中高层大气重力波非线性相互作用及其对重力波谱影响的数值研究

结合数值模拟和实验数据分析，深入研究大气重力波的非线性相互作用。数值研究重力波的共振和非共振相互作用、高阶相互作用以及激发多支生成波的相互作用过程。讨论影响相互作用时间和相互作用度的关键因素，分析相互作用失配度对波波间能量交换的影响，探究重力波各类非线性相互作用过程中能量交换机制和传递规律。重力波非线性相互作用实现了不同谱成分间能量交换，因此，进一步探讨重力波非线性相互作用对大气重力波谱的影响。研究波波相互作用作为中高层大气中重要波源所激发的重力波在中间层和热层大气中的传播和耗散过程。根据实验观测数据，分析波波相互作用实例；把数值模拟与实验数据分析相结合，研究在真实大气中重力波相互作用的特性。从而加深对重力波非线性相互作用及其对中高层大气某些动力学过程和暂态结构影响的理解。

该项目支持下，结合数值模拟和实验观测分析，我们深入研究了大气波动的非线性相互作用。通过数值实验，我们研究了重力波的共振和非共振相互作用，揭示了相互作用中波能量传递规律和高阶相互作用机制，提出了“相互作用失配度”的概念和计算式，以判断相互作用中是否发生有效的能量交换。在非线性相互作用，波能量交换显示出共性，即波能量主要从高频的主波向生产波传递，强的次波能强化这一能量传递。共振三波遵守共振匹配条件，共振激发是可逆的。非共振三波水平波长保持匹配，频率趋于匹配，失配主要体现在垂直波长上，相互作用波满足重力波的色散关系，非共振激发不具有可逆性。根据波能量交换的原则，我们对这种匹配关系给出了解释。应该注意到，这种匹配关系不同于弱相互作用理论的结果，即非共振三波水平和垂直波长匹配，三波的频率失配并发生振荡，相互作用波不满足色散关系，但无法解释这一结果。在中间层低热层高度，大气耗散性既不能阻止相互作用的发生，也不能延长相互作用时间，主要效应是耗散相互作用波的能量。高阶相互作用是主波直接多次参加相互作用，不需要也不存在“中间强迫模”。重力波的非线性相互作用能有效地扩展中高层大气中重力波的高频谱。根据流星雷达观测，研究了行星波与潮汐间的非线性相互作用。在准两天波与潮汐相互作用事件中，揭示出波波相互作用是半日潮随准两天波变化的主要机制，而周日潮随准两天波变化则是由波波相互作用以及波流耦合两种机制共同作用的结果。十六天波与周日潮相互作用事件中，揭示出不仅发生了强的二阶相互作用，而且发生了有意义的三阶相互作用，表明在中高大气，大气波动的三阶相互作用可能频繁发生。第一作者发表论文，《JGR》上2篇，《AG》上2篇，《JASTP》上1篇，《Sci. China Earth Sci》上1篇，1篇《AG》论文修订版已投稿。另有合作作者论文，《JGR》3篇，《AG》3篇，《JASTP》1篇。获2010年美国地球物理学会空间科学分会Basu奖，并在美国地球物理学会秋季会议做“重力波非线性相互作用”的大会邀请报告。