大气重力波传播中不稳定过程的高时空分辨率模拟研究

在前期的研究工作中，我们把并行计算技术与非线性重力波模式相结合，建立了高分辨率的二维和三维并行重力波数值模式。本项目将利用这些模式在不同的大气背景(NRLMSISE00的温度背景和HWM07的风场背景)下，模拟在低层大气中产生的重力波，传播到中间层和低热层(MLT)区域时，发生不稳定和破碎的过程。重点研究不同的大气背景结构和不同的重力波波源对不稳定重力波和KH billows时空结构的影响；深入研究重力波的传播以及不稳定和破碎对大气结构产生的影响。这对于揭示低层大气中的重力波与MLT区域中观测到的小尺度波动和KH billows之间的直接联系，进一步了解重力波在上下层大气耦合过程中的作用具有重要的理论价值。

本项目利用已经建立的模拟重力波从对流层上传到热层的非线性并行数值模式，模拟了重力波不同大气背景中的非线性传播情况，同时，也开展了对中高层大气观测数据的分析、高分辨率数值格式的研究、以及指导研究生等方面的工作。本项目围绕预期目标，取得的主要成果如下：（1）通过在模式中引入体现热层大气特性的分子粘性和热传导系数，同时考虑中层顶区域湍流扩散特点，研究了重力波在热层大气中的非线性传播情况，首次用非线性模式给出了重力波在热层大气中传播时的完整图像。（2）通过模拟重力波在不同纬度/季节的非等温大气中的非线性传播过程，揭示了重力波从低层大气向热层大气的传播过程中，其垂直波长和传播路径发生了很大的变化，而且这些参数的变化并不同步，该成果对于深入了解大气结构对重力波传播特性的影响具有重要意义。（3）通过分析南海季风试验期间每天4次的气球探空数据以及同时期热带降水量卫星的观测资料，研究中国南海南部对流层上部的湍流动能耗散率和湍流扩散系数的日变化特征及其与热带对流之间的相关性。（4）分析了子午工程兴隆台站FP干涉仪近3年观测的中间层（～87 km和～98 km）和热层（～250 km）高度上的风场数据，并与水平风场模式（HWM07）进行了比较。这也是首次对中国地区的中高层和热层风场的年变化和季节变化特征进行分析，为建立更为准确的全球水平风场模式提供了独特的数据资料。（5）分析了子午工程兴隆台站全天空气辉成像仪观测的大气重力波活动特征以及重力波参数随季节的变化特征。这是利用气辉成像仪首次对中国中部地区全年观测到的重力波活动的统计分析。针对一次特殊的Bore事件，结合卫星和地基观测资料，分析了Bore产生的条件、传播过程和效应。（6）在高分辨率数值格式的研究方面，我们提出了分别在同位网格和跳点网格系统下的高分辨率紧致格式，并构造了相应的数值边界条件，分析了数值格式的稳定性。数值实验结果表明，我们提出的高分辨率紧致差分格式适合模拟小尺度波动。提高数值格式的分辨率是除了并行手段之外，提高数值模式计算效率的另一个重要途径。这些研究为进一步提高模拟重力波非线性传播过程的并行数值模式提供了很好的理论支撑。（7）在指导研究生方面，主持人指导的研究生李一帆同学于2013年获得国家研究生奖学金。