不同途径获得的大气重力波参数扰动场特征对比分析

重力波参数气候特征是确定全球大气模式中重力波参数化方案的一个重要环节,利用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和重要手段。目前,通常采用2～4阶曲线拟合、带通滤波方法获取高垂直分辨率探空资料扰动场,但针对不同方法之间的扰动场差异特征研究较少,本文利用2～4阶曲线拟合、带通滤波方法(0.5～5.0km)获取2014—2017年太原地区(112.55°E,37.78°N)高垂直分辨率探空资料扰动场,采用相关系数、Lomb-Scargle、不同区间范围占有率方法进行研究,结果表明:①不同方法之间的纬向风扰动场、经向风扰动场、温度扰动场均存在较明显差异,且相关性均较弱;②Lomb-Scargle分析表明,不同方法得到的平均纬向风扰动场、平均经向风扰动场、平均温度扰动场显著含有(通过90%置信检验)的垂直波长均存在明显差异;③不同方法得到的纬向风扰动场、经向风扰动场、温度扰动场显著含有的垂直波长,在不同区间范围内的占有率均存在明显差异。     

不同扰动场对大气重力波参数结果影响的初步探讨

如何获取大气重力波参数是大气动力学理论研究的重点和难点。本文以2013年8月6—8日晋西北地区出现的一次雷阵雨天气过程为例,利用常用的二阶、三阶、四阶曲线拟合和带通滤波方法获取垂直高分辨率探空资料的扰动场,对这些扰动场提取的大气重力波参数进行对比分析。结果表明:不同扰动场(二阶、三阶、四阶曲线拟合以及带通滤波)对所获取重力波参数的大小及变化趋势存在影响,但对不同重力波参数的影响程度不一样。其中,对波固有周期、水平和垂直波长的大小及变化趋势影响很大,而对波传播方向、对地水平群速及固有相速的影响程度则较弱。结合6—8日天气现象的大气动力特征,发现由二阶曲线拟合、带通滤波对应扰动场得到的重力波参数的大小及变化趋势与此吻合,其结果可信度最高;而由四阶曲线拟合扰动场得到重力波参数值的可信度最低。     

曲线拟合背景场在提取大气重力波参数中的缺陷

利用一次东亚副热带高空急流演变过程的高分辨率数值模拟结果,采用Morlet小波分析和Fourier功率谱分析方法,以3阶和4阶曲线拟合为例,研究了提取大气重力波参数时常用的曲线拟合背景场获取方法的缺陷.结果表明:虽然4阶拟合对原始风廓线的拟合程度高于3阶拟合,但基于4阶拟合背景场得到风速扰动垂直廓线后,所提取的重力波参数和实际情况的差异大于3阶曲线拟合方法的结果.因此,不能将背景场对原始风廓线的拟合程度作为判断重力波参数提取准确率的依据.曲线拟合方法在大多数情况下会使扰动场中包含背景场信号,且所包含的背景场信号强度差异很大,同时还会引入虚假波信号.所以在提取大气重力波参数时,采用曲线拟合方法获取背景场存在缺陷,需要设计更合理的背景场获取方法.     

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。     

利用FY-3C气象卫星GNSS掩星估计全球重力波变化与分析

大气重力波是地球大气层中广泛存在的重要大气动力学扰动,研究其分布和变化规律对理解大气物理、大气结构以及大气动力学等具有重要意义.传统大气重力波探测手段,如雷达和探空气球等,均存在探测时间短、有效探测高度低等缺点,全球卫星导航系统（GNSS）掩星观测具有全天候、低成本、高精度等优点,被广泛应用于地球大气探测和研究,为研究区域或全球重力波变化和活动特征提供了新的观测手段.本文利用中国第一颗搭载GNSS掩星设备气象卫星——风云3C （FY-3C）获得的掩星数据,反演得到2014年8月—2016年12月大气温度轮廓线,并首次估计重力波参数分布,分析了重力波参数的时空变化分布特征.结果表明,海陆季节性对流导致冬夏两季的重力波势能强于春秋两季,赤道对流作用导致赤道区域重力波强于两极,夏季南半球中低纬度地区重力波活动频繁,冬季北半球中低纬度区域重力波活动频繁.重力波随着高度的上升,势能逐渐下降.另外,地形是低层大气重力波的主要来源.     

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.     

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。      

基于秒级探空资料的中国地区浮力频率分布

浮力频率用来描述大气层结稳定性,反映大气扰动强弱。利用2014年6月-2017年5月中国地区高垂直分辨率的秒级探空资料,分析了中国地区浮力频率的时空分布特征。结果表明:中国地区大气浮力频率总体随高度的增加而增大,低平流层值大于对流层值;对流层和低平流层中浮力频率随高度变化均较小可视为常数,过渡层浮力频率随高度变化较大,对流层中浮力频率受地形影响较平流层大。对流层中北方地区5 km高度以下的浮力频率随时间呈现出较弱的周期变化,周期为1年,峰值出现在冬季,南方地区随时间无明显变化;在过渡层中南北地区的浮力频率随时间均呈现出1年的周期变化,峰值出现在冬季,谷值出现在夏季;在低平流层中南北地区浮力频率随时间均无明显变化。浮力频率的大小变化对重力波参数有较大影响,秒级探空资料计算的的浮力频率和风速切变更精细,较常规探空资料更准确地反映大气稳定度的变化。     

利用AIRS卫星资料反演大气廓线Ⅰ.特征向量统计反演法

引进美国威斯康星大学的IMAPP（International MODIS／AIRS Preprocessing Package）软件包，介绍了利用高光谱分辨率大气红外探测器AIRS（Atmospheric Infrared Sounder）观测辐射值，用特征向量统计法反演大气温度、湿度等垂直廓线的算法，采用亮度温度分类和扫描角分类回归后，减小了反演误差。并将其应用到中国地区，通过与无线电探空值及欧洲中期天气预报中心ECMWF（European Center of Medium-range Weather Forecasts）客观分析场的比较，结果表明：该方法所获得的温度、水汽反演结果与探空观测及ECMWF大气廓线分布一致，且AIRS因其高光谱分辨率（即高垂直空间分辨率）显示了精细的大气结构。     

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。      

Atmospheric Disturbance Characteristics in the Lower-middle Stratosphere Inferred from Observations by the Round-Trip Intelligent Sounding System (RTISS) in China

Through multi-order structure function analysis and singularity measurement,the Hurst index and intermittent parameter are obtained to quantitatively describe the characteristics of atmospheric disturbance based on the round-trip intelligent sounding system(RTISS)in the lower-middle stratosphere.According to the third-order structure function,small-scale gravity waves are classified into three states:stable,unstable,and accompanied by turbulence.The evolution of gravity waves is reflected by the variation of the third-order structure function over time,and the generation of turbulence is also observed.The atmospheric disturbance intensity parameter RT is defined in this paper and contains both wave disturbance(H₁)and random intermittency(C₁).RT is considered to reflect the characteristics of atmospheric disturbance more reasonably than either of the above two alone.In addition,by obtaining the horizontal wavenumber spectrum from the flat-floating stage and the vertical wavenumber spectrum from the ascending and descending stages at the height range of18-24 km,we found that when the gravity wave activity is significantly enhanced in the horizontal direction,the amplitude of the vertical wavenumber spectrum below is significantly larger,which shows a significant impact of gravity wave activity on the atmospheric environment below.     

双三次数值模式与理想Lamb波、龙卷扰动对比模拟分析

通过"双三次曲面拟合—时间步长积分—双三次曲面拟合……",实现成为一种双三次曲面拟合新算法数值模式。它对模式大气作非线性(空间二阶可导)描述,是用数值分析(三次样条/双三次曲面)与计算方法近似求解大气运动非线性偏微分方程组。用Z坐标系高分辨率双三次数值模式,采用原始大气运动方程组和采用欧拉时间积分方案,设置理想扰动,对大气声波Lamb波做数值模拟;采用大气不可压假定,除去声波,对大气重力波龙卷扰动做数值模拟。对比模拟发现:理想Lamb波以声速在水平方向传播,扰动能量频散快,仅能在原地持续数秒钟;理想龙卷扰动则在原地可持续约1 min,且波动内圈(外圈)自下至上始终处于风场辐合(辐散)状态,具冷心结构和气压驻波特征,可因水汽进入扰动与借助凝结潜热释放而得到发展。     

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.     

一个双波地形重力波拖曳参数化方案

当地形次尺度强迫的作用与显式的经典动力作用效应相当时,地形重力波拖曳力对于环流的维持,以及动量和热量通量输送的动力效应变得十分显著。这种地形次尺度拖曳作用项可通过参数化的方法,在动力方程中加入额外的小项而引入数值模式。目前成熟的地形重力波拖曳参数化方法,如第1代基于线性单波理论的参数化方案;以及侧重考虑了临界层作用等因素对拖曳力的额外贡献的第2代参数化方案,都无法有效表达风速垂直变化引起的波动应力随高度变化的特征。基于上述考虑,本文给出了一个双波参数化方案用于计算地形重力波拖曳中由线性自由传播重力波造成的波动应力的垂直分布。通过二阶WKB近似,它对由风速垂直变化引起的对波动应力的选择性临界层吸收过程和经典的临界层吸收过程做了显式处理;而在不发生临界层吸收现象的地区,则用两个单波同时在垂直方向上进行应力的传播,并利用波饱和标准进行应力耗散。进一步地在真实地形(以大别山地区为个例)条件下的测试结果表明,通过在不同理想风速廓线以及北半球冬季中纬度纬向平均风廓线下对波动应力垂直分布的计算,证明该方案确实能有效地给出应力随高度变化的特征。     

对流边界层中过山气流的数值模拟

采用ARPS4.0非静力中尺度气象模式模拟了对流边界层中气流过山引起的地形波,讨论了地形及大气条件改变对其的影响.模拟表明,当大气边界层是对流边界层时,气流过山引起的地形强迫,仍能在上部稳定层结中造成足够的垂直扰动,产生向上传播的重力内波,重力内波引起的波动阻力仍不可忽略.