重力波在中层大气温度波导中的传播模式研究

本文给出了重力波在中层大气温度波导中的导制传播模型,并在此模型的基础上详细讨论了重力波部分导制传播下的对称模式与非对称模式,导出了不同模式下相应的特征函数和色散方程,进一步用离散的方法对两类色散方程进行了求解;同时还利用二维全隐欧拉格式（FICE）对重力波在温度波导中的传播进行了模拟,模拟的结果也成功地展现了对称与非对称两种传播模式.研究表明,下边界的扰动能量在向上传播进入波导区域后被俘获,形成导制传播.不同周期的初始扰动,在波导内均会形成对称与非对称形式两种模式的导制传播,由于两者的行进速度不一致,最终会引起两种不同模式的分离.数值模拟中重力波的水平行进速度与线性模型预测值非常接近.波导中不同模式下重力波的水平波长与初始扰动的水平波长非常一致,然而波导区域内重力波的频率与初始扰动的频率无关,频率不同的初始扰动会激发出相同频率的重力波对称与非对称导制传播模式.这表明在确定的温度波导中,水平波数才是决定重力波传播特性的决定因素.进一步的分析显示,初始扰动的水平波数-频率分布越接近完全导制传播的色散关系时,温度波导中更易于生成以该种模式部分导制传播的重力波.     

重力波包在中层大气温度波导中传播的数值模拟

给出了重力波在中层大气温度波导中的反对称形式导制传播的线性理论模型,并采用二维非线性的数值模型对重力波波包在中层大气温度波导中的传播和演变过程进行了模拟研究.模拟的结果表明,下层大气激发的重力波能量进入波导区域后被俘获形成导制传播.重力波在波导内不停地来回反射,垂直方向的自由传播受到限制,能量在波导内沿着水平方向传输,模拟得到的波参数与理论值相近.重力波包在温度波导中传播时伴随着能量泄漏,且能量泄漏的速率随时间变缓,最终总有部分能量被限制在波导区域.重力波在水平方向上传播几百公里后,依然维持着良好的波结构,同时数值模拟也给出了重力波在波导区域内能量密度的时空分布.     

基于纯转动Raman激光雷达的中低空大气温度高精度探测

本文介绍了一套纯转动Raman测温激光雷达系统,通过高分辨光谱分光与滤光优化设计、收发精确匹配以及弱信号检测等技术,实现在武汉城市上空从10 km至40 km的中低空大气温度高精度探测.观测结果与同时段探空气球进行比对,在30 km以下激光雷达探测温度与探空气球得到的温度数据吻合较好,最大偏差约为3.0 K,表明了该激光雷达温度测量的可靠性.采用30 min时间分辨率,在10~20 km高度范围内温度统计误差约为0.3 K(300 m空间分辨);20~30 km统计误差约为0.8 K (600 m空间分辨);30~40 km统计误差约为3.0 K(900 m空间分辨).通过整晚的温度廓线反演,为研究中低层大气中的波动现象提供依据.该转动Raman激光雷达实现了至40 km高度的高精度大气温度探测,进一步可与Rayleigh测温激光雷达30~80 km的高度衔接,为实现中低层大气连续观测研究提供了重要手段.     

我国中高层大气观测研究的新进展

中高层大气是与人类生存环境关系极为密切、又易受太阳活动影响的层次，它的研究在日地物理研究中占有特殊的地位．近年来，我国在中高层大气行星波、重力波、光化过程和太阳活动与人类活动影响等方面取得了可喜的进展，获得一系列重要成果；在观测方面，VHF雷达、钠荧光激光雷达、中间层大气毫米波探测和倾斜滤光片光度计等一批新型观测设备投入使用，增强了对中高层大气的探测能力.本文重点介绍了近年来我国在高平流层、中间层和低热层大气方面的主要研究情况．     

根据LF天波的相位和振幅变化监测中层大气扰动

LF无线电波,白天在70—80km的区域被反射,夜间在90—100km的区域被反射.本文根据武昌电离层观象台长期连续的地面LF传播的实验记录,分析研究了上中层大气压力的变化、行星尺度波扰动、冬季异常等上中层大气的特性,并对其中的冬季异常的机理作了简要讨论,从理论上分析了造成冬季异常的原因,除通常所述的因素外,上中层大气中气压下降或温度降低可能也是一个重要因素.并指出地面LF无线电波传播实验是监测和研究上中层大气的某些特性和扰动的一个重要手段,也可以为进一步探索平流层一中层耦合提供某些实验依据.     

中层大气重力波的全球分布特征

从2002年1月到2009年12月的SABER温度剖面数据提取了可以反映重力波活动的垂直尺度2~10 km的中尺度温度扰动,分析了全球中层大气重力波的分布.重力波扰动在夏季和冬季明显强于春季和秋季,而冬季与夏季相比,在70 km以下的高度夏季弱于冬季,在70 km以上夏季比冬季要强.从全球重力波分布来看,较大值分布在冬季半球和25°N到25°S的热带范围,其中热带范围重力波的峰值随着高度向北移动,而在南半球高纬度地区重力波扰动较大值位于极区涡流的边缘.热带范围的扰动沿着经度方向有明显的变化,这是由风过滤、地形和波动等因素共同作用的结果.重力波扰动强度随高度变化,在25~30 km处呈现下降趋势,而超过42 km后又逐渐递增.对比8年平均的重力波在不同高度的强弱分布,可以看到,在较低高度,重力波的强弱明显与地形有关,而在较高高度,重力波的分布与地形的关系变得不明显.这说明重力波的形成与地形有显著相关性,但在传播过程中重力波的分布会随高度出现明显的变化.     

根据LF天波的相位和振幅变化监测中层大气扰动

LF无线电波,白天在70-80km的区域被反射,夜间在90-100km的区域被反射.本文根据武昌电离层观象台长期连续的地面LF传播的实验记录,分析研究了上中层大气压力的变化、行星尺度波扰动、冬季异常等上中层大气的特性,并对其中的冬季异常的机理作了简要讨论,从理论上分析了造成冬季异常的原因,除通常所述的因素外,上中层大气中气压下降或温度降低可能也是一个重要因素.并指出地面LF无线电波传播实验是监测和研究上中层大气的某些特性和扰动的一个重要手段,也可以为进一步探索平流层一中层耦合提供某些实验依据.     

昆明全天空流星雷达观测中高层大气温度

利用昆明电波观测站（25.6°N,103.8°E）两台不同工作频率的全天空流星雷达在2011年特殊联合观测试验期间的数据,基于Hocking的方法利用不同的温度梯度,在确定了昆明地区中层顶位于流星峰值高度之上的情况下,反演了昆明地区上空88 km和85 km高度的大气温度,并与Aura卫星观测的温度进行比较.对比研究发现,两台流星雷达可以分别正确获得88 km和85 km高度的大气温度,但其中由全球温度梯度模式反演得到的大气温度与卫星观测温度相关性不是很好,而利用卫星观测的温度梯度,两台雷达反演出的大气温度与卫星观测温度存在很好的相关性.结果表明了准确的温度梯度在流星雷达观测大气温度过程中是至关重要的.     

利用瑞利激光雷达和无线电探空仪观测数据对武汉上空重力波特性的研究

本文利用武汉大学的瑞利激光雷达的瑞利散射回波数据(30～65km)来研究武汉地区上空(30.5°N,114.4°E)重力波的活动规律和统计特性.通过对2003年12月到2005年3月观测的200h数据反演的密度进行处理分析,得到了重力波的一些个例特征,并提取垂直波长为2 km以上的重力波进行统计分析.结果表明,最可几的垂直波长是3～4 km和17～20 km,重力波振幅的月平均值在冬季有较大值,夏季值较小.与武汉2004年无线电探空仪的密度扰动提取到的重力波做比较,发现与瑞利激光雷达得到的重力波振幅的月平均值有很强的相关性,也是冬季值比较大,夏季值比较小.通过无线电探空仪的风场数据,本文还得到了急流的季节变化规律、最大风剪切年变化规律,发现急流和最大风剪切与激光雷达的重力波统计结果有很强的相关性.     

利用瑞利激光雷达和无线电探空仪观测数据对武汉上空重力波特性的研究

本文利用武汉大学的瑞利激光雷达的瑞利散射回波数据(30～65 km)来研究武汉地区上空(305°N，1144°E)〖JP〗重力波的活动规律和统计特性.通过对2003年12月到2005年3月观测的200 h数据反演的密度进行处理分析，得到了重力波的一些个例特征，并提取垂直波长为2 km以上的重力波进行统计分析.结果表明，最可几的垂直波长是3～4 km和17～20 km，重力波振幅的月平均值在冬季有较大值，夏季值较小.与武汉2004年无线电探空仪的密度扰动提取到的重力波做比较，发现与瑞利激光雷达得到的重力波振幅的月平均值有很强的相关性，也是冬季值比较大，夏季值比较小.通过无线电探空仪的风场数据，本文还得到了急流的季节变化规律、最大风剪切年变化规律，发现急流和最大风剪切与激光雷达的重力波统计结果有很强的相关性.     

大气重力波触发的Rayleigh－Taylor不稳定性的时空演变

对大气重力波触发的赤道电离层Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｔａｙｌｏｒ不稳定性的时空演变进行了数值模拟．结果表明,重力波能在Ｆ区底部触发Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｔａｙｌｏｒ不稳定性,这种等离子体不稳定扰动穿过Ｆ峰,到达Ｆ区顶部,形成等离子体泡结构．等离子体泡出现向西倾斜和分岔等特征．当夜Ｆ区较高时,产生等离子体泡的时间仅１９００ｓ．数值模拟结果证实了重力波触发．Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｔａｙｌｏｒ不稳定性的理论,解释了大量电离层观测现象．     

大气重力波触发的Rayleigh－Taylor不稳定性的时空演变

对大气重力波触发的赤道电离层Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｔａｙｌｏｒ不稳定性的时空演变进行了数值模拟．结果表明，重力波能在Ｆ区底部触发Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｔａｙｌｏｒ不稳定性，这种等离子体不稳定扰动穿过Ｆ峰，到达Ｆ区顶部，形成等离子体泡结构．等离子体泡出现向西倾斜和分岔等特征．当夜Ｆ区较高时，产生等离子体泡的时间仅１９００ｓ．数值模拟结果证实了重力波触发．Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｔａｙｌｏｒ不稳定性的理论，解释了大量电离层观测现象．     

大气重力波触发的Rayleigh－Taylor不稳定性的时空演变

对大气重力波触发的赤道电离层Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｔａｙｌｏｒ不稳定性的时空演变进行了数值模拟．结果表明，重力波能在Ｆ区底部触发Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｔａｙｌｏｒ不稳定性，这种等离子体不稳定扰动穿过Ｆ峰，到达Ｆ区顶部，形成等离子体泡结构．等离子体泡出现向西倾斜和分岔等特征．当夜Ｆ区较高时，产生等离子体泡的时间仅１９００ｓ．数值模拟结果证实了重力波触发．Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｔａｙｌｏｒ不稳定性的理论，解释了大量电离层观测现象．     

中间层顶重力波耗散引起钠原子输送的激光雷达观测研究

利用中国科学院国家空间科学中心廊坊站（40.0°N,116.3°E）钠荧光多普勒激光雷达2011年至2013年共约82 h的钠原子数密度和垂直风观测数据,分析了廊坊地区中间层顶区域大气重力波耗散引起的钠原子输送特征.分析得到,90~100 km处重力波耗散引起的平均钠原子垂直通量整体为负,钠原子向下输送,在93 km处达到最大负值-1.47×10⁸m^-3 m·s^-1,85~90 km处平均钠原子垂直通量为正,钠原子向上输送,但通量值随高度递减.钠原子垂直通量方向在90 km处发生转变,垂直通量随高度的变化造成钠原子汇聚,汇聚效应引起的平均钠原子产生率最大值在91 km处达到了1.40×10⁸ m^-3/h,该值超过了相同高度上模式计算流星烧蚀注入引起的钠原子产生率峰值,说明重力波耗散对钠层结构的形成具有重要影响.与美国SOR和Maui观测结果相比,平均钠原子产生率峰值大小相近,但出现高度不同,说明大气重力波耗散引起的物质输送具有显著的地域变化特征.研究结果可为大气物质输送理论的完善以及大气金属层物理模式的改进提供观测事实参考.

     

南极大气臭氧和温度垂直结构及其季节变化的研究

利用南极中山站2008年2月至2009年2月臭氧和温度探空等资料,对中山站上空大气臭氧和温度的垂直结构及季节变化特征进行了研究.结果表明,在中山站上空热对流层顶和臭氧对流层顶的高度相近,年平均高度分别为7.9和7.4km.对流层顶的气压和温度都存在位相相反一波型季节变化.春季和冬季对流层顶的温度转折没有夏季和秋季明显,而依据臭氧变化恰能更好地确定对流层顶高度.在对流层臭氧垂直分布的季节变化不显著;而平流层却十分明显.春季下平流层臭氧严重耗损,14km处的臭氧最小分压仅为1.57MPa,最大分压出现在上平流层,其他季节下平流层臭氧随高度增加而升高.春季下平流层臭氧的严重损耗,与极夜过后低温条件和平流层冰晶云表面消耗臭氧的光化学过程有密切关系.大气臭氧和温度的垂直结构及季节变化特征,对春季南极臭氧洞的形成和发展具有重要意义.     

FFIM用于机载大气激光雷达 ABCT反演的可行性研究

Fernald前向积分法能否用于机载大气探测激光雷达气溶胶后向散射系数的反演一直是一个有争议的课题.本文利用青岛机载大气探测激光雷达实测数据、国外机载大气探测激光雷达实测数据和机载大气探测激光雷达模拟数据,对Fernald前向积分法应用于不同高度的机载大气探测激光雷达气溶胶后向散射系数反演的误差进行了定量分析,分析结果表明:飞机的飞行高度在3.5 km左右,标定值存在20%的误差时,离地面2 km的高度范围内反演得到的气溶胶后向散射系数的相对误差在12%以内,但在标定点附近相对误差可达20%;飞机飞行高度在7 km左右,当标定值存在100%的误差时,反演得到的气溶胶后向散射系数的相对误差大都在10%~15%之间,标定值存在400%的误差时,反演得到的气溶胶后向散射系数的相对误差大部分在15%~50%之间.本文从理论上对Fernald前向积分法应用于机载大气探测激光雷达气溶胶后向散射系数反演出现负值的原因进行了探讨.研究表明:Fernald前向积分法能够较准确地反演出中高空探测(4.5 km以上)机载大气探测激光雷达气溶胶后向散射系数,但应用于低空探测(4.5 km以下)机载大气探测激光雷达气溶胶后向散射系数反演时,反演误差较大甚至反演结果会出现负值.     

大气重力波产生大尺度赤道扩展F的理论

本文提出了大气重力波触发Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｔａｙｌｏｒ不稳定性并导致大尺度赤道扩展Ｆ的理论．重力波作为外部扰动派触发等离子体扰动,这种扰动在Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｔａｙｌｏｒ不稳定性的作用下继续增长,经过４００ｓ扰动幅度就能增长到５０％,经过７００ｓ后幅度趋近１００％,即为完全的等离子体泡．由于Ｅ区的影响,赤道扩展Ｆ主要出现于晚上．本文的理论阐明了重力波与Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｔａｙｌｏｒ不稳定性相互作用的性质,揭示了大尺度赤道扩展Ｆ的产生机制．     

大气重力波产生大尺度赤道扩展F的理论

本文提出了大气重力波触发Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｔａｙｌｏｒ不稳定性并导致大尺度赤道扩展Ｆ的理论．重力波作为外部扰动派触发等离子体扰动，这种扰动在Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｔａｙｌｏｒ不稳定性的作用下继续增长，经过４００ｓ扰动幅度就能增长到５０％，经过７００ｓ后幅度趋近１００％，即为完全的等离子体泡．由于Ｅ区的影响，赤道扩展Ｆ主要出现于晚上．本文的理论阐明了重力波与Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｔａｙｌｏｒ不稳定性相互作用的性质，揭示了大尺度赤道扩展Ｆ的产生机制．     

中层大气Rossby波与惯性重力波的非线性相互作用（Ⅱ）波包之间的相互激发

进一步讨论了大中尺度Ｒｏｓｓｂｙ波与惯性重力波的非线性相互作用问题．从共振相互作用曲线来看,Ｒｏｓｓｂｙ波和惯性重力波可以在相当广泛的角谱范围内发生共振非线性相互作用．在一定条件下,一个大振幅波包可以激发两个小振幅波包不稳定增长而出现参量不稳定现象,这三个波包可以是同种类型或不同类型的波包．当两个大振幅波包发生相互作用时,非线性过程会产生另一个波包并使它增长,并且增长速度大于仅有一个大振幅波包时的增长速度．大尺度Ｒｏｓｓｂｙ波包税发两个较小尺度惯性重力波的过程是一种重要的能量串级（ｃａｓｃａｄｅ）过程．