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《地球物理学进展》2016,(6)
重力波是大气中最基本的动力过程,估算大气重力波参数是大气动力学理论研究的重要内容之一.本文利用一次东亚副热带高空急流演变过程的高分辨率数值模拟结果,采用Morlet小波分析方法,针对常用的二阶、三阶和四阶曲线拟合得到的扰动场进行分析;并通过建立数学模型,分析含不同强弱背景场信号时的扰动场对大气重力波参数的影响,结果表明:(1)曲线拟合方法得到的扰动场中含较强背景场信号;(2)扰动场中背景场信号强弱对大气重力波参数有很大的影响;(3)要想提取准确的大气重力波参数,必须确保多种扰动场中同时含很弱或不含背景场信号,因此在提取大气重力波参数时,采用曲线拟合方法获取扰动场存在缺陷,需要设计更合理的背景场获取方法. 相似文献
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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. 相似文献
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《中国科学:地球科学》2016,(12)
重力波参数特征的确定是全球大气环流模式中平流层重力波参数化的一个重要环节,这些参数的选取需要根据观测资料来确定.本文根据中国地区南北向8个站点(自北向南依次为嫩江、锡林浩特、北京、郑州、南阳、宜昌、怀化和南宁,纬度范围为22°~49°N)两年多的垂直高分辨率无线电探空资料,分析了下平流层(18~25km)惯性重力波活动的季节变化及其随纬度的分布特征.主要结果有:(1)与全球其他地区一样,中国地区下平流层重力波能量具有明显的季节变化和经向分布特征:冬季大夏季小,且随着纬度增加而减小;纬向和经向速度扰动大小一致,表明重力波能量在水平方向上是各向同性的.(2)重力波垂直波长随纬度没有明显变化,集中在1~3km,占所有样本的85%以上,平均值约为2.0km;水平波长80%以上集中在100~800km,平均值约为450km,有随纬度增加而降低的趋势(南北水平波长相差达40km左右),水平波长与垂直波长之比大约为200:1,表明下平流层重力波基本上沿水平方向传播,垂直方向的夹角极小.(3)固有频率和科氏参数之比有随纬度增加而减小的特征,集中在1~2,平均值约为1.5.(4)重力波能量主要向上传播,各站点重力波上传频率均在60%以上;水平传播方向有比较显著的方向性,主要是东西方向传播且与盛行风向有关,但是该各向异性随着纬度的增加有所减弱. 相似文献
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为了分析台风这类强对流诱发平流层重力波的过程,本文利用中尺度数值模式WRF-ARW(V3.5)和卫星高光谱红外大气探测器AIRS数据对2011年第9号强热带气旋"梅花"的重力波特征进行了分析.首先,针对模式输出的垂直速度场资料的分析表明,台风在对流层各个方向上几乎都具有诱发重力波的能量,而在平流层内则呈现出只集中于台风中心以东的半圆弧状波动,且重力波到达平流层后其影响的水平范围可达1000km.此外,平流层波动与对流层雨带在形态、位置以及尺度上均具有一定的相似性.其次,对风场的分析结果表明,不同高度上波动形态的差异主要是由于重力波垂直上传的过程中受到了平流层向西传的背景风场以及风切变的调制作用,揭示了重力波逆着背景流垂直上传的特征.随后,基于FFT波谱分析的结果表明,"梅花"诱发的平流层重力波水平波长中心值达到了1000km,周期在15~25h,垂直波长主要在8~12km.最后,利用AIRS观测资料分析了平流层30~40km高度上的大气波动,得到了与数值模拟结果相一致的半圆弧状波动.对比结果也验证了WRF对台风诱发平流层重力波的波动形态、传播方向、不同时刻扰动强度的变化以及影响范围的模拟效果.此外,也揭示了多资料的结合对比有助于更加全面地了解台风诱发平流层重力波的波动特征. 相似文献
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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. 相似文献
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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
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利用美国航空航天局MERRA(Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications)再分析资料和MODIS(Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer)卫星资料以及欧洲气象中心ECMWF-Interim(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)再分析资料,分析了发生于青藏高原北侧上空的一次地形重力波事件,并使用中尺度预报模式WRF-ARW.V3.0(Weather Research and Forecasting model,V3.0)对其进行了数值模拟.在此基础上,诊断分析了此次地形重力波在UTLS(Upper Troposphere and Lower Stratosphere)区域造成的物质和能量垂直传输特征.分析结果表明这一中尺度地形重力波信号的水平波长约为600km,与地形扰动水平尺度接近,重力波在对流层中传播的垂直波长约为3km,在垂直方向上随着高度的增加呈现出由东向西倾斜的结构特征.此次地形重力波上传进入平流层并在150hPa附近破碎,波破碎后动量通量在短时间内发生了强烈的衰减,重力波携带的能量在破碎高度附近释放.重力波破碎的同时垂直方向湍流混合变得异常强烈,湍流交换系数可在短时间内增加到背景值的8倍以上,剧烈湍流混合过程导致了对流层上层的空气进入平流层,使下平流层空气出现了位势涡度和臭氧的低值区,在浮力频率的垂直剖面中也可以看到由于地形重力波过程造成的平流层下层浮力频率异常低值区. 相似文献
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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
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利用位于中国中纬地区6个OH气辉成像仪2012年1月至2013年12月两年的观测数据,我们研究分析了重力波传播特征.结果表明重力波的水平波长、观测周期和水平相速度分别主要分布于10~35km,4~12min和30~100m·s-1范围.夏季,重力波主要沿极向方向传播.然而,冬季,他们有向赤道方向和平行于赤道方向的传播趋势.同时,我们结合TRMM卫星和ECMWF数据,发现在夏季重力波的北向传播趋势可能主要由观测台站南方的对流活动导致.然而,对流层顶附近的急流可能在冬季重力波的主要传播方向方面做出较大贡献.分析结果也表明,低层-中层大气背景风的滤波效应仅在夏季与中国中纬地区重力波纬向传播方向各向异性吻合较好. 相似文献
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Roll waves commonly occur in overland flow and have an important influence on the progress of soil erosion on slopes. This study aimed to explore the evolution and mechanism of roll waves on steep slopes. The potential effects of flow rate, rainfall intensity and bed roughness on the laws controlling roll wave parameters were investigated. The flow rates, rainfall intensities and bed roughness varied from 5 to 30 L/min, 0 to 150 mm/h, and 0.061 to 1.700 mm, respectively. The results indicate that roll waves polymerize significantly along the propagation path, and bed roughness and rainfall affect the generation and evolution of roll waves. The wave velocity, length and height decreased with bed roughness, whereas the wave frequency increased with increasing bed roughness under fixed flow rate and rainfall intensity conditions. Rainfall increased the wave velocity and wavelength and decreased the wave frequency. The wave velocity, height and wavelength tended to increase with an increasing flow rate. Rainfall promoted the generation of roll waves, whereas bed roughness had the opposite effect. The generation of roll waves is closely related to the Froude number (Fr) and flow resistance. In this experiment, the range of the Reynolds number for the roll waves generated in the laminar region was 142–416, and the range of the flow resistance coefficient was 0.64–4.85. The critical value of the Fr for flow instability in the laminar region was approximately 0.57. Exploring the generation and evolution law of roll waves is necessary for understanding the processes and dynamic mechanisms of slope soil erosion. 相似文献
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激光雷达观测得到的密度、温度等数据被广泛应用于大气重力波研究.瑞利激光雷达可以获取激光路径上的大气密度、温度数据.对于大气中的三维波动而言,单条路径上的观测参量能提取得到的波动信息有限.本文首先以单色重力波为例,分析了利用激光雷达直接观测三维波动结构的可行性.激光雷达垂直观测即可得到重力波的垂直波长,当激光雷达以一定的天顶角斜向测量时,所得到的波长包含了重力波的垂直波长以及水平波长信息.因此,利用激光雷达同时以三个方向(垂直、向南(天顶角30°)以及向西(天顶角30°))测量,可以提取得到重力波的垂直波长和水平波长.本文利用中国科学院国家空间科学中心研制的车载532nm瑞利激光雷达的经向系统和纬向系统同时以不同的指向角观测大气重力波,对利用激光雷达获取三维波动结构的方法进行了分析研究.本文给出了北京地区激光雷达观测重力波的诸多案例,分析了30~60km高度范围内北京地区大气重力波的垂直及水平波长信息.并以2017年11月7日观测的准单色重力波为例,结合再分析资料的风场数据,分析了该重力波的水平波长,垂直波长及传播方向等信息. 相似文献
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用数字测高仪漂移测量研究电离层声重波扰动 总被引：8，自引：1，他引：8
数字测高仪Digisonde中的漂移测量,常用来研究小尺度电离层扰动,如电离层小不均匀体的漂移。文中提出一种新的分析方法,利用漂移测量数据中多普勒频移和到达角参量的最大熵动态功率谱,估算声重波一类大尺度电离层扰动的水平传播速度和传播方向。作为实例,研究了Millstone Hill测高仪站的漂移观测资料,并对处理结果进行了初步分析。分析结果表明,从数字测高仪漂移测量数据中,可有效地提取声重波一类大尺度电离层扰动的传播参量,在电离层动力过程的研究中很有意义。 相似文献
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通过对向上传播的重力波波包在中层大气中的非线性传播过程进行数值模拟,讨论中层大气中重力波的饱和机制.数值模拟结果表明,向上传播的重力波波包的扰动振幅在接近波包的本征水平相速度之前随高度单调增长,而当波振幅接近本征水平相速度时,在对流不稳定区域出现等位温面的翻转,同时波振幅的增长达到饱和（波振幅随高度不发生变化）.小尺度对流在等位温面的翻转和波饱和发生后产生,随后波包开始破碎,这些非线性过程的最终结果产生湍流.表明导致重力波饱和的关键因素是等位温面的翻转而不是诸如波破碎、湍流、波-流相互作用等其他的一些物理过程. 相似文献
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O. N. Savina P. A. Bespalov V. O. Rapoport N. A. Ryzhov 《Geomagnetism and Aeronomy》2006,46(2):247-253
The nonlinear equation of the first order of the Riccati type has been obtained for the wave impedance of acoustic gravity waves in the nonisothermal atmosphere. The vertically nonuniform horizontal wind and the effect of viscosity on the horizontal components of the velocity field have been taken into account in the calculations. The boundary-value problem for the Riccati equation is defined by the boundary emission condition at high altitudes. Upon finding the wave impedance along with the generalized polarization relationship, all remaining disturbances of the atmospheric parameters related to acoustic gravity waves are found with the help of a simple integration. The results of using a developed formalism are illustrated by the numerical computation of acoustic gravity wave fields in the atmosphere with real vertical profiles of temperature and horizontal field velocity. 相似文献
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R. Werner K. Stebel G.H. Hansen U. Blum U.-P. Hoppe M. Gausa K.-H. Fricke 《Journal of Atmospheric and Solar》2007,69(17-18):2249
During the last two decades, important advances have been made in the investigation of gravity waves. However, more efforts are needed to study certain aspects of gravity waves. In the real atmosphere, gravity waves occur with different properties at different altitudes and, most often, simultaneously. In this case, when there is more than one dominant wave, the determination of gravity wave characteristics, such as the vertical wavelength and the phase velocity, is difficult. The interpretation of temperature perturbation plots versus the altitude and time as well as the application of the Fourier spectral analysis can produce errors.Exact knowledge of the wave characteristics is important both for determination of other characteristics, for example, the horizontal wave components, and for study of wave climatology. The wavelet analysis of vertical temperature profiles allows one to examine the wave's location in space. Up to now, gravity waves have been studied mainly by continuous wavelet transformation to determine dominant waves. We apply wavelet analysis to a time series of temperature profiles, observed by the ALOMAR ozone lidar at Andoya, Norway, and by the U. Bonn lidar system at ESRANGE, Sweden, both for determination of the dominant waves and for specifying the vertical wavelengths and the vertical component of the phase velocities. For this purpose, the wavelet amplitude spectra and the wavelet phase spectra are filtered and Hovmöller diagrams for dominant wavelengths are constructed. The advantage of this type of diagrams is that they give clear evidence for the localization of the dominant waves in space and time and for the development of their phase fronts. 相似文献
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基于中高层大气重力波动力学是由非线性过程和损耗过程共同决定的物理思想,本文采用弱非线性相互作用近似,推导出损耗大气中重力波的非线性相互作用方程.这组方程是研究固定相位和随机相位重力波相互作用问题的出发点.通过引入平均振幅,我们得到了损耗情况下离散重力波的三波相互作用方程,该方程描述了重力波波包非线性时空演变的规律.作为该方程的一个具体应用,我们考虑了由于波-波相互作用产生的不稳定性.当一大尺度大振幅的主重力波通过大气传播时,非线性相互作用可能导致两个次级波振幅随时间指数增长.由于分子损耗和频率失配,主波的振幅必须大于一个阈值,这种指数增长才可能出现.共振条件满足时,阈值变为最小.频率失配还会导致次级波本征频率发生改变,改变的大小是频率失配值的一半. 相似文献
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利用位于海南富克(19.5°N,109.1°E)和广西桂平(23.4°N,110.1°E)两个台站两年多的OH全天空气辉成像仪观测数据,对中国低纬地区的重力波传播统计特征进行了研究.从富克和桂平的气辉成像观测中, 分别提取了65和86个重力波事件.研究结果表明,观测水平波长,观测周期和水平相速度分别集中分布在10~35 km, 4~14 min和20~90 m·s-1范围.重力波传播方向,在夏季表现出很强的东北方向传播.然而,在冬季主要沿东南和西南方向传播. 同时,结合流星雷达风场观测和TIMED/SABER卫星的温度数据,也发现在中层-低热层中传播的大多数重力波表现为耗散传播.且低层-中层大气中背景风场的滤波作用和多普勒频移可能对纬向方向传播的重力波产生的各向异性起到重要的调制作用.然而,经向方向传播的重力波产生的各向异性可能同时被低层大气中波源的非均匀分布以及潮汐变化所影响. 相似文献
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海平面的海啸波会产生大气重力波进而引发电离层扰动.本文利用日本GPS总电子含量数据来探测2011年3月11日Tohoku海啸引发的电离层扰动.观测结果表明,在日本上空的电离层中存在两种重力波信号,分别由海平面的海啸波以及地震破裂过程产生.地震产生的电离层重力波分布在震中周围（包括海洋上空以及远离海洋的区域）,而海啸引发的电离层重力波主要分布在海洋上空.地震产生的电离层重力波具有不同的水平速度,包括约210 m·s-1以及170 m·s-1,其频率为1.5 mHz;而海啸引发的电离层重力波水平速度快于前者,约为280 m·s-1,其频率为1.0 mHz.此外,海啸引发电离层重力波与海平面上的海啸波有相似的水平速度、方向、运行时间、波形以及频率等传播特征.本文的研究将电离层中的海啸信号与地震信号区分开来,进一步确认电离层对海啸波的敏感性. 相似文献