移动压力面诱导的固壁冰航道内弯曲重力波传播特性研究

在冬季冻结的内河航道以及冰水池模型试验等限制航道场景下,弯曲重力波和冰相互作用过程中由于冰板与冰池固壁面之间的边界条件,池壁效应的影响通常较大,不可忽视.基于此,针对移动压力面在固壁冰航道匀速运动引起的冰板稳态响应问题,建立数学模型,并采用分离变量法、正交模态法和傅里叶变换推导了该模型的解析解,得到冰板变形响应的积分表达式,通过数值计算对该问题进行数值求解.在验证积分表达式的收敛性的基础上,基于弯曲重力波在固壁冰航道内传播的临界速度,分析移动压力面在不同速度区间下运动引起的弯曲重力波特点,研究压力面相对航道壁面位置对弯曲重力波的影响,讨论航道水深和冰厚参数对移动压力面破冰能力的影响,总结压力面运动速度、压力面与航道壁面的位置关系、冰厚及水深变化对冰板变形和应变的影响规律,以期为开展冰水池模型试验和内河破冰提供一些参考.

重力波在四川盆地东北部一次夜间山地暴雨中的作用初探

利用GPM卫星降水、FY-4A卫星云图和ERA5再分析资料,对2018年7月10—11日发生在四川盆地东北部山地的一次夜间暴雨过程中的重力波作用进行初步探究。结果表明:(1)云水含量的振荡形式及位温场的波状变化在一定程度上反映了波动对中尺度天气系统的影响。(2)风垂直切变指数、热力螺旋度与水汽螺旋度变化的波动趋势存在于波动发生发展期间,一定程度上呈现出重力波特征。(3)风垂直切变指数大值区、热力螺旋度和水汽螺旋度极值中心皆与降水量大值区有良好对应关系。(4)地形扰动、切变不稳定、非地转平衡协同作用下可能形成重力波,并对此次暴雨产生增强作用。理查逊数小值区、非线性平衡方程的非零值区分别对雨带位置、移动方向具有指示作用。理查逊数的诊断表明,垂直切变不稳定在中尺度波动被激发之前形成;而垂直切变不稳定随波动增强而减弱,表明波动部分能量来自不稳定气流。

尺度适应重力波拖曳方案在高分辨率数值预报中的应用研究

随着数值模式分辨率越来越高,在复杂地形区域仅考虑高层重力波拖曳作用和地形阻塞作用具有局限性,WRFv4.3模式中新型重力波拖曳方案在原有大尺度重力波拖曳和地形阻塞作用基础上新加入了边界层小尺度重力波拖曳作用,且对湍流地形拖曳作用增加了描述,从而可以达到尺度适应。为了验证新的重力波拖曳方案的效果,本文基于华北区域3 km对流可分辨模式开展了2021年冬季重力波拖曳参数化方案应用试验,对比分析了三组试验方案:不开启重力波拖曳、原有的仅考虑大尺度重力波拖曳和阻塞作用的方案以及新型的尺度适应方案的模拟结果。试验结果表明:原有重力波拖曳方案仅考虑重力波拖曳和大尺度地形阻塞,在3 km模式中对复杂地形附近整层风场影响较大,但是正效果有限;新型尺度适应重力波拖曳方案在3 km分辨率模式中大尺度重力波拖曳和阻塞拖曳作用为0,仅由边界层内小尺度重力波拖曳和湍流地形拖曳起作用,能够达到尺度适应效果;由于高层重力波拖曳为0,开启新型重力波拖曳会降低低空尤其是边界层内风场预报正偏差,对高空风场无影响;对模拟区域的统计检验结果表明,新型重力波拖曳方案可以有效减少地形复杂区域近地面风场预报的误差,但对温度等其它要素的改善有限。

三峡库首流量日调节模式驱动的重力波振幅计算方法研究

为解决以往重力波振幅估算精度不高的问题,基于2018年1—10月三峡水库的出库流量和库区多个站点上的水位等实测资料,建立了CE-QUAL-W2三峡库区干流水动力模型,在验证模型有效的前提下,设置多种水位和流量工况,对库首重力波振幅进行数值计算,并利用计算结果对以往的重力波振幅估算公式进行重新拟合。与以往重力波估算方法相比,数值计算的振幅与实测振幅的拟合度R2值有明显提高,由以往的0.72增加至0.99;经重新拟合后,通过重力波振幅估算公式得出的振幅值与模型的计算值的拟合度R2值可达到0.92。结果表明:CE-QUAL-W2模型可以准确地计算库首重力波振幅,模拟重力波的生成过程,数值计算的方法较以往的重力波计算方法更为准确;重新拟合的重力波振幅估算公式,其精度显著提高。

青藏高原东北边坡复杂地形重力波的数值模拟

基于2007年7月青海祁连站的野外加密探空资料,结合高分辨率的三维边界层模式,模拟研究了青藏高原东北边坡复杂地形条件下,边界层对流引起的干动力过程对该地区地形重力波产生及传播的影响机理。结果表明:在不同的背景场强迫下,高原东北边坡复杂地形上空对流和重力波的空间结构存在较大差异。当背景风向与山体垂直时,随着风速增加,山脊背风坡混合层顶附近大气不稳定能量加强,激发了下游区域较强的重力波信号,此时对流线组织性增强、重力波波列较长,高水汽含量的空气被波峰传输到较高的高度,为对流云发展提供了有利条件;当背景风向与山脊走向平行时,山顶上空对流发展旺盛,山脊背风坡混合层顶大气状态较稳定,激发的地形重力波信号较弱且波列较短,整个混合层顶附近水汽较少,对流云形成条件减弱;当背景大气浮力频率减小时,整个区域上空对流发展更加旺盛但组织性减弱,背风坡下游重力波向上传输的距离减小,信号不显著,混合层顶附近水汽分布均匀且变化幅度较小,有利于层状云发展。

海洋深水表面张力波-重力波的单波列第n阶自共振定律

波-波共振机制,无论在微观物质还是在宏观物质的能量传播、分布进程中都起着一种根本、突显的作用.对于地球上最为广阔、直观的海洋表面波运动,势必更加如此而可观可知.那么,可否从中提炼出一般的波-波共振规律?尤其是最为特殊、简要的单波列共振法则.为此,依据Phillips开创现代水波动力学而提出特定4-波共振条件的经典一整套方式方法,从基本的海洋深水表面张力波-重力波控制方程组出发,运用Fourier-Stieltjes变换和摄动方法依次给出自由表面位移的Fourier分量的第一阶微分方程.和愈来愈复杂却趋于完整的第二、三、四阶积分微分方程,在一套自创、自明而又简洁的符号体系下依次求解这些方程而求得其单波列第一阶自由表面位移和第二、三、四阶非共振与共振自由表面位移的Fourier系数以及第二、三、四阶共振条件,从而顺势推断出一般的单波列第n阶自共振定律.这就完整揭示了海洋表面张力波-重力波之单波列共振动力学的丰富内涵,有效扩展了海洋表面重力波之经典Phillips共振单波列解的适用范围,为刻画海洋表面波之双波列、更多波列的单重、多重共振相互作用机制奠定了基石,因而在全部波动领域的单波列共振规律的探寻上提供了一种典型范例.

基于风云3C卫星观测数据的全球重力波活动特性研究

大气重力波是临近空间中重要的动力学过程之一,并且广泛存在于全球大气层中,研究其全球分布及变化规律,对理解大气动力学具有重要意义。全球卫星导航系统(GNSS)可以通过掩星的方式来获取临近空间大气的温度信息,并且具有全球覆盖、垂直和水平分辨率较高的优点,从而被广泛应用于临近空间大气重力波研究。利用气象卫星风云3号C星(FY-3C)搭载的全球导航卫星掩星接收机(GNOS)的探测数据来反演全球重力波扰动分布,反演得到了2015-2019年这5年间的全球重力波分布,并着重分析了全球重力波的季节变化、年际变化以及长波和短波重力波的全球分布和特征。结果表明,冬夏两季的重力波扰动要强于春秋两季,并且呈现冬季半球强于夏季半球的现象;同时还发现,重力波扰动的强度随着高度增加而逐渐增强;在20~50 km的高度范围内短波重力波强度大于长波重力波强度。

斯里兰卡南部海域次重力波特征研究

次重力波在近岸水动力运动过程中起到重要作用,深入地了解次重力波对预防其引发的近岸灾害有着重要意义。结合波浪现场观测方法和数值模拟方法研究了斯里兰卡南部海域次重力波特征。短波和自由次重力波通过海浪谱模型WAVEWATCH III模拟,而约束次重力波通过二阶非线性理论模拟,数值模拟结果与现场观测结果对比吻合良好。研究结果表明,斯里兰卡南部海域大部分时间以自由次重力波为主;在强涌浪海况下(短波波高大于2.5 m,周期大于15 s)约束次重力波逐渐逼近自由次重力波甚至占主导地位;斯里兰卡大陆架极其狭窄,对涌浪的能量损耗作用极为有限,使得近岸面对强劲的涌浪及其伴生的次重力波的侵袭,增大了次重力波引发近岸水动力灾害的风险。

基于地基气辉图像的大气重力波目标识别

子午工程全天空气辉成像仪观测网的逐步完善,积累了海量的气辉图像原始观测数据,但是基于地基气辉观测的大气重力波研究极度依赖人工识别,十分耗时且识别质量难以得到保证,亟需发展一种快速有效的自动识别方法。针对大气重力波标注样本稀缺的问题,在改进Cycle GAN模型的基础上提出一种大气重力波气辉观测数据集扩充算法,仅需标注少量样本即可大幅提升检测算法对大气重力波的识别精度;进一步,利用地基气辉图像识别目标与背景低信噪比的特点,通过对深度学习模型YOLOv5s骨干网络以及边界框预测加以改进,提出一种新的大气重力波智能识别算法。实验结果表明,使用扩增的数据集以及改进的YOLOv5s目标检测算法,在交并比阈值为0.5的情况下平均识别精度达到75.8%,较原始模型提升9.7个百分点,检测速度和平均识别精度均优于对比的主流目标检测算法。

一次冰雹过程的惯性重力波观测及数值模拟

使用高灵敏度的电容式微压波传感器对1998年4月11日16时发生在贵州省普定县的一次降冰雹过程的重力波进行观测,利用WRF(Weather Research and Forecast)中尺度模式对这一过程进行数值模拟,使用Morlet小波方法对模拟结果进行分析,得出这一过程中惯性重力波的分布和变化规律,并分析急流、地形及切变线对惯性重力波的影响.观测发现:在降冰雹前,每隔1～4小时出现一次短周期重力波阵性增强的现象.数值模拟结果显示:在低空降冰雹前几个小时有强的短周期重力波出现,其中周期较长的出现早、存在时间长,周期较短的出现晚、存在时间短;强的低空急流和风速垂直切变触发对流或湍流的发生和加强,对流或湍流又激发了80～200 min的短周期重力波;短周期重力波更容易向垂直方向传播,而长周期重力波倾向于水平方向传播.长周期重力波在降冰雹后周期有明显变短现象,随高度越加明显.由地形形成的重力波在最高山峰上空振幅最大.

影响惯性重力波活动规律的动力学因子研究

通过探测发现大气重力波有明显的活动规律：重力波强度在冬、春季强于夏、秋季,在5月和10月发生急剧减弱和加强的转变,无天气过程时晚上比白天强,尤其短周期的重力波,周期为40-80min的重力波平均强度最强,其他较弱。在斜压大气和考虑积云对流加热条件下,运用积云对流参数化、Taylor公式展开等方法,推导出惯性重力波的非线性KdV方程,求出其孤立波解,以此解释以上得出的大气重力波的活动规律：惯性重力波强度随风速垂直切变增大而增大,急流是最重要的惯性重力波波源,是重力波强度在冬、春季强于夏、秋季的主要原因,亚洲急流在5月和10月的北跃和南落,是重力波强度发生急剧变化的原因,急流下方是激发惯性重力波最强的地方。一般情况下,惯性重力波强度随着大气背景流场绝对涡度增大而增大,正涡度对惯性重力波起激发和增强的作用。当惯性重力波向下传播时,波的强度随层结稳定度（N^2）增大而增大,由于太阳辐射的作用白天大气层结稳定度比晚上小,这解释了在无天气过程时晚上重力波强度强于白天的原因。惯性重力波强度和波的频率成正比,这解释了周期为40-80 min比周期为140-160 min的重力波强的原因。重力波强度还与非线性积云对流参数常数b及科氏力参数f成正比。

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、秋季相似。在冬季,在18~20 km高度,势能的分布更集中,势能值更大,该现象主要存在高原东南部。高原边缘存在重力波势能较大的区域,这可能与重力波激发时的地形和背景风有关。

耗散大气中风场对内重力波传播的影响

使用考虑大气耗散的射线跟踪算法，计算了风场作用下重力波的传播情况．结果表明，风场对快速重力波分量影响较小，但对反射和传播区域的慢速波的影响较大，表现在顺风时使反射区范围缩小，逆风时使反射区范围扩大．在传播区，顺风场使慢速波分量的传播距离变小，传播高度降低，而逆风则使慢速重力波分量的传播距离明显增大，传播高度上升．分析表明，重力波传播的丰富多样性是由风场对波的衰减和反射等滤波作用引起的．

地球流体中的非线性重力波

从地球流体运动浅水模式的非线性方程出发，采用行波分析法给出了平面自治系统，利用相图理论，讨论了行波解的性质，提出了平面非线性系统不存在孤立波的结论；利用K-B平均法，首次获得有限振幅惯性重力波以Rossby数作为控制参量的非线性频散关系。

天体物理中的重力波和磁重力波(英文)

本文简要综述重力波和磁重力波在各种天体物理场合中的应用 ,我们描述在具有开放径向磁场的恒星大气各种磁流体波之间的相互转换过程 ,强调磁重力波被束缚在恒星冕内的可能性 ,并探讨恒星内部高频的声波模 (p -模 )被低频的重力波模 (g -模 )所调制的过程 ,一旦有了足够长时间未间断高质量的日震数据 。

地形重力波拖曳参数化对热带气旋强度和路径预报影响的研究

本文在GRAPES_TMM(Global/Regional Assimilation and Prediction System for Tropical Mesoscale Model)——中国南海台风模式版(面向南海和东南亚)中发展和引进了KA95(Kim and Arakawa,1995)地形重力波拖曳参数化方案(GWDO),并对2012年主要的9个登陆台风进行了试验对比研究,考察了不同标准Richardson数(c Ri)的GWDO试验对台风路径和强度预报的影响。结果表明,在引入地形重力波拖曳参数化过程后,模式对台风登陆时路径和强度的预报能力均要有提高,对台风预报时长越长,GWDO的影响也更为显著。对双台风"SAOLA"和"DAMREY"试验结果表明,GWDO对台风外围距台风中心150 km的对流层中下层风速减弱较为明显,减弱了GRAPES区域模式对台风强度预报偏强的现象,对台风强度长时间预报改善更为明显。不同标准c Ri对重力波拖曳力的计算较为敏感,当c Ri取1.0时,动能迅速的在低层被频散,能量无法有效地上传;c Ri取0.25时,大部分的能量在中高层被频散。总的来说,c Ri取0.75时对台风路径和强度预报改进更为显著,其结果可为业务预报提供指导意义。

矩形弹性壳液耦合系统中的重力波分析

根据非线性动力学理论,建立了矩形壳液耦合系统的非线性振动方程组,通过数值求解,发现当激振频率为壳体固有频率与重力波频率之和,且激振力足够大时,会产生大幅低频重力波．通过实验验证,发现了壳液耦合系统中存在的大幅低频重力波现象,实验结果与理论结果基本吻合．

钟形地形动力抬升和重力波传播与地形云和降水形成关系研究

地形云和降水过程在区域水循环、水资源、生态环境及气候变化中具有十分重要的作用。本文利用中尺度数值模式WRF数值模拟试验,以及通过引入表示大气层流速度、层结稳定度和地形特征的关系参数——湿Froude数(Fw),研究了北京2009年5月1日湿条件不稳定大气层结下,地形云和降水形成过程与地形动力抬升和地形重力波传播之间的关系及形成机理。研究表明,在地形最大高度2km、半宽10km的条件下,层流速度从2.5m/s逐步增加到25m/s时,对应的湿Fw数从0.19增加到1.81。当Fw≤1时,地形的阻挡起主要作用,由地形抬升形成的地形云主要产生在迎风坡一侧。地形重力波主要产生在迎风坡,并向上游传播,先形成层状云,最后演变为准稳定浅对流波状云。最大降水主要发生在紧靠山顶的迎风坡一侧,但当Fw很小时,地形云不产生降水。当Fw>1时,地形抬升形成的云主要发生在山顶附近,而地形重力波主要形成在背风坡,并向下游方向传播,形成准稳定波状云。最大降水主要产生在紧靠山顶的背风坡一侧。另外,在弱湿条件不稳定大气层流下,地形降水主要由地形动力抬升造成的暖云微物理过程产生,地形重力波形成的波状云几乎不产生降水。

地形重力波拖曳参数化方案在华南中尺度模式(GRAPES)中的应用试验

在华南中尺度模式GRAPES中发展KA95方案地形重力波拖曳参数化方案(GWDO),并对2012年的2月8—12日影响华南冷空气过程、8月23—24日发生在广东的局地性暴雨和5—8月共4个月的KA95方案预报试验进行检验。结果表明,KA95地形重力波拖曳参数化方案的引入,改善了GRAPES模式对冬、春季低层南风偏强和地面温度偏高的现象,一定程度上纠正了在模式积分过程中出现的南风偏差,改正了在业务预报中因南风偏强而导致温度偏差过大的现象;改善了模式对局地强降水强度和落区的预报,减小了大雨和暴雨的漏报率和预报偏差,提高了GRAPES模式对降水的预报效果。

重力波对青藏高原东侧一次暴雨过程的影响

采用WRF(weather research and forecasting)模式输出资料、NCEP/NCAR1°×1°再分析资料以及地面站降水资料,对2009年7月31日至8月1日四川省一次暴雨过程进行了分析。结果表明:水汽辐合区与降水区基本一致;散度场、水汽通量和水汽通量散度对降水具有较好的指示作用。在降水之前的6h中,降水中心上空的大气层结基本稳定,这种层结条件并不利于对流运动发生和发展;但是通过对散度场、非线性平衡方程和理查森数的分析,发现在暴雨开始前存在着中尺度重力波,它激发了对流运动的发展,而对流运动对暴雨的发展起到了主要作用。这说明,在整个暴雨过程中,只有同时考虑中尺度重力波与对流运动的相互作用,才能较完整地解释雨带的强度和特征得以发展和维持的原因。