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《武汉大学》 2011年
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对流激发重力波及波流相互作用研究

丁霞  
【摘要】:重力波的活动对整个大气层的动力学、热力学和环流结构有重要作用,是中高层大气最重要的动力学过程之一。对流层内各种源激发的向上传播的重力波会导致能量和动量在大气不同层区间的传播,对全球大气能量分布及收支平衡起着至关重要的作用。地形,对流,风剪切,地转调整,锋面和斜压不稳定性,都是比较普遍的重力波源,重力波的波波相互作用以及波流相互作用,对重力波的激发也有很大的贡献。关于重力波的激发到目前为止有过很多观测和模拟研究工作,但对激发机制并没有完整的理解,重力波的激发和传播仍是科研的热点。 本文针对目前重力波激发的模拟工作中的一些未解决的问题,研究了热源激发重力波的完整过程、激发波的特征以及热源的时空尺度和激发波的时空尺度的关系,以及背景急流对激发波的吸收、滤波作用,也分析了激发波对背景流的驱动作用。此外,本文还利用美国无线电探空数据,研究了中纬对流层和平流层的重力波特性,在此基础上讨论了中纬重力波激发机制。本文具体内容如下: 1.利用二维非线性大气动力学模型,研究了静止风场中波状分布的局地热源激发重力波的特征,研究结果表明,不同结构的热源激发出的重力波包有不同的形态;波状分布热源的空间尺度直接决定激发波对应的空间尺度,热源在空间上的高斯分布则对应激发波在空间上的宽谱结构;热源提供的能量均匀地分给了不同方向传播的激发波。 2.在二维等温可压大气中引入了一个随时间和空间呈高斯分布的宽谱热源扰动,研究了宽谱热源激发重力波的详细过程及其特性,宽谱热源激发出来的重力波在初始阶段有很宽的频谱范围,随后细致分析了激发波的时空尺度与宽谱热源的时空尺度的关系,研究结果表明,宽谱热源的时空尺度直接决定激发波的时空尺度;激发波的垂直尺度和时间尺度对热源的变化比其水平尺度更敏感,说明宽谱热源的时空尺度对激发波的尺度有直接的影响。 3.研究了剪切风场中,随时空高斯分布的宽谱热源激发重力波的详细过程及其特性,以及激发波与剪切风场的相互作用。顺风传播的波包的小尺度和低频部分被急流滤波,只有垂直波长较大的部分能穿过急流,顺风传播的波包最大振幅小于逆风传播的波包最大振幅。受急流影响,顺风传播的重力波的小尺度和低频部分会被吸收,从而加强了对流层急流,而逆风传播的重力波更容易上传,在中间层区域增强向西的背景风,体现了低层大气急流对中间层大气风场结构的影响。 4.利用美国中纬站点Del Rio(29.37°N,100.92°W)在1998-2008年的无线电探空观测数据,研究了低层大气重力波的特征,并对波源做了一定的探讨研究。个例分析和统计研究都表明急流是中纬重力波重要的激发源。
【学位授予单位】:武汉大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:P433

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