新疆库尔勒地区秋季下平流层重力波特性

利用2011年秋季无线电探空数据,采用矢端曲线法首次分析了新疆库尔勒地区下平流层重力波特征参量,得到36组准单色重力波的结果.结果统计显示：库尔勒秋季下平流层重力波垂直波长、水平波长平均值分别为2.8 km和580 km,固有频率平均值为1.74f.垂直传播方向以上传为主,约占78%,其中下传重力波水平波长较短,固有频率较高.水平传播方向以西北和东南为主,各占1/3,其中上传（下传）重力波水平传播方向以西北（东南）居多,这与热带低纬站点和其他中纬站点观测结果不同.与其他站点比较,库尔勒地区最小,中高纬地区水平波长、垂直波长随纬度增加大致有减小的趋势,库尔勒地区偏离这一趋势,波长偏大.     

北京上空对流层和下平流层重力波谱统计特性

利用北京市观象台2002年1～12月气球无线电探空观测的垂直高度分辨率为50m的温度观测数据,研究1．67—8．02和13．57～19．92km高度区间归一化温度扰动垂直波数谱,并将它们和线性饱和模式比较．结果表明,单个垂直波数谱的谱斜率和谱振幅存在相当大变率,这和线性饱和理论的预期不一致．然而,在对流层的不同季节和不同地方时观测的平均垂直波数谱显示了很好的类似,即谱斜率非常接近于理论值-3．0,谱振幅和浮力频率的4次方成比例关系,认为对流层季平均谱很好地遵循线性饱和模式,并且在目前是唯一的．相反,在下平流层,平均垂直波数谱的谱斜率与理论值有较好的一致,但观测谱的谱振幅却明显偏离了线性饱和模式的理论预期值．这些观测的平均谱在目前也是唯一的．从对流层和下平流层的平均谱得到的盛行垂直波长在2．1—3．2km之间,与文献中报道的结果大致相同．     

北极地区低平流层惯性重力波的观测研究

南极地区重力波活动有大量报道,相对而言,北极地区重力波的研究还很少.本文利用极区Ny-Alesund站点（78.9°N,11.9°E）无线电探空仪从2012年4月1日到2017年3月31日共5年的观测数据,统计分析了北极地区低平流层惯性重力波的特征.观测显示,月平均纬向风在20 km以下盛行东向风,再随着高度增加,逐渐呈现出半年振荡现象.对流层顶高度在5~13 km范围内变化,其月平均高度显示出年循环,最高出现在夏季,约为10 km,最低出现在冬季,约为8.5 km.对流层和低平流层月平均温度都显示出明显的年周期变化,这与中低纬度观测结果有所不同.结合Lomb-Scargle谱分析和矢端曲线方法,估算了准单色惯性重力波参数.个例研究表明,低平流层惯性重力波呈现出远离源区的自由传播性质.统计结果显示,惯性重力波的水平和垂直波长分别集中在50~450 km和1~4 km范围内,本征频率集中在1~2.5倍惯性频率间,这些值都比中低纬度观测值稍小.垂直方向本征相速度主要集中在-0.3~0 m·s^-1,而纬向和经向本征相速度集中在-40~40 m·s^-1之间.在5年的观测中,大约91.5%的惯性重力波向上传播.在冬季和早春,由于极地平流层极涡活动,激发出向下传播的惯性重力波,因此,向下传播的比例上升到相应月份的20%左右.由于低层大气盛行的东向风的滤波效应,低平流层大部分惯性重力波向西传播.波能量呈现出明显的年周期变化,最大值在冬季、最小值在夏季,与北半球中低纬度观测结果一致,表明北半球重力波活动普遍冬季强、夏季弱.

     

AIRS观测的东亚夏季平流层重力波特征

对流性重力波对中层大气环境有显著影响.重力波活动及重力波源的地理和季节性变化等信息是理解和模拟重力波效应的基础.卫星高光谱红外大气垂直探测器AIRS的4 μm和15 μm波段可用于识别30~40 km高度范围和41 km高度附近的重力波,其11 μm通道可同步观测对流层深对流.观测个例表明,海面和陆面上空的平流层扰动影响范围均可达1000 km,不同高度的扰动强度分布也存在差异.基于2007年6月至8月的AIRS观测资料,分析了东亚区域的对流层深对流活动和平流层的重力波,得到了深对流和重力波发生频率的水平分布.统计结果表明,东亚区域夏季夜间的深对流活动明显少于白天,但AIRS观测到的平流层重力波发生频率和扰动强度均显著大于白天,揭示了夜间对流层深对流诱发的平流层重力波在强度、范围等方面可能与白天存在显著差异.进一步对比分析表明,AIRS观测的平流层扰动高值区与深对流高值区明显不同.平流层重力波与对流层深对流之间的相关分析表明,在36°N以南的区域,41 km高度上AIRS观测的重力波中,深对流云诱发的重力波的比例约为30%~100%.在10°N至36°N区间,90%的深对流均可诱发平流层重力波.分析得到的30~40 km高度区间和41 km高度附近的重力波水平分布对比表明,后一高度上的扰动强度明显大于前一高度,且前一高度在东南亚区域存在强扰动中心而在后一高度则没有.最后,给出了AIRS观测的几种典型形态的东亚区域平流层波动,表明了该区域平流层环境波动形态的复杂性和多样性.     

基于COSMIC卫星观测数据的平流层重力波的全球分布特征研究

本文利用2007年1月至2012年12月的COSMIC卫星温度剖线,从中提取了垂直波长在3~10 km的重力波扰动信息,进而分析了全球平流层大气重力波的分布特征.赤道地区低平流层重力波表现出明显的准两年变化,这种变化与风场的准两年变化具有明显的相关性,向下发展速度约为1 km/月;赤道地区高平流层(35 km以上区域)的重力波活动则存在明显的半年变化.中高纬度重力波活动主要表现为冬季强夏季弱.在南极地区存在着与急流的时间、空间以及强度变化密切相关的重力波分布特征,这说明在南极极夜急流是非常重要的一个重力波源;而在北极极夜急流的作用则没有那么强.此外,通过考察不同高度的重力波活动特征,我们发现:30 km以下重力波活动较强区域主要在赤道地区且与强对流区分布基本吻合,地形诱发的以及与天气系统相关的强重力波活动在该高度范围内同样出现;而在30 km以上的区域重力波活动强度分布则会出现与平流层爆发性增温以及极夜急流有关的变化.     

青藏高原上空UTLS区域一次地形重力波过程中的物质上传

利用美国航空航天局MERRA(Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications)再分析资料和MODIS(Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer)卫星资料以及欧洲气象中心ECMWF-Interim(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)再分析资料,分析了发生于青藏高原北侧上空的一次地形重力波事件,并使用中尺度预报模式WRF-ARW.V3.0(Weather Research and Forecasting model,V3.0)对其进行了数值模拟.在此基础上,诊断分析了此次地形重力波在UTLS(Upper Troposphere and Lower Stratosphere)区域造成的物质和能量垂直传输特征.分析结果表明这一中尺度地形重力波信号的水平波长约为600km,与地形扰动水平尺度接近,重力波在对流层中传播的垂直波长约为3km,在垂直方向上随着高度的增加呈现出由东向西倾斜的结构特征.此次地形重力波上传进入平流层并在150hPa附近破碎,波破碎后动量通量在短时间内发生了强烈的衰减,重力波携带的能量在破碎高度附近释放.重力波破碎的同时垂直方向湍流混合变得异常强烈,湍流交换系数可在短时间内增加到背景值的8倍以上,剧烈湍流混合过程导致了对流层上层的空气进入平流层,使下平流层空气出现了位势涡度和臭氧的低值区,在浮力频率的垂直剖面中也可以看到由于地形重力波过程造成的平流层下层浮力频率异常低值区.     

利用COSMIC RO数据分析青藏高原平流层重力波活动特征

本文利用2006年5月至2013年4月COSMIC干温廓线数据,提取了青藏高原地区大气重力波势能,以此研究了青藏高原大气重力波势能的分布频率模型和大气重力波活动的时空变化特征,并进一步分析了高原大气重力波活动与高原地形、风速和高原大陆热辐射之间的相关性.青藏高原地区大气重力波势能的分布频率服从对数生长分布;青藏高原地区大气重力波在16~18 km和28~31 km高度较活跃,而在20~26 km高度较平静;高原大陆边缘各季节重力波活动均较活跃,而高原大陆上空大气重力波活动呈明显季节性变化,其在冬春季节较活跃,在夏秋季节较平静;2010年冬季青藏高原大气重力波活动异常平静;各季节整个高原上空大气重力波活跃度有随大气高度升高而降低的趋势,高原上低层大气重力波向高层传播会发生耗散作用.地形与风速是影响青藏高原大气重力波活动的重要因素.地形主要影响平流层底部的重力波活动;纬向风比经向风对该地区平流层大气重力波活动的影响大,纬向风总体上会促进高原大气重力波活动.青藏高原大陆热辐射对高原大气的加热作用是导致青藏高原大气重力波活动呈季节性变化的重要因素.     

台风“梅花”诱发平流层重力波的数值模拟与AIRS观测

为了分析台风这类强对流诱发平流层重力波的过程,本文利用中尺度数值模式WRF-ARW(V3.5)和卫星高光谱红外大气探测器AIRS数据对2011年第9号强热带气旋"梅花"的重力波特征进行了分析.首先,针对模式输出的垂直速度场资料的分析表明,台风在对流层各个方向上几乎都具有诱发重力波的能量,而在平流层内则呈现出只集中于台风中心以东的半圆弧状波动,且重力波到达平流层后其影响的水平范围可达1000 km.此外,平流层波动与对流层雨带在形态、位置以及尺度上均具有一定的相似性.其次,对风场的分析结果表明,不同高度上波动形态的差异主要是由于重力波垂直上传的过程中受到了平流层向西传的背景风场以及风切变的调制作用,揭示了重力波逆着背景流垂直上传的特征.随后,基于FFT波谱分析的结果表明,"梅花"诱发的平流层重力波水平波长中心值达到了1000 km,周期在15~25 h,垂直波长主要在8~12 km.最后,利用AIRS观测资料分析了平流层30~40 km高度上的大气波动,得到了与数值模拟结果相一致的半圆弧状波动.对比结果也验证了WRF对台风诱发平流层重力波的波动形态、传播方向、不同时刻扰动强度的变化以及影响范围的模拟效果.此外,也揭示了多资料的结合对比有助于更加全面地了解台风诱发平流层重力波的波动特征.     

与东北冷涡相伴的高空急流诱发平流层重力波的数值模拟研究

使用中尺度数值模式WRF-ARW,针对2010年6月发生在中国东北地区一例伴随对流层高空西风急流（位于~9 km高度）演变过程出现的平流层重力波活动特征开展了数值模拟. 事件发生期间,对流层区域环流处在一个东北冷涡系统的控制之下. 模拟结果再现了该东北冷涡的发展和维持过程,以及与之相伴的高空急流的特征. 模拟结果揭示出在急流区域上空的平流层中存在显著重力波活动现象. 分析结果显示,重力波活动与急流存在紧密联系,在水平方向上,重力波呈显著的二维结构,出现在急流出口区上部并逆背景流向西传播. 功率谱分析结果表明盛行波动具有~700 km水平尺度、9~12 h时间尺度以及4~5 km垂直波长. 由于急流的存在,造成其与平流层中下部之间存在显著的水平风速垂直切变,与切变相伴的耗散使得上传的重力波动量通量数值随着高度升高而递减. 同时,在18~20 km高度间出现的西风-东风转换带极大地抑制了波动在垂直方向的传播,形成显著动量通量沉积效应. 估算结果表明,在11~20 km高度之间,这种效应的整体作用相当于对该层背景流施加强度为0.86 m·s-1·day-1的动力阻曳.     

与东北冷涡相伴的高空急流诱发平流层重力波的数值模拟研究

使用中尺度数值模式WRF-ARW,针对2010年6月发生在中国东北地区一例伴随对流层高空西风急流（位于~9 km高度）演变过程出现的平流层重力波活动特征开展了数值模拟. 事件发生期间,对流层区域环流处在一个东北冷涡系统的控制之下. 模拟结果再现了该东北冷涡的发展和维持过程,以及与之相伴的高空急流的特征. 模拟结果揭示出在急流区域上空的平流层中存在显著重力波活动现象. 分析结果显示,重力波活动与急流存在紧密联系,在水平方向上,重力波呈显著的二维结构,出现在急流出口区上部并逆背景流向西传播. 功率谱分析结果表明盛行波动具有~700 km水平尺度、9~12 h时间尺度以及4~5 km垂直波长. 由于急流的存在,造成其与平流层中下部之间存在显著的水平风速垂直切变,与切变相伴的耗散使得上传的重力波动量通量数值随着高度升高而递减. 同时,在18~20 km高度间出现的西风-东风转换带极大地抑制了波动在垂直方向的传播,形成显著动量通量沉积效应. 估算结果表明,在11~20 km高度之间,这种效应的整体作用相当于对该层背景流施加强度为0.86 m·s^-1·day^-1的动力阻曳.     

台风“麦莎”（Matsa）诱发平流层重力波的数值模拟

本文利用新一代中尺度预报模式WRF-ARW（V3.0）对2005年台风＂麦莎＂诱发的平流层重力波进行了数值模拟研究.覆盖整个＂麦莎＂台风主要生命史为期8天的模拟再现了＂麦莎＂的主要特征,与观测资料进行对比,模拟结果在台风基本特征（路径、强度、螺旋云带分布）以及平流层大气平均状态方面上,都与观测资料有较好的一致性.在此基础上,对＂麦莎＂诱发的平流层重力波进行了分析研究,分析结果表明：伴随台风向西北方向移动,在其上空以台风为中心的区域中,持续地出现显著平流层重力波,这些波动呈弧状的波阵面离开台风,并主要在背景流的上游中传播.这些波动特征表明了平流层重力波与台风之间存在紧密联系,我们把这种波动称为＂热带气旋-平流层重力波＂.模拟结果还显示,这些波动应该具有相当大的水平尺度,才使得在20km高度上清晰的波阵面出现在距台风中心1000km以外的位置,这与过去的观测分析结果揭示的与台风相伴的平流层大尺度重力波现象是一致的.     

中层大气Rossby波与惯性重力波的非线性相互作用 （Ⅰ）相互作用方程

从包含Ｒｏｓｓｂｙ波和惯性重力波的大气运动方程组出发,采用弱非线性相互作用近似,推导出耗散大气中这两种尺度相差很大的波动之间的非线性相互作用方程．以此为基础,得到了描述窄角谱Ｒｏｓｓｂｙ波包和惯性重力波包的非线性时空演变规律的三波相互作用方程．数值分析表明,当一个Ｒｏｓｓｂｙ波包与两个惯性重力波包发生相互作用时,两个惯性重力波包之间进行快速的能量交换,同时与Ｒｏｓｓｂｙ波包之间进行缓慢的能量传输．从时间尺度上讲,惯性重力波可以看作Ｒｏｓｓｂｙ波包运动的背景噪声,因此上述非线性相互作用过程可以理解为大尺度Ｒｏｓｓｂｙ波包与背景噪声之间的能量交换过程．     

中层大气Rossby波与惯性重力波的非线性相互作用 （Ⅰ）相互作用方程

从包含Ｒｏｓｓｂｙ波和惯性重力波的大气运动方程组出发，采用弱非线性相互作用近似，推导出耗散大气中这两种尺度相差很大的波动之间的非线性相互作用方程．以此为基础，得到了描述窄角谱Ｒｏｓｓｂｙ波包和惯性重力波包的非线性时空演变规律的三波相互作用方程．数值分析表明，当一个Ｒｏｓｓｂｙ波包与两个惯性重力波包发生相互作用时，两个惯性重力波包之间进行快速的能量交换，同时与Ｒｏｓｓｂｙ波包之间进行缓慢的能量传输．从时间尺度上讲，惯性重力波可以看作Ｒｏｓｓｂｙ波包运动的背景噪声，因此上述非线性相互作用过程可以理解为大尺度Ｒｏｓｓｂｙ波包与背景噪声之间的能量交换过程．     

一次冰雹过程的惯性重力波观测及数值模拟

使用高灵敏度的电容式微压波传感器对1998年4月11日16时发生在贵州省普定县的一次降冰雹过程的重力波进行观测,利用WRF（Weather Research and Forecast）中尺度模式对这一过程进行数值模拟,使用Morlet小波方法对模拟结果进行分析,得出这一过程中惯性重力波的分布和变化规律,并分析急流、地形及切变线对惯性重力波的影响.观测发现：在降冰雹前,每隔1~4小时出现一次短周期重力波阵性增强的现象.数值模拟结果显示：在低空降冰雹前几个小时有强的短周期重力波出现,其中周期较长的出现早、存在时间长,周期较短的出现晚、存在时间短;强的低空急流和风速垂直切变触发对流或湍流的发生和加强,对流或湍流又激发了80~200 min的短周期重力波;短周期重力波更容易向垂直方向传播,而长周期重力波倾向于水平方向传播.长周期重力波在降冰雹后周期有明显变短现象,随高度越加明显.由地形形成的重力波在最高山峰上空振幅最大.     

基于OH全天空气辉成像仪观测的中国低纬地区的重力波传播统计特征

利用位于海南富克(19.5°N,109.1°E)和广西桂平(23.4°N,110.1°E)两个台站两年多的OH全天空气辉成像仪观测数据,对中国低纬地区的重力波传播统计特征进行了研究.从富克和桂平的气辉成像观测中, 分别提取了65和86个重力波事件.研究结果表明,观测水平波长,观测周期和水平相速度分别集中分布在10~35 km, 4~14 min和20~90 m·s-1范围.重力波传播方向,在夏季表现出很强的东北方向传播.然而,在冬季主要沿东南和西南方向传播. 同时,结合流星雷达风场观测和TIMED/SABER卫星的温度数据,也发现在中层-低热层中传播的大多数重力波表现为耗散传播.且低层-中层大气中背景风场的滤波作用和多普勒频移可能对纬向方向传播的重力波产生的各向异性起到重要的调制作用.然而,经向方向传播的重力波产生的各向异性可能同时被低层大气中波源的非均匀分布以及潮汐变化所影响.     

中层重力波运动学特性的VHF雷达观测

利用ＳＯＵＳＹＶＨＦ雷达１９８７年６月在挪威的观测数据,分析了一个典型的内重力波事件的运动学特征．结果表明,该重力波的等相面明显下传,垂直波长随高度的增加而增大,背景风随高度增加而减弱,可以推断波顺风传播,与内重力波色散方程的预言是一致的;利用重力波色散方程导出的重力波运动学参量量值与其他探测手段得到的结果一致．     

中层重力波运动学特性的VHF雷达观测

利用ＳＯＵＳＹＶＨＦ雷达１９８７年６月在挪威的观测数据，分析了一个典型的内重力波事件的运动学特征．结果表明，该重力波的等相面明显下传，垂直波长随高度的增加而增大，背景风随高度增加而减弱，可以推断波顺风传播，与内重力波色散方程的预言是一致的；利用重力波色散方程导出的重力波运动学参量量值与其他探测手段得到的结果一致．     

利用波的偏振特性提高转换波震相识别的可靠性

本文介绍将位移主方向分析法和偏振滤波法应用于PS转换波震相的分析。结果表明,这些方法能有效地提高PS波震相识别的可靠性。