基于秒级探空资料分析四川重力波统计特征

利用2014年6月-2017年9月的秒级探空资料,选取四川地区5个代表性站点研究重力波在对流层（2~10 km）和平流层（18~25 km）的时空特征。选取结果表明:重力波能量在四川地区各个高度均存在明显的季节变化,冬季强,夏季弱;在对流层由于地形影响,川西和川北高原地区的能量小于其他地区。垂直波长没有明显的时空变化,在对流层和平流层分别集中分布于1.5~3 km和1.5~3.5 km;水平波长则差别较大,分别分布于0~300 km和100~700 km,平均值分别为100 km和350 km。重力波固有频率在对流层有较大的区域差异,表现为在四川西北部的高原地区固有频率平均值为3f（f为地转参数）,其他地区则仅为2.4f;平流层则没有明显的差异存在,均约为2f。四川地区重力波的垂直传播方向特征基本相同,在对流层约有50%的波动向上传播,平流层则有90%以上的波动向上传播。水平传播则存在明显的不确定性,特别是对流层;平流层水平传播方向存在明显的季节变化,表现为夏季重力波多向偏东方向传播,而其他季节则向偏西方向传播。     

热带平流层多尺度波动分离方案的研究：多站点高分辨率无线电探空联合分析

利用太平洋地区台风过境期间6个热带气象站的高分辨率无线电探空资料,结合扩展经验正交函数（EEOF）展开,对热带下平流层行星波和重力波扰动进行了分离,给出了一种热带地区提取重力波扰动的新方案。对观测数据做EEOF展开后,选择表征行星尺度波动模态的特征向量和相应权重进行气象要素场的重建。结果显示,在不同的台风过程期间,温度、纬向风和经向风的重建扰动量显示出不同的动力学偏振关系:在准两年振荡（QBO）东风位相时与赤道开尔文波的偏振关系一致,而在准两年振荡西风位相时与混合罗斯贝-重力波（MRG）的偏振关系一致。把行星尺度波动模态从原始观测中剔除,得到新的扰动廓线,对其进行重力波垂直波数谱的谱型拟合。结果发现,与以往方法提取的重力波扰动相比,新方法所得谱型参数中特征垂直波长λ*在不同时期不同站点变化很小,稳定在1.7 km左右,且低频波数段谱斜率s的数值与理论假设1十分接近。综合其研究结果可以推测,用新方法提取的热带重力波扰动更加符合当前的理论垂直波数谱模型。      

平流层大气重力波时空分布特征及其可能影响机制

大气重力波是一种普遍存在于大气层中的波动现象,与多种不同尺度天气现象均有密切联系,研究平流层重力波的时空分布特征及其可能影响机制对于全球大气环流、大尺度气候变化和各类中尺度天气系统的研究具有重要意义.利用基于PANGAEA数据中心提供的2002—2015年逐月平流层重力波参数资料和SPARC数据中心提供的1992—1997年逐月纬向风资料,分析了平流层重力波参数的时空分布特征,并讨论了影响平流层重力波变化的可能机制.结果表明,对于重力波参数的纬向平均分布,平流层重力波扰动温度和垂直波长随高度增加而增大,而水平波数和绝对动量通量则相反.在夏半球的中低纬度和冬半球的高纬度存在重力波参数的大值区,在赤道附近全年存在重力波参数的低值区.平流层重力波参数水平分布表现为纬向上的带状分布,强度随季节发生变化.在相同纬度,重力波参数的大值中心出现在大陆,特别是山脉地区.平流层纬向风和重力波参数二者的分布具有一致性,说明背景风对大气的扰动是影响重力波参数的可能机制之一.     

青藏高原上空温度场低频变化的垂直结构及其与热带海气的相互关系

采用一点相关法研究了青藏高原东部对流层－平流层下部温度场低频变化的垂直结构,指出了最大负相关层的高度和强度随季节的变化特点,并与高原北部格尔木和我国东部（１２０°Ｅ、３０～５０°Ｎ）区域作了比较。从青藏高原对流层顶高度的季节变化、大气温度层结和动能垂直分布探讨了青藏高原温度场低频垂直结构及季节变化的物理背景。并指出：秋季１０～１１月青藏高原东部垂直热力结构、赤道印度洋－太平洋的两个纬向垂直Ｗａｌｋｅｒ环流圈强度与赤道东太平洋（０～１０°Ｓ、１８０～９０°Ｗ）区域ＳＳＴＡ之间具有极为密切的耦合关系。     

对流层与下平流层大气重力波的气候及差异特征研究——以太原为例

大气重力波对全球大气的动力、热力结构具有重要影响,研究重力波参数气候特征是研制全球大气模式中重力波参数化的一个重要环节,通过引入重力波的影响,有利于提高大气模式的预报能力。本文利用2014-2017年太原地区(112.55°E,37.78°N)高垂直分辨率探空资料,对其对流层(2～9 km)、下平流层(17～24 km)大气重力波参数的气候特征及其之间差异特征进行研究。结果表明:(1)在1-12月,相对于对流层,下平流层的平均重力波水平波长、周期、固有相速、能量上传百分比均偏大,垂直波长均偏小,但群速在2月、5-9月偏大,其他月份偏小;(2)对流层与下平流层之间的重力波参数偏差、绝对差较大,相关性弱;(3)对流层、下平流层的重力波参数及其之间的偏差,在不同区间范围内的占有率分布特征存在明显差异;通过研究太原地区上空对流层、下平流层大气重力波参数的气候及其之间差异特征,进一步补充了中国区域的大气重力波参数气候特征,有利于研制更适合中国区域数值预报模式的重力波参数化方案。     

华北地区一次对流激发重力波的卫星观测和数值模拟研究

对流激发的重力波能够向中层大气输送动量和能量,准确获取重力波主要特征对于研究中层大气的动力学和热力学结构非常重要。本文利用COSMIC(constellation observing system for meteorology,ionosphere and climate)资料,结合中尺度数值预报模式WRF(weather research and forecasting),对2010年8月4日发生在华北地区上空的一次对流激发的重力波事件进行分析。结果表明:此次事件激发的重力波在平流层以中低频重力波为主,且在平流层中垂直波长、水平波长分别为9~11 km和650~800 km,约62%的动量聚集在15~25 km高度的低平流层。在对流活动发生期间,低平流层重力波势能密度一直维持较大数值,而上平流层重力波势能密度则在对流减弱后迅速减小,且伴随着下一次对流活动的出现再次迅速增大。平流层不同高度上重力波势能密度对对流活动的响应主要与对流发展高度和背景风场有关,当对流发展较浅时,其激发的重力波在低层西风中易耗散;当对流发展较深到16 km甚至更高时,其激发的重力波接近零风层,并在东风中迅速上传,使得高层重力波势能密度增加较快。     

基于新型往返式探空观测的下平流层重力波特征分析

利用2018年6月9日—7月10日安庆、长沙、赣州、南昌、宜昌、武汉6个探空站的往返式探空观测试验数据,研究分析了重力波参数（能量密度、固有频率、波长及传播方向）,统计了试验地区6—7月的重力波特征,比较了各站之间以及上升与下降段之间重力波的差异。主要结果如下:（1）该区域重力波动能分布在0.2—1.2 J/m3,平均约为0.8 J/m3,势能分布在0.03—0.5 J/m3,平均约为0.2 J/m3。（2）垂直波长中90%样本分布在1—2.5 km,超过50%的样本分布在2—2.5 km,平均波长为1.8 km左右;水平波长分布范围40—1500 km,主要集中在200—800 km,平均600 km,重力波垂直波长与水平波长的比值很小,在平流层重力波以水平传播为主。（3）大部分站点的上升和下降段结果均存在比较明显的主要传播方向,但主要传播方向特征并不一致,以西北方向传播最多,其次是北向传播。这种往返式探空数据适用于下平流层重力波的观测与分析,下降段资料起到对重力波事件的加密观测作用。上升与下降段所获得的结果存在一定差异,但除水平传播方向外,其余参数差别较小,除能量外,其余参数在下降段结果偏大。      

平流层大气对对流层大尺度热力强迫的线性、定常响应

本文采用一个关于大气定常波的16层线性化原始方程三维谱模式,研究了冬季平流层大气对于对流层各种定常大尺度热力强迫的响应。研究结果表明,对流层中的热力强迫作用对于冬季平流层中垂直向上传播的行星定常波的维持有显著的贡献,平流层中强迫扰动的水平结构及其与对流层中扰动的差异与加热场的垂直结构有密切的关系。相对于强度和空间结构相同的强迫源而言,中纬强迫对于平流层的作用比低纬强迫更为显著。     

夏季风爆发前后中国区域对流层顶高度变化特征

利用2008—2014年全国高垂直分辨率的L波段探空资料,统计分析了东亚夏季风爆发前后我国不同区域对流层顶高度变化特征。研究表明:夏季风爆发后,对流层顶高值区向北推进,最大值位于青藏高原南部及其东南部地区;对流层顶高度的向南梯度和向东梯度大值区均由爆发前的30°~40°N北移至40°~50°N;受地面加热和垂直运动的影响,中国东北部和中东部在夏季风爆发后对流层升温,平流层-对流层过渡层降温,大气温度梯度增加,对流层顶上升,其中中国东北部在夏季风爆发前,大气温度廓线为双峰结构,易出现双对流层顶,第一对流层顶较低;中国南部整层大气温度廓线在夏季风爆发后略有增加,对流层顶有所下降。     

基于探空资料的北京地区大气臭氧垂直分布特征

利用2002年9月至2012年12月北京地区臭氧探空资料分析了大气臭氧的垂直分布特征,重点分析了对流层顶附近区域臭氧的季节变化与变率。结果表明:北京地区对流层臭氧的垂直分布主要表现为随高度递增的特征;臭氧的平均浓度夏季最高,冬季最低,春季和秋季相当,各季节的臭氧浓度在不同高度范围内略有差别。在对流层上层至平流层下层(8—15 km),臭氧浓度的垂直分布与平均浓度受对流层顶高度的影响显著。基于对流层顶相对高度坐标的分析表明,对流层顶下方1—3 km高度的臭氧仍保持了对流层臭氧的垂直分布特征;而在对流层顶高度附近,各季节臭氧浓度均随高度显著增加;由于垂直增速有显著的季节差异,导致臭氧平均浓度在对流层顶上方1—3 km出现明显变化。臭氧浓度归一化标准差表明:在对流层低层,大气臭氧浓度的变率在冬季最强,秋季、春季和夏季臭氧浓度的变率依次减弱;在对流层顶附近,大气臭氧浓度的变率在春季最强,冬季、秋季和夏季臭氧浓度的变率依次减弱,其中冬季和春季的强臭氧变率可能与对流层顶附近活跃的大气波动及对流层顶高度的频繁扰动密切联系。     

不同阶曲线拟合扰动场对下平流层重力波气候特征影响研究

重力波参数气候特征是确定大气模式中重力波参数化方案的重要条件之一,高垂直分辨率探空资料扰动场是获取重力波参数气候特征的基础数据;目前,获取扰动场的方法较多,但基于不同方法计算的扰动场对重力波参数气候特征影响的研究较少。基于2014—2017年山西太原气象台高垂直分辨率探空资料,利用2—4阶曲线拟合方法获取下平流层（17—24 km高度）温度扰动场、纬向风扰动场和经向风扰动场,经统计发现2阶与3阶曲线拟合方法的扰动场相似程度较高;在此选取相似度较高的2阶、3阶曲线拟合方法的扰动场分别计算大气重力波参数,并对大气重力波参数间的气候差异特征进行研究。结果表明:（1）不同阶曲线拟合方法扰动场的变化振幅及随高度变化趋势存在差异,且扰动场间的相关较弱;（2）2阶、3阶曲线拟合方法扰动场得到的重力波参数大小、年内变化趋势及在不同区间范围内占有率均存在差异,且相关较弱;（3）1—12月,相对3阶曲线拟合方法的扰动场,基于2阶曲线拟合方法的扰动场得到的重力波群速、水平波长、垂直波长、周期、固有相速均较大,而重力波能量上传百分比在某些月份较大。因此,不同阶曲线拟合方法扰动场间存在差异,会导致计算得到的大气重力波参数气候特征存在差异,最终对研制大气模式中的大气重力波参数化方案产生影响。      

全球变暖背景下东亚对流层顶高度演变特征的研究

研究了1948～2004年东亚增暖背景下对流层顶高度的演变特征，重点分析对流层温度、平流层中下部温度与对流层顶高度变化之间的关系。结果表明：东亚地区对流层顶高度在1970年代后呈现波动上升趋势，其上升趋势不如南半球显著；东亚对流层温度与对流层顶高度呈显著正相关，特别是对流层中上部温度与对流层顶高度的正相关最显著，这说明对流层中上部的增温对对流层顶高度的抬升贡献较大；东亚平流层中下层温度与对流层顶高度基本呈显著负相关，70hPa层上的负相关最显著；近20年来东亚对流层温度上升了约0．2℃，平流层中下部温度下降了约1．2℃，对流顶高度上升了约86m，对流层的增暖和平流层的冷却作用共同导致了东亚对流层顶高度的变化。     

北半球两大地形下游冬季环流的动力分析——Ⅱ.行星波的垂直传播

线性、定常、多层半球谱模式模拟结果表明,在东亚纬向气流下,青藏高原能在平流层激发出强大的1波扰动,脊槽分别位于太平洋和大西洋上空。在北美纬向气流下,落基山在平流层激发的1波很弱。观测资料计算指出,对流层行星1波很难通过北美对流层顶上传,但却能自由穿过东亚高纬度地区的对流层顶向平流层传播。北美地形所激发的波动在上传过程中均折向低纬传播。青藏高原所激发的行星1波和2波在上传过程中有分支:折向低纬的一支主要局限在对流层中;折向高纬的一支进入平流层。模拟和分析证明,这些差异是北半球两大地形不同的动力作用的结果。     

2020/2021年冬季大范围低温寒潮过程中一种典型的平流层—对流层耦合演变模态

平流层爆发性增温（SSW）超前于对流层环流异常,是延长冬季寒潮低温预报时效的重要途径之一。然而强SSW事件前后地面温度响应的区域和时间存在不确定性,其中涉及的平流层—对流层耦合过程和机理也不十分清楚。本文采用1979～2021年ERA5再分析数据集,研究了2020/2021年冬季“偏心型”强SSW事件前后中高纬度地区地面温度异常的演变特征,并分析了其与等熵大气经向质量环流平流层—对流层分支的耦合演变模态的动力联系。结果表明,伴随此次强SSW事件,亚洲和北美中纬度地区的寒潮低温事件分别在绕极西风反转为东风之前和再次恢复为西风之后发生。SSW前后大气经向质量环流的平流层向极地暖支与对流层高层向极暖支、低层向赤道冷支之间呈现出三个阶段的耦合演变模态: 同位相“加强—加强”、反位相“加强—减弱”以及反位相“减弱—加强”。加强的质量环流对流层向赤道冷支是SSW前后寒潮低温事件的主要原因,而加强的向极地平流层暖支是SSW发生及其伴随的北极涛动负位相持续加强的主要原因。大气经向质量环流不同的垂直耦合模态取决于行星波槽脊在对流层顶和对流层中低层两个关键等熵面上的西倾角异常。西倾角异常表征大气波动的斜压性,主要通过影响关键等熵面以上向极地的净质量输送和其下向赤道的净质量输送进行调控。尤其在SSW发生后的极涡恢复期,对流层顶处异常偏弱的斜压性会加强对流层向极地暖支,进而加强向赤道冷支,有利于寒潮低温的发生。本次SSW事件前后大气经向质量环流三支的耦合演变模态,与历年平流层北半球环状模（NAM）负事件中极区平流层温度异常信号下传滞后的平流层—对流层耦合演变类型相一致,其在波动尺度方面也存在共同特征,即SSW事件或NAM负事件前期对流层一波加强且上传,后期对流层二波加强但较难上传。     

冬季平流层大气环流平均槽脊的形成

本文利用一个π坐标的3层模式描写对流层和平流层的大气运动。由线性化方程的解,讨论了大尺度地形和加热分布的控制作用和定常扰动。 结果得到:(1)地形和对流层热源的超长波扰动,可以传播到平流层中,扰动振幅向上增强,地形波的位相近于垂直,而热源波的位相随高度向西倾斜。(2)地形和热源对平流层平均槽脊的形成都是重要的。但对流层和平流层大气的热源、热汇对30mb阿留申高压的形成起了主要作用。(3)平流层扰动的强大振幅主要是由于平流层大气密度很小所造成的。     

平流层全球环流12层模式的数值模拟试验——地形的动力效应和大陆度的热力影响部分

为了对平流层大气环流的地形影响的作用进行分析,我们作了一个12层全球环流NCAR(美国国家大气研究中心)模式进行数值试验来模拟有山和无山情况下的1月份气候形势,模式中的大气顶为36公里,采用球坐标,水平网格的经距和纬距取5°,垂直格距取3公里。这个模式包括了许多物理因子:太阳辐射和大地辐射,地面和行星边界层,对流层中大尺度降水和云,地面和冰雪面的温度,对流调整,次网格尺度的热量、水汽和动量的输送。地面的大陆度:在有山的情况下由洋面温度与真实地形来确定,在无山的情况下由洋面温度与地平面高度来确定。我们规定按太阳偏角、海面温度以及臭氧随纬度—高度的分布来模拟1月份平均情况。试验中不考虑光化过程。1月份(有山和无山)两种模拟情况的差异是用大气状态变量的地理分布以及纬向平均的气候统计结果来进行分析的。结果发现平流层中在考虑了山的情况下,在增强行星波动能量的铅直输送的方面有明显的差异(尤其是波数1)。在冬季,平流层中,阿留申地区上空半永久性的反气旋仅在有山的情况下才能模拟出来。这表明地形对于平流层大气环流的影响是很大的。另外还详细研究了热带平流层中各种波型铅直传播的特点。有两种波型是一样的;即以5天左右为周期的混合型罗斯贝—重力波和以15天左右为周期的开尔文波。这些波动随高度的倾斜和观测事实是十分一致的,这表明了在模式中热带平流层的波动能量的铅直输送也是向上的。关于在平流层中动量平衡和能量学的详细分析将在第二部分描述。     

一次典型蒙古气旋沙尘暴的对流层顶演变及沙尘垂直输送特征

利用高分辨率中尺度数值模拟结果,对一次蒙古气旋沙尘暴过程的对流层顶折叠和沙尘对流层-平流层输送特征进行分析研究。结果发现:本次过程蒙古气旋的发展由对流层中低层斜压强迫引发,对流层中高层高空位涡下传是蒙古气旋发展的另一影响因素。蒙古气旋发展阶段,对流层中高层为低压槽,对流层顶折叠呈漏斗状;随着蒙古气旋的成熟及高空切断低涡的形成,对流层顶折叠变为双漏斗状,位置偏于低涡区南侧,分别位于低槽槽线中段和低涡中心附近。之后的气旋减弱阶段,对流层顶折叠逐渐与低涡区趋于重合。高空急流位于漏斗状对流层顶折叠区南支附近,当对流层顶折叠加强时,高空急流核向下拉伸,反之,高空急流核则趋于水平。对流层顶折叠呈漏斗状的气旋发展阶段,对流层-平流层输送气流位于漏斗东侧、北侧,即气旋暖区螺旋上升气流,位置越偏东、偏北,输送气流的强度和范围越大;气旋成熟阶段,对流层顶折叠呈双漏斗状(经向)和平直带状(纬向),低涡中心附近的准垂直上升气流、低涡中心以东的低涡区偏南上升气流、以及低涡前部槽前强上升气流均产生明显的对流层-平流层输送。气旋减弱阶段,偏南上升气流、准垂直上升气流导致的对流层-平流层输送明显减弱,低涡东北象限偏东气流则能够形成不可逆的对流层-平流层输送。     

对流云街激发的重力波和波动阻力

大气边界层中的对流活动,可以在其上部稳定层中激发出重力波,并引起垂直动量输送,影响到对流层和平流层中的动量平衡过程.从二层模式中大气波动方程的线性解出发,得出了对流云街激发的重力波波阻解析表达式,并讨论了大气条件对波阻的影响.这些分析可有助于大气环流模式(GCM)中此类重力波波阻参数化表达式的建立和改进.     

青藏高原与同纬度其他地区热带对流层顶气压变化特征的比较

基于1979—2014年ERA-Interim逐日再分析温度资料,依据温度递减率插值法计算出青藏高原及同纬度其他地区热带对流层顶气压数据,比较了高原和同纬度其他地区热带对流层顶气压季节变化和长期变化趋势,讨论了热带对流层顶气压与高空温度的关系。结果表明:1)在季节变化上,除12月和1月外,青藏高原热带对流层顶气压全年低于同纬度其他地区;青藏高原热带对流层顶气压、对流层中上层以及平流层下部平均温度均表现出比同纬度其他地区更明显的单峰型特征。2)热带对流层顶气压与高空温度变化关系密切,对流层中上层(平流层下部)平均温度升高(降低),有利于热带对流层顶气压降低;相对于同纬度其他地区,青藏高原对流层顶气压与对流层中上层平均温度的关系更密切。3)1979—2014年青藏高原和同纬度其他地区各季节的热带对流层顶气压均呈现出不同程度的下降趋势,冬春季下降趋势更加显著;青藏高原各季节对流层中上层增温和平流层下部降温的幅度均超过同纬度其他地区,导致其热带对流层顶气压的下降趋势比同纬度其他地区更加明显。     

北半球50hPa平均环流的若干特征及其与500hPa的某些关联

本文根据北半球50hPa20年平均环流的槽脊特征,分析发现:在全年各月,尤其是冬半年中高纬圈,以2波为主要特征;夏季50hPa平均环流在30°N圈的90—120°E上存在着可能是青藏高原影响的强高压脊。 对50hPa超长波的波数、波长以及500hPa占50hPa波长之比率分析发现:由于地转偏向力向北(南)的增加(减小)和平均波长向北(南)的减小(增大)的相反作用的共同结果,50hPa上的波数在极地和赤道少,而在中纬度最多,这与500 hPa相类似; 对流层(500hPa)与平流层(50hPa)的平均波长比率冬季明显大于夏季,尤其是中高纬度。这表明中高纬度对流层与平流层之间冬季比夏季有着更多的相互作用。这与Charney和Drazin的理论分析相一致。