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。     

重力波波包在耗散大气中的非线性传播

本文对具有高斯分布的重力波波包在耗散大气中的非线性传播过程进行数据模拟和分析,并与重力波波包在无耗大气中非线性传播的数值计算结果进行了比较,以辨明耗散在重力波非线性传播过程中所起的作用。     

重力波波包在剪切风场中的非线性传播

采用二维全隐欧拉格式,对具有高斯分布的重力波波包在剪切风场中的非线性传播过程进行数据模拟和分析,数值分析结果表明,在没有出现临界层的情况下,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,波包和波相关能量仍然能够自由地向上传输。波相关扰动速度随高度增加而增加,并且垂直波长随高度增加而减小。     

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.     

波状扰动激发的重力波波包在中层大气中能量传播和转换特性的数值研究

采用谱配置方法对具有高斯分布的波状扰动激发重力波过程中的能量传播和转换特性进行数值研究.模拟结果表明:初始时刻单一的水平风、垂直风、密度或温度的波状扰动都可以激发出两支重力波波包,其中一支向上传播,而另一支则向下传播;在相同的波参数下,4种波状扰动所激发的重力波波包的能量传播路径几乎完全一致,与线性理论给出的射线路径却有些差异.进一步的数值分析则表明:4种波状扰动转化为波动的特征时间基本相等,约为2个波动周期,但是在这个转换过程中,不同扰动的能量转换效率却差别很大.     

温度扰动激发的重力波波包非线性传播过程的数值研究

采用谱配置方法建立了一个中层大气扰动传播的全非线性动力学数值模型,利用该模型对具有高斯分布的波状温度扰动在可压大气中的演变和传播过程进行数值模拟.模拟结果表明:温度扰动很快就会激发出两支重力波波包,其中一支向上传播,而另一支则向下传播;这两支重力波波包的传播路径与线性理论给出的射线路径有些差异.进一步的数值分析则表明,给定的温度扰动在经过了约3h的演变后,完全转化为波动,在这个转化过程中,79%的扰动能量转化为波动能量.     

三维球坐标系下重力波波包非线性传播过程的数值研究

采用全隐欧拉(FICE)格式，对三维球坐标系下重力波波包在中层大气的非线性传播过程进行了数值模拟.模拟结果完整地反映了重力波波包在中层大气的非线性传播过程，并与线性重力波理论进行了定量比较.     

双变量波状扰动激发重力波波包的数值研究

采用谱配置方法对双变量波状扰动激发重力波的过程及其能量传播和转换特性进行数值研究。模拟结果表明,当初始给定的两个变量的波状扰动的相对振幅和相位严格满足重力波的偏振关系时,只有水平风场扰动（u′）与温度扰动（T′）的共同作用才能抑制能量向下传输。通常情况下,两个变量的波状扰动都会激发出两支传播方向相反的重力波波包,这两支波包的相对能量明显取决于两个波状扰动之间的相对振幅关系。当两个扰动之间的相对振幅满足特定条件时,向下传播的能量几乎为零,只会有一支向上传播的重力波波包被激发。进一步的数值分析则表明,各种情况下两个变量的波状扰动所激发的重力波波包的能量传播路径和速度基本相同;与单变量波状扰动激发重力波波包的过程相比,能量传播路径几乎完全一致,扰动转化为波动的特征时间也基本相同,但能量转换效率更高。     

下行重力波波包在可压大气中的传播

应用ADI格式模拟了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,非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.     

三维球坐标系下重力波波包非线性传播过程听数值研究

采用全隐欧拉（FICE）格式，对三维球坐标系下重力波波包在中层大气的非线性传播过程进行了数值模拟，模拟结果完整地反映了重力波波包在中层大气的非线性传播过程，并与线性重力波理论进行了定量比较。     

有限振幅重力波波包在等温可压大气中的非线性传播

采用交替方向隐格式(ADI)建立了二维可压大气全非线性动力学模型，模拟了不同初始振幅的重力波波包的非线性传播，模拟结果表明非线性效应是与波振幅相关的；强非线性效应将严重阻碍波振幅的增长，使波数谱明显变化，同时减小了波包的能量传输速度，在传播过程中，强非线性效应将显著加速平均流，其结果与非线性饱和理论的预测接近。     

大气波动传播问题的一种无反射数值边界格式

根据无反射边界条件的基本原则,考虑到高阶的数值边界格式可以减小边界误差和虚假反射,利用曲线拟合中最小二乘法的思想,提出了一种高阶的光滑拟合外推边界格式(SFEBS).因为大气运动的控制方程简化后可以归结为一个对流方程,所以作为边界格式之间的比较和检验,在一维情况下用对流方程和数值模拟中具有代表性的波包和激波作为算例,将其与传统的基于Taylor展开思想构造的边界条件(TEBS)进行了比较.计算结果表明,在高阶情况下,用SFEBS计算波动传播问题的虚假反射约为用同阶TEBS计算的1/6,说明高阶的SFEBS可以作为一种很好的无返射数值边界格式.为今后模拟大气波动提供了一种很好的数值边界格式.     

电离层水平电场与风场的耦合模拟研究

设计了一个将电离层水平电场与风场耦合的模拟方案,研究了电流函数和风场在耦合前后的变化与差异. 研究发现,水平电场与风场相互反馈后,风场的变化比电流函数小. 经向风在白天有较明显的差异,夜晚的差异比白天小,主要出现在中高纬地区,并随高度的增加而增大,300km左右达到最大值,其后几乎保持不变. 纬向风有与经向风相似的变化,但纬向风耦合前后的差异比经向风小. 电流函数在耦合后有较大改变,两个涡旋强度都有较强增加,并且北半球的增强大于南半球,而夜晚差异较小. 结果表明,在研究的高度范围内,风场对电场的控制作用大于电场对风场的影响.     

基于数值模拟的温场测试技术研究

通过在环境温度试验箱的某些位置布置适当的节点,对采集回来试验箱内的温度等实际数据,在对试验箱的空间建模的基础上,采用插值法和适当次数的拟合函数的拟合,用一个无限细化的三维矩阵来模拟出试验箱内的温度分布情况,得出三维矩阵的实际值的分布,最后结合MATLAB软件绘制出计算出的温度场的三维图像,从而可以直观具体地了解环境温度试验箱的温度场分布情况。本文仅对于形状规则的长方体试验箱进行数值模拟,对其特殊截面的温度场进行详细的分析。     

The effects of the solar magnetic polarity and the solar wind velocity on Bz-component of the interplanetary magnetic field

We have studied the effect of both solar magnetic polarity and the solar wind velocity on the Bz-component of the interplanetary magnetic field, IMFBz, for the minimum activity of the solar cycles 21, 22, 23 and 24. We made a statistical study of IMFBz in the first section which is considered as an extension of Lyatsky et al. (2003). They made a statistical study of IMFBz for two periods of minimum solar activity 22 and 23 related to 1985–1987 and 1995–1997 when the solar magnetic field had opposite polarity. Our results seem to be consistent with the results obtained by Lyatsky et al. (2003). We found that there is a dependence of IMFBz on the IMFBx and the solar magnetic polarity for the minimum periods of the selected four solar cycles. In addition, we found that there is a dependence of IMFBz on the solar wind velocity.     

嵌套闭磁场日冕背景结构对触发CME特征的影响

在子午面内,研究具有嵌套闭磁场结构冕流背景对触发日冕物质抛射(CME)特征的影响.在冕流背景磁场结构内有三个小尺度的闭磁场结构,其中中间小尺度闭磁场结构的磁场方向和冕流整体偶极磁场方向相反.CME触发模型在这个小尺度闭磁场结构下方浮出,它具有同心圆形磁场结构,半径为a=0.1Rs(Rs为太阳半径);CME触发模型前半部分磁场方向和触发位置处小尺度闭磁场结构的磁场方向相反,与冕流整体偶极磁场方向相同.数值模拟结果表明,当CME触发模型中心等离子压力与边界压力之比m≥2时,上浮CME触发模型可以触发CME;当m＜2时,上浮CME触发模型不能触发CME,计算结论的误差小于1%.     

WSA太阳风经验模型及其应用

Wang-Sheely-Arge （WSA）模型是对准稳态太阳风的经验和物理相结合的描述,其利用观测的日面磁图作为输入,可以提前3到4天预测L1点处的太阳风速度和行星际磁场极性.WSA模型是在WS模型的基础上经过若干改进形成的实时预报模式,之后又借鉴Distance from the Coronal Hole Boundary （DCHB）模型的参数,进一步改进了太阳风速度关系式,形成了目前常见的形式.WSA经验模型由日冕磁场模型、太阳风速度关系式和一维运动学模型三部分组成.在实际应用过程中,基本步骤包括观测磁图预处理、日冕三维磁场反演、计算日冕磁场参数、计算太阳风的速度分布和将太阳风映射到1AU等环节.在发展过程中,WSA模型经历了一些细节上的调整变化,例如观测磁图数据的来源、日冕磁场模型的类型、经验速度关系中自由系数的取值等.许多研究对如何改善模型的预报效果进行了探索.     

Prompt effects of solar wind variations on the inner magnetosphere and midlatitude ionosphere

It is well known that the solar wind can significantly affect high-latitude ionospheric dynamics. However, the effects of the solar wind on the middle- and low-latitude ionosphere are much less studied. In this paper, we report observations that large perturbations in the middle- and low-latitude ionosphere are well correlated with solar wind variations. In one event, a significant (20–30%) decrease of the midlatitude ionospheric electron density over a large latitudinal range was related to a sudden drop in the solar wind pressure and a northward turning of the interplanetary magnetic field, and the density decrease became larger at lower latitudes. In another event, periodic perturbations in the dayside equatorial ionospheric E × B drift and electrojet were closely associated with variations in the interplanetary electric field. Since the solar wind is always changing with time, it can be a very important and common source of ionospheric perturbations at middle- and low-latitudes. The relationship between solar wind variations and significant ionospheric perturbations has important applications in space weather.     

太阳宁静区磁漏斗结构的扩展特征

通过对观测的光球纵向磁场进行势场外推, 重构了一个太阳宁静区光球以上的磁场结构. 结果显示, 在20 Mm 以下, 开放磁力线呈现多个明显的小磁漏斗结构, 这些小磁漏斗结构随高度扩展, 并且在20 Mm 左右融合成大的漏斗结构. 通过系统地研究磁漏斗结构横截面积随高度的变化趋势, 发现太阳宁静区磁漏斗结构的截面积随高度近似线性扩展, 磁漏斗结构在较低高度上(<20Mm) 扩展的速度比在较高高度上 (>20Mm) 扩展的速度要快. 这一结果对太阳风起源和磁环中物质流动的二维数值模拟具有重要的意义. 同时还发现, 闭合磁力线的数目随高度以指数函数的形式减少.     

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.