基于中国东港台站的OH气辉成像观测数据对重力波波源的事件分析

利用东港（40°N,124°E）台站于2013年9月15—16日的OH气辉成像观测数据报告了两个重力波事件（1和2）.同时,结合北京十三陵（40.3°N,116.2°E）台站的多普勒流星雷达风场数据和位于39.4°N,130.6°E位置处的SABER/TIMED卫星的温度参数分析发现,观测的两个重力波事件于2013年9月15—16日02∶00—03∶00 LT时间段,和70~110 km高度是自由传播的.利用反射线追踪方法分析表明,重力波事件1和事件2分别产生于（39.3°N,117.2°E）和（47.1°N,121.3°E）.且事件1的波源位置与对流活动和大气向上向下运动过程中产生的不稳定性吻合较好.然而,通过ECMWF再分析资料和MTSAT卫星观测数据分析表明,事件2可能由对流活动或大气向上运动过程中可能产生的不稳定性导致.利用MERRA自地面到约70 km高度的风场数据分析表明,观测的重力波事件1和事件2的水平相速度分别是83.5 m·s^-1（事件1）和80.1 m·s^-1（事件2）,均大于低层-中层大气风速-10~45 m·s^-1.因此,观测的两个重力波事件是可能从低层大气传播到中层-低热层大气的.     

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.     

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ŵ/f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.     

基于多台站OH全天空气辉成像仪观测的中国中纬地区重力波传播特性

利用位于中国中纬地区6个OH气辉成像仪2012年1月至2013年12月两年的观测数据,我们研究分析了重力波传播特征.结果表明重力波的水平波长、观测周期和水平相速度分别主要分布于10~35km,4~12min和30~100m·s-1范围.夏季,重力波主要沿极向方向传播.然而,冬季,他们有向赤道方向和平行于赤道方向的传播趋势.同时,我们结合TRMM卫星和ECMWF数据,发现在夏季重力波的北向传播趋势可能主要由观测台站南方的对流活动导致.然而,对流层顶附近的急流可能在冬季重力波的主要传播方向方面做出较大贡献.分析结果也表明,低层-中层大气背景风的滤波效应仅在夏季与中国中纬地区重力波纬向传播方向各向异性吻合较好.     

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.     

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.     

基于激光雷达手段的海南地区重力波与其波谱的季节分布特性研究

利用子午工程海南激光雷达对我国海南地区上空进行持续观测,通过3年的累积观测数据对我国低纬度地区重力波活动的季节分布特性进行研究,依据重力波线性理论对海南地区上空的大气密度扰动规律、空间功率谱及时间频率谱进行分析,并通过选择波长在1km至8km范围内具有特定波长以及具有波动周期为60 min至25min的特定频率的重力波辅助研究大气密度扰动的季节变化规律,总结得出海南地区重力波活动具有夏季大、春秋季小、而冬季依然频繁的季节性分布规律.结合海南地区特殊的地理位置与当地季节性气候特征分析得出海南地区上空重力波活动季节性变化的可能原因为青藏高原地形及我国南海地区存在的热带强对流与赤道潜流共同作用的结果.     

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.     

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.     

Mesospheric bore events in the equatorial middle atmosphere

An all-sky CCD imager designed to measure wave structure of the OH, O₂b(0,1) and OI557.7 nm airglow emission layers in the mesosphere and lower thermosphere (MLT) region has been operated near the equatorial region at São João do Cariri (Cariri), Brazil, (7.5°S, 36.5°W). A large number of gravity wave was observed from September 2000 to September 2002 and among them 64 wave events were identified as mesospheric bores. The bore front shows a horizontal extension greater than 1000 km, and observed in the airglow layers as a complementary brilliance between the three emissions. At the first time mesospheric bore events were observed and analyzed in the equatorial region. Their predominant characteristics, occurrence, local time dependency, morphology and propagation direction will be presented and discussed.     

Lightning activity and precipitation structure of hailstorms

By using the cloud-to-ground (CG) lightning location data from the lightning detection network of He- nan Province, surface Doppler radar data and standard orbit data of PR, TMI and LIS on TRMM satellite, the spatial and temporal characteristics of CG lightning flashes in 10 severe hailstorms are analyzed. The results show that the percentage of CG lightning in these hailstorms is high with an average value of 45.5%. There is a distinct increase in CG flash rate during the rapid development stage of hailstorms. The hailstone falling corresponds to an active positive flash period, and the increase of CG flash rate is generally accompanied with a decrease of –CG flash rate. The flash rate declines rapidly during the dissipating stage of hailstorms. The precipitation structure and lightning activity in two typical hail- storms are studied in detail. It is found that strong convective cells with reflectivity greater than 30dBZ mainly are situated in the front region of hailstorms, whereas the trailing stratiform region is in the rear part of the hailstorms. The maximum heights of echo top are higher than 14 km. Convective rain con- tributes much more rainfall to the total than stratiform rain, and the convective rain takes about 85% and 97% of the total in the two cases, respectively. Total lightning in the hailstorms is very active with the flash rate up to 183 fl/min and 55 fl/min, respectively. The results also indicate that most lightning flashes occurred in the echo region greater than 30 dBZ and its immediate periphery. The probability of lightning occurrence is 20 times higher in the convective region than in the stratiform region. The result suggests that the lightning information is helpful to the identification of convective rain region. The linear relationship between flash rate and ice water content is disclosed primarily.     

Evidence of mesospheric bore formation from a breaking gravity wave event: simultaneous imaging and lidar measurements

A large wave event was observed in the three upper-mesospheric (80–105 km) airglow emissions of O(¹S), Na and OH by the Boston University all-sky imager, at the Arecibo Observatory, during the night of 3 May 2003. The airglow structures appeared to be due to a large upward propagating internal gravity wave, which subsequently became unstable near the 95 km height level and produced large-scale vertical motions and mixing. Simultaneous density and temperature lidar measurements indicated the presence of a large temperature inversion of 80 K valley-to-peak between 88 and 96 km during the time of the event. Near-simultaneous temperature profiles, made by the TIMED SABER instrument, provided evidence that the horizontal extent of the inversion was localized to within 500 km of Arecibo during the wave event. As the gravity wave dissipated, an internal bore was generated, apparently due to the deposition of momentum and energy into the region by the original wave. Although mesospheric gravity wave breaking has been reported previously (Swenson and Mende, 21(1994); Hecht et al., 102(1997); Yamada et al., 28(2001), for example), this was the first time that the phenomenon has been associated with the generation of an internal mesospheric bore. The event suggested that the breaking of a large mesospheric gravity wave can lead to the generation of an internal bore, as suggested by Dewan and Picard 106(2001). Such behavior is of particular interest since little is known of their origins.     

青藏高原闪电活动的时空分布特征

利用卫星上携带的闪电探测仪所获取的8年闪电资料(1995～2002)对青藏高原闪电活动的时空分布以及高原季风期间闪电活动对地面热力学特征的响应进行了研究.结果表明,高原上的平均闪电密度为3fl·a-1·km-2,并在高原中部（32°N, 88°E）出现闪电密度峰值5.1fl·a-1·km-2.闪电活动主要发生在6～8月,并在6月下旬至7月中旬最为活跃.大部分地区的闪电活动日变化峰值出现在14:00～16:00 LT,在中西部的显著高山地区早于这一时刻,而在显著低海拔的塔里木和柴达木盆地晚于这一时刻.夏季季风期间高原上的闪电活动明显依赖于地表的热力学特征,并与地表鲍恩比和感热通量呈明显的线性正相关,相关系数分别为0.7和0.6,鲍恩比有可能作为调整闪电产生效率的量度.     

基于星点的全天空极光图像参数标定及其验证

全天空极光成像仪是地基极光观测研究的重要仪器设备,从其拍摄的全天空图像数据中能获得极光形态、尺度、激发强度等重要物理参数,因而精确标定全天空图像,对准确获取极光相关物理参数极为重要.本文提出了一种基于星点位置信息对全天空图像进行标定的方法,通过该方法可以确定全天空图像参数(天顶在全天空图像中的像素点位置,地理方位以及视野范围内成像半径与天顶角的关系).利用电离层卫星探测到的极光沉降电子能谱中的"倒V"结构与极光弧之间的对应关系,对星点标定方法获取的全天空图像参数进行了验证.结果显示卫星穿越的"倒V"结构宽度(60±6km、102±6km)与同时全天空极光成像仪观测到的卫星穿越的极光弧宽度(64.7±7km、111.6±7km)几乎一致,这表明本文提出的全天空极光图像参数的星点标定方法是有效和准确的.     

Climatology of short-period mesospheric gravity waves over Halley,Antarctica (76°S, 27°W)

We present a first detailed climatological study of individual quasi-monochromatic mesospheric, short-period gravity-wave events observed over Antarctica. The measurements were made using an all-sky airglow imager located at Halley Station (76°S, 27°W) and encompass the 2000 and 2001 austral winter seasons. Distributions of wave parameters were found to be similar to findings at other latitudes. The wave headings exhibited unusually strong anisotropy with a dominant preference for motion towards the Antarctic continent and a rotation from westward during fall, to poleward in mid-winter, to eastward in spring. This rotation was accompanied by a systematic increase of ～50% in the magnitudes of the horizontal wavelengths and observed phase speeds. It is postulated that the observed wave anisotropy was due to a succession of wave sources of different characteristics lying equatorward of Halley, or a dominant source mechanism evolving with time during the winter months.     

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.