Andes上空中间层和低热层中大气惯性重力波的激光雷达观测

利用Andes观测站(30. 3°S,70. 7°W)激光雷达2016年6月8～9日共11. 6 h的风场、温度以及钠原子数密度的观测数据,研究了一个在中间层顶区域惯性重力波活动事件。谱分析表明,这个惯性重力波的周期约6. 6 h,垂直波长约7. 5 km,水平波长约826 km。根据矢端曲线法分析发现,此惯性重力波的传播方向大约为西偏北38. 6°。计算出它的垂直群速度约0. 2 m·s~(-1),水平群速度约22. 9 m·s~(-1)。射线追踪结果表明,上传惯性重力波可能来自于平流层的急流区域。虽然该惯性重力波不能达到不稳定性的阈值,但是理查德森数和浮力频率显示,由于不同扰动分量的叠加,导致了在一些高度和时间上,动力学的发生和对流不稳定性的存在。因此,叠加效应引起的不稳定性可能会对中间层-低热层中波的饱和度和幅度约束有显著影响。同时利用重力波偏振关系和惯性重力波纬向风扰动,计算出了经向风、温度和大气密度扰动,同时观测的经向风和温度扰动与计算的结果一致,表明观测到的准单色惯性重力波能很好满足重力波偏振关系。另外,计算得到的大气密度扰动与观测的钠原子数密度扰动相位一致,证实了中间层-低热层区域的钠原子可以作为重力波的示踪物。     

北半球冬季准定常行星波传播的年代际变化

通过利用NCEPNCAR再分析资料对1958—2004年共46个冬季北半球大气准定常行星波传播的年代际变化进行分析，发现气候态意义下的准定常行星波沿高纬度由对流层向平流层的传播和在对流层内向低纬度的传播之间存在显著的反相振荡关系. 进一步的研究还表明，准定常行星波传播的年代际变化与北极涛动有密切的联系；北极涛动的正位相对应于在对流层有异常强的从中高纬度向低纬度对流层顶附近的波动传播，同时通过极地波导向平流层的传播明显减弱.其结果不仅说明大气内部的准定常行星波与纬向平均流相互作用可以产生年代际尺度的变化；而且提供了平流层变化影响对流层大气环流长期变化的一种动力学机制.     

重力波与不同背景风场之间的非线性相互作用

采用二维可压缩大气中重力波非线性传播的数值模式和线性重力理论，研究了重力波在反向和同向(是指风场方向与重力波水平相速度方向相反和相同)背景风场中的传播过程. 结果表明：反向背景风场将拉伸重力波的垂直波长，加速重力波的上传，这一效应导致重力波在较短的时间内上传到较高的高度上并发生不稳定，引起背景风场产生反向射流. 反向射流经过非线性波流相互作用导致重力波的垂直波长逐渐变短. 重力波在同向背景风场中传播时，其垂直波长和群速度都减小，推迟了重力波发生不稳定的时间. 虽然大部分重力波被限制在同向风场中的不稳定区域内，但在不稳定区域上方仍有部分重力波继续稳定地向上传播. 对重力波在反向和同向背景风场中的非线性传播情况的模拟发现，与重力波在同向背景风场中的传播情况相比，重力波与反向背景风场之间的非线性相互作用也非常强烈，而不像经典线性理论预测的那样可以自由传播，并且重力波在反向背景风场中传播时的垂直波长与线性理论预测的结果差别很大.     

基于COSMIC RO数据分析青藏高原下平流层重力波的活动特征

重力波的传播及其动力学效应对下平流层的大气环流具有重要影响,通过高时空分辨率的观测资料获取下平流层重力波的相关参数,有利于提高大气循环模式的预报精度和可靠性。利用2006年8月至2016年7月COSMIC (the Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere, and Climate)掩星(Radio Occultation, RO)任务反演的干温廓线,通过S变换,纬向滤波等处理,提取表征重力波活动的参数——势能。以此分析了青藏高原重力波的垂直分布特征和空间分布特征。青藏高原上空的重力波势能存在明显的先减小后增大的垂直分布。对流层顶以下的势能因较小的浮力频率而异常较大;在对流层顶至0风场线,强西风促进重力波的向上传播,势能值相对较大;0风场线对地形激发的准静态重力波存在过滤作用,势能值在0风场线处急剧减小;36 km以上的重力波势能受到强西风的影响而异常增大。青藏高原下平流层的重力波活动有明显的季节变化,重力波活动在冬季较强,夏季较弱。在18～20 km、20～22 km高度,重力波势能的分布在春季、夏季、秋季相...     

充液圆柱壳内旋转重力波的振动分析

为揭示充液弹性圆柱壳受高频激励，壳内自由液面出现低频大幅旋转重力波的产生机理，应用非线性动力学理论，在考虑弹性壳与流体的非线性耦合条件下，建立了壳液耦合系统的非线性振动方程组．运用Runge-Kutta法进行数值求解，得到了该系统振动的时间历程及频谱特性曲线，进一步分析了系统的非线性动力学特性．结果发现，当激励力幅值足够大，且激励力频率在壳体固有频率与液体固有频率之和的附近窄频带内时，壳内自由液面会出现大幅低频旋转重力波．由此可知，低频大幅旋转重力波的产生机理是由壳体两个同频率模态同时在壳液耦合系统非线性因素的作用下而引起的组合共振．     

Andes上空MLT中大气周日潮的流星雷达观测研究

本文利用了Andes(30．3°S,70．7°W)流星雷达2010年1月1日至2014年3月21日的观测数据,研究了中间层和低热层(mesosphere and lower thermosphere,简称MLT)区域水平背景风场,周日潮汐以及周日潮汐与行星波之间的相互作用,并与模式结果进行了比较。多年观测结果表明,在80-100 km高度,月平均经向风场在5-8月份是南向风,在10-2月份是北向风,其变化范围在-11 m?s^(-1)到13 m?s^(-1)间,明显比HWM-07模式计算的月平均值-4 m?s^(-1)到6 m?s^(-1)范围大;观测的月平均纬向风场全年主要以东向风为主,只有少数月份的少数高度为西向风,风速范围为-14 m?s^(-1)到32 m?s^(-1),比模式计算的月平均值-20 m?s^(-1)到37 m?s^(-1)变化范围略小。观测和GSWM-00模式给出的周日潮汐月平均振幅时空分布都呈现双峰结构,观测的最大峰值出现在3月份,经向和纬向分量月平均振幅峰值分别为51 m?s^(-1) 和44 m?s^(-1),次峰出现在9月份,经向和纬向分量月平均振幅次峰值分别为40 m?s^(-1) 和37 m?s^(-1)。模式计算的经向和纬向月平均振幅峰值约为观测值的2倍,且峰值出现的时间也比观测值晚1-2个月。这些研究结果表明,模式对南半球月平均风场和周日潮汐的描述,与实际观测值间存在明显差异,还需要加强对南半球的观测研究,来不断提高和完善目前的模式。此外,我们的研究显示,在MLT区域,由于周日潮汐和行星波都比较强,周日潮汐能与不同周期的行星波相互作用,产生新的谱成分,从而导致潮汐发生短期变化。     

Alfvén波与等离子体的共振相互作用

采用粒子模拟（ PIC）方法,研究沿背景磁场传播的Alfven波与均匀磁化等离子体共振相互作用的过程。模拟结果表明：共振加热过程中,在平行和垂直于背景磁场的方向上,质子温度均得到增加,且垂直方向上的温度增加更为明显,等离子体温度呈现各向异性;同时,不同的波频率影响波粒子加热效果,并且一定范围内,共振加热期间,共振波频率越大,加热效果越好。而经过随机加热后,粒子动力学温度的最大值与波频率无关,仅仅与波的相速度相关。     

套管柱在钻井液-水泥浆耦合系统中振动特性的数值模拟

利用ANSYS Workbench数值模拟软件分析了油井环空内套管柱共振响应特性,研究了振动波在套管柱-钻井液-水泥浆耦合系统中的传播规律。结果表明,套管柱共振频率随自身长度的增加而逐渐减小;套管柱底端振幅随频率、套管壁厚的增加而减小,随激振力的增大而增大;振动波衰减曲线分为快速衰减和缓速衰减两部分,振动波衰减速率随激振频率、套管壁厚的增加而逐渐减小,随激振力增加而加快;"强激振力+薄壁套管+低频"组合下共振效果明显,适合改善局部井段固井质量,而"弱激振力+厚壁套管+高频"组合振动波作用距离较远,适合提升长井段固井质量。     

武汉超导重力仪测定的近周日共振

采用武汉超导重力仪在新台站1997-12-20～2000-04-30期间重力潮汐观测资料和最新海潮模型研究了地球的近周日共振. 结果表明,地球近周日自由摆动的本征频率为-(1+1/435.2)Ω(Ω为地球自转恒星频率),品质因子为4730,共振强度为(-6.34×10-4, -0.09×10-4)°/h. 为了便于比较, 采用该仪器在旧台站1985-11-25～1994-12-31的观测资料作了同样的工作, 结果表明,相对较大的背景噪音将严重地扭曲拟合的近周日共振特征. 近周日共振导致P1,S1,K1,Ψ1和Φ1波的扰动分别为-0.0682, -0.0025,-0.6989,0.0277和0.0072 μGal. 考虑近周日共振效应可以有效改善局部的潮汐理论模型和海潮负荷重力效应改正模型.     

基于平移不变剪切波变换的医学图像融合

传统的基于剪切波变换的融合方法在融合图像的奇异处易产生伪吉布斯现象.为此,文中提出了一种基于平移不变剪切波变换的医学图像融合新方法.该方法利用平移不变剪切波变换将待融合的医学图像分解成低频子带和高频子带,并使用基于区域系数绝对值和权重的规则融合低频系数；对于高频子带,提出一种基于支持向量值激励的自生成神经网络的高频子带...     

Andes上空中间层和低热层中大气周日潮的流星雷达观测研究

利用Andes(30.3°S,70.7°W)流星雷达2010年1月1日~2014年3月21日的观测数据,研究了中间层和低热层(mesosphere and lower thermosphere,MLT)区域水平背景风场、周日潮汐以及周日潮汐与行星波之间的相互作用;并与模式结果进行了比较。多年观测结果表明,在80~100 km高度,月平均经向风场在5~8月份是南向风,在10~2月份是北向风,其变化范围在~(-1)1~13 m·s~(-1)间,明显比HWM-07模式计算的月平均值-4~6 m·s~(-1)范围大;观测的月平均纬向风场全年主要以东向风为主,只有少数月份的少数高度为西向风,风速范围为~(-1)4~32 m·s~(-1),比模式计算的月平均值-20~37 m·s~(-1)变化范围略小。观测和GSWM-00模式给出的周日潮汐月平均振幅时空分布都呈现双峰结构,观测的最大峰值出现在3月份,经向和纬向分量月平均振幅峰值分别为51 m·s~(-1)和44 m·s~(-1),次峰出现在9月份,经向和纬向分量月平均振幅次峰值分别为40~37 m·s~(-1)。模式计算的经向和纬向月平均振幅峰值约为观测值的2倍,且峰值出现的时间也比观测值晚1~2个月。这些研究结果表明,模式对南半球月平均风场和周日潮汐的描述,与实际观测值间存在明显差异,还需要加强对南半球的观测研究,来不断提高和完善目前的模式。此外,我们的研究显示,在MLT区域,由于周日潮汐和行星波都比较强,周日潮汐能与不同周期的行星波相互作用,产生新的谱成分,从而导致潮汐发生短期变化。     

北半球准定常行星波经向结构及特征尺度分析

准定常行星波对于热带外地区的天气和气候有着举足轻重的影响.以往对于准定常行星波的研究主要针对某一纬度或多纬度平均的纬向波动进行分析,因此准定常行星波的经向结构及特征尺度尚不清楚.利用经典的Rossby波的频散关系,对传统定常波的水平全波数的计算方法进行了改进,将纬向和经向波数进行分离,得到了描述准定常行星波运动学特征的纬向和经向特征波数,从理论上给出了准定常行星波空间尺度的动力约束条件,进而对北半球行星波动的经向结构及特征空间尺度进行了分析.结果表明:在北半球热带外地区,冬季准定常行星波的经向尺度以1波为主,表明准定常行星波的经向结构多为偶极子型;而纬向波数随纬度的增高而减小,表明大尺度的准定常波可以在高纬度传播,而较小尺度的准定常波只能在较低纬度传播.进一步利用大气环流观测资料分析冬季不同纬度间准定常行星波(纬向1～3波)的位相关系,发现不同纬度间的准定常行星波以反位相关系为主,且行星波的经向活动区域随着纬向波数的减小而向极地延伸.观测得到的冬季准定常行星波的纬向和经向结构特征,与理论推导的纬向和经向特征波数的时空分布特征基本对应.     

湍流和分子扩散对大气重力波翻转时间影响的模拟研究

重力波翻转意味着对流不稳定并伴随有非线性的波流相互作用,这是重力波改变背景大气结构的重要途径之一.利用自主建立的模拟重力波非线性传播过程的二维数值模式,研究了重力波的翻转时间(重力波发生对流不稳定时的持续时间)对湍流和分子扩散的依赖关系.模拟结果表明,翻转时间随着湍流扩散系数的增加而减小.通过与三维数值模式模拟的重力波翻转时间进行比较,适当调整湍流扩散系数,使得从二维模式得到的翻转时间与从三维模型得到的翻转时间具有可比性,从而得到湍流扩散系数的最优值.分子扩散从低热层开始,以指数形式增大,从而能够有效地耗散掉小尺度波动并使得重力波能够更快地恢复到稳定状态.     

具有低频传感和高频宽带吸收功能的超材料吸波体设计

基于钛酸锶和电阻膜设计了一种多层结构的具有低频传感和高频宽带吸波功能的超材料吸波体.超材料吸波体在低频1.09 GHz处产生了一个可用于传感测量的吸收峰;在高频9.2～10.9 GHz之间产生了一个宽带吸收峰,带宽达1.7 GHz.通过对超材料吸波体吸收频率处的表面电流分布进行监控,阐述了低频和高频处的吸波机理.仿真计算结果证实,吸波体在低频和高频处的吸波特性是极化无关的,但是对入射角度是敏感的.超材料吸波体具有结构简单、功能多等优点,在传感测量、探测和电磁隐身等领域具有潜在的应用价值.     

Fe填充碳纳米管微波吸收材料的研究

实验采用二茂铁热分解原位沉积法制备了金属Fe填充碳纳米管复合雷达吸波材料.高分辨透射电镜观测证实了Fe在碳纳米管内的填充发生,填充的金属Fe在碳纳米管内呈准连续的纳米线.采用HP8722ES矢量网络分析仪测量了样品在2～18 GHz频率范围内的复介电常数和复磁导率.采用吸收屏理论公式计算材料反射率损耗、匹配频段及匹配厚度.结果表明,样品反射损耗随吸收层匹配厚度的增大,吸收峰向低频方向迁移.吸收层在Ku波段具有较好的吸波效果.当吸收层匹配厚度为3.5 mm时,在中高频范围内,反射衰减最大达-22.73 dB,反射衰减小于-10 dB的频宽达4.22 GHz.     

SH波作用下浅埋隧洞的动应力集中特性

针对平面SH波作用下浅埋隧洞的动力响应问题,采用复变函数和多极坐标方法,研究了入射波频率、入射角度以及隧洞埋深对隧洞动应力的影响规律.研究结果表明:低频波入射时隧洞埋深对动应力集中系数分布影响不大,但高频波入射时影响较为明显;随着入射波与水平面角度逐渐增大,隧洞动应力集中系数(dynamics stress concentration factor,DSCF)分布越来越复杂,最大值从低频段逐渐转移到高频段;当入射角θ0>0时,最大DSCF略大于3,远大于深埋隧道的2.3;当θ0=0、波数小于0.5且隧洞埋深h>4a(a为半径)时,最大DSCF的谱分布较均匀,此时从最大DSCF的角度可将隧洞近似当成深埋隧洞来分析入射波对隧洞的动力作用.     

水平管泡状流强制扰动下的空隙波特性

在水平透明玻璃管内以空气和水为流体介质研究了强制扰动下气-液两相泡状流空隙波的特性,应用高速摄影仪和电导探针,对不同扰动频率下空隙波的不稳定性和波速进行了观察测量.研究结果表明,空隙波对于外界周期性扰动具有频率选择特性,随含气率的提高,扰动传播的衰减减慢,流动不稳定性增加.对应于一定的扰动频率,空隙波有不同的速度概率分布,呈现色散特性.空隙波的波速概率分布在两相混合流速处出现峰值,向两侧加速递减,与高斯分布接近.     

基于超材料技术的吸波型频选结构设计

提出了一种复合型吸波频率选择表面（absorptive frequency selective surface, AFSS）结构,由超材料吸波体（metamaterial absorber, MA）和频率选择表面（frequency selective surface, FSS）组成.复合型MA由加载电阻的平面型方环结构和立体型双面开口C型环结构组成,吸波频段为4.79～30.57 GHz,具有极化不敏感特性,在斜入射45°内保持稳定吸波. FSS采用了圆环缝隙旋绕结构,通过6次旋绕枝节实现了1.96～2.16 GHz频段内小于1 dB的插入损耗,形成低频通带.二者组合形成的复合型AFSS,能在1.28～1.38 GHz频段内良好透波,4.88～30.58 GHz频段内宽带吸波,实现了吸透波一体的性能.     

三维多层流动过孤立山脉产生的山脉重力波的数值试验

利用中尺度数值模式ARPS研究了分层流动大气中的非线性山脉重力波。分层流动过孤立山脉所产生的山脉重力波的数值模拟表明,具有两层模式结构的气流过孤立山脉产生一个发散模态的拦截背风波,同线性理论模式计算结果具有基本相同的流动特征。但是具有三层模式结构的气流过孤立山脉所产生的非线性山脉重力波和大气船波表现出同两层模式结构的气流完全不同的流动特征,因非线性相互作用在山脉背风面产生了2个发散波模态的拦截背风波向山脉下游传播,具有同两层模式和线性理论模式相比更加复杂的波动特征。     

冬季全球大气季节内振荡的特征分析

利用欧洲中期数值天气预报中心的ERA-40逐日再分析资料,计算得到350 K等熵面上45年冬季气候平均位势高度场,再利用Butterworth滤波器得到等熵面上位势高度30～60 d低频波.应用经验正交分解(EOF)对冬季350 K等熵面上的低频位势高度场进行时空分析,结果表明:在第1主分量场上,空间分布特征最明显的是南极涛动(AAO)、北极涛动(AO)、北美-太平洋涛动(PNA)以及经向偶极型低频变化.这种空间分布形式说明在350 K等熵面上南北半球间通过太平洋地区的经向低频波列传播,使得AAO与AO相互影响,相互作用.第2主分量场上,空间分布特征则表现出全球经向和纬向上的低频波列特征,以及南北半球在大西洋地区的相互作用.将EOF分解得到的前2个主分量场的时间系数投影到1957—2002年冬季的时间序列中,发现冬季全球大气低频振荡在20世纪70年代末80年代初发生了明显的年代际突变,并在80年代末以后逐渐加强.说明在80年代末以后冬季南北半球的低频变化相互作用有所加强,也说明太平洋,大西洋上的经向传播特征更为明显.