中国首次中层顶大气重力波成像观测实验

2009年1月5日02:00到06:00之间, 在河北省廊坊市韩村镇(39.4°N, 116.6°E)利用CCD气辉成像技术开展了我国首次中层顶大气重力波观测实验. 结果显示, 当日03:00到05:00点之间, 观测到了丰富的、明显的准单色大气重力波水平二维活动. 初步分析了3个大气重力波个例, 得到它们的水平波长、观测水平相速度、水平传播方位角和观测周期分别约为(12.3 km, 41 m/s, 327°, 5 min), (25 km, 35 m/s, 68°, 12 min)和(10 km, 48 m/s, 341°, 3.5 min).     

连续谱重力波参数化模拟赤道准两年振荡

在以往参数化格式的基础上, 同时考虑重力波的饱和破碎和临界层吸收过程, 通过引入重力波动量流谱分布密度函数, 真正实现连续谱重力波的参数化, 从而进一步完善重力波的参数化模式. 以实验观测值为基础, 选取大气背景参数和波特征参数, 结合行星波和重力波参数化后的驱动力, 能模拟出更接近实际观测的赤道准两年振荡. 数值计算结果表明, 重力波和行星波的驱动力大小随风场结构变化而变化, 在振荡的某些阶段, 重力波的贡献可以和行星波相比拟. 稳定的振荡形成后, 其振幅、周期和风场结构等特征受背景大气的扩散效应及重力波动量流的谱分布的影响, 与初始背景风场无关. 而且, 对于任意非零的初始背景风场, 在两种波的共同作用下, 都能形成稳定的准两年振荡.     

台风螺旋雨带的数值模拟研究

螺旋雨带是台风的基本特征之一. 近年来螺旋雨带发生机理的涡旋Rossby波理论已得到普遍的认同, 但对螺旋雨带的内部结构还没有详细的研究. 利用MM5(V3)对2002年8月给厦门带来特大暴雨的强热带风暴Kammuri的螺旋雨带作了数值模拟. 结果表明, 模拟螺旋雨带沿方位角的移速与涡旋Rossby波的理论波速一致, 并伴随着能量在径向的频散. 从模式输出的高分辨率的多种物理参数数据集中分析出的螺旋雨带结构表明, 台风中的气旋式涡度、垂直运动、水平动量等都高度集中在螺旋雨带中. 并进一步指出, 螺旋雨带的水汽主要来自1 km以下, 而且来自外侧的空气具有明显的对流性不稳定, 它为螺旋雨带中对流的发展提供了不稳定能量. 螺旋雨带内侧空气的层结是中性的, 说明不稳定能量已经释放. 螺旋雨带的外侧存在风速高达30 m/s以上的中尺度强风带, 它的产生和外侧的空气向螺旋雨带流入时气压梯度力所起的加速作用有关.     

小振幅大气重力波传播的数值研究

应用二维可压大气全非线性动力学模型, 模拟了小振幅中频重力波波包的非线性传播. 并与相应线性模型的模拟结果作了比较. 结果表明在等温大气中非线性效应对小振幅重力波传播的影响是可以忽略的. 而在非等温大气中, 非线性效应对于重力波波包传播的影响显著, 主要表现在非线性相互作用将显著地减小波包能量传输速度; 波振幅增长率也小于线性传播结果, 但波动量仍能保持守恒. 中层大气的观测也给出了非等温大气导致的波非线性相互作用的证据.     

曲靖地区电离层准6日扰动与MLT大气行星波的相关性

利用曲靖地区(25.6°N,103.8°E)2008年9～11月共2个月的MF雷达风场数据和电离层垂直探测数据,分析了中层低热层(MLT)大气行星波,电离层Es和F层的准6日行星波状扰动特性.结果表明,电离层foEs的准6日行星波状扰动与MLT大气纬向风场中的准6日行星波存在紧密相关性,后者通过调制半日潮汐间接影响Es层.电离层F区未出现显著的准6日行星波状扰动.这些结果提供了大气行星波与电离层Es层相互耦合的实验证据,加深了对我国低纬地区电离层空间天气扰动特性的认识.     

重力波对中层顶区O_3及OH分布的影响

利用考虑了光化-动力耦合的重力波模式就重力波对大气化学成分分布的影响进行了计算, 着重研究了重力波通过非线性化学反应对大气化学成分分布的影响这一新的机制, 以O3和OH为例进行了计算. 研究表明, 重力波在传播过程中主要通过非线性化学反应引起中层顶区大气化学成分分布的变化, 其贡献可以超过湍流扩散和重力波引起的非线性输运.     

日冕极紫外波研究进展

高温低密日冕磁化等离子体介质可承载多种波动模式的传播.本文主要介绍低日冕中两类常见的极紫外波动现象:大尺度极紫外波和准周期快磁声波.大尺度极紫外波是低日冕中全球性传播的大尺度扰动现象,它通常与耀斑、日冕物质抛射等剧烈太阳爆发活动紧密相关. 20世纪60年代,大尺度扰动现象(莫尔顿波)首先在太阳色球层被观测到,相应的理论模型预言了低日冕中也必然存在与莫尔顿波相关的大尺度扰动现象.直到20世纪90年代,空间望远镜才探测到与莫尔顿波类似的日冕大尺度波动现象(大尺度极紫外波).然而,关于大尺度极紫外波的物理本质和激发机制长期以来一直存在着巨大分歧.得益于近年来空间和地面太阳望远镜的高(时间、空间)分辨、多波段、多视角观测数据,目前人们对大尺度极紫外波的激发和物理本质有了更深入和较为完备的认识.近年的高分辨观测还揭示了日冕中的另一类波动现象,即准周期快磁声波.本文将总结近年来人们对两类波动的研究进展,指出目前研究中存在的重点和难点问题,并展望未来可能的研究方向.     

钠层分布对重力波传播响应的线性理论

利用线性化的光化-动力耦合的重力波模式就重力波对中层顶区钠层分布的影响进行了计算, 模式中包括了背景光化学和钠层光化学反应. 着重研究并给出了钠层混合比对重力波传播响应的振幅和相位分布. 计算表明, 钠原子对重力波响应的最敏感区域在钠层的下部. 并且, 在钠层下部, 钠原子混合比波动与温度波动同相位, 而在其上部, 与温度波动反相位.     

夏季极区中层顶光化诱发重力波不稳定研究

探讨了中、高层大气中光化加热及冷却产生的非绝热过程对重力波传播的影响,建立了考虑非绝热过程线性重力波模式,计算了重力波不稳定区域以及波的增长率,并与纯动力学绝热重力波理论进行了对比研究,计算在中层顶附近,光化过程造成重力波存在不稳定区而且不稳定随着温度的下降而增强,经的温度、高度特征与观测结果比较一大致,因而光化诱恨重力波不稳定有可能是夏季中层顶附近的重要机制。     

基于海气耦合模式的南中国海北部风暴潮模拟

伴随台风产生的大风、暴雨、巨浪、风暴潮形成的台风灾害链对沿岸地区产生巨大影响,研究台风的形成和运动机理,减小风暴潮灾害,具有重要的科学价值和社会意义.台风影响期间,大气与海洋之间存在强烈的质量、能量交换,风场、流场、波浪场等物理场相互作用、相互影响.基于中尺度大气模式WRF和区域海洋模式ROMS,构建南中国海地区海气耦合模式,针对2012年台风"启德"进行数值模拟.通过观测数据对台风路径和强度进行验证,结果表明,建立的WRF-ROMS耦合模式在对台风"启德"影响下的南中国海风暴潮模拟中展现出较高的模拟精度.通过数值模式计算结果揭示了台风、风暴增水和风生流场的时空分布特征.台风运动过程中台风动力场、风暴增水及流场在空间上均具有"右偏性"的不对称分布特征,近岸风暴增水对台风的响应在时间上存在滞后性,风生流场具有较明显的滞后性特征.     

拉萨重力潮汐变化特征

重力潮汐变化是固体地球对日、月及近地行星等天体引潮力的响应,是地球内部结构和介质分布特征的综合反映,是其他全球和局部动力学过程研究的基础.本文采用拉萨台超导重力仪(SG)一年多连续观测资料,研究青藏高原地区重力潮汐变化特征.通过与LaCoste-Romberg ET20弹簧重力仪的对比观测,将拉萨的重力潮汐观测归算到武汉国际重力潮汐基准,精密确定了SG的格值为-777.358±0.136nms-2V-1,比其厂家提供的格值小2.2%.观测结果表明,拉萨台SG重力潮汐观测精度非常高,标准偏差为0.459nms-2,4个主要潮波的观测精度均优于0.006%,近周日共振特征表现得非常明显,可以作为区域重力潮汐基准,为青藏高原及其邻区重力观测提供参考.海潮负荷对拉萨重力潮汐观测的影响非常小,仅导致振幅因子不足0.6%的扰动;局部大气负荷效应没有明显的季节性特征,但对重力潮汐和非潮汐变化的观测和研究的影响非常显著,气压改正导致SG观测的标准偏差显著降低.经过海潮和局部气压负荷改正以后,拉萨台SG重力潮汐观测与理论模型之间仍然存在大约1%的差异,可能与青藏高原活跃的构造运动和区域巨厚的地壳有关,当然,要得到确切的结论还有待观测资料的长期积累和相关理论研究工作的进一步深入.     

波射线理论在大气正压不稳定中的应用

应用球面上Rossby波射线理论初步探讨了基本流为急流的大气中正压扰动的动力学行为,对正压不稳定的条件进行了再思考,指出存在一个准地转位势涡度梯度bM的负区,在这个区域中向北传播的扰动振幅增长很大,为扰动发展的不稳定区,此外扰动能量无法穿越β_M=0的线,据此称之为陷波线.在90°E,20°N给定一个初始扰动,应用包含急流的理想风速廓线分析指出,对于非定常波,扰动的行为依赖于初始的纬向波数k和经向波数l.k值较小的大气长波经向传播范围大,向北传播容易被陷波线捕获,而尺度较小的短波不能到达陷波线,因此能够在西风中南北振荡并向下游传播.对k=1,l=8的大气长波,向北传播时波能量增加,在急流以北波能量达到最大值,当靠近陷波线时能量迅速减小,最终在陷波线中能量衰减为零.向北传播时波能量的增大,意味着扰动从急流以南的基本风场中获得的能量传到急流以北,在陷波线附近能量又还给了基本流,完成了大气中能量的南北输送.进一步计算了1和6月500 hPa上实际纬向风速廓线下扰动能量的传播,其结果大体和理想基流的结果相同,不同之处在于冬季低纬度向南的扰动容易被东风带阻挡,不能传播到南半球;而夏季低纬非定常扰动可以穿越东风带到达南半球,并且在东风带中形成西传的波动.     

区域环境集成系统模式以及对我国夏季季风的模拟研究

重点介绍了中国科学院区域气候-环境重点实验室研制的区域环境集成系统模式RIEMS 2.0, 以及利用该模式对东亚地区进行了1979年1月到2000年12月的长期积分试验, 重点考察了区域气候模式对东亚地区的夏季季风的模拟能力. 结果表明: (1) RIEMS 2.0模式能够较好地模拟出夏季表面大气温度的空间分布以及不同区域温度的年变化; 同时模式模拟季平均和月表面大气温度与观测之间偏差大约一般在1~2℃. (2) 对于降水来说, RIEMS 2.0模式能够较好地模拟夏季降水的空间分布特征以及东亚地区雨带季节性演变, 同时RIEMS 2.0模式模拟的雨带演变较RIEMS 1.0更加接近观测. (3) RIEMS 2.0模式能够模拟出大尺度环流背景场. 该研究表明区域环境集成系统模式能够较好地应用于我国区域夏季季风气候模拟研究工作.     

华南大陆S波三维速度结构与郯庐断裂带的南延

利用我国地震台站记录的Rayleigh波观测资料, 通过适配滤波频时分析技术进行数据处理, 获得了穿越我国东南及陆缘地区的Rayleigh波频散. 运用随机反演理论取得了东南大陆及陆缘地带4°×4°网格的纯路径频散数据. 在网格反演的基础上求得了该区S波的三维速度结构. 同时结合该区人工地震深部探测速度结构剖面综合研究了该区构造格局与断裂延深和延伸. 研究结果表明: 华南大陆Moho界面埋深为30～40 km, 并由西向东逐渐减薄, 在陆缘与浅海地域为25～28 km, 具有明显的分区特征. 上地幔低速层埋深为60～100 km, 变化幅度较大. 郯庐断裂跨过长江后在64～96分格(NS)和65～97分格(NS)之间地带向南延伸, 垂直错动幅度可达10 km, 可伸抵170 km左右的深处, 并在海南岛东侧附近潜入海域. 太行山-武陵山-苗岭-越北山区巨型重力梯度带南段深部Moho界面与软流层顶面均向南加深下倾, 并伸入海域. 它可能与郯庐断裂带汇合, 这条重力梯度带与郯庐断裂带均受到东西向潜伏构造的作用与影响.     

我国海南上空中高层大气潮汐风场的首次观测分析

海南富克(19.5°N, 109.1°E)流星雷达是我国低纬地区第一台探测中高层大气风场的雷达. 利用该雷达观测的2009年春季近3个月的风场数据(2月1日至4月20日), 第一次给出了我国低纬地区80~100 km高度范围内大气周日潮汐、半日潮汐及平均风随时间、高度的变化情况. 分析结果表明: 在春季, 我国低纬上空中层顶区存在非常强烈的大气潮汐波, 并且大气周日潮的幅度明显大于半日潮, 周日潮幅度的最大值(约100 m/s)出现在经向风场中. 周日潮和半日潮的相位在垂直方向上向下传播. 与大气潮汐波线性理论模式GSWM02比较表明, 富克周日潮与模式有较好的一致, 而半日潮汐波与模式有较大的差异.     

三维太阳风结构的Ulysses观测和MHD模拟的比较研究

Ulysses从1994年9月到1995年6月第一次对日跨极飞行期间, 发现除赤道附近±20°的区域为300 ~450 km/s的低速太阳风以外, 其余为中高速太阳风, 而在±40°以上为700 ~ 870 km/s的高速太阳风, 而且低速太阳风与高速太阳风之间的过渡面很陡. 本文用三维磁流体力学(MHD)数值模型对Ulysses在太阳活动极小期观测到的太阳风大尺度结构进行了模拟. 这一模型将计算区域分为1 ~ 22 Rs和18 Rs ~ 1 AU两部分, 并将具有总变差减小(TVD)特性的Lax-Friedrich格式和MacCormackⅡ型格式结合起来. 我们根据太阳光球磁场的视向分量观测确定初始磁场, 并在MHD方程组中加入体积加热项, 进行三维MHD模拟. 数值结果再现了上述观测到的大尺度太阳风结构的主要特征, 与Ulysses观测基本相符. 这一工作说明初始磁场以及体积加热可能控制着高低速太阳风的分布, 同时也表明所采用的三维数值模式在模拟大尺度太阳风结构方面是有效的.     

地震地面运动数值模拟中的土层增幅和波的多重干涉效应

阐述了在研究复杂地震灾害问题时不均匀介质中土层增幅率和地震波多重干涉效应对于用数值模拟方法研究地震地面运动的影响. 在数值模拟中, 首先分析了区域地质构造, 使用了由地表微动矩阵观测结果而得来的高精度地震波速度结构. 又运用地表浅层40 m深的钻孔岩(土)芯结构的地质和地震波速度资料, 进一步分析了浅地表土层对于地震波地面运动增幅率分布的影响. 揭示了重灾区地表土层对地面运动增幅率的非线形关系特征. 在地质结构特征分析基础上, 用数值模拟方法计算了日本神户地震灾区地面运动SH波分量加速度波形. 波动方程数值模拟解法中使用了错格实数傅里叶微分算子的拟Fourier谱微分法. 地面运动数值模拟结果表明地表土层的增幅率和地下速度结构特征对地面加速度波形及其最大振幅分布有很大影响. 由数值模拟地面运动结果与该区的1995年日本神户地震建筑物倒塌率关系的分析可知, 模拟所得地面加速度波形最大振幅与建筑物倒塌率的分布极为一致. 远离地震断层的建筑物的两重峰值倒塌率也和加速度的峰值吻合. 利用模拟的瞬间地震波不均匀多层介质中空间传播快拍图像分析了两重地面运动峰值与地质构造的关系. 结果表明两重峰值的地面运动可能是由基岩表面传入沉积层表层的次生面波和沉积层中体波干涉形成了第1次地面运动峰值; 表层下层通道波次生的面波与体波干涉形成了第2次波动干涉, 导致了第2个地面运动峰值. 这表明了波的多重干涉与地下结构有关. 由此可知详细分析土层增幅率和与地质结构相关的波的多重干涉现象对于用地面运动数值模拟方法研究地震灾害及建筑物倒塌率分布特征是十分有益的. 地质构造和结构的调查研究, 地面运动数值模拟分析对于地震波传播和抗震研究都是十分重要的.     

南海东北部障碍层特征及其形成机制

南海东北部(16°~25°N, 112°~124°E)存在显著的障碍层分布. 障碍层发生概率秋季最大(45.7%), 夏季次之(31.1%), 春季最小(23.3%). 吕宋海峡及其以西的南海东北部中心海域(18°~22°N, 112°~120°E)障碍层年发生几率约为40.0%, 中国台湾海峡南端、台湾岛南端东西两侧、台湾岛以东(22°~24°N, 122°~124°E)和吕宋岛东北海域(18°~20°N, 122°~124°E)障碍层年发生几率分别为19.0%, 61.1%, 33.3%和80.0%; 其他海域障碍层年发生几率偏小. 层结机制和降水机制分别是南海东北部春季(特别是冬末春初)和夏、秋季障碍层形成的主要原因, TRMM卫星观测为后者提供了可靠的依据.     

中国及周边地区夏季中尺度对流系统分布及其日变化特征

利用1996~2006年(无2004年)10年6~8月地球静止卫星高分辨率逐时红外亮温(简称TBB)资料对夏季中国及周边地区的中尺度对流系统(简称MCS)活动情况进行了统计分析, 并同已有文献中使用常规地面观测资料统计的雷暴日数分布以及低轨卫星观测的闪电资料分析结果进行了对比, 结果表明低于-52℃红外亮温的统计特征可以较好地展现该地区夏季MCS时空分布的基本气候特征. 该地区夏季MCS的总体分布特点是具有3条东西分布的带状MCS活跃区; 30°N附近的活跃中心表现为明显的东西波动状; 从大气环流来看东亚夏季风把3条MCS活跃带联系在一起. 重点对不同下垫面区域的MCS日变化特征进行分析表明中国及其周边地区具有单峰与多峰型两种MCS日变化特点, 单峰型MCS多发生在高原与山区, 多峰型MCS多发生于平原与盆地. 由于不同地区单峰型MCS持续时间与活跃时段的并不相同, 因此又可以区分为青藏高原MCS、一般山地热对流、琉球附近海域MCS等. 多峰型MCS具有类似于MCC (中尺度对流复合体)日变化的特点, 反映此类MCS生命史较长、水平尺度较大、日落后一度减弱、午夜后又再度发展. 青藏高原MCS与一般山地热对流一般都在午后发展, 但青藏高原MCS持续时间长, MaCS(a中尺度对流系统)活跃. 琉球附近海域MCS具有午夜后发展、持续时间长的特点, MaCS也较活跃. 印度季风涌地区由于充沛的水汽与有利的大尺度环境使得全天几乎任一时次MCS都很活跃, 而且MaCS非常活跃. 四川盆地地区由于山谷风环流的影响MCS夜发性特征特别显著, 该区域也是MaCS的活跃区之一. 两广地区海陆交界处是海陆风环流显著的区域, 因此MCS具有午后向陆地传播、午夜后向海洋传播的特征. 低于-52℃红外亮温的气候统计特征清楚地展现了海、陆、山地的热力性质差异所导致的MCS不同气候分布特点. 不仅大尺度大气环流而且海、陆、山地热力差异引起的局地环流在很大程度上决定了中国及周边地区夏季中尺度对流系统活动的气候特征.     

2003年6月中下旬长江口外海区冲淡水和赤潮的观测及分析

2003年6月中下旬应用多参数环境监测系统YSI6600和取水样分析对长江口外海区进行了多学科综合观测. 观测期间长江冲淡水以双峰状向外扩展, 一股朝东南, 一股朝东北, 主轴朝东北方向扩展. 长江口外海区发生了严重的大面积赤潮现象, 水体呈褐色, 叶绿素的分布在近口门侧也呈双峰结构, 位置和形状与冲淡水的扩展基本一致. 水样分析表明, 长江冲淡水携带的大量营养盐造成水体严重的富营养化是赤潮爆发的主要原因. 大部分测点赤潮生物优势种为中肋骨条藻. 叶绿素a的分布存在3个高浓度的中心, 分别位于(122.45°E, 31.5°N), (122.4°E, 30.8°N)和(123.25°E, 30.0°N). (122.45°E, 31.5°N)处的赤潮位于长江冲淡水主峰和高浊度的水中, 生物优势种为具齿原甲藻, 密度为2.23×106个/L. 122.4°E, 30.8°N处的赤潮位于长江冲淡水次峰和低浊度的水中, 生物优势种为中肋骨条藻, 密度为107个/L. 123.25°E, 30.0°N处的赤潮生物优势种为异甲藻, 密度为2×106个/L, 为首次发现该生物在长江口外海区形成赤潮.