大气重力波引起的偶发钠层研究

利用了中国科学院临近空间环境野外综合探测站(廊坊,39°N,116°E)的钠荧光多普勒激光雷达和流星雷达的探测数据对廊坊上空大气重力波引起的偶发钠层(SSL)进行了研究。首先从大气重力波方程出发,计算分析了大气水平风剪切和垂直风场之间的相位关系;其次利用了钠荧光多普勒激光雷达和流星雷达的实测数据对大气重力波引起的偶发钠层进行了分析研究;经研究分析可知,由于大气重力波引起强的水平风切变和垂直风场风向反转的共同作用,其堆积效应使得钠原子密度增强,形成了偶发钠层。

一类耦合非线性Schrdinger方程的Painlevé性质、严格解及其在大气重力波中的应用

讨论了大气科学里的一类耦合非线性Schrdinger方程的Painlevé可积性和严格解.并给出了这个耦合方程通过Painlevé性质检测的参数条件.应用椭圆余弦函数展开法,得到了这个耦合非线性Schrdinger方程的20个周期椭圆余弦波解.这些严格解被用应用于解释大气重力波的产生和传输机制.

大气重力波与电子密度扰动的耦合

本文从相互耦合的大气流体方程和双流体等离子体方程出发,导出了赤道F区大气重力波和电子密度扰动的耦合色散关系,据此对两者的共振相互作用作了进一步的理论分析。结果表明,大气重力波可以通过共振耦合将部分能量转换给带电粒子,为赤道扩展F提供初始电子密度扰动;在这过程中,等离子体不稳定性对共振条件和共振耦合有着重要的影响。

大气重力波产生的大尺度赤道电离层扰动

本文研究了大气重力波产生的大尺度赤道电离层扰动的性质．当重力波的传播方向与磁场方向倾斜相交时，重力波在Ｆ区产生行进电离层扰动．当重力波垂直于磁场传播时，能触发等离子体Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｔａｙｌｏｒ不稳定性，形成大尺度赤道扩展Ｆ不均匀体．重力波引起的扩展Ｆ主要出现于晚上，行进电离层扰动则可能出现于任何时间．本文建立了行进电离层扰动和大尺度赤道扩展Ｆ的统一理论模型，深入全面地揭示了电离层扰动的性质．

大气重力波引起的突发钠层的模拟研究

应用钠原子和中性大气分子的质量连续性方程来模拟突发钠层（SSL）,垂直风场采用接近实际大气重力波的正弦行波模式,结果较好地反映了SSL的形成过程.SSL的形成时刻在5-15min之间并可持续到30min之后,形成高度大约在90-100km之间,峰宽为0.5-2km之间,这些都与实际观测SSL的特点相符.同时还进一步地研究了当重力波参数（主要指垂直波长和周期）、风速以及常态钠层半宽度发生变化时SSL的变化趋势.

大气重力波触发的Rayleigh－Taylor不稳定性的时空演变

对大气重力波触发的赤道电离层Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｔａｙｌｏｒ不稳定性的时空演变进行了数值模拟．结果表明，重力波能在Ｆ区底部触发Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｔａｙｌｏｒ不稳定性，这种等离子体不稳定扰动穿过Ｆ峰，到达Ｆ区顶部，形成等离子体泡结构．等离子体泡出现向西倾斜和分岔等特征．当夜Ｆ区较高时，产生等离子体泡的时间仅１９００ｓ．数值模拟结果证实了重力波触发．Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｔａｙｌｏｒ不稳定性的理论，解释了大量电离层观测现象．

大气重力波产生大尺度赤道扩展F的理论

本文提出了大气重力波触发Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｔａｙｌｏｒ不稳定性并导致大尺度赤道扩展Ｆ的理论．重力波作为外部扰动派触发等离子体扰动，这种扰动在Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｔａｙｌｏｒ不稳定性的作用下继续增长，经过４００ｓ扰动幅度就能增长到５０％，经过７００ｓ后幅度趋近１００％，即为完全的等离子体泡．由于Ｅ区的影响，赤道扩展Ｆ主要出现于晚上．本文的理论阐明了重力波与Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｔａｙｌｏｒ不稳定性相互作用的性质，揭示了大尺度赤道扩展Ｆ的产生机制．

贵州中部大气重力波活动的天气气候学分析

使用贵阳市１９９４年以来１６个月连续的大气重力波单测点探测资料及动态谱分析技术，对贵州中部大气重力波活动进行了天气气候学分析，结果表明：（１）大气重力波在冬春季明显强于夏秋季；（２）重力波日变化的特点是长周期波中午较强，短周期波午夜较强；（３）重力波谱分布特点是周期小于２０ｍｉｎ和１４０～１６０ｍｉｎ的波强度较小，周期在５０～６０ｍｉｎ和３２０ｍｉｎ以上的波强度较大；（４）相关分析结果表明，影响大气重力波强度的主要因子是冷空气活动和强对流活动；（５）大气潮汐产生的气压波动在长周期段上也有反映。

大气重力波布阵探测灾害性冰雹过程的研究

1995— 1 997年在冰雹灾害频繁的贵州省中西部进行了灾害性冰雹过程的大气重力波布阵探测研究 ,结果表明使用动态谱分析技术的大气重力波三测点布阵探测方法不仅可以在冰雹灾害发生 3— 2 4小时以前获得可靠的预警信息 ,而且可连续跟踪监测波源所在方位 。

大气重力波与分娩产程发动的关系

利用2492例自然分娩资料和8248h重力波探测记录,结合地面气象观测、无线电探空及声雷达探测资料研究了贵阳市大气重力波的活动与分娩产程发动的关系。结果表明:波动周期6～10min,振幅8Pa以上的大气重力波活动与分娩发动有密切联系。大气重力波可能是诱发产程的一个大气环境因子。99％以上的分娩产程发动于有规则的大气重力波活动的大气环境中,而无规则的重力波存在时,分娩发动极少、雷暴天气出现前1～3h是这种波动最活跃的时段,此时的分娩发动率是无规则的重力波活动时段的3倍以上。 还讨论了重力波影响产程发动的可能机制,认为有可能使用人工模拟重力波的方法调节自然分娩的启动过程及其它人体生理生化过程。

冰雹灾害的大气重力波遥感预警系统

１９８５～１９９２年在北京、贵阳及河北满城进行的多次强对流过程大气重力波探测研究中，发现灾害性冰雹出现前３～６ｈ即有周期为２０～６０ｍｉｎ，振幅超过３０Ｐａ的大气微压重力波间歇性的活动。这一发现为灾害性冰雹过程的临近预报提供了重要指标。在此基础上我们使用重力波动态（三维）谱分析技术并设计了相应的微机系统软件，实现了大气重力波数据的实时采集分析和连续动态谱显示，从而研制成将微压波探头、数据采集、微机动态谱实时显示和临近预报指标等软、硬件结合为一体的冰雹重力波预警系统。该系统对强对流冰雹过程有很高的预警和识别能力，并且已达到实际业务使用水平，初步应用于人工防雹作业指挥，大大减少了空报造成的盲目性。１９９３年３～６月该系统在贵州省重雹灾区普定县实际用于冰雹预报和人工防雹作业指挥的效果证明，该系统可提供时效为３～６ｈ的冰雹预警信息，未出现空报和漏报，为该县减少炮弹耗费５０％以上，经济社会效益明显。这一系统同时还是普遍适用的大气重力波探测和实时分析工具，应用时只须改变软件中的参数设置或增加局部应用程序，即可对锋面、气旋、台风、高空槽、高低空急流等天气系统和强对流、危险性风切变等大气现象以及大气边界层结构等进行连续跟踪?

冰雹灾害的大气重力波遥感预警系统

1985～1992年在北京、贵阳及河北满城进行的多次强对流过程大气重力波探测研究中，发现灾害性冰雹出现前3～6小时即有周期为10～40分，振幅超过30Pa的大气微压重力波间歇性的活动。这一发现为灾害性冰雹过程的临近预报提供了重要指标。在此基础上使用重力波动态（三维）谱分析技术并设计了相应的微机系统软件，实现了大气重力波数据的实时采集分析和连续动态谱显示，从而研制成将微压波探头、数据采集、微机动态谱实时显示和临近预报指标等软、硬件结合为一体的冰雹重力波预警系统。该系统用于强对流冰雹过程的预警和识别，1993年3～6月该系统实际应用效果证明可提供时效为3～6小时的冰雹预警信息，未出现空报和漏报，并减少炮弹通讯耗费80％以上。这一系统同时还是普遍适用的大气重力波探测和实时分析工具。应用时只须改变软件中的参数设置或增加局部应用程序，即可对锋面、气旋、台风、高空槽、高低空气流等天气系统和强对流、危险性风切变等大气现象以及大气边界层结构等进行连续跟踪探测，并成为常规天气预报和大气科学理论研究的新的手段。

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(12.3km,41m/s,327°,5min),(25km,35m/s,68°,12min)和(10km,48m/s,341°,3.5min).

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．

估算大气重力波参数的垂直扰动廓线获取新方法

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.针对常用曲线拟合方法获取大气垂直扰动廓线存在的固有缺陷,本文提出了估算大气重力波参数时垂直扰动廓线获取新方法.基于小波变换中的影响锥曲线性质,以影响锥曲线最大值作为区分背景场和扰动场的临界值,利用10阶ButterWorth高通滤波器对小于临界值的信号进行滤波得到扰动场.对实际大气过程高时空分辨率模拟纬向风和经向风垂直廓线的Morlet小波和Fourier功率谱分析表明,本文方法获得的扰动廓线中不再包含强背景场信息,且不会引入虚假波信号,克服了常用多阶曲线拟合方法的缺陷,利用该方法可以估算出合理的大气重力波参数.

三维分层流动过双山脉地形激发的大气船舶重力波动力学理论和数值试验

利用我们建立的三维分层线性理论计算模式和中尺度数值模式ARPS,分别研究了三维分层流动过双山脉地形产生的三维线性和非线性山脉重力波和大气船舶的结构特征及其形成机制.线性理论计算结果表明三维三层流动过双山脉地形时,两个山脉各自强迫出一个发散模态的山脉背风波,在第二个山脉背风面,三维三层流动过双山脉地形可以强迫出两个发散模态的拦截背风波,大大加强了对大气环流的拖曳作用.非线性数值模拟结果表明,流动过山所产生的非线性山脉重力波和大气船舶完全不同于三维分层线性理论计算模式所产生的山脉重力波和大气船舶的结构和特征,由于分层流体之间的非线性相互作用,三维三层流动过双山脉地形时,可在第二个山脉背风面激发4个发散模态的拦截背风波.三维三层流动过双山脉地形所强迫的山脉重力波和大气船舶,具有同三维三层流动过孤立山脉所产生的山脉重力波和大气船舶完全不同的结构和特征,三维流动过双山脉地形对两个山脉之间的距离表现出极大的敏感性.对于相距较远的两个山脉,流动过双山脉所强迫的山脉重力波表现为4个发散模态的拦截背风波,波动的能量相对于相距较近的两个山脉能传播到更高的高度.

基于OH全天空气辉成像仪观测的中国低纬地区的重力波传播统计特征

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10～35km，4～14min和20～90m·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，也发现在中层一低热层中传播的大多数重力波表现为耗散传播．且低层一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．

基于多台站OH全天空气辉成像仪观测的中国中纬地区重力波传播特性

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.

中间层顶重力波耗散引起钠原子输送的激光雷达观测研究

利用中国科学院国家空间科学中心廊坊站(40.0°N,116.3°E)钠荧光多普勒激光雷达2011年至2013年共约82 h的钠原子数密度和垂直风观测数据,分析了廊坊地区中间层顶区域大气重力波耗散引起的钠原子输送特征.分析得到,90~100km处重力波耗散引起的平均钠原子垂直通量整体为负,钠原子向下输送,在93 km处达到最大负值-1.47×10~8m^(-3)m·s^(-1),85~90km处平均钠原子垂直通量为正,钠原子向上输送,但通量值随高度递减.钠原子垂直通量方向在90km处发生转变,垂直通量随高度的变化造成钠原子汇聚,汇聚效应引起的平均钠原子产生率最大值在91km处达到了1.40×10~8m^(-3)/h,该值超过了相同高度上模式计算流星烧蚀注入引起的钠原子产生率峰值,说明重力波耗散对钠层结构的形成具有重要影响.与美国SOR和Maui观测结果相比,平均钠原子产生率峰值大小相近,但出现高度不同,说明大气重力波耗散引起的物质输送具有显著的地域变化特征.研究结果可为大气物质输送理论的完善以及大气金属层物理模式的改进提供观测事实参考.