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.     

唐山地震前北安河和密云重力固体潮台站资料的初步分析

北安河和密云两重力固体潮台站位于北京地区,在唐山地震震中的西北方向,距震中约160公里。对两台站自1976年1月1日至9月16日的重力固体潮观测资料进行了分析。首先用别尔采夫方法求出了重力仪的零点飘移曲线;然后用勒卡拉兹方法求出了主要半日波和主要日波自1月16日至9月2日的每日的重力潮汐因子,并对唐山地震前M_2波重力潮汐因子的变化趋势进行了分析。最后,就利用重力固体潮资料予报地震的观测方法提出了几点建议。     

大气中非线性的惯性重力内波

本文从P坐标系的非线性大气动力学方程组出发,导出惯性重力内波满足非线性的KdV方程。它的解为椭圆余弦波和孤立波,并讨论了惯性重力内椭园余弦波和孤立波的动力学主要特征。对有限振幅的惯性重力内波,建立了包含波的振幅因子非线性惯性重力内波的色散关系,它的特殊情况即是通常线性的惯性重力内波的色散关系。     

重力波波包在水平风场中非线性传播的数值模拟--Ⅰ.水平风场为均匀风场

采用全隐欧拉格式(FICE)对重力波波包在均匀风场中的三维非线性传播进行了数值模拟,给出了波包在三维空间中非线性传播的过程,分析了重力波的传播特性及风场对重力波传播的影响.计算结果表明:波振幅随高度的增加而增长,但比线性条件下的指数增长要慢;波包非线性传播的路径和能量传输速度不同于线性重力波理论给出的结果,非线性效应在顺风场中比在逆风场中更显著;风场会改变重力波传播的路径和速度.     

重力波波包在水平风场中非线性传播的数值模拟——I．水平风场为均匀风场

采用全隐欧拉格式(FICE)对重力波波包在均匀风场中的三维非线性传播进行了数值模拟，给出了波包在三维空间中非线性传播的过程，分析了重力波的传播特性及风场对重力波传播的影响。计算结果表明：波振幅随高度的增加而增长，但比线性条件下的指数增长要慢；波包非线性传播的路径和能量传输速度不同于线性重力波理论给出的结果，非线性效应在顺风场中比在逆风场中更显著；风场会改变重力波传播的路径和速度。     

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...     

平流层全球重力波活动的气象电离层及气候卫星观测

利用从2007年1月~2013年2月的COSMIC(constellation observation system for meteorology ionosphere and climate)温度数据,分析了平流层(20~35 km)的全球重力波活动及其随纬度、高度和季节的变化特征,揭示了平流层不同纬度重力波活动的中期变化规律;以及重力波振荡周期随纬度的变化。赤道地区重力波全年活动很强,且存在明显的准两年振荡(quasi-biennial oscillation,QBO)。在20°S~20°N的重力波势能极大值区与强对流区域保持一致。中高纬地区重力波主要表现为冬季强夏季弱。中纬地区,两个半球冬季陆地上重力波活动强于海洋,且南美洲南部安第斯山每年除夏季外,都有较明显的重力波活动。高纬地区,南半球冬季重力波分布保持稳定,而北半球则在某些区域增强,某些区域较弱,这一现象可能是与SSW(stratospheric sudden warming)相关。通过LS谱图分析,发现QBO主要出现在平流层低纬地区,AO(annual oscillation)和SAO(semiannual oscillation)则主要出现在平流层中高纬地区。     

FTP法测量矩形壳液耦合系统中的重力波

为了测量矩形弹性壳液耦合系统中的重力波的三维外形，实现大变形液体的非接触测量，使用激振器对矩形弹性壳液耦合系统在水平方向进行激振，得到大幅低频重力波、用幻灯机将光栅投影到重力波表面，光栅图像因为重力波的出现会发生变形、采用CCD摄像机和图像采集系统，分别采集到液体表面静止和出现重力波时的光栅图像，经过频域的滤波处理以后，计算得到重力波的三维形貌、结果表明，傅里叶变换莫尔法对实现大变形液体三维形貌的非接触测量非常有效，它提供了一种研究壳液耦合问题的新方法。     

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.     

平流层全球重力波活动的COSMIC观测研究

本文利用从2007年1月到2013年2月的COSMIC（Constellation Observation system for Meteorology,Ionosphere and Climate)温度数据,分析了平流层（20-35 km）的全球重力波活动及其随纬度、高度和季节的变化特征,揭示了平流层不同纬度重力波活动的中期变化规律。以及重力波振荡周期随纬度的变化。赤道地区重力波全年活动很强,且存在明显的准两年振荡(quasi-biennial oscillation,简称QBO)。在 〖20〗^° S-〖20〗^° N 的重力波势能极大值区与强对流区域保持一致。中高纬地区重力波都主要表现为冬季强夏季弱。中纬地区,两个半球冬季陆地上重力波活动强于海洋,且南美洲南部安第斯山每年除夏季外都有较明显的重力波活动。高纬地区,南半球冬季重力波分布保持稳定,而北半球则在某些区域增强,某些区域较弱,这一现象可能是与SSW（Stratospheric Sudden Warming）相关。通过LS谱图分析,我们发现QBO主要出现在平流层低纬地区,AO（annual oscillation,简称AO）和SAO（semiannual oscillation,简称SAO）则主要出现在平流层中高纬地区。     

分层流风波水槽中基于线阵CCD水面影像反演内孤立波的实验研究

在大型重力式分层流风波水槽系统中,利用风生波原理模拟水面随机小尺度波场,采用重力塌陷方式产生大振幅孤立子内波,通过线阵CCD影像记录其传播过程中引起的水面小尺度波结构变化,分析孤立子内波对水面短重力波及毛细(重力)波的影响规律,建立线阵CCD图像灰度特征与内波要素特征的关系,进而由水面波场变化反演出水下孤立子内波的特征结构.实验结果证实了本文方法的有效性,也为实际利用海面粗糙度及海水层化特性遥感海水内部动力学研究提供了新的途径.     

二阶挠曲重力波对直墙作用及其奇异解

利用特征函数展开法,对有限水深下二阶挠曲重力波在直墙前的反射问题做了求解．计算了直墙上二阶挠曲重力波作用力随入射波浪频率的变化关系．数值结果显示在某一特殊频率下二阶挠曲重力波作用力会趋向无穷．进一步研究表明,在该频率下挠曲重力波的相速度与倍频下的相速度相等,使得挠曲重力波的二阶分量分母为零而出现奇异性．这一奇异解的出现,使得入射波浪存在不确定性,对非线性挠曲重力波与结构物作用问题的求解造成困难．这是一个非常有意义但尚未解决的问题,需进一步探索．     

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。     

重力波波包在水平风场中非线性传播的数值模拟--Ⅱ.水平风场为非均匀风场

采用全隐欧拉格式(FICE)对重力波波包在非均匀风场中的三维非线性传播进行了数值模拟,给出了波包在三维空间中非线性传播的过程．分析了重力波的传播特性及风场对重力波传播的影响．计算结果表明：波振幅随高度的增加而增长．但比线性条件下的指数增长要慢;重力波在剪切风场中非线性传播时垂直波长随高度的增加而减小。     

基于FUNWAVE-TVD模型的岸礁次重力波数值模拟

为了研究不规则波条件下岸礁上次重力波的传播规律,采用完全非线性的Boussinesq数值模型FUNWAVE TVD对波浪水槽的物理模型试验进行了数值模拟。在对短波、次重力波有效波高与时均水位模拟结果验证的基础上,采用互相关分析与小波二阶谱研究了次重力波的生成、传播过程及相关的非线性能量传递。结果表明：礁前次重力波从谱峰频段获得能量;礁前斜坡上水深变浅时,非线性作用加剧,更多波能从谱峰频段传至高频段与低频段并伴随着约束波的成长;礁坪上次重力波主要由破碎点移动产生,礁坪末端能量传递主要发生在低频段之间。     

热带下平流层重力波的季节和年际变化特征

利用位于热带太平洋中的Truk岛（7.4°N，151.8°E）长达7年的（1998—2004年）高垂直分辨率探空观测资料分析了热带地区下平流层（18—25km）重力波活动的气候特征.分析结果显示，在该高度范围内，重力波活动表现出明显的季节变化，总能量在一月份达到最大，6月份最小；这种变化与北半球西风带向南扩张从而加强当地对流活动的气候特征是一致的.研究结果还表明，重力波活动还有显著的与赤道QBO周期一致的年际变化.赤道QBO的东风位相向西风位相转变的时段，重力波能量总是达到异常的最大，此地区重力波活动的年际变化与QBO密切相关.此外还介绍了重力波的其他参数，如固有频率，垂直波长和传播方向.     

基于改进ICA算法对云南地区重力固体潮中地震前兆信息的提取与识别

固体潮信号是地球自转在月球和太阳作用下产生的混合复杂信号,其中包含大量的谐波分量,而实际重力固体潮信号中包含了丰富的地震前兆信息.该文提出一个重力固体潮信号的正交分解模型,通过将重力固体潮信号谐波分量,分解在两个正交的方向上,以提取独立的谐波分量：半日波信号、日波信号、长周期波信号.在重力固体潮地震前兆信息分析中引入ICA算法,结合ICA的自身的特点进行算法优化,对重力固体潮信号中包含的三类谐波进行提取.通过对重力固体潮信号中包含的长周期波的分析,研究长周期波的时序变化特征,从中读取其包含的震颤异常波从而提取地震前兆信息.通过对云南地区的实际震例分析表明,长周期波在地震前后的确存在异常变化特征量,此类异常变化常出现在地震前和地震后大约30 d左右.得到的时序特征量的变化容易观察,对于地震前兆信息的分析具有明确的物理意义.     

2018年4月钠层激光雷达观测特性研究

通过钠层激光雷达观测,研究了中国低纬地区2018年4月的特征采集样例,对比观测发现海南上空出现了间歇型的钠层分布规律,以及较为少见长久持续的钠层双峰结构。同时观测到了4月单天的钠层结构与重力波的相互作用。在重力波的作用下钠层峰型保持完好,并有明显的峰位向下移动。当重力波达到饱和值时,波破碎导致了钠层形态的变化,实验观测数据与理论符合极好,表明春季中国低纬度地区钠层变化具有一定的多样性。     

海滩碎波带波性质的统计对比分析

利用台风影响下的海滩碎波带采集的两个测点的压力波资料从频域作了处理与计算 ,对波谱形态特征 ,有效波高、峰值周期、有效波陡、波的群性因子、碎波谱的平衡域和长重力波要素等相应的波性质作了对比分析。     

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。