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.      

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.      

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.      

Alfvén脉动的控制方程

本文由磁流体力学方程组导出了行星际空间中不可压缩小尺度脉动的控制方程组。对这一组方程的讨论表明,在小振幅极限下,脉动幅度的径向变化可由通常文献中引用的Alfvén波在缓变磁流体介质中传播的WKB解来描述。当脉动幅度与平均磁场强度之比为有限值时,在一般情况下,控制方程中的非线性项不能略去,因而不能用WKB解来描述有限振幅脉动幅度的径向变化。这一结论可以解释为什么在0.3—0.9AU实测Alfvén脉动振幅和谱的变化与WKB解不一致。在这组控制方程的基础上提出了一个定性的模式。将Alfvén脉动看作主要由许多具有不同波矢k的向外传播的有限振幅的Alfvén模式组成。它们在传播过程中将产生一级小量的波动。零级量与一级量的非线性相互作用使波能向高频区串级。零级量波动振幅的变化不仅受到太阳风慢变化的影响,而且受到这一非线性相互作用的影响。这一模式可以定性解释主要的Alfvén脉动的观测事实。      

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。      

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.      

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。      

模拟三维重力波传播过程的并行数值模式

从三维大气运动的基本控制方程出发, 基于MPI消息传递接口和区域分解的思想, 建立了模拟三维可压缩大气中重力波传播过程的并行数值模式. 在对垂直方向进行区域分解的基础上, 针对跳点网格的特点, 以垂直速度主格点线为子区域的下边界, 状态变量主格点线为子区域的上边界进行区域分解. 利用MPI消息传递接口来传递计算各子区域中变量时所要用到的相邻子区域上相应变量, 从而顺利地完成对整个计算域的并行计算. 根据线性重力波理论, 通过模拟小振幅重力波的传播过程对所建模式进行了验证. 结果表明, 模式可以很好地模拟小振幅重力波在三维空间中的传播过程, 模拟的重力波振幅随着传播高度的增加以指数形式增长, 对能量传播路径以及有效扰动位能和扰动动能的模拟结果均与理论预测的结果吻合很好. 另外, 随着进程个数的增加, 完成相同的计算量所用的计算时间也显著减少. 这表明本文建立的并行数值模式不但能够很好的模拟重力波的传播过程, 而且能够有效地节约计算时间.      

武汉上空惯性重力波活动

利用武汉中心气象台(30.5°N,114.4°E)无线电探空仪在2001年1月到2003年12月之间的观测数据,研究了武汉上空1-9km和14-25km高度范围内惯性重力波参数的变化特征.数据分析结果表明,重力波活动存在明显的季节变化,冬季较频繁,夏季活动较弱,与急流强度的季节变化一致,这意味着重力波的激发与背景风密切相关.矢端曲线分析显示1-9km范围内能量向上传播和向下传播的波的比例大致相同,而14-25km范围内绝大部分波能量向上传播,这与最大急流强度的高度相对应;进一步分析表明,夏天14-25km范围内波几乎全向上传播,而冬天则有相当一部分波向下传播,这可能是反射引起的.重力波的本征频率集中在1-3倍的惯性频率之间,水平波长约数百公里;1-9 km范围内垂直波长集中在3-3.5 km,14-25 km高度内则集中在4.5-5.5 km.      

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。     

内重力波传播的3维传输函数模式研究

在考虑背景风场及大气耗散的条件下,建立了3维内重力波传输函数数值模式.分析了300 km高度3维传输函数在频率波数域的特性,并以近地面单位脉冲点源为激发源,得到了内重力波在3维空间中的时空分布.讨论了不同时空尺度地面方波源激发的内重力波在电离层高度的能量分布特征.结果表明,(1)对内重力波而言,背景大气相当于一个带通滤波器,只有波动周期和波长分别在15～30 min和200～400 km之间的重力波扰动最容易上传到300km高度;(2)在背景风场的作用下水平面上以同心圆扩散的波阵面以及垂直方向上成漏斗状的波阵面发生了变形,并且逆风方向比顺风方向更有利于声重力波由对流层向电离层高度传播;(3)300km高度对时间尺度和空间尺度分别在20～30 min和150～250 km之间的地面方波源响应的总能量最强.      

背景风场维持的中尺度受导重力波

提出了由上层大气背景风场所维持形成的中尺度重力波受导传播机制,通过一种新的全波解数值方法计算了这种受导波的色散关系和衰减距离。与Ｍｉｌｌｓｔｏｎｅ Ｈｉｌｌ地区 动的观测结果进行了比较,很好地解释了该地区的扰动风场滤波现象。     

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.