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1.
本文从描述非静态、可压缩、等温干大气静力适应过程的线性模型出发,利用均匀介质中的波动理论,研究了初始扰动对静力适应过程中物理量场适应方向的影响;从能量分配和转换的角度探讨了静力平衡破坏后大气运动的物理本质.理论结果显示,当大气静力平衡被破坏后,垂直气压梯度场和密度场、垂直气压梯度场和水平流场u分量之间相互适应的因果关系受波动螺旋结构、水平基流及初始扰动性质等因素的影响,其中,初始扰动性质决定了声重力波各分支在静力适应过程中的贡献大小,从而影响各物理量场随时间的演变.在水平基流为西风急流的条件下,中尺度系统对初始扰动性质较敏感,初始速度扰动和密度扰动破坏静力平衡的前20分钟内,有垂直气压梯度场向浮力场适应,初始气压扰动破坏静力平衡的前期和后期,有浮力场向垂直气压梯度场适应,而中期,适应方向相反;垂直气压梯度场和水平流场u分量之间的适应关系对初始扰动性质不敏感但对扰动尺度较敏感;实验表明,当静力平衡被破坏后,在微尺度系统中,垂直气压梯度场是大气运动的因,而在中尺度系统中,水平流场u分量是大气运动的因.同时,初始扰动的性质影响适应过程中扰动能量的分配比例和扰动能量之间的转换情况,不同性质的初始扰动,引起大气运动的物理本质不同. 相似文献
2.
本文基于描写滞弹性大气静力适应过程的线性方程组，从波动频散关系、气团运动规律和能量转换的角度出发，研究了水平基流及其垂直切变对该模式大气静力适应过程的影响.构造四种水平基流垂直分布模型进行比较，分别为常数型、线性切变型、反气旋切变型和气旋切变型，得到结论：（1）具有重力波性质的波动是滞弹性大气静力适应过程中扰动能量传播的方式，当垂直折射指数大于零时，基本气流及其垂直切变的存在，不仅改变了波动频率的大小，而且改变波动传播的方向；（2）在静力适应过程中气块的运动轨迹呈椭圆形，水平基流及其垂直切变影响椭圆的扁率，同时也影响扰动物理量之间的偏振关系；（3）水平基流的垂直切变是扰动能量和水平基流能量发生转换的媒介，当存在垂直向上的动量输送时，正的垂直风切变对应扰动能量的衰减，水平基流能量的增加，负的垂直风切变对应扰动能量的增加，水平基流能量的衰减；（4）不同的风的垂直切变模型，对静力适应过程的影响不同；对于水平基流呈反气旋切变型和气旋切变型，扰动发展的波动垂直结构为，急流轴上方波动等相位线自下而上向西倾斜，急流轴下方波动等相位线自下而上向东倾斜，反之亦然. 相似文献
3.
基于前两部分的研究,第三部分从能量转换的角度揭示了风垂直切变对大气静力适应过程的影响.研究显示,对非静态等温大气,初始时刻加以有效势能和有效弹性势能的强迫后,风垂直切变改变了适应过程中扰动能量在各能量形式中的分配比例,这种作用随扰动尺度和时间的变化有显著差异,系统尺度越小影响越显著.比较东风急流模型和西风急流模型显示,负的风切变应力使得四类扰动能量谱随系统尺度的变化趋于平缓,使得微尺度和小尺度(中尺度)系统中扰动垂直动能(扰动水平动能)的比例随时间减小,正的风切变使得扰动能量谱随系统尺度的变化显现跳跃的特征,使得中尺度(微尺度和小尺度)系统中扰动垂直动能(扰动水平动能)的比例随时间减小.风垂直切变引起的动量通量输送是扰动能量与基本气流能量之间交换的通道,当风切变应力和动量输送方向相同时,风垂直切变使得能量向基本态转移,维持基本气流,削弱扰动能量,缩短静力适应过程的周期;当风切变应力和动量输送方向相反时,风垂直切变作用相反;此作用随着扰动尺度的变化差异明显. 相似文献
4.
本文基于描述可压缩大气静力适应过程的线性模型,分别采用正交模法和WKBJ法,从波动响应的角度研究了风垂直切变对大气静力适应过程的影响.结合实际天气现象构造了四种风垂直切变模型,分别为垂直无切变的定常模型、类似锋面特征的线性切变模型、表征东风急流的反气旋式切变模型和类似西风急流的气旋式切变模型.分析了相应模型下静力适应过程中的波动特征及波能量演变规律.得到结论:(1)在定常模型中,破坏静力平衡的能量激发出四支两两成对的、传播性质类似声波和重力波的波动,波动能量在闭合系统假设下为守恒量;(2)风切变的存在改变了波动及其能量的传播特征,也改变了波动能量的守恒性;(3)在大气稳定层结下,若波动多普勒频率大于0且小于0.7倍的浮力振荡频率,则发展(衰亡)型波动的螺旋结构分别为:(a)在线性切变模型中,等相位线自下而上需向西(东)倾斜;(b)在反气旋式切变模型中,等相位线在急流轴上层自下而上需向西(东)倾斜,在急流轴下层自下而上需向东(西)倾斜;(c)在气旋式切变模型中,等相位线在急流轴上层自下而上需向东(西)倾斜,在急流轴下层自下而上需向西(东)倾斜;若波动多普勒频率大于0.7倍的浮力振荡频率,则情形相反. 相似文献
5.
基于能量密度构建的弹性波能量成像条件，可以准确提取弹性波场的能量信息，并可以有效压制背向散射.但是该成像条件得到的成像结果将所有弹性波场能量信息耦合在一起，难以区分纯波模式的能量信息.为此，我们从势能及动能两方面将能量场解耦，得到纯纵波（PP）、纯横波（SS）、转换波（C）能量场.根据能量守恒定律，基于Helmholtz原理对位移场的空间导数进行因式分解，将弹性势能自解耦得到纯纵波、纯横波及转换波势能；引入体应力构建得到P波及S波速度，将弹性动能分解为纯纵波、纯横波和转换波动能.从而，构建基于能量密度自解耦得到纯波能量互相关成像条件.数值实验表明自解耦成像条件可实现弹性波场能量的分解，并得到背向散射压制、振幅有效保持的PP波、SS波和C波成像结果. 相似文献
6.
利用非对称波分量分解和小波分析的方法,对准平衡动力模型下非对称强飓风内中尺度波动的空间结构和时间序列特征进行分析.结果表明,平衡流场中1波扰动占主要地位且具有涡旋Rossby波的典型结构特征,准平衡流各波数下扰动的空间分布反映了中尺度波动的混合性质;模式大气和准平衡垂直运动的全局功率谱中,超过信度检验的强波动信号中不仅包含分别表征重力波和涡旋Rossby波的高频和低频波动信号,还存在表征具有物理性质不可分特性的混合涡旋Rossby-重力波的中频波动.混合波的出现建立了不同频段波动之间的能量交换通道,其信号的变化对飓风系统的强弱变化具有一定的指示作用.非平衡垂直运动的波动强信号则主要集中在高频和低频区域,反映了在飓风强度变化情况下,与高频重力波有关的快波调整过程所引起的垂直扰动的振荡和传播.强垂直风切变对飓风内中尺度波动的切向和径向传播具有重要影响,当环境垂直风切变很强时,准平衡1波扰动在径向和切向方向上均呈"驻波"形态,随着环境垂直风切变的减弱,1波扰动以混合波波速逆基本气流传播. 相似文献
7.
利用二维全隐欧拉格式对重力波在可压、非等温大气中的非线性传播过程进行了数值模拟和分析.分析结果表明，从对流层顶激发的重力波能稳定地经平流层传到中层顶，从而将能量和动量从一个区域带到另一个区域；在向上传播过程中，重力波经历了发展、位温翻转、对流直至最终破碎的演变；重力波的破碎是对流和小尺度波动的重要的源，对流不稳定和翻转是非线性现象的一个基本特征.计算还显示，扰动源的大小直接影响着重力波的非线性传播过程，当扰动源足够小时，重力波能稳定传播，而大振幅扰动可以加速重力波的破碎. 相似文献
8.
为分析数值模式动力学框架中不同波动的特性及对数值天气预报模式计算稳定性的影响,文章对GRAPES（Global/Regional Assimilation and PrEdiction System）全球非静力大气模式进行了正规模分析.首先,建立了静止大气状态下模式的线性化系统,并在适当的边界条件下将线性化系统分解成具有垂直与水平结构方程的本征值、本征函数耦合问题.然后在等温大气条件下,利用耦合问题的数值结果分析得出：GRAPES非静力模式除了有几乎和对应的静力模式一致的向东、向西传播的重力惯性波及向西传播的Rossby波外,还有一个向东、向西传播的声惯性波;特别是,只有当纵横比较大时,非静力模式对重力惯性波才会有显著影响. 相似文献
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10.
本文根据考虑大气热传导和黏滞的重力波复色散关系，采用传输函数的概念，基于重力波的线性理论，构建了用于研究对流层内重力波激发源与电离层响应之间的传输函数数值模式.在相空间中讨论了传输函数振幅的分布特性，并以地面单位脉冲源为例，分析了从地面到300 km高空的响应，得到了物理量的时空分布特征.结果表明：（1）对内重力波的传播而言，大气相当于一个滤波器，只有波动周期在15～30 min，水平波长在200～450 km之间的重力波扰动才最容易到达300 km电离层高度；（2）电离层的响应主要在与地面的激发源之间相隔较远的水平距离上发生；（3）黏滞和热传导系数在低层对上传重力波的影响较小，随着高度的增加它们对重力波的影响越来越大；（4）在低层计算的波动频率与Row理论的计算结果比较一致，然而到了高层却相差较大. 相似文献
11.
Summary In order to interpret the observed features of pressure records produced by waves from large explosions in the earth's atmosphere, the writers have obtained numerical solutions of the homogeneous equations governing acoustic-gravity wave propagation in a stratified compressible fluid. Theoretical dispersion curves and variations of perturbation kinetic energy with altitude are presented for 11 normal modes. It is shown that the step-like character of the phase velocity curves in the velocity-period plane can be interpreted as being the result of interference between two families of normal modes-«quasi-horizontal modes» representing energy propagation in the lower atmosphere (below the ozonosphere) and «quasi-vertical modes» representing energy propagation in the upper atmosphere (above the ozonosphere). The theoretical prediction that several normal modes contribute to the observed barogram traces is verified by Fourier analysis of a number of wave records.Lamont Geological Observatory Contribution No. 611. — This research was supported by National Science Foundation Grant NSF-G-11997, Office of Naval Research Contract Nonr 266 (70), and National Science Foundation Grant NSF-GP-550. — Part of this research was done at the NASA Institute for Space Studies, New York, N. Y. 相似文献
12.
In this paper, a feasibility of anelastic approach for numerical weather prediction (NWP) is examined. The study concerns
the anelastic nonhydrostatic model EULAG as a prospective candidate for the new dynamical core of a high-resolution NWP model.
Such an application requires a series of benchmark tests to be performed. The study presents the results of dry idealized
two-dimensional linear and non-linear tests. They include evolution of cold and warm density currents in neutrally stratified
atmosphere, inertia-gravity waves in short and long channels, as well as mountain gravity waves for a set of different flow
regimes. Detailed comparison of the results with the reference solutions, based mainly on the results of compressible models,
indicates a high level of conformity for all of the experiments. It verifies the anelastic approach as strongly consistent
with the compressible one for a broad class of atmospheric problems. It also corroborates the robustness of EULAG numerics,
an essential requirement of dynamical core of NWP model. 相似文献
13.
Leon P. J. Kamp 《地球物理与天体物理流体动力学》2013,107(4):257-271
Abstract In the present paper the behavior of (internal) magneto-acoustic-gravity waves near the cusp resonance in a lossless, compressible, isothermal, stratified, electrically conducting atmosphere that is permeated by a uniform, nearly horizontal magnetic field is re-addressed (Kamp, 1989). The previously analyzed linear conversion of long acoustic-gravity waves into short magneto-acoustic waves that carry off the energy from the resonance region along the magnetic field, is re-analyzed with boundary layer techniques that are based on the smallness of the vertical component of the magnetic field. More specifically the existence of the so-called valve effect for the generated magneto-acoustic mode near the critical level is explicitly demonstrated and shown to be governed by two rivalling effects. 相似文献
14.
应用二阶算子分裂格式，采用全非线性模式，对可压大气中重力波波包非共振激发进行数值模拟和分析.研究表明：两个向上传播的重力波波包，通过非共振相互作用，也能激发出一个向下传播的重力波波包.生成波的能量几乎正比于主波的能量，也随次波的能量增大而增大.能量传递方向主要表现为从高频的主波向次波和生成波转移，这与共振相互作用不完全相同.非共振作用的特征时间由主次波的初始位置和波长频率决定，与主次波的初始振幅无关.生成波的波矢量并不严格满足弱非线性相互作用理论预言的波矢量匹配条件，而且生成波的波长和频率在传播的过程中会随时间发生变化，这表明了弱非线性相互作用理论的局限性. 相似文献
15.
The vertical wave propagation in an inhomogeneous compressible atmosphere is studied in the framework of a linear theory. Under specific conditions imposed on atmospheric parameters, solutions can be found in the form of travelling waves with variable amplitudes and wave numbers that do not reflect in the atmosphere in spite of its strong inhomogeneity. Model representations for the sound speed have been found, for which waves can propagate in the atmosphere without reflection. A wave energy flux retains these reflectionless profiles, which confirms that energy can be transferred to high altitudes. The number of these model representations is fairly large, which makes it possible to approximate real vertical distributions of the sound speed in the Earth??s atmosphere using piecewise reflectionless profiles. The Earth??s standard atmosphere is shown to be well approximated by four reflectionless profiles with weak jumps in the sound speed gradient. It has been established that the Earth??s standard atmosphere is almost completely transparent for the considered vertical acoustic waves in a wide range of frequencies, which is confirmed by observational data and conclusions derived using numerical solutions of original equations. 相似文献