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1000km.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1000km,周期在15~25h,垂直波长主要在8~12km.最后,利用AIRS观测资料分析了平流层30~40km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.     

中层大气中重力波饱和机制的数值分析

通过对向上传播的重力波波包在中层大气中的非线性传播过程进行数值模拟,讨论中层大气中重力波的饱和机制.数值模拟结果表明,向上传播的重力波波包的扰动振幅在接近波包的本征水平相速度之前随高度单调增长,而当波振幅接近本征水平相速度时,在对流不稳定区域出现等位温面的翻转,同时波振幅的增长达到饱和（波振幅随高度不发生变化）.小尺度对流在等位温面的翻转和波饱和发生后产生,随后波包开始破碎,这些非线性过程的最终结果产生湍流.表明导致重力波饱和的关键因素是等位温面的翻转而不是诸如波破碎、湍流、波-流相互作用等其他的一些物理过程.     

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~9km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~700km水平尺度、9~12h时间尺度以及4~5km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18~20km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11~20km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0.86m·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.     

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.     

耗散大气中水平不均匀风场对内重力波传播的影响

采用包括耗散的射线跟踪方法，计算了在水平不均匀风场作用下，不同尺度重力波从对流层直至220km观测高度的传播，结果表明，垂直于重力波传播方向的风以及风剪切能够引起波射线的折射，从而导致重力波明显偏离初始传播方向.在强顺风场作用下，由于风场引起的捕获，大量重力波不能传播到观测高度.由于风场引起的多普勒频移，小周期的重力波在弱顺风条件下能够传播到观测高度.由于反射作用，强逆风场不支持周期低于约18min的较高频重力波的传播.而在弱逆风作用下，大部分中尺度范围重力波都能够传播到观测高度.本文统计了武汉电离层观象台的TID观测数据随热层风场的分布，统计结果与模拟结果符合较好.     

对流层上传重力波的非线性演化

利用二维全隐欧拉格式对重力波在可压、非等温大气中的非线性传播过程进行了数值模拟和分析.分析结果表明，从对流层顶激发的重力波能稳定地经平流层传到中层顶，从而将能量和动量从一个区域带到另一个区域；在向上传播过程中，重力波经历了发展、位温翻转、对流直至最终破碎的演变；重力波的破碎是对流和小尺度波动的重要的源，对流不稳定和翻转是非线性现象的一个基本特征.计算还显示，扰动源的大小直接影响着重力波的非线性传播过程，当扰动源足够小时，重力波能稳定传播，而大振幅扰动可以加速重力波的破碎.     

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.     

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4μm和15μm波段可用于识别30~40km高度范围和41km高度附近的重力波,其11μm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1000km,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,41km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30~40km高度区间和41km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.     

用传输函数构建的大气重力波传播理论模式

本文根据考虑大气热传导和黏滞的重力波复色散关系,采用传输函数的概念,基于重力波的线性理论,构建了用于研究对流层内重力波激发源与电离层响应之间的传输函数数值模式.在相空间中讨论了传输函数振幅的分布特性,并以地面单位脉冲源为例,分析了从地面到300 km高空的响应,得到了物理量的时空分布特征.结果表明：（1）对内重力波的传播而言,大气相当于一个滤波器,只有波动周期在15～30 min,水平波长在200～450 km之间的重力波扰动才最容易到达300 km电离层高度;（2）电离层的响应主要在与地面的激发源之间相隔较远的水平距离上发生;（3）黏滞和热传导系数在低层对上传重力波的影响较小,随着高度的增加它们对重力波的影响越来越大;（4）在低层计算的波动频率与Row理论的计算结果比较一致,然而到了高层却相差较大.     

用垂直高分辨率探空资料分析北京上空下平流层重力波的统计特性

根据北京市观象台新一代无线电探空垂直高分辨率资料研究北京地区下平流层(17~24 km)惯性重力波活动的季节变化特征. 根据风速以及温度之间的偏振关系来分析重力波的一些重要参数. 结果表明: 1) 波动能量有明显的季节变化, 夏季弱(动能3.5 J/kg, 潜能1.8 J/kg), 冬季强(动能10.6 J/kg, 潜能3.6 J/kg), 全年的动能与潜能比的平均值为2.6; 纬向与经向扰动速度之均方根大小基本一致, 表明下平流层重力波能量在水平方向上是各向同性的. 2) 垂直波长主要集中在1.5~3 km之间, 占所有样本的80%以上, 平均值大致为2.3 km; 水平波长主要集中在100~800 km之间, 平均值为445 km左右; 水平波长与垂直波长之比大约200︰1. 3) 在拟合偏振椭圆前, 采用带通滤波保留垂直波长在1.5~3 km之间的波, 估计得到的固有频率主要集中在1f~3.5f之间(f为科氏参数), 平均值为2f, 相当于周期9 h左右. 4) 重力波能量主要向上传播, 上传重力波出现频率在90%以上; 水平传播方向有一定的不均匀性, 但不是很强, 主要方向为西北方向.     

损耗大气中重力波的非线性相互作用理论

基于中高层大气重力波动力学是由非线性过程和损耗过程共同决定的物理思想,本文采用弱非线性相互作用近似,推导出损耗大气中重力波的非线性相互作用方程.这组方程是研究固定相位和随机相位重力波相互作用问题的出发点.通过引入平均振幅,我们得到了损耗情况下离散重力波的三波相互作用方程,该方程描述了重力波波包非线性时空演变的规律.作为该方程的一个具体应用,我们考虑了由于波-波相互作用产生的不稳定性.当一大尺度大振幅的主重力波通过大气传播时,非线性相互作用可能导致两个次级波振幅随时间指数增长.由于分子损耗和频率失配,主波的振幅必须大于一个阈值,这种指数增长才可能出现.共振条件满足时,阈值变为最小.频率失配还会导致次级波本征频率发生改变,改变的大小是频率失配值的一半.     

利用瑞利激光雷达观测北京地区上平流层地形重力波活动

本文利用中国科学院空间科学与应用研究中心的瑞利激光雷达首次观测到了平流层地形重力波活动的现象,并结合美国国家环境预报中心(NCEP)的全球预报系统(GFS)的风场数据分析了该地形重力波的基本参数.与惯性重力波相比较,地形重力波的密度扰动没有下传的相位,在同一高度上,其扰动相位保持不变.北京空间科学与应用研究中心瑞利激光雷达自2012年开始观测实验以来,已经观测到多起地形重力波活动事件.本文以2013年11月11日的观测数据为例,研究北京上空的地形重力波活动,并结合GFS风场数据分析了北京上平流层地形重力波的波长、传播方向、传播速度等参量.通过分析得到在2013年11月11日北京上空存在一列传播方向为北偏西52.4°,水平波长为5.5km,平均垂直波长约为6.0km的地形重力波.     

旋转流体中的二维惯性重力波-涡相互作用

本文利用f-平面浅水模型讨论了二维情况下快速惯性重力波与平衡涡旋之间的相互作用问题.当快速的惯性重力波传入涡旋区域后，波－涡之间发生了相互作用，涡旋可被加深，涡旋区域的风场等可以出现非对称分布，当惯性重力波全部传出涡旋区域并远离之后，涡旋恢复到其初始状态，但此时惯性重力波可以出现非对称结构，这与一维情况不同.在波－涡发生相互作用过程中，其物理量变化的最大区域分布基本与波动传播方向一致，在波动进入或移出涡旋时，相对应存在两个最大物理量变化区域，此外，相互作用导致的物理量的最大变化与波动结构、强度、传播方向以及涡旋特性有关.非线性条件下的波－涡相互作用要强于线性过程.     

临近空间大气扰动变化特性的定量研究

本文利用TIMED/SABER 2002年1月至2013年1月共11年的卫星温度探测数据,通过全球网格化及在网格内作数学统计的方法,得到了20~100km高度上全球网格点上温度的平均值和标准差,实现了对临近空间全球大气扰动进行定量刻画的目的.通过定量分析温度标准差的分布特性,文中得到了临近空间大气扰动的全球分布规律,并讨论了与这些分布规律相关的物理过程.结果表明,在20~70km高度上,温度标准差为1~10K,有显著的冬季/夏季的差异,冬季的温度标准差比夏季大;大气重力波扰动是最主要来源,同时大气传播性行星波引起的扰动也是来源之一.在70~100km高度上,温度标准差常年较强,量值为10~30K,冬季/夏季的差异小,低纬地区的温度标准差高于中高纬度地区,呈现许多局地化的小结构.大气重力波是引起该区域大气总扰动量的主要扰动来源,大气潮汐波、传播性行星波(准2天、准6.5天)也有重要贡献.     

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.     

2003-2011年平流层顶抬升事件的SABER/TIMED观测

利用2003-2011年的SABER/TIMED温度数据观测发现,在2006年、2009年和2010年北半球高纬（70°N）的冬季（1-3月）发生了“平流层顶抬升”.在这3次事件中,1月末-2月初的~50 km和~80 km高度处分别出现了温度的极大值~260 K和~230 K,即平流层顶的高度突然由原来的50 km左右上升至80 km左右,这就是平流层顶抬升事件;随着时间的推移,抬升的平流层顶的高度逐渐下降直至恢复到原有位置,与此同时其温度由~230 K上升至~260 K.值得注意的是,虽然在极区的每年冬天都发生平流层突然增温事件,但是只在伴随着极涡分裂的平流层突然增温事件后出现平流层顶抬升.此外,在发生平流层顶抬升事件的冬季里,高纬的重力波活动在1月末-2月初的~80 km高度处突然增强,对应着平流层顶的抬升时间和高度;在2月份之后,重力波活动在75 km以下逐渐增强、在75 km以上逐渐减弱,同时抬升的平流层顶也不断下降.通过重力波活动与平流层顶抬升事件的相关性分析,表明重力波活动可能对平流层顶的抬升有重要影响.     

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16~18km和28~31km高度较活跃,而在20~26km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.     

重力波波包在向上传播过程中的破碎

采用二维全隐欧拉（FICE）格式对具有高斯分布的重力波波包在可压大气中传播时的饱和过程进行数值模拟和分析．数值计算结果表明,波振幅首先随高度增加而增加,但当波振幅接近于线性不稳定性给出的阈值时,不再增加,重力波波包达到饱和进而破碎．破碎出现的高度（86．50km）比线性理论预言的结果（84．59km）要高一些,并且一般都在波包的下游出现．波破碎过程能使波能量在空间重新分配,并对重力波能量有明显的耗散作用．并且波破碎会使波相关能量传输方向偏离线性射线理论的射线路径．     

重力波非共振激发的数值研究

应用二阶算子分裂格式，采用全非线性模式，对可压大气中重力波波包非共振激发进行数值模拟和分析.研究表明：两个向上传播的重力波波包，通过非共振相互作用，也能激发出一个向下传播的重力波波包.生成波的能量几乎正比于主波的能量，也随次波的能量增大而增大.能量传递方向主要表现为从高频的主波向次波和生成波转移，这与共振相互作用不完全相同.非共振作用的特征时间由主次波的初始位置和波长频率决定，与主次波的初始振幅无关.生成波的波矢量并不严格满足弱非线性相互作用理论预言的波矢量匹配条件，而且生成波的波长和频率在传播的过程中会随时间发生变化，这表明了弱非线性相互作用理论的局限性.