重力波波包在时变背景场中传播的数值研究

采用二阶算子分裂格式对高斯型重力波波包在时变背景温场和时变背景风场中的非线性传播过程分别进行了数值模拟和分析.研究表明,时变背景场对波包空间结构演变影响不明显,各物理量的偏振关系与线性理论偏振关系较一致;在时变背景温场中传播,水平群速度和垂直群速度的变化趋势与线性理论结果相反,波频率的变化也与线性理论色散方程计算结果有一定的差别,这表明了线性重力波理论的局限性;在时变背景风场中传播,波频率的变化比时变背景温场中更显著.传播路径与在稳恒背景场中比较,更接近线性理论计算出的路径.      

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.      

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。     

北京地区重力波活动及其波谱的季节分布特性研究

利用激光雷达对北京地区上空Na层进行持续观测,通过连续三年累积的夜间观测数据对北京地区重力波活动及其波谱进行研究.根据重力波的线性理论计算,得到北京地区上空的大气密度扰动规律、空间功率谱和时间频率谱.通过选择重力波波长在1~8 km,具有特定波长以及特定周期为60,45,25 min的重力波活动辅助研究重力波的季节变化规律,结果表明北京地区重力波大气密度扰动具有夏季大、冬季小的活动规律.结合波源与背景风场的季节性变化规律,分析得出北京上空重力波活动季节性变化的主要原因为青藏高原地形和对流因素与我国北方地区季节性背景风场共同作用的结果.     

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．      

一次暴雨激发平流层重力波的卫星观测与数值模拟

针对卫星Aqua/AIRS观测到的与2011年7月25日山东省乳山市特大暴雨相伴的一次平流层重力波过程,利用中尺度数值模式WRF进行暴雨诱发平流层重力波的数值模拟.对模式输出的垂直速度场和温度扰动场的分析表明,暴雨在平流层内的弧状波结构主要集中在降水云系东侧,水平影响范围大于1000km,且随着高度的增加,圆弧状结构趋于闭合,波动能量显著增强.此外,对垂直速度剖面结构分析表明,受高空东风和风切变的影响,重力波在上传过程中逆着背景风场向东传输,不同高度波动形态各异.基于快速傅里叶变换（FFT）的功率谱分析结果表明,此次暴雨激发的平流层重力波在35km高度的周期为7~20h,水平波长约为1000km,垂直波长为5~10km.通过分析动量通量的垂直输送,定量反映出重力波上传过程中的动力学变化特征.      

模拟重力波非线性传播的并行数值模式

基于MPI消息传递接u和区域分解的思想,对跳点网格上的串行数值模式进行并行化处理,建立了模拟重力波非线性传播的并行数值模式.针对跳点网格的特点,详细论述了跳点网格系统下区域分解和各子区域间的数据通信.对小振幅重力波传播过程的模拟结果表明,并行数值模式可以很好地模拟小振幅重力波的传播过程,也能保持重力波传播过程中的能量守恒关系.并行数值模式的并行效率可以达到0.65,在理想情况下可以达到最大值1.0.作为与串行数值模式的比较,采用不同网格分辨率以保证计算时间相同,分别用串行和并行数值模式模拟有限振幅蕈力波的非线性传播过程,结果表明,通过引入更多的进程参与计算,并行数值模式可以有效地提高模式的分辨率,模拟出重力波在发生翻转之后,而存演化成湍流之前的这段时间内有Kelvin-Helmholtz billows出现,但是,在相同的计算时间内,串行模式的分辨率较低,不能刻画这些精细的现象.     

不同重力条件下单气泡池沸腾现象的数值研究

对不同重力条件下常压饱和水中单气泡池沸腾现象的气泡生长过程及传热特性进行了数值模拟. 采用简化的润滑流模型计算生长气泡底部微液膜的贡献, 而其他宏观区域的气液两相介质则用连续界面模型统一处理. 气液界面形状和加热面上接触线的运动分别采用Level Set方法和固定的表观接触角来近似刻画. 计算结果表明, 气泡生长过程中, 当量直径近似与生长时间的1/3～1/2次方成正比, 重力对相关趋势的影响不大, 但强烈影响着气泡脱落直径和生长时间, 其中脱落直径反比于重力的1/3次方, 生长时间反比于重力的4/5次方. 在固定的核化点数密度条件下, 加热面平均热流密度近似与壁面过热度的3/2次方成正比, 该趋势并不随重力的减弱而改变.      

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.      

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.      

平流层,中间层,低热层大气加热过程特性研究

本文计算了平流层、中间层和低热层大气中各种光化过程的加热率与大气的冷却率,并且给出了20—140km的大气净加热率的昼夜变化特征．为大气潮汐波的研究提供了基础．     

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.      

背景风场对中尺度受导重力波的影响

采用重力波的大气分层全波解法，计算得出了强逆风场作用下以及无风条件下中尺度重力波受导波模的色散曲线和衰减距离曲线，结果表明，强逆风场可以使得各中尺度受导波模衰减距离明显变长，并导致不同尺度重力波的衰减距离出现峰值分布，通过分析美国MillstoneHill台站和武汉电离层观象中的TID实测结果证实了这些风场支持的远距离传播波模的存在。     

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。     

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。     

地形对低平流层突然增温的可能影响

本文用Nimbus7 SAM卫星观测的温度资料,分析了突然增温事例中地面地形不同的四个子午圈剖面内的温度分布及变化过程。结果表明,高山地区、平原和海面上空的行星波加热和低平流层突然增温有很大的差别。地形的影响是明显的。      

基于激光雷达夜间观测提取重力波方法的定量比较

以激光雷达夜间观测的温度数据的时空范围和时空分辨率作为参考,构造具有已知背景温度(由稳态背景、行星波和潮汐波组成)和重力波频谱分布的合成温度数据,针对合成温度数据,分别采用已有的夜间平均方法和时间滑动平均方法提取重力波.在此基础上,提出了用谐波函数近似表示背景大气变化的谐波拟合方法提取重力波.通过比较提取出的重力波与事...     

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。     

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(7′)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文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．     

Gravity wave mixing effects on the OH*-layer

Based on an advanced numerical model for excited hydroxyl (OH*) we simulate the effects of gravity waves (GWs) on the OH*-layer in the upper mesosphere. The OH* model takes into account (1) production by the reaction of atomic hydrogen (H) with ozone (O₃), (2) deactivation by atomic oxygen (O), molecular oxygen (O₂), and molecular nitrogen (N₂), (3) spontaneous emission, and (4) loss due to chemical reaction with O. This OH* model is part of a chemistry-transport model (CTM) which is driven by the high-resolution dynamics from the KMCM (Kühlungsborn Mechanistic general Circulation Model) which simulates mid-frequency GWs and their effects on the mean flow in the MLT explicitly. We find that the maximum number density and the height of the OH*-layer peak are strongly determined by the distribution of atomic oxygen and by the temperature. As a results, there are two ways how GWs influence the OH*-layer: (1) through the instantaneous modulation by O and T on short time scales (a few hours), and (2) through vertical mixing of O (days to weeks). The instantaneous variations of the OH*-layer peak altitude due to GWs amount to 5–10 km. Such variations would introduce significant biases in the GW parameters derived from airglow when assuming a constant pressure level of the emission height. Performing a sensitivity experiment we find that on average, the vertical mixing by GWs moves the OH*-layer down by ~2 to 7 km and increases its number density by more than 50%. This effect is strongest at middle and high latitudes during winter where secondary GWs generated in the stratopause region account for large GW amplitudes.