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.      

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.      

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.      

Numerical modeling of propagation of breaking nonlinear acoustic-gravity waves from the lower to the upper atmosphere

Acoustic-gravity waves (AGWs) observed in the upper atmosphere may be generated near the Earth’s surface due to a variety of meteorological sources. Two-dimensional simulations of vertical propagation and breaking of nonlinear AGWs in the atmosphere are performed. Forcing near the Earth’s surface is used as the AGW source in the model. We use a numerical method based on finite-difference analogues of fundamental conservation laws for solving atmospheric hydrodynamic equations. This approach selects physically correct generalized solutions of the wave hydrodynamic equations. Numerical simulations are performed in a representative region of the Earth’s atmosphere up to altitude 500 km. Vertical profiles of temperature, density, molecular viscosity and heat conductivity were taken from the standard atmosphere model MSIS-90 for January. Calculations were made for different amplitudes and frequencies of lower boundary wave forcing. It is shown that after activating the tropospheric wave forcing, the initial pulse of AGWs may very quickly propagate to altitudes of 100 km and above and relatively slowly dissipate due to molecular viscosity and heat conduction. This may increase the role of transient nonstationary waves in effective energy transport and variations of atmospheric parameters and gas admixtures in a broad altitude range.     

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.      

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。     

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。      

用GAO-YONG湍流模型计算激波/边界层干扰

采用GAO-YONG可压缩湍流方程组,模拟了平板激波/湍流边界层干扰现象.运用SIMPLE算法求解方程组,并分别采用三阶精度的QUICK格式和中心格式离散对流项和扩散项.计算结果较好预测了入射斜激波在平直壁面引起湍流附面层分离的流动特征: 分离点的反射激波、分离包引起的膨胀扇以及再附点的反射激波.对流场的时均参数与实验值进行了比较,计算得到的壁面压力分布、摩阻系数分布和速度型与实验值比较吻合很好.结果表明GAO-YONG可压缩湍流方程组能够高精度模拟平板激波/湍流边界层干扰流动.      

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.      

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。      

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。     

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。      

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纳层（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。     

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.      

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。     

用GAO-YONG湍流模式对翼型跨音粘流的数值模拟

应用GAO-YONG可压缩湍流模式,数值模拟了NACA0012,RAE2822翼型的定常跨音速粘流算例.对流项采用三阶ROE格式,扩散项采用二阶中心格式,用多步Runge-Kutta显式时间推进法求解空间离散后的控制方程.计算结果很好地预测了翼型表面的压力系数的分布、激波的位置、马赫数等值线的分布等情况,并且对翼型表面激波与边界层相互干扰以及层流向湍流的转捩问题进行了分析计算.计算结果与实验值符合很好,表明GAO-YONG可压缩湍流模式应用合适的计算方法能够高精度模拟翼型跨音粘性流动问题,并且基于GAO-YONG可压缩湍流模式各向异性湍流粘性的机理,提供了一种预测转捩起始位置的判别方法.      

一类TVD型组合差分方法及其在磁流体数值计算中的应用

根据太阳风数值模拟的特点，考虑到算法的质量（收敛速度、稳定性、精度等），结合磁流体数值计算的特性，对三维球坐标磁流体动力学（MHD）方程组中的流体部分采用一种修正Lax-Friedrichs差分法而对磁场部分采用MacComack格式，发展了一类快捷的具有TVD特性的组合数值新方法，作为格式的检验，在一维情况下，将其与PPM格式进行了比较，对一维快慢磁流体激波问题得到了与PPM格式精度相同的结果，然后将其诮到定态太阳风的数值模拟上，在不同等离子体β情形下，可得到理想的太阳风定态结构，为今后将此数值模式应用到具有复杂磁场位型或三维直实太阳风暴的数值模拟研究奠定了基础。     

Study of correlations between waves and particle fluxes measured on board the DEMETER satellite

The topic of relativistic electron dynamics in the outer radiation belt has received considerable attention for many years. Nevertheless, the problem of understanding the physical phenomenon involved is far from being resolved. In this paper, we use DEMETER observations to examine the variations of the energetic electron fluxes and ELF/VLF wave intensities in the inner magnetosphere during the intense 8 November 2004 magnetic storm. Electron flux spectra and associated wave intensity spectra are analysed throughout the magnetic storm and common characteristics or differences to other storm events are retained. The overall objective of this study is to identify and derive parameters that are relevant for particle flux modelling; the time constant characterizing the persistent decay after particle enhancement was found to be one of these important model parameters.The analysis of the 8 November 2004 event reveals that for L-shell parameter higher than 4, an electron flux dropout is observed during the storm’s main phase for electrons in the energy range 0.1–1 MeV, as has been reported from other measurements. Characteristic wave spectra accompanying this phase are analysed. They show a typical enhancement in the frequency range 0.3–10 kHz at onset for all L-shell values under consideration (2 < L < 5). During the first stage of the recovery phase, the electron fluxes are increased to a level higher than the pre-storm level, whereas the level of wave intensity in the frequency range observed below 300 Hz is at its highest. In the second stage, the particle flux decrease goes hand in hand with a global wave activity decline, the relaxation time of the latter being smaller than the former’s one. In some other cases, long-lasting electron enhancement associated with constant wave activity has been observed during this latter stage. For the above mentioned storm, while at low L values the decay time constants are higher for low energy electrons than for high energy electrons, this order is reversed at high L values. At about L = 3.6 the time constant is independent of electron energy.     

A CLASS OF TWO-STEP TVD MACCORMACK TYPE NUMERICAL SCHEME FOR MHD EQUATIONS

In this paper, a new numerical scheme of Total Variation Diminishing (TVD) Mac-Cormack type for MagnetoHydroDynamic (MHD) equations is proposed by taklng into account of the characteristics such as convergence, stability, resolution. This new scheme is established by solving the MHD equations with a TVD modified MacCormack scheme for the purpose of developing a scheme of quick convergence as well as of TVD property. To show the validation, simplicity and practicability of the scheme for modelling MHD problems, a self-similar Cauchy problem with the discontinuous initial data consisting of constant states, and the collision of two fast MHD shocks, and two-dimensional Orszag and Tang‘s MHD vortex problem are discussed with the numerical results conforming to the existing results obtained by the Roe type TVD, the high-order Godunov scheme, and Weighted Essentially Non-Oscillatory (WENO) scheme. The numerical tests show that this two-step TVD MacCormack numerical scheme for MHD system is of robust operation in the presence of very strong waves, thin shock fronts, thin contact and slip surface discontinuities.