重力波与不同背景风场之间的非线性相互作用.pdf
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
下面从射线理论和重力波的色散关系出发!在 线性条件 下 研 究 背 景 风 场 对 重 力 波 传 播 特 性 的 影 响6这里所说的传播特性是指重力波的垂直 群速 度’ 垂直 波 长 等 重 要 的 波 参 数6射 线 理 论 给 出 的 垂 直 波 数与水平背景风场的垂直切变之间的关系如下式所 示 % )&"*
图 !!?&EI! 和 ?&EI" 的 背 景 风 场 和 波 参 数 的 垂 直 分 布 $.&水 平 背 景 风 场 +$N&垂 直 群 速 度 +$=&垂 直 波 长
&’>*
! 第 !" 卷 ! 第 !! 期 !#$$" 年 !! 月
迅速减小E这说明 在=.S:! 的 条 件 下! 当 重 力 波 进 入同向背景风场区域后!非常缓慢地向上传播!垂 直波长迅速减小说明重力波被大为压缩E
&’>$
! 第!"卷!第!!期!#$$"年!!月
重力波与不同背景风场之间的非线性相互作用"
刘 ! 晓&!!! 徐 寄 遥&
&6中国科学院空间中心!空间天气学重点实验室! 北京 &"""*"+!6中国科学院研究生院!北京 &""">#
摘要!!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$是指风场方向与重力 波 水 平 相 速 度 方 向 相 反 和 相 同%背 景 风 场 中 的 传 播 过 程6结 果 表 明’反向背景风场将拉伸重力波的垂直波长!加速重力波的上传!这一效应导致重力波在较短的 时 间 内 上 传 到 较 高 的 高 度 上 并 发 生 不 稳 定 ! 引 起 背 景 风 场 产 生 反 向 射 流 6反 向 射 流 经 过 非 线 性 波 流 相 互 作 用 导 致 重 力 波 的 垂 直 波 长 逐 渐 变 短 6重 力 波 在 同 向 背 景 风 场 中 传 播 时 ! 其 垂 直 波 长 和 群 速 度 都减小!推迟了重力波发生不稳定的 时 间6虽 然 大 部 分 重 力 波 被 限 制 在 同 向 风 场 中 的 不 稳 定 区 域 内 ! 但 在 不 稳 定 区 域 上 方 仍 有 部 分 重 力 波 继 续 稳 定 地 向 上 传 播 6对 重 力 波 在 反 向 和 同 向 背 景 风 场 中 的非线性传播情况的模拟发现!与重力波在同向背景风场中的传播情况相比!重力波与反向背景 风场之间的非线性相互作用也非常强烈!而不像经典线性理论预测的那样可以自由传播!并且重 力波在反向背景风场中传播时的垂直波长与线性理论预测的结果差别很大6
由于$&&式 中 给 出 的 是 垂 直 波 数 的 时 间 变 化 与 背景风场的垂直梯度之间的关系!这就需要引入垂
(
, K<$<&M )NK%;*"$<&-;<*;(M " < , N )&-)5<$<S&*)K%;*"$<S&-;<S*;<SE!$!& <"
重力波的垂直群速 度)5<$<&可 以 从 线 性 重 力 波 的 色 散关系中推出 % )&*
近几年!我们建立了二维可压缩大气重力波非 线性传播的数值模式!着重研究了重力波传播过程 中光化学和动力学之间的非线性相互作用)*!#*6我 们 将利用该模式研究重力波与背景风场之间的非线性 相互作用!着重研究重力波传播进入反向背景风场 区域后对背景风场的影响以及背景风场对重力波传 播特性的改变6为 了 进 行 比 较 研 究!我 们 利 用 模 式 也模拟了重力波传播进入同向背景风场区域后对背 景风场的影响以及背景风场对重力波传播特性的改 变6我们首先从 线 性 理 论 出 发 分 析 背 景 风 场 对 重 力
)5<$<&M
)K%!
NK<$<&%T$<&
!
UK<!$<&U&-$’6!&*
$>&
其中!%T$<&是重力波的本征频率!其定义如下 % )&*
) * %T$<&M
K%!
V!K%! UK<!$<&U&-$’6!&
&-!
E
$’&
$ & 这里 的 V! M&3 ;;&<U)34 是 背 景 大 气 的 浮 力 频 率!
由于传统的经典理论认为重力波在反向背景风 场$是指风场方向与 重 力 波 水 平 相 速 度 方 向 相 反&中
可以自由地向上传播!因此!对重力波在反向风场 中的传播情 况 的 研 究 比 较 缺 乏6然 而! 近 年 来 的 观 测发现背景风场在夏季中纬地区出现反向射流!一 些学者认为这是重力波在反向背景风场中传播时对 背景风 场 产 生 的 反 向 加 速 以 及 重 力 波 破 碎 造 成 的)>!’*6这表明重力波与反向背景风场之间的非线 性 相互作用也是非常强烈的!并值得进行深入研究6
;K<$<&-;(MNK%;*"$<&-;<!
$&&
其中K% 和K< 分 别 表 示 重 力 波 的 水 平 和 垂 直 波 数! *" 表示背景风场!(表示时间!< 表示高度E由 于 本 文研究的是上传重力波的传播特性!所以重力波的 垂直波数K<#"E因 此! 当 ;*"$<&-;<$" 时! 重 力 波的垂直波数随时间增长而减小!但垂直波数的绝 对值是增加 的!从而 上传重 力波的垂直 波长被压 缩+反之!如果 ;*"$<&-;<#"!上 传 重 力 波 的 垂 直 波长将被拉伸E
其次!我们来比较这两种背景风场对重力波不 稳定性出现时 间 的 影 响6重 力 波 在 反 向 背 景 风 场 中 传播时$图!$.&和 $=&&! 一 方 面 由 于 背 景 风 场 造 成 重力波的垂直群速度增加!使得重力波在较短的时 间内$*6’BS&发生不稳定6另一方面!根 据 XK:7R:K% 784理论 ! )&!* 重力波的 51-%T 在 稳 定 传 播 过 程 中 是 守 恒的$51 是重力波的保有能量&!由于在=.S:& 的反 向背景风场中重力波的本 征 频 率%T 随 着 高 度 增 加 而 增加!因而重力波将从背景风场中抽取能量!造成 重力波振幅增加!同时垂直群速度的增加使得重力 波快速向上传播达到较高的高度!随着大气密度的 降低!重力波振幅迅速增加!从而导致重力波较早 地发生不稳定!这时重力波反过来又将大部分能量 传递 给 背 景 流! 形 成 反 向 射 流 $详 细 讨 论 见 !6> 节&6而在=.S:!的同向背景风场中%T 随着高度增加 而减小!所以重力波将失去部分能量!同时由于同 向背景风场造成重力波的垂直群速度减小!阻碍了 重力波的向上传播!导致重力波出现不稳定的时间 相对较晚6
"#!! 二 维 可 压 缩 非 线 性 大 气 重 力 波 模 式 我们在文献 )**中 已 经 建 立 了 二 维 可 压 缩 大 气
中重力波非线性传播的数值模式!这里不再详细介 绍6在本文的 研 究 计 算 中!为 了 使 上 边 界 不 影 响 重 力波的自由 传 播!计 算 域 的 垂 直 范 围 是 从 地 面 到 !""B-! 水 平 宽 度 为 &""B-6 与 文 献 )**相 比! Y.V0:/5R 摩 擦 也 做 了 如 下 调 整 %
) $ &* &$<&M
/&":21 .
N04!2
<N&*" !"
! < -&*"B-
0&"!
< $&*"B-!
$+&
其中&"m"6"!SF&! 使 得 只 有 在 较 高 的 高 度 上 Y.V% 0:/5R摩擦 才 起 到 耗 散 作 用! 吸 收 上 边 界 的 虚 假 反 射!这样既能保证重力波能够在较大的高度范围内 无耗散地自由传播!又能保证上边界不产生虚假反 射6
3 是重力加速度!& 是温度!)4 是空气的定压比热! 6 是 背 景 大 气 的 标 高E在 稳 定 的 初 始 背 景 风 场 中! 利用 公 式 $!&,$’&就 可 以 得 到 重 力 波 的 垂 直 波 数 $波 长 &’ 垂 直 群 速 度 的 垂 直 剖 面 E
我 们 利 用 上 面 介 绍 的 方 法 计 算 了 图 &$.&中 给 出 两种背景风场对重力波传播特性的影响!并给出了 重力波的垂直群速度)5<$图&$N&&和垂直波长 $<$图 &$=&&的垂直剖面!其中垂直波长 $<M!=-K<E从 图 &$N&和$=&中 看 出! 在 反 向 背 景 风 场 $=.S:&&中!垂 直群速度和波长都增加!这说明重力波进入反向背 景风场区域后 得 到 明 显 的 加 速E当 重 力 波 进 入 同 向 背 景风场$=.S:!&区域时!垂直群速 度和 垂直波 长都
!!""$%"&%&" 收 稿 !!""$%">%&’ 收 修 改 稿 ! " 国家自然科学基金$批准号%’"!!+"&&!’">>$"+’&和中国科学院知识创新$[U?h>%E]%!&)&资助项目
!,%-./0%20/<!S1.=:3:.7R:K6.=6=4
wk.baidu.com
! 第 !" 卷 ! 第 !! 期 !#$$" 年 !! 月
&’>)
波传播特性的影响!然后利用非线性模式对非线性 传播过程进行模拟研究6
直群速度 把 重 力 波 的 传 播 时 间 和 传 播 高 度 联 系 起 来 ! 从 而 $&&式 可 以 写 成
!! 背 景 风 场 对 重 力 波 传 播 特 性 影 响 的 线 性 理 论
!!为了研究初始重力波波包从零风场区域进入有 风场区域时传播特性的变化!在本文中我们采用重 力 波的水平和垂直波长分别为&""B- 和&"B- 的中 小尺度的中高频 重 力 波!其 周 期 为 ++6)-/4/ 背 景 风场的垂直剖面如图&$.&所示!其 中的 实 线 和虚 线 分别表示反向$记 为 =.S:&&和 同 向 $记 为 =.S:!&背 景风场6
"! 重 力 波 与 背 景 风 场 之 间 的 非 线 性 相 互 作 用
重力波在大气中的传播是一个非线性过程!因 此!我们将利用非 线 性 重 力 波 模 式 ! )** 详 细 讨 论 在 非线性情况下!重力波在上节所述的两种背景风场 中的传播过程!研究重力波与背景风场之间的非线 性相互作用!并与线性理论结果进行对比6
"#"! 背 景 风 场 对 重 力 波 传 播 特 性 的 影 响 为了研究重力波在这两种背景风场中的非线性
传播特性以及对背景风场的加速作用!我们模拟了 初始水平速度扰动为>6"-2SF&的 重 力 波 在 这 两 种 背景风场中的非线性传播过程!重力波的水平和垂 直波长分别为&""B- 和&"B-!其 他扰 动 参 数与 文 献)**中 的 相 同6图 ! 中 给 出 了 =.S:&$图 !$.&和 $=&&和=.S:!$图!$N&和$;&&在 两 个 时 刻$已 在 每 个 图中的右上 角 标 出&的 位 温 场 $等 值 线&和 对 流 不 稳 定区域$V! #"! 阴 影&的 空 间 分 布 情 况6由 于 重 力 波在两种背景风场中的垂直传播速度不同!所以我 们在图中给出的是重力波在传播过程中出现相同物
理现象时的图像6图 !$.&和 $N&给 出 的 是 重 力 波 刚 开始出现不 稳 定 的 情 况6图 !$=&和 $;&给 出 的 分 别 是=.S:&的重力波 破 碎 时 和 =.S:! 在 &+BS时 的 图 像6
首先!比较这两种背景风场对不稳定区域高度 的影响6对于=.S:&$图!$.&和$=&&! 由于反 向背景 风场导致重力波的垂直群速度增大!从而造成重力 波在 较 短 的 时 间 内 $*6’BS&上 传 到 较 高 的 高 度 $&!"B-左右&!导致 重 力 波 在 密 度 以 指 数 形 式 减 小 的背景大气中振幅迅速增大而达到对流不稳定性的 条件 并 )&&* 发生对流 不 稳 定6对 于 =.S:!$图 !$N&和 $;&&!同向背景风场的大小 虽 然 没 有 达 到 重 力 波 水 平相速度的大小$即!重 力 波 没 有 遇 到 临 界 层&! 但 对上传重力波仍有很强的抑制作用!把不稳定区域 都限制在#"B- 以 下! 而 在 #"B- 以 上 的 区 域 仍 然 处于稳定状态6
关键词!!重力波!背景风场!垂直群速度!垂直波长!非线性相互作用
!!目前大气动力学理论以及大量的观测表明!大 气重力波 对 于 全 球 大 气 结 构 的 改 变 具 有 重 要 的 影 响)&,’*6当不考 虑 大 气 重 力 波 时! 理 论 计 算 的 全 球 大气动力学结构与观测存在很大的差异!所以在研 究大气动力学过程中!重力波的贡献是不可缺少的 因素6同时!大气 动 力 学 结 构 对 于 重 力 波 的 传 播 也 产生 显 著 的 作 用6由 于 全 球 大 气 背 景 风 场 存 在 着 明 显的季节变化!因此!对重力波在各种背景风场中 的传播特性以及对背景风场的加速作用是近几年研 究 的 热 点 问 题 )&,)*6
重力波在 同 向 背 景 风 场 $是 指 风 场 方 向 与 重 力 波水平相速 度 方 向 相 同&中 的 传 播 情 况 得 到 了 较 多 的关注 和 研 究 ! )$!)* 这 是 由 于 目 前 普 遍 认 为 同 向 背 景风场对重力波的向上传播产生明显的阻碍作用并 具有很强的非线性相互作用6
图 !!?&EI! 和 ?&EI" 的 背 景 风 场 和 波 参 数 的 垂 直 分 布 $.&水 平 背 景 风 场 +$N&垂 直 群 速 度 +$=&垂 直 波 长
&’>*
! 第 !" 卷 ! 第 !! 期 !#$$" 年 !! 月
迅速减小E这说明 在=.S:! 的 条 件 下! 当 重 力 波 进 入同向背景风场区域后!非常缓慢地向上传播!垂 直波长迅速减小说明重力波被大为压缩E
&’>$
! 第!"卷!第!!期!#$$"年!!月
重力波与不同背景风场之间的非线性相互作用"
刘 ! 晓&!!! 徐 寄 遥&
&6中国科学院空间中心!空间天气学重点实验室! 北京 &"""*"+!6中国科学院研究生院!北京 &""">#
摘要!!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6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 6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 6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6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 6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6
由于$&&式 中 给 出 的 是 垂 直 波 数 的 时 间 变 化 与 背景风场的垂直梯度之间的关系!这就需要引入垂
(
, K<$<&M )NK%;*"$<&-;<*;(M " < , N )&-)5<$<S&*)K%;*"$<S&-;<S*;<SE!$!& <"
重力波的垂直群速 度)5<$<&可 以 从 线 性 重 力 波 的 色 散关系中推出 % )&*
近几年!我们建立了二维可压缩大气重力波非 线性传播的数值模式!着重研究了重力波传播过程 中光化学和动力学之间的非线性相互作用)*!#*6我 们 将利用该模式研究重力波与背景风场之间的非线性 相互作用!着重研究重力波传播进入反向背景风场 区域后对背景风场的影响以及背景风场对重力波传 播特性的改变6为 了 进 行 比 较 研 究!我 们 利 用 模 式 也模拟了重力波传播进入同向背景风场区域后对背 景风场的影响以及背景风场对重力波传播特性的改 变6我们首先从 线 性 理 论 出 发 分 析 背 景 风 场 对 重 力
)5<$<&M
)K%!
NK<$<&%T$<&
!
UK<!$<&U&-$’6!&*
$>&
其中!%T$<&是重力波的本征频率!其定义如下 % )&*
) * %T$<&M
K%!
V!K%! UK<!$<&U&-$’6!&
&-!
E
$’&
$ & 这里 的 V! M&3 ;;&<U)34 是 背 景 大 气 的 浮 力 频 率!
由于传统的经典理论认为重力波在反向背景风 场$是指风场方向与 重 力 波 水 平 相 速 度 方 向 相 反&中
可以自由地向上传播!因此!对重力波在反向风场 中的传播情 况 的 研 究 比 较 缺 乏6然 而! 近 年 来 的 观 测发现背景风场在夏季中纬地区出现反向射流!一 些学者认为这是重力波在反向背景风场中传播时对 背景风 场 产 生 的 反 向 加 速 以 及 重 力 波 破 碎 造 成 的)>!’*6这表明重力波与反向背景风场之间的非线 性 相互作用也是非常强烈的!并值得进行深入研究6
;K<$<&-;(MNK%;*"$<&-;<!
$&&
其中K% 和K< 分 别 表 示 重 力 波 的 水 平 和 垂 直 波 数! *" 表示背景风场!(表示时间!< 表示高度E由 于 本 文研究的是上传重力波的传播特性!所以重力波的 垂直波数K<#"E因 此! 当 ;*"$<&-;<$" 时! 重 力 波的垂直波数随时间增长而减小!但垂直波数的绝 对值是增加 的!从而 上传重 力波的垂直 波长被压 缩+反之!如果 ;*"$<&-;<#"!上 传 重 力 波 的 垂 直 波长将被拉伸E
其次!我们来比较这两种背景风场对重力波不 稳定性出现时 间 的 影 响6重 力 波 在 反 向 背 景 风 场 中 传播时$图!$.&和 $=&&! 一 方 面 由 于 背 景 风 场 造 成 重力波的垂直群速度增加!使得重力波在较短的时 间内$*6’BS&发生不稳定6另一方面!根 据 XK:7R:K% 784理论 ! )&!* 重力波的 51-%T 在 稳 定 传 播 过 程 中 是 守 恒的$51 是重力波的保有能量&!由于在=.S:& 的反 向背景风场中重力波的本 征 频 率%T 随 着 高 度 增 加 而 增加!因而重力波将从背景风场中抽取能量!造成 重力波振幅增加!同时垂直群速度的增加使得重力 波快速向上传播达到较高的高度!随着大气密度的 降低!重力波振幅迅速增加!从而导致重力波较早 地发生不稳定!这时重力波反过来又将大部分能量 传递 给 背 景 流! 形 成 反 向 射 流 $详 细 讨 论 见 !6> 节&6而在=.S:!的同向背景风场中%T 随着高度增加 而减小!所以重力波将失去部分能量!同时由于同 向背景风场造成重力波的垂直群速度减小!阻碍了 重力波的向上传播!导致重力波出现不稳定的时间 相对较晚6
"#!! 二 维 可 压 缩 非 线 性 大 气 重 力 波 模 式 我们在文献 )**中 已 经 建 立 了 二 维 可 压 缩 大 气
中重力波非线性传播的数值模式!这里不再详细介 绍6在本文的 研 究 计 算 中!为 了 使 上 边 界 不 影 响 重 力波的自由 传 播!计 算 域 的 垂 直 范 围 是 从 地 面 到 !""B-! 水 平 宽 度 为 &""B-6 与 文 献 )**相 比! Y.V0:/5R 摩 擦 也 做 了 如 下 调 整 %
) $ &* &$<&M
/&":21 .
N04!2
<N&*" !"
! < -&*"B-
0&"!
< $&*"B-!
$+&
其中&"m"6"!SF&! 使 得 只 有 在 较 高 的 高 度 上 Y.V% 0:/5R摩擦 才 起 到 耗 散 作 用! 吸 收 上 边 界 的 虚 假 反 射!这样既能保证重力波能够在较大的高度范围内 无耗散地自由传播!又能保证上边界不产生虚假反 射6
3 是重力加速度!& 是温度!)4 是空气的定压比热! 6 是 背 景 大 气 的 标 高E在 稳 定 的 初 始 背 景 风 场 中! 利用 公 式 $!&,$’&就 可 以 得 到 重 力 波 的 垂 直 波 数 $波 长 &’ 垂 直 群 速 度 的 垂 直 剖 面 E
我 们 利 用 上 面 介 绍 的 方 法 计 算 了 图 &$.&中 给 出 两种背景风场对重力波传播特性的影响!并给出了 重力波的垂直群速度)5<$图&$N&&和垂直波长 $<$图 &$=&&的垂直剖面!其中垂直波长 $<M!=-K<E从 图 &$N&和$=&中 看 出! 在 反 向 背 景 风 场 $=.S:&&中!垂 直群速度和波长都增加!这说明重力波进入反向背 景风场区域后 得 到 明 显 的 加 速E当 重 力 波 进 入 同 向 背 景风场$=.S:!&区域时!垂直群速 度和 垂直波 长都
!!""$%"&%&" 收 稿 !!""$%">%&’ 收 修 改 稿 ! " 国家自然科学基金$批准号%’"!!+"&&!’">>$"+’&和中国科学院知识创新$[U?h>%E]%!&)&资助项目
!,%-./0%20/<!S1.=:3:.7R:K6.=6=4
wk.baidu.com
! 第 !" 卷 ! 第 !! 期 !#$$" 年 !! 月
&’>)
波传播特性的影响!然后利用非线性模式对非线性 传播过程进行模拟研究6
直群速度 把 重 力 波 的 传 播 时 间 和 传 播 高 度 联 系 起 来 ! 从 而 $&&式 可 以 写 成
!! 背 景 风 场 对 重 力 波 传 播 特 性 影 响 的 线 性 理 论
!!为了研究初始重力波波包从零风场区域进入有 风场区域时传播特性的变化!在本文中我们采用重 力 波的水平和垂直波长分别为&""B- 和&"B- 的中 小尺度的中高频 重 力 波!其 周 期 为 ++6)-/4/ 背 景 风场的垂直剖面如图&$.&所示!其 中的 实 线 和虚 线 分别表示反向$记 为 =.S:&&和 同 向 $记 为 =.S:!&背 景风场6
"! 重 力 波 与 背 景 风 场 之 间 的 非 线 性 相 互 作 用
重力波在大气中的传播是一个非线性过程!因 此!我们将利用非 线 性 重 力 波 模 式 ! )** 详 细 讨 论 在 非线性情况下!重力波在上节所述的两种背景风场 中的传播过程!研究重力波与背景风场之间的非线 性相互作用!并与线性理论结果进行对比6
"#"! 背 景 风 场 对 重 力 波 传 播 特 性 的 影 响 为了研究重力波在这两种背景风场中的非线性
传播特性以及对背景风场的加速作用!我们模拟了 初始水平速度扰动为>6"-2SF&的 重 力 波 在 这 两 种 背景风场中的非线性传播过程!重力波的水平和垂 直波长分别为&""B- 和&"B-!其 他扰 动 参 数与 文 献)**中 的 相 同6图 ! 中 给 出 了 =.S:&$图 !$.&和 $=&&和=.S:!$图!$N&和$;&&在 两 个 时 刻$已 在 每 个 图中的右上 角 标 出&的 位 温 场 $等 值 线&和 对 流 不 稳 定区域$V! #"! 阴 影&的 空 间 分 布 情 况6由 于 重 力 波在两种背景风场中的垂直传播速度不同!所以我 们在图中给出的是重力波在传播过程中出现相同物
理现象时的图像6图 !$.&和 $N&给 出 的 是 重 力 波 刚 开始出现不 稳 定 的 情 况6图 !$=&和 $;&给 出 的 分 别 是=.S:&的重力波 破 碎 时 和 =.S:! 在 &+BS时 的 图 像6
首先!比较这两种背景风场对不稳定区域高度 的影响6对于=.S:&$图!$.&和$=&&! 由于反 向背景 风场导致重力波的垂直群速度增大!从而造成重力 波在 较 短 的 时 间 内 $*6’BS&上 传 到 较 高 的 高 度 $&!"B-左右&!导致 重 力 波 在 密 度 以 指 数 形 式 减 小 的背景大气中振幅迅速增大而达到对流不稳定性的 条件 并 )&&* 发生对流 不 稳 定6对 于 =.S:!$图 !$N&和 $;&&!同向背景风场的大小 虽 然 没 有 达 到 重 力 波 水 平相速度的大小$即!重 力 波 没 有 遇 到 临 界 层&! 但 对上传重力波仍有很强的抑制作用!把不稳定区域 都限制在#"B- 以 下! 而 在 #"B- 以 上 的 区 域 仍 然 处于稳定状态6
关键词!!重力波!背景风场!垂直群速度!垂直波长!非线性相互作用
!!目前大气动力学理论以及大量的观测表明!大 气重力波 对 于 全 球 大 气 结 构 的 改 变 具 有 重 要 的 影 响)&,’*6当不考 虑 大 气 重 力 波 时! 理 论 计 算 的 全 球 大气动力学结构与观测存在很大的差异!所以在研 究大气动力学过程中!重力波的贡献是不可缺少的 因素6同时!大气 动 力 学 结 构 对 于 重 力 波 的 传 播 也 产生 显 著 的 作 用6由 于 全 球 大 气 背 景 风 场 存 在 着 明 显的季节变化!因此!对重力波在各种背景风场中 的传播特性以及对背景风场的加速作用是近几年研 究 的 热 点 问 题 )&,)*6
重力波在 同 向 背 景 风 场 $是 指 风 场 方 向 与 重 力 波水平相速 度 方 向 相 同&中 的 传 播 情 况 得 到 了 较 多 的关注 和 研 究 ! )$!)* 这 是 由 于 目 前 普 遍 认 为 同 向 背 景风场对重力波的向上传播产生明显的阻碍作用并 具有很强的非线性相互作用6