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.      

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。     

大气中层顶区域波相互作用的一个观测个例

利用SOUSY VHF雷达的观测数据分析了极区中层顶83.4-91.2km范围内大气风场波动的非线性相互作用。大气风场的谱在不同高度上均有明显的潮汐分量峰值，纬向风分量中35h波、半日潮和8.9h惯必重力波构成共振相互作用对，经向风分量中33h波、半日潮和19h惯性重力波构成共振相互作用对。双谱分析表明，这些共振对在许多高度上都发生耦合，35h或33h波振幅的极小值与半日潮的极大值出现的高度几乎相同，呈现出明显的非线性相互作用在空间上不是局域的，而是存在于中层顶区域的几乎所有高度上，这种相互作用不仅导致半日潮振幅随时间的变化，也使半日潮的振幅随空间变化。35h和33h波动可能是在其他时段或其他位置通过行星波与周日潮相互作用产生的，然后传播到观测点并与半日潮发生相互作用。     

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。     

风场对重力波的滤波现象

对MillstoneHill台站数字测高仪DGS－256漂移探测数据进行的分析表明，背景风场对重力波扰动具有明显的滤波作用．这种滤波效应主要表现为：扰动传播方向具有顺时针旋转的日变化特征，扰动相对出现率峰值出现在扰动传播方向与背景风场方向之间的夹角为180°－225°之间．扰动时空尺度越小，其传播越趋向于逆风场方向．     

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.      

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.      

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.      

Adelaide地区大气重力波的气辉观测

利用澳大利亚Adelaide(34.5°S,138.5°E)地区7年(1995-2001年)的OH和OI气辉观测数据,以及同地区中频雷达所测背景风场数据,通过最大熵谱分析方法,统计分析了该地区大尺度重力波的传播特性.结果表明,(1)在中层顶气辉观测区,利用OH气辉探测到48个重力波事件,利用OI气辉探测到29个重力波事件,这些重力波的周期和水平相速度分别集中在68 min和36 m/s左右,具有东南向的优势传播方向,平均仰角为8°～10°,接近水平方向传播;(2)通过OH气辉和OI气辉观测到了同一个重力波事件,并根据两个高度上观测到的扰动相位差判断该重力波为上行波.      

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。     

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.      

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 propagation studies using the Indian MST radar observations

The Indian MST radar facility at Gadanki (13.5°N, 79.2°E) has been utilised to study the propagation of gravity waves from the troposphere/lower stratosphere to the mesosphere and their interaction with the radar backscattered signal variations. The main objective is to correlate vertically propagating gravity waves derived from the tropospheric velocity fields with the dynamics of mesospheric scattering centres. The tropospheric wind velocities and signal strengths over the entire height range have been subjected to power spectral and wavelet analysis to determine the predominant wave periods/amplitudes and the coupling between the lower atmosphere and mesosphere. Results show that (a) the gravity waves are clearly detectable near tropopause heights, (b) while relatively higher period gravity waves (20–50 min) interact with mesospheric scattering centres, the lower period waves (<20 min) are absorbed in the troposphere itself, (c) the mesospheric scattering layers are affected by gravity waves of complementary periods.     

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.