重力波波包在真实大气中传播特性的数值研究

采用二维全隐欧拉（FICE）格式，对重力波波包在真实大气中的非线性传播和演变过程进行了数值模拟，模拟结果表明，在中层大气下部激发的向上传播的重力波波包在传播到中层顶之前，波相关能量沿着射线路径传播，非线性效应和背景温场对波能量传播路径的影响很小，当波包传播到低热层大气后，波包饱和波相关能量几乎完全沿着水平方向传播，垂直方向的能量传播受到抑制，这与在无耗大气下，WKB近似条件下的线性重力波理论的预言相差很大，深入的分析表明抑制重力波波包向上传输能量的关键因素是大气分子粘性的垂直非均匀性。非线性和背景温场的影响不足以完全抑制波能量的向上传播，此外，在波包的整个传播过程中，由于非线性，背景温度和背景耗散的共同作用，重力波波包的垂直波长随时间明显减小，这些结果说明大气的分子粘性特别是分子粘性的垂直不均匀性对重力波波包在中、高层大气的非线性传播过程起着重要作用。     

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。      

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.      

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。      

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.      

下行重力波波包在可压大气中的传播

应用ADI格式模拟下行重力波在二维可压大气中非线性传播。结果显示，重力波能量向下传输，波振幅明显衰减，与线性方程的数值模拟结果的比较表明，在非线性情况下，重力波仍可保持线性传播的某些特征，蜚 线性效应随波振幅的衰减对波包传播速度的修正作用很快变弱。     

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.      

非线性效应对重力波特性的影响

通过分析二维情况下重力波波包在等温大气中非线性传播的数值模拟结果,对非线性效应对重力波特性的影响做了定量分析。分析结果表明;重力波在非线性传播过程中,一方面由于非线性作用,随着波振幅的增加,垂直波长减小,同时平流成份增加;另一方面,尽管存在非线性效应,线性重力波的色散关系与偏振关系仍然适用。     

利用谱方法数值求解三维球坐标系下的Navier-Stokes方程

从三维球坐标系下的Navier-Stokes方程出发,采用谱配置方法建立了一个三维球坐标系下中层大气波动传播的全非线性动力学数值模式;构造了合理的纬向边界,并利用初始给定的重力波波包对该模式进行了数值检验．计算结果展示了重力波波包在大气中传播的三维图像,波包整体向上传播,波相关扰动速度随高度的增加而增长．     

三维重力波非线性传播数值模型的一种求解格式

采用交替方向隐格式（ADI）求解三维可压大气中重力波非线性传播的数值模型，经过几个波周期后，重力波波包括估然沿着线性理论射线方 稳定地传播，波包保持着很好的形状，内点和边界保持稳定；水平风与垂直运动的振幅随着高度的增加而增加。这说明ADI格式是模拟三维可压大气中重力波传播的一种可靠的格式，模拟结果表明，在非线性情况下，重力波仍可保持性传播的某些特征，非线性效应有现在对波包括传播速度的修正。     

重力波波包在传播过程中的参量激发

采用数值方法模拟了重力波波包在向上传播过程中的参量激发.结果表明,通过共振相互作用,两个次级波可由噪声水平发展到相当的强度,并拥有可观的空间范围,但两者获得能量的大小不同,说明在一个共振组中,主波的能量传递具有参数选择性.主波包只将部分能量用来激发次级波,在其能量衰减的同时,波包形状也发生强烈的畸变.波包之间的能量传递具有明显的局地性.由于波包能量交换不再具有可逆性,相互作用的特征时间具有特别重要的意义,它代表绝大多数能量传递发生的时间范围.在特征时间之外,波包之间净的能量传递已相当弱.由中间层向低热层传播的重力波,衰变过程和传播过程可以同步完成.共振相互作用不仅能够使波能量在谱空间扩散,而且能使波能量在物理空间扩展.      

粘性耗散对重力波波包共振相互作用的影响

采用数值方法考察了粘性耗散对重力波波包共振相互作用的影响．结果表明,粘性耗散不仅衰减相互作用波的能量,而且强烈地影响波包之间局地能量的传递,使波包的形状发生进一步的改变．粘性耗散减缓相互作用过程的发展,阻止高波数的次级波与主波进行相互作用．在低热层高度上,耗散过程占支配地位,三波能量演变的特征发生了相当大的变化．大尺度主波通过与小尺度次级波的相互作用,更快地实现对大气的加热．      

重力波波包相互作用时空演变的数值研究

本文设计了一种研究二维空间中重力波波包共振相互作用演变的数值模式.利用此模式获得二个大振幅重力波波包通过碰撞而发生的完整的相互作用过程.数值结果表明,能量上行重力波可以通过波-波相互作用激发能量下行重力波;在相互作用的时空演变过程中,3个波包的能量收支情况和相互作用的强度具有局地性;由于考虑了空间传播效应,相互作用过程不再具有周期性,而是出现一个具有不同物理含义的相互作用特征时间,这个新的相互作用特征时间和相互作用最终的发展程度不仅由相互作用系数和初始波包振幅决定,还受到波包空间尺度和波包群速度的相对大小控制.      

重力波波包在非等温和可压大气中的非线性传播

本文采用二维全隐欧拉格式对具有高斯分布的重力波波包在非等温,可压大气中的非线性传播过程进行数值模拟。     

Gravity waves generated by thunderstorms: South-East Asia tropical region study

Gravity waves are recognized as an integral part of earth’s atmosphere which are mainly responsible for energy and momentum distribution among different layers and regions in the atmosphere. Various sources present in land, ocean, and atmosphere such as mountains, convection, jets and fronts etc. are responsible for gravity waves generation. Thunderstorms (deep convection) are one of the major sources of gravity waves in the tropical region, capable of generating waves with a wide range of frequencies and scales and significantly affecting the existing waves. Previous numerical studies have characterised the wave properties that are generated from thunderstorms, but there are no statistically quantified studies. In this paper, we have modelled the relationship between the latent heat generated inside a thunderstorm and the gravity wave properties at the geo-collocated points. Gravity waves are identified over Singapore radiosonde station (with data available until 30?km altitude with 12?h temporal resolution) in the stratosphere using wavelet studies. Based on the GROGRAT ray tracing methods to identify the thunderstorm locations, and RAMS cloud-resolving models simulations to obtain the latent heating of the thunderstorm, a regression analysis is performed using 200 cases of gravity waves. Furthermore, cloud-top momentum flux analysis is performed for various cases latent heat. This study is expected to provide more quantified and concrete information on the coupling between the thunderstorm and gravity wave which includes the variance in these relationships due to wave frequency spectrum and generation mechanisms.     

非等间距显式算法在重力波非线性传播数值模拟中的初步应用

采用3阶TVD型显式时间积分方法,建立了2维可压缩大气中重力波非线性传播的非等间距显式数值模式.对小振幅重力波传播过程的模拟结果表明,该模式能够很好地再现小振幅重力波的传播过程,并能保持能量守恒关系和各扰动量之间的相位关系,与线性重力波理论预测的结果吻合很好.对有限振幅重力波的模拟结果表明,与格点数相同的等间距网格中的模拟结果相比,采用非等间距网格能够以更高的分辨率模拟重力波的不稳定传播直到破碎的整个过程;在非等间距网格中的模拟结果与在加密一倍的等间距网格中的模拟结果相同,说明了用非等间距网格模拟重力波的饱和与破碎过程是正确的,并且采用非等间距网格能够大大减少计算量.      

太阳耀斑硬X射线能谱演变特征

太阳硬X射线是耀斑高能电子束流与太阳大气相互作用产生的韧致辐射,根据简单的太阳耀斑环物理模型,假定具有流量与能谱同步变化的高能电子束流从耀斑环顶部注入,计算了硬X射线辐射在不同的靶物质密度区的能谱演变特征。结果表明:硬X射线辐射在低大气密度靶区呈现软一硬一硬的能谱演变特征,在高密度靶区硬X射线能谱则具有软一硬一软的变化特征。高能电子束流持续时间影响谱型转变区域在耀斑环中的高度。      

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。