的传播特性.结果表明,(1)在中层顶气辉观测区,利用OH气辉探测到48个重力波事件,利用OI气辉探测到29个重力波事件,这些重力波的周期和水平相速度分别集中在68 min和36 m/s左右,具有东南向的优势传播方向,平均仰角为8°～10°,接近水平方向传播;(2)通过OH气辉和OI气辉观测到了同一个重力波事件,并根据两个高度上观测到的扰动相位差判断该重力波为上行波.      

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.     

Excitations of nonmigrating diurnal tides in the mesosphere and lower thermosphere simulated by the Kyushu-GCM

Excitation mechanisms of nonmigrating diurnal tides in the MLT region simulated by the Kyushu-GCM are examined. It is shown that the westward propagating diurnal tide with zonal wavenumber s = 2 is mainly excited by nonlinear interactions between the migrating diurnal tide and the stationary planetary wave with zonal wavenumber s = 1, while the nonlinear excitation of the standing diurnal tide with zonal wavenumber s = 0 is less important than the excitation by tropospheric heating. Nonlinear interactions between the migrating diurnal tide and the stationary planetary wave with zonal wavenumber s = 2 are not dominant to excite the westward propagating diurnal tide with zonal wavenumber s = 3, and it is shown that the excitation by tropospheric heating is comparable to the nonlinear excitation. It is also shown that other nonmigrating diurnal tides are excited by tropospheric heating.     

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．     

中纬度冬季低热层潮汐非线性相互作用的MF雷达观测

采用武汉(30°N,114°E)MF雷达在2001年冬季的风场观测数据研究中纬度低热层大气潮汐之间的二阶非线性相互作用.经向风场的Lomb-Scargle归一化振幅谱表明,周日、半日和8 h潮汐是中纬冬季中层顶区域占优势的大气扰动;此外6 h潮汐也清晰可见.双相干谱分析揭示大多数显著的双相干谱峰代表潮汐谐振分量之间的相位互相关或单个潮汐分量的自相关.对随时间变化的潮汐垂直波长的比较发现,实际观测的8h潮汐垂直波长与假定的由观测的24 h潮汐和12 h潮汐非线性相互作用产生的8 h潮汐的理论垂直波长具有明显的一致性.在94.0～98.0km高度范围,周日、半日和8h潮汐之间不仅存在明显的相位相关和垂直波数相关,且它们的振幅随时间变化也显示出振荡幅值相近、振荡相位同步或反相的相关性,表明它们之间已经发生了二阶非线性相互作用.但是在94.0 km以下,三个潮汐分量之间的各种相关性随高度的下降变得越来越弱,因此潮汐二阶相互作用更可能是一种局地和暂态的现象.      

非线性大气重力波产生的行进电离层扰动

本文导出了大气重力波的非线性方程,研究了重力波的非线性性质。利用等离子体的连续性方程,计算了电离层对重力波的非线性响应,讨论了非线性电离层扰动(TID)的形态。结果表明,非线牲效应使TID表现为多种不规则形态。      

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.      

Arbitrary amplitude ion-acoustic waves in a plasma with nonthermal electrons

We investigated the effect of the presence of a nonthermal electron population on the electrostatic nonlinear waves. We considered positively charged ions with two electron populations. Using the fluid equations for the unmagnetized case and the Sagdeev pseudo-potential approach the nonlinear ion-acoustic waves are studied. The cold electrons are in thermal equilibrium while the hot electron population follows a nonthermal distribution. Numerical investigation shows the importance of the presence of small amount of cold electrons that make it possible for the plasma to support nonlinear waves. We obtained the minimum cold electron density necessary to sustain these nonlinear waves. The relevant situation corresponds to the upper ionosphere where energetic electrons have been observed.     

Effect of q-nonextensive hot electrons on bifurcations of nonlinear and supernonlinear ion-acoustic periodic waves

Nonlinear and supernonlinear ion-acoustic periodic waves are investigated in a three-component unmagnetized plasma which consists of mobile fluid cold ions, Maxwellian cold electrons and q-nonextensive hot electrons employing phase plane analysis. Using the traveling wave transformation, the plasma system is reduced to a planar autonomous dynamical system. Utilizing phase plane analysis of planar dynamical systems, all possible phase portraits including nonlinear homoclinic orbit, nonlinear periodic orbit, supernonlinear homoclinic orbit and supernonlinear periodic orbit are presented depending on physical parameters $q,\alpha ,\sigma$ and V. Using numerical simulations, nonlinear and supernonlinear ion-acoustic periodic waves are shown for different conditions. It is found that the nonextensive parameter q plays a crucial role in the bifurcations of nonlinear and supernonlinear ion-acoustic periodic waves. Our study may be applicable to understand the nonlinear and supernonlinear periodic features in auroral plasma.