众眼看宇宙

<正>银河与南天的大气辉光影像为我们展示的是智利冬季夜空中异常明亮的红色大气辉光。大气辉光的发生高度与极光相近,不过其产生原因是分子受到激发所导致的化学发光。一般情况下,灵敏的数位相机记录的大气辉光通常带有绿晕,而这片泛红的辉光是氧原子在低密度环境下所产生的,在过去的几年里,这种大气辉光经常出现在南半球的夜空中。在这幅影像中,心宿二与银河盘面位于顶端,明亮的大角星座位于它的左边,在地平面附近,可以找到分跨在银河系两侧的织女星、天津四和牛郎星。     

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。     

对流层雷暴源所产生的柱形重力波

已有充分的证据表明, 大气对流层的雷暴迹象是大气中间层重力波活动的显著代表源.在雷暴迹象的上方, 通过火箭已观测到大气中间层出现的热效应, 也已通过雷 达探测到大气平流层出现的上行重力波, 从地面和卫星平台上观察到夜间气辉有序而 成环状的重力波波形. 所有这些实验结果都与位于观测点下方的雷暴活动有紧密联系. 此类雷暴通常主要集中在中国东部沿海以及地球其他沿海海湾地域. 关于此类雷暴对大 气中间层的影响尚未被充分研究和了解. 为能有效地探究其成因, 利用所开发的一个二维计算机数值模型模拟和研究大气对流层的雷暴源所引发的上行重力波, 进而揭示 此类重力波产生的基本物理机理, 及其在大气中间层的能量耗散. 通过模拟研究发现, 雷暴源可以大面积高强度地聚集和释放积雨云的能量, 当这种周期性的对流变化引发大气对流层的不稳定性后, 就会有圆柱体重力波的产生和传播.      

Aura/MLS与TIMED/SABER观测全球重力波特性

大气重力波是临近空间环境主要大气波动之一,对全球环流具有重要影响。卫星上搭载的临边探测器能够探测临近空间大气温度,可用于临近空间大气重力波研究。利用2012－2014年Aura的微波临边探测器（MLS）和TIMED的红外临边探测器（SABER）的探测数据,对20~50 km高度的大气重力波扰动分布特征开展了分析研究,两种观测重力波活动基本一致,重力波随季节、纬度及高度的变化显著。冬季半球高纬度重力波扰动较强,赤道和夏季半球近赤道地区上空也存在明显重力波活动区域,夏季半球高纬度重力波扰动最弱。重力波扰动强度随高度增加。TIMED/SABER重力波扰动强度数值比 Aura/MLS略强。      

从我国第二颗卫星近地点高度变化的分析测定平均密度标高

本文讨论了一种大气密度标高的计算方法,同时从我国第二颗卫星近地点高度变化的分析测得了四个平均密度标高H值.这些观测值与CIRA-1972理论值之差都在10%之内,实测值与CIRA-1972之比平均约高5%.      

多层太阳大气模式中Alfven波的传播

将实际的太阳大气划分为多个等温层次，导出了均匀倾斜磁场下线性Alfven波通过任意多等温层的能量透射率，结果表明，两等温层模式与三等温层模式的结果存在本质的区别。在两等温层中，温度的跃变式增高对Alfven波起着高通滤波的作用，而三等温层中在高频端Alfven波的透射率显示为振荡形态，对实际大气温度模式的计算结果表明，太阳低层大气更适合于周期为数秒的Alfven波的能量传输。     

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。      

三维球坐标系下波包非线性传播过程的一种数值求解方法

采用全隐欧拉（FICE）格式，将三维坐标系下的大气基本运动方程作为控制方程，建立起了三维球坐标系下可压大气中的全非线性数值模式；对纬向边界也进行了合理的处理，并对该模式进行了数值检验，计算结果显示出重力波波包在大气中非线性传播的三维图像：波包整体向上传播，波相关扰动速度随高度增加而增长。     

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。     

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。     

一种全天空气辉成像仪数据预处理方法和初步结果

大气重力波是大气中的基本波动形式之一,在中高层大气动力和热力学过程中起着十分重要的作用.全天空气辉成像仪是一种以大气气辉辐射为示踪物,能够有效对大气重力波成像的仪器.本文针对中国科学院国家空间科学中心空间天气学国家重点实验室中高层大气组自主研制的全天空气辉成像仪所观测的数据,提出了一种气辉图像预处理方法,进行平场校正、方位校正、星光去除和坐标映射等数据订正.利用该方法处理2015年5月17日21:00BLT至次日05:00BLT西宁台站（36.6°N,101.7°E）的OH气辉数据,发现一次重力波事件,分析并获得了该重力波的水平波长、观测水平相速度和传播方向（分别为17.72km,47m·s-1,339°）.研究结果表明该方法是可行的.      

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。      

Alfven波在微电离大气中的衰减特性研究

利用简单的偶极子地磁场模型以及大气电子密度和电导率模式, 分析地面产生的磁扰动以Alfven波的模式传播到近地空间区域. 这种地面的磁扰动可能干扰近地空间卫星对空间磁扰动的观测. 通过对地面磁扰动Alfven波模式1000 km高度内的衰减情况进行模拟, 认为在近地空间采用地磁偶极子模型是合理的. 由于衰减随扰动频率的增大而急剧增强, 分析还得到了近地卫星能够探测到地面磁扰动的最大频率. 计算结果表明, Alfven波的衰减主要集中在高度50 km以下, 这个区域内的大气电导率极其微弱, 使Alfven波的传播受到极大衰减. 0.4 Hz以下的Alfven波沿磁力线传播到1000 km高度后衰减结为原来扰动幅度的千分之一, 因此频率在0.4 Hz以下的Alfven波可能会干扰低轨卫星探测磁场脉动.      

Chapman函数在实际模式大气中的数值积分计算

本文对Chapman阳光掠射函数[Ch(z_p,χ)]进行了数值积分,求得了其在实际模式大气中随观测高度z_p及天顶角χ的变化.计算并讨论了低热层高温度梯度、分子与湍流扩散、重力场及太阳活动对 Ch(z_p,χ)的影响.结果表明,在150 km以下,Ch(z_p,χ)与前人用等标高模式及等标高梯度模式的计算结果差别较大.其中高温度梯度的影响起主导作用.特别是太阳活动对Chapman函数影响较显著,高年与低年之间可变化10—40％(在大天顶角时),这有可能推动热层大气中辐射-光化学-动力学耦合关系的变化.     

重力波对中间层和低热层大气环流的影响

利用β通道准地转近似大气平均运动方程组,采用重力波线性饱和参量化方法,定性地研究大气重力 波对中间层和低热层大气环流的作用.模拟计算得到,大气重力波对平均东西风速可产生100m·s-1／d左右的作 用力和产生120 m2/s的湍流扩散,这些作用平衡了Coriolis扭力,导致大气的平均东西风速大大偏离辐射平衡 风场,中层顶附近的平均东西风速在冬季(夏季)甚至反转为东风(西风).平均东西风速计算结果与冬季和夏季 中频雷达东西风速观测值和大气模式剖面等大致一致.     

耗散大气中风场对内重力波传播的影响

使用考虑大气耗散的射线跟踪算法,计算了风场作用下重力波的传播情况.结果表明,风场对快速重力波分量影响较小,但对反射和传播区域的慢速波的影响较大,表现在顺风时使反射区范围缩小,逆风时使反射区范围扩大.在传播区,顺风场使慢速波分量的传播距离变小,传播高度降低,而逆风则使慢速重力波分量的传播距离明显增大,传播高度上升.分析表明,重力波传播的丰富多样性是由风场对波的衰减和反射等滤波作用引起的.      

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。     

地形产生的山地波及其传播过程模拟研究

气流经过地形产生的山地波是大气重力波研究的重要类别之一.从大气运动的控制方程组出发,建立模拟地形产生的山地波及其传播过程的二维数值模式.利用水平背景风场、地形和垂直速度之间的关系,在模式中引入垂直速度扰动作为地形产生山地波的激发源.通过模拟该激发源引起的扰动即山地波在大气中的传播过程,再现了山地波的产生、传播及充分发展过程.通过分析水平波长、垂直波长、位温扰动、流线,在空间尺度上描述了山地波的产生、传播及充分发展的过程.在气流经过地形产生的山地波的传播过程中,其水平波长λ_x的范围为2.5~5km,垂直波长λ_z约为2.5km.这些结果与利用山地波线性理论计算的垂直波长一致,从而验证了本模式能够模拟地形产生的山地波及其传播过程,为深入了解山地波的产生过程及其在中高层大气中的传播机制和效应奠定了基础.      

冷锋期间武汉MST雷达低平流层回波异常现象

武汉MST雷达是中国子午工程建设的两台中高层大气无线电探测雷达之一.该雷达探测频率在VHF频段，雷达回波在低平流层和对流层上部具有角谱特性，可为研究大气动态稳定性提供有效技术手段.本文利用武汉MST雷达2016年4月17日冷锋活动期间及平静天气的角谱实验数据，从雷达回波特性变化、风场空间分布、湍流生成机制以及内重力波影响四个方面分析并解释了MST雷达对流层顶上部区域出现持续异常强回波带的成因.分析结果表明，对流层冷锋的强对流作用诱发内重力波，内重力波向上传播至低平流层后受增强的剪切急流影响发生耗散甚至破碎，激励了长时间跨度的K-H不稳定性，进而导致水平反射层结构发生扰动生成湍流，使得雷达回波结构发生变化.