光化-动力耦合重力波模式及其应用——Ⅰ. 模式的建立

利用数值模拟的方法研究了大气重力内波传播的扰动对中间层上部和低热层大气化学成分分布的影响. 着重探讨非线性、可压缩的二维光化-动力耦合重力波模式的建立、计算方法以及模式正确性分析. 该模式考虑了光化学反应产生的非绝热效应以及重力波对大气化学反应和对化学成分输运的影响. 模式在水平方向利用拟谱方法,对垂直方向和时间采用有限差分方法, 并利用FICE方法对模式求解. 对小振幅波动的模拟结果与线性重力波理论结果符合得很好, 证明了该模式算法的正确性, 它表明拟谱法和有限差分法相结合是大气重力波模拟研究的有效的、并且计算量较小的方法之一.     

一类描述大气中重力孤立波的新模型

从两层流体浅水波方程出发,运用尺度分析与扰动方法,建立了一类新的模型(mKdV-BO模型)来描述大气中的重力孤立波。前人建立的KdV模型和BO模型适合描述经向和纬向扰动较弱时重力孤立波的生成和演化,而该模型的非线性更强,适合描述经向、纬向扰动较强时重力孤立波的生成与演化。通过运用试探函数法获得了模型的代数孤波解,并分析了孤立波的生成条件与传播速度。新模型的建立对于进一步解释大气中列队雷雨阵的形成机制,探讨大气中的强对流天气如飑线的形成等具有重要意义。 关键词：重力孤立波;试探函数法;列队雷雨阵     

基流风速包含垂直变化时的三维无旋Non-Boussinesq流的地形重力波拖曳解

用WKB近似方法建立了表达三维地形重力波拖曳的解析Non-Boussinesq扰动模型,其中在大Richardson数条件下给出了(静力和非静力模型的)重力波拖曳及其地表扰动气压的二阶表达式.通过针对经典的理想化三维圆钟型山体的一个算例证明,当基流风速切变为线性时,重力波拖曳随着切变的增强而减弱;并且前向垂直切变(forward-shear,风速随高度增加)所对应的重力波拖曳比反向切变(backward-shear,风速随高度减小)所对应的重力波拖曳减弱得更快.这种现象与模型是否采用静力近似无关.     

有流存在下两层密度分层流体毛细重力波的三阶Stokes波解

以小振幅波理论为基础,利用奇异摄动方法研究了有背景流存在下两层密度成层状态下的毛细重力波,求得了两层密度成层状态下各层流体速度势的三阶解及毛细重力波波面位移的三阶Stokes波解,并讨论了毛细重力波的kelvin-Helmholtz的不稳定性.结果表明在有流存在的情况下,两层密度成层流体毛细重力波的一阶渐近解、频散关系,二阶渐近解及三阶渐近解不仅依赖于各层流体的厚度和密度,也依赖于表面张力和各层流体的背景流流场;毛细重力波的三阶解描述了背景流场与毛细重力波之问的三阶非线性相互作用.对于给定的波数k(实数)毛细重力波可能出现kelvin-Helmholtz不稳定性.     

中国中部地区大尺度电离层行扰的传播特性

利用位于中国中部地区的高频Doppler台阵观测数据, 对太阳活动峰年(1989年) 期间的大尺度电离层行扰(LSTID, 周期为40～250 min)进行了分析, 得到了这类扰动的周期、相速度、传播方位角、波长等主要传播参量及其统计分布情况. 分析结果揭示出地处中低纬的中国中部地区LSTID的主要传播特性：首先, 观测到的LSTID的传播方向基本为南北向, 其中南向扰动占绝大部分, 且主要出现在冬季, 北向扰动仅占次要部分, 且主要出现在夏季; 其次, 大部分LSTID具有表面波模(L₂模)的色散特性, 另一小部分具有长周期重力波模(G模)的色散特性, 这两种模式的相速分别为200和450 m/s左右. LSTID是与太阳活动及空间磁暴等密切相关的一种重要电离层扰动, 对研究空间天气特别是中低纬地区电离层空间天气的特性具有重要意义.     

两层密度分层流体毛细重力波三阶Stokes波解

以小振幅波理论为基础,利用摄动方法研究了两层密度成层状态下的毛细重力波,求得了两层密度成层状态下各层流体速度势的三阶解及毛细重力波波面位移的三阶Stokes波解.结果表明:三阶方程的解均受到表面张力的影响.三阶Stokes波解描述了毛细重力波的三阶非线性修正,波速不仅取决于波数和各层流体的厚度,而且还与波幅及表面张力有关.     

大气中点源重力波的求导法计算机模式

本文首先给出了等温大气中点源重力波的解析解.然后,在此基础上建立了水平等温分层大气中点源重力波的计算机模式.从而解决了在真实大气中对点源重力波传播的数值计算问题.对大气中点源声波的传播过程也可以借助本计算机模式进行数值计算.     

非均匀基流上扰动的演变

本文用WKBJ方法统一处理了叠加在非均匀气流上的小扰动随时间的演变问题,得到了二维正压大气中重力-惯性波(快波)和涡旋波(慢波)具有不同的演变规律.前者发展时伴随着波长变短,衰减时波长变长;涡旋波与此正相反.由此可推知:在实际大气中只有短波长的快波比较显著,波长较长的快波不明显,从而不易观测到.还可解释:一个移动性的高空槽脊发展时它加宽,而衰减时总以收缩(波长变短)北退(强度减小)的形式出现.上述两种波的不同演变特性,主要由气流的不均匀性和波动的类别所决定.对于科氏参数为零的情况也对.科氏力的影响只是给波包以附加的弥散,给能量变化过程以次要的影响,并使慢波满足地转风关系.     

复杂双摆的KAM定理

本文建立了复杂双摆的Ｈａｍｉｌｔｏｎｉａｎ运动方程,并将重力作为扰动,利用ＫＡＭ理论研究了复杂双摆的运动规律,研究结果表明,复杂双摆运动规律与传统双摆运动规律灰似,当重力能量与总能量相比很小时,ＫＡＭ不变闭曲一存在表明无重力系统的“总动量”守恒的特点。     

大尺度大气运动的阶段性

大气运动中重力波与长波共存,由于这两种波频散速度在时间上相差一个量级,所以大气过程显出阶段性.当长波频散后大气中再无扰动,运动便趋向常态,因此大气运动便出现了三个时间尺度,形成三个运动阶段.本文采用多时间尺度方法,得到了三个阶段的运动性质,提出大气运动的双适应现象:第一阶段重力波频散结果,产生了地转适应,第二阶段长波频散结果产生了位涡适应。位涡适应过程是非线性过程,利用数学分析方法和数值计算方法证明了位涡适应过程存在,并指出它包括了地转平衡,地转适应是位涡适应的初级阶段。     

小波分频在重力异常界面反演计算过程中的应用

重力资料是研究地质结构的重要资料，通常测得的重力异常数据是地下各界面造成的异常的失加，如何把这种叠加效应剥离出来一直是一个难以解决的问题，如果能从综合信息中离出能反映各界面信息的重力异常值，我们就能将问题归结为单界面重力异常的反演问题（关于单界面重力异常的反演可参见文献[1]），小波分析提供了这类问题的新思路。     

南极中山站对1998年4~5月太阳活动事件的多手段地面观测

给出1998年5月1~7日南极中山站日地物理多种仪器的系统观测结果, 并与卫星观测数据相结合, 讨论了极区电离层对1998年4~5月太阳活动事件的响应. 在磁暴的起始阶段, 极区电离层F₂层的高度急剧增加, 地磁场H分量开始负向偏移, 地磁Pc₃脉动的强度开始明显增强. 电离层扰动对轰击到磁层顶的太阳风变化有1 h量级的时延, 在5月2日0639UT左右有一个高达2.9 dB的宇宙噪声的吸收峰, 这可能与磁层亚暴在晨侧所加速的能量粒子大量注入有关. 在整个磁暴期间, 高纬电离层处于剧烈扰动状态, 表现为经常发生地磁场急剧起伏; 不时出现宇宙噪声吸收事件和强烈的ULF波; 电离层吸收很强, 以致于数字测高仪在多数时间收不到回波, 但从有限的回波数据中仍能推断出F₂层电子密度大为降低, F₂层的峰值高度上下起伏高达200 km. 还讨论了日地事件的时序因果关系.     

日冕物质抛射的大尺度磁场结构

基于对一组初发于可见日面的日冕物质抛射的源区研究, 证认两类太阳大尺度磁场结构, 指出这些大尺度磁场结构是太阳磁场的内禀分量, 它们的不稳定性、向外膨胀和抛入行星际空间的过程, 是导致日冕物质抛射的基本过程. 这两类大尺度太阳磁场结构是联结太阳南北半球两个活动带的巨磁环和巨暗条(暗条通道)及与之相关的磁场结构. 后者在光球全日面磁图和综合磁图上, 表现为排成两列的相反极性的黑子或谱斑磁场, 其磁场极性反变线(磁中性线)的长度一般超过50日面度. 把后一类大尺度磁场结构称为“超级A结构”. 它们有时表现为巨暗条及相关的大尺度磁场. 由于这类大尺度磁场结构尺度大, 向日冕延伸到很高的高度, 在通常以研究耀斑等活动区尺度现象为目标的太阳磁场观测中难以证认. 证认这些大尺度磁场结构, 成为理解日冕物质抛射产生的物理机制和预报日冕物质抛射的关键.     

壁湍流外层周期扰动对内层脉动特性的影响

在湍流边界层外层施加正弦波扰动,扰动波明显影响内层的猝发平均周期,破坏内层的大尺度低频脉动,诱发较小尺度的高频脉动,减小内层的积分尺度,提高内层流动的总脉动幅值。     

有流存在下三层密度分层流体毛细重力波二阶Stokes波解

以小振幅波理论为基础,利用摄动方法研究了有背景流场存在时三层密度分层流体的毛细重力波,给出了三层成层状态下各层流体速度势的二阶渐近解及毛细重力波面位移的二阶Stokes波解.结果表明:一阶解及二阶解除了依赖于各层流体的厚度及密度,也依赖于表面张力和各层流体的背景流场.     

剪切流中表面重力波的四阶Zakharov方程及其应用

当二维剪切流沿垂向线性变化时,剪切流中的二维重力波仍满足无旋条件.本文首先推导了线性剪切流中二维表面重力波的三阶和四阶Zakharov方程,它也适用于无剪切流的三维重力表面波场.用Zakharov方程研究了剪切流中波列的第一类不稳定性问题,给出了不稳定判别式,详细讨论了剪切流对不稳定区域和增长率的影响,得到了由于流的存在而出现的新的不稳定区.     

陀螺仪运动的混沌与KAM理论

本文建立了外环轴水平放置的重力对称陀螺仪的运动方程．将非自由陀螺仪转子的质心位置作为扰动，利用Ｍｅｌｎｉｋｏｖ方法和ＫＡＭ理论研究了陀螺仪的运动，研究结果表明：在 螺仪转子的质心与支架中心不重合且充分接近时，或 螺仪能量充分大时，陀螺仪运动的Ｐｏｉｎｃａｒｅ映射既出现Ｓｍａｌｅ马蹄意义下的混沌，又存在ＫＡＭ不变环面和不变闭曲线。     

太阳风中的大尺度涡旋波

本文中提出,行星际磁场的扇形结构可能是由赤道面上的大尺度涡旋波引起的.对于太阳偶极子基本磁场来说,行星际空间中赤道面为一中性片,但当有波动形式的扰动时,就可能在赤道面上出现磁场,而在相邻区域磁场呈相反极性,文中证明了存在一种涡旋状的波动,它刚性地随同太阳一起共旋.在不考虑粘滞性和热传导的简单模型下,这种波不衰减,可以稳定地维持.按这种理论,扇形结构不是一种物质流,而是一密度波.本文还定量地估算了这种大尺度涡旋波的波长和倾角,并与人造卫星和飞船的观测资料作了比较,结果表明,两者是比较接近的。     

二维目标声波成像的变分方法

研究二维目标声波成像的新方法.首先根据Green函数理论导出一个关于波数扰动函数和波场的积分方程组;然后通过对该方程组求变分,寻求波数扰动函数微小变化和散射场微小变化之间的关系,得到反演方程;最后对几个典型目标进行模拟识别,考察了方法的收敛速度、收敛精度、抗噪性能及对复杂目标的适应能力.识别结果表明,本文方法对定量无损检测技术具有理论和应用价值.     

流体流过下凹地形的共振流动

本文讨论流体流过下凹地形时共振产生非线性毛细重力波.采用摄动方法,导出了一个具负强迫力的KdV方程.采用拟谱方法,对所得方程进行了数值分析,给出了在超临界,亚临界以及精确共振情形的数值结果.