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.     

阿尔芬波的调制不稳定性

考虑由有质动力引起的密度变化和流速改变两个非线性效应,运用Karpman方法研究阿尔芬波的调制不稳定性,对左、右圆偏振波两个分支,分别得出了具有波包孤子解和反波包孤子解的条件、密度扰动和阿尔芬波能量密度间的关联等结果.      

大气重力波与电子密度扰动的耦合

本文从相互耦合的大气流体方程和双流体等离子体方程出发, 导出了赤道F区大气重力波和电子密度扰动的耦合色散关系, 据此对两者的共振相互作用作了进一步的理论分析。结果表明, 大气重力波可以通过共振耦合将部分能量转换给带电粒子, 为赤道扩展F提供初始电子密度扰动;在这过程中, 等离子体不稳定性对共振条件和共振耦合有着重要的影响。     

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。     

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。      

大气温度剖面的行星波驻波结构

利用Ｎ８ｍｂｕｓ－７卫星上角度扫描红外辐射计（ＳＡＭＳ）的资料，分析出大气温度剖面具有行星波垂直结构的驻波结构；讨论了波长、振幅随高度的分布，驻波结构随经度、纬度的变化，以及可能的形成机制。     

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。     

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。      

1980年中层大气温度波空间特征的初步分析

利用1980年Nimbus-7卫星网络点资料(温度场)对中层大气行星波的空间结构进行诊断和分析后发现,行星波扰动主要集中于冬半球,夏半球及赤道地区上空的扰动则相对较弱,但也不可忽视.冬半球行星波扰动中的瞬变波部分可以跨过赤道向夏半球传播,且传播主要集中于20kin和70km两个高度层附近.波数1冬季以准定常行里波为主,夏季瞬变行星波与准定常行星波波幅相当.行星波扰动的波幅从冬到夏的衰减主要表现在波数1和波数2上,波数3变化不大.      

北京地区大气温度及重力波活动的季节变化

利用瑞利激光雷达观测数据,分析了北京地区35~70km高度范围内大气温度和重力波活动的季节变化.发现北京地区30~70km高度范围内的大气温度有明显的年周期变化：平流层顶最高温度出现在6,7月份,大约为270K;中间层70km高度最低温度也出现在6,7月份,大约为200K.以2014年10月14日晚数据为例,分析重力波势能密度,发现50km以下重力波势能存在耗散,而在50km以上重力波近乎无耗散地向上传播.通过对比35~50km高度范围内的平均势能密度,对北京地区重力波活动强弱的季节变化进行了研究.研究结果表明,北京上空重力波活动强度具有明显的年周期变化,冬季平均势能密度为18J·kg^-1,夏季为8J·kg^-1,且冬季重力波活动强度约为夏季的两倍.此外,还分析了春夏秋冬四个季节重力波势能密度随高度的变化.结果表明,不同季节和不同高度的重力波势能密度不同.     

中高层大气对低层大气脉冲扰动的响应

从基本的大气运动方程出发,采用二维全隐欧拉格式(FICE)建立极坐标下二维声重波传播的数值模式.对小振幅高斯形态声重波传播过程的模拟结果表明,该数值模式能够再现声重波波包向上的稳定传播过程.应用此数值模式模拟了在没有背景风场和存在背景风场条件下中高层大气对10km高空处近似脉冲点源扰动的响应过程,获得了中高层大气对低层大气脉冲扰动响应的图像.结果表明,电离层高度对重力波扰动的响应不但出现在激发源激发之后,还与激发源具有较大距离,扰动的幅度随高度的增大而增大;有背景风时,顺风情况下重力波波动传播路径较逆风情况下平缓,且传播的水平距离比逆风情况下远,波动的振幅较逆风情况下弱,逆向背景风场能够加速重力波向上传播.同时,模拟还表明脉冲扰动正上方可以激发产生一种以6 min为主要周期,具有声学分支特性的快速波动.本文模拟的扰动结果与2004年12月26日苏门答腊-安达曼地震引起的电离层TEC扰动具有类似的图像.     

大气重力波引起的突发钠层的模拟研究

应用钠原子和中性大气分子的质量连续性方程来模拟突发钠层(SSL),垂直风场采用接近实际大气重力波的正弦行波模式,结果较好地反映了SSL的形成过程.SSL的形成时刻在5-15min之间并可持续到30min之后,形成高度大约在90-100km之间,峰宽为0.5-2km之间,这些都与实际观测SSL的特点相符.同时还进一步地研究了当重力波参数(主要指垂直波长和周期)、风速以及常态钠层半宽度发生变化时SSL的变化趋势.     

平流层爆发性增温事件中大气准16日行星波

2014年1月上中旬高纬平流层发生弱增温事件,增温幅度约25K,纬向西风减弱并于2月初转向.行星波在平流层爆发性增温（SSW）事件产生中具有重要作用.利用北半球近东经120°链上中低纬5个流星雷达探测的风场数据,研究了此SSW事件发生前和发生期间中间层和低热层区（MLT）大气风场的行星波状况.结果显示,极区平流层增温前MLT区大气呈现出明显增强的准16日波动,增温达到最大时,16日波也最强,表明中低纬MLT区的行星波变化与SSW事件存在耦合关系.进一步利用欧洲中心平流层再分析资料数据,分析SSW期间北半球平流层的波动和零风线状况,发现平流层准16日波和零风线随时间由低纬向高纬移动,反映出16日波与SSW之间存在某种动力学联系.     

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.     

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.     

台风激发的声重力波的可探测性研究

通过对北京大学高频多普勒台站(39.4°N,116.2°E)多年的观测资料及相关台风资料的统计分析,着重研究了高频多普勒探测手段对由台风引起的扰动电离层响应的可探测性问题.通过对台风登陆前后的高频多普勒观测记录的细致分析及与宁静条件下记录的对比研究,表明高频多普勒观测手段可以很好地探测由台风激发的声重力波,尤其是对台风登陆前后所激发的扰动具有较高的可探测性.在所分析的24次台风事件中有明显扰动记录的高达22次(22/24).结合观测事实与Huang等的统计结果(2/12)进行了比较,并进行了可能的原因分析.通过数值模拟的方法对观测到的主要扰动的非线性传播过程进行了模拟再现,结果基本上与观测结果及线性传播理论一致.确认了一般情况下高可探测性这一事实,但同时也表明可探测性和台风激发源与探测位置及中尺度TIDs在电离层中的传播模式有密切关系.     

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.     

VASIMR中螺旋波等离子体源设计

螺旋波等离子体具有密度高,可控性强且无电极等优点,被应用于可变比冲磁等离子体火箭(VASIMR,Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket)中.设计了一个螺旋波等离子体源,并给出了其中2个关键部分——磁场线圈和螺旋波天线的设计.对螺旋波等离子体源进行了初步实验,结果表明,电子密度随射频输入功率的增加几乎呈线性上升,估计电子密度的量级在通入工质后完全可达10¹¹ cm^-3.     

550～600 km高度上热层大气密度的中长期变化

选用了2005年8月20日至2006年7月28日高度550～600 km附近的热层大气密度探测数据,对表征太阳活动的F10.7值和表征地磁活动强度的Ap指数进行了相关特性的统计.分析结果表明,在无明显地磁扰动时热层大气密度日平均值的涨落呈现27日和准半年的周期性变化,但在地磁扰动期间这种变化的周期性会被削弱,且大气密度的周日变化幅度与F10.7值呈正相关关系.     

磁扰动和磁静时近地等离子体片中脉冲电场的分布

Geotail卫星的电场数据被用于分析近地磁尾等离子体片中电场在磁扰动(Dst<-25nT)和磁静时(Dst>-25 nT的统计分布.结果表明,伴随着地向高速离子流,在X>-16Re以内区域出现强电场(高达 5-8 mV/m).磁扰动期间强电场的幅值较磁静时大,并且出现在更靠近地球的位置.较强和较靠近地球的强电场与磁扰动时更薄的等离子体片和更接近地球的等离子体片内边界相联系.观测结果意味着磁扰动期间的亚暴可能更有效地将高能粒子注射到环电流中.这对磁暴和亚暴的关系问题的解决有重要意义.