大气重力波(GW)对大气不同层之间的动量和能量传输起着非常重要的作用,GW的导制传播影响大气垂直和水平方向上的能量传输与耦合。GW传播过程中发生的自加速,破碎进而将能量级联到更小尺度的扰动中,进而产生不稳定性,湍流以及大尺度的次重力波(SGW)和声波(AW),也对大气不同层之间的能量收支平衡起着重要的作用。这些内容是本文研究的重点,尽管现在已经有了比较成熟的线性理论来研究GW的传播特征,但是,GW的导制传播在数学上是一个复杂的奇点问题,而GW的自加速,破碎行为完全是一种非线性行为,难以解析求解。通过数值模拟,这些非线性问题在一定程度上得到了很好的理解。本文使用基于全隐欧拉格式和基于有限体积元的两种非线性可压缩大气模型对上述问题展开了研究,这两种模型均可以实现2-D和3-D模型之间的切换。采用基于全隐欧拉格式的大气模型,我们研究如下两方面的内容:1.大气GW在平流层热波导中的导制传播(第三章),模拟结果表明:(1)在初始强迫激发的风扰动完全进入波导区域后,扰动可以在水平方向上分为对称和反对称模式,波导中可以同时存在具有不同空间结构的各种波模。导制波的主要参数(水平波长,垂直波长和波频率)主要由初始强迫的水平波长决定。(2)伴随波导区域导制波的能量泄露,驻波逐渐形成。(3)在重力波导制传播过程中,大多数波能被限制在管道区域并随时间缓慢消散。波导区域能量的耗散与初始强迫参数具有很强的依赖性,初始强迫的波频率越高(或水平波长越短),波能消散越慢。2.大气GW在中间层Doppler波导中的传播(第四章),模拟结果表明:(1)前面叙述的关于热波导导制传播的特性仍然适用于Doppler波导。(2)两种波导类型的导制传播具有一些不同点,比如在热波导中,0阶波模的传播速度始终是最慢的,而在Doppler波导中,0阶波模的传播速度始终是最快的,不管在热波导还是Doppler波导中,传播速度快的波模似乎能量耗散总是慢的。多站点观测设备观测热波导和Doppler波导时,观测到的GW特征可能不一样,比如在Doppler波导个例1中,在靠近波源的地区,主波具有更低的频率,而在远离波源的地区,主波具有更高的频率。这和热波导个例1中得到的情况正好相反。采用基于有限体积元的大气模型,我们研究如下两方面的内容:1.大气二维(2-D)GW波包的自加速,不稳定性,SGW和AW的激发,以及波流相互作用(第五章)。通过在y方向上设置很窄的模拟域引入2.5-D模拟使得能够解析GW波包破碎,耗散和动量沉积的3-D不稳定性动态。模拟结果表明:2.5-D模拟展示了波包对局部自加速效应的响应,包括在较大尺度上产生能够传播到更高高度的SGW,以及级联到更小尺度的不稳定性和湍流的动态过程。与2-D结果相比,2.5-D结果表现出的3-D不稳定性导致了小尺度SGW生成和传播的显著减弱。最初大尺度SGW是在强烈的GW不稳定性和耗散之前自加速过程的早期阶段产生的GW与平均流相互作用下产生。因此,大尺度SGW在2-D和2.5-D模拟中表现出类似的响应,并且容易在距离初始波包较远的距离传播到更高高度。2.大气三维(3-D)GW波包在3-D潮汐风场中的自加速,不稳定性,SGW和AW的激发,以及波流相互作用(第六章)。模拟结果表明:类似2-D GW波包响应,发现3-D GW波包也展现出很强的自加速过程,3-D GW相位失真,GW波包垂直传播的停滞,波包能量级联到局部不稳定性,湍流,以及SGW和AW生成。此处描述的其它3-D响应包括潮汐风折射,局部3-D不稳定性,不对称SGW传播,在较高海拔处相对于2-D波包响应更弱的SGW和AW响应,以及可能对在较长时间尺度上发生的化学和微物理过程有影响的瞬态强迫和大尺度3-D平均流响应。