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。     

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。      

2007年3月3—5日辽宁省暴雪和大风天气的中尺度分析

使用中尺度数值模式WRFV2.2.1对辽宁省2007年3月3-5日的暴雪和大风天气过程进行了数值模拟,结合10min一次的地面自动观测站资料和数字化多普勒天气雷达探测资料,研究了中尺度重力波的结构及其环境场特征,探讨了波动的激发机制.对流层上层中尺度重力波生成在350-250 hPa(约9-11 km),周期为2-3h,水平波长30-40 km,波动沿水平方向传播约9h.地面气压扰动振幅约为2 hPa,周期为2-3 h,波动由西南向东北方向传播,方向与地面风向相反.沿波的传播方向,地面观测的逐时降水量呈波动特征,周期约为2h.对流层上层中尺度重力波减弱后,雷达降水回波强度出现显著的波动特征.对流层上层中尺度重力波生成在朝向脊区传播的高空急流出口区下方,300 hPa环境场具有显著的切变不稳定特征.波动生成在理查逊数小于0.25的地区,在中尺度重力波生成的高度上,暖平流强,风速低,风切变大.中尺度重力波生成地区出现显著的不平衡气流,拉格朗日罗斯贝数大于0.7,水平散度倾向出现明显的大值,其中-▽w·(e)v/(e)v的量级明显大于其他各项,表明对流层上层重力波的生成及发展与环境场的显著风切变有关.     

C波段多普勒雷达对重力波探测与分析

2005年4月19日19-22时,哈尔滨雷达站观测到重力波结构,本文主要利用新一代多普勒天气雷达速度场资料对本次过程的重力波结构进行分析。在本次重力波发生发展过程中,径向速度在水平方向上表现为正负速度交替分布的特征;垂直速度在水平方向上平均高度1100m以下是上升、下沉气流交替分布,垂直方向上的气流有时是与垂直方向成一定角度的;重力波波长约为5km,相速约为10m／s,周期约为8min,最大振幅约为1．3km,波动最多有8个位相。重力波的波相传播方向与波能传播方向相同,且与环境风场的方向相同。影响本次重力波发生发展的动力因子主要有700hPa的低空急流、地面到高空强烈的垂直风切变以及锋面。另外重力波对层状云降水有一定的促进作用。     

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。     

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。     

非静力模式中几种垂直网格计算特性的对比研究

从非静力滞弹性方程组出发，将惯性重力波的水平波长分几百公里、几十公里和几公里三种情况，从频率、群速和各速的垂直尺度范围等方面对现有的几种垂直网格进行比较讨论。结果表明：在非静力模式中，CP网格和LZ网格适合于各种不同水平尺度惯性重力波的模拟；L网格和LY网格适合于水平尺度为几十公里以上的惯性重力波的模拟；LTS网格和CPTS网格比较适合于水平尺度的几十公里以下的惯性重力波的模拟。     

青藏高原红原站平流层下部重力波观测特征分析

利用位处青藏高原的红原探空站2008年5月垂直高分辨率的无线电探空资料分析了其上空下平流层(19～26 km)重力波的波动特性.结果表明:重力波的垂直波长主要集中在2～4 km之间,平均值约为2.9 km;水平波长主要集中在100～600 km之间,平均值约为311 km;固有频率主要集中在1.5f～3.5f(f为科氏...     

地形重力波拖曳效应的参数化

当稳定的层结气流越过不规则地形时,会激发地形重力波,在合适的条件下,这种重力波会向上传播。这种重力波的传播与大气静力稳定度、垂直风切变等有关,而且在垂直方向可以传播到很高的高度。为了在中期数值预报和气候模拟中,解决由于地形引起的系统误差,例如纬向风太强、急流位置有偏差等问题,就有必要考虑到由于地形激发的地形重力波及其对大尺度气流的作用。观测表明,与地形重力波有关的天气尺度雷诺应力的量级,一般情况下,只有几十个帕斯卡。地形重力波的水平波长也可能只有几十公里。由于数值模式分辨率的原因,     

一次暴风雪过程中的中尺度重力波特征及其影响

应用地面自动气象站观测资料、数字化多普勒天气雷达探测资料和WRFV2.2.1中尺度数值模拟资料,分析了中尺度重力波与基本气流的相互作用,以及重力波活动对暴雪和大风天气的重要影响。结果表明,在波导中传播的中尺度重力波能够与基本气流进行动量交换,使得对流层中上层4.5—8 km气层内的水平平均风速趋于均匀,形成斜穿整个对流层的饱和湿空气急流,即"湿急流"。在高空急流出口区激发的垂直向下传播的重力波,使基本气流的水平风速在垂直方向上出现了加速和减速的交替变化,水平风加速的气层,反射率增大;水平风减速的气层,反射率减小。随着波动下传及其随基本气流的移动,反射率回波强度沿高空风的方向(由西南向东北)出现周期性变化,回波带呈西北—东南走向,强回波中心之间为宽约40 km的弱回波区。重力波下传期间,当地面气压迅速下降时,东北风快速增长,风向有明显的改变,反射率强度开始减弱;气压脊线过后,反射率降低到最低点。地面大风中心出现在反射率回波强度周期性变化的地带,沿西南—东北方向间隔着分布。雷达探测表明,对流层低层风速在风向切变层上下边界对称相等,因此推测在重力波与切变层汇合的高度层存在垂直环流,由风切变层上下边界附近的西南气流和东北气流与受重力波影响形成的垂直方向上的上升和下沉气流共同组成。切变层上方的动量通过垂直环流的下沉支到达地面,强风中心对应着下沉气流,出现在降水回波开始减弱之际。     

重力波与对流耦合作用在一次山地突发性暴雨触发中的机理分析

利用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）开发的新一代ERA5再分析资料、中国自动站与CMORPH降水产品融合的逐小时降水资料以及国家卫星气象中心FY-2G卫星云图资料,对2018年5月21～22日发生在四川盆地西南部的一次山地突发性暴雨过程中的重力波特征进行天气动力学分析。得到以下结果:此次山地突发性暴雨受到了波长约为150 km,周期为5 h的重力波活动的影响,是典型的β中尺度天气系统诱发的暴雨事件。此过程中的重力波主要是在地形和切变不稳定的共同作用下触发的。切变不稳定先于重力波的传播出现在下游降水区域,可表征切变不稳定的理查逊数对重力波传播方向及降水落区有很好指示作用。此次暴雨发生前,重力波中的上升支气流输送低层水汽到高空助力对流发展,而下沉支气流使得低层不稳定能量不断累积。随着东北低空急流的发展,在大气低层（700～800 hPa）东西风切变的过渡带内形成临界层,临界层不断吸收高空波动能量造成重力波能量下传,触发低层不稳定能量释放,促使对流不断加强,最终引发此次山地突发性暴雨。     

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。      

梅雨锋中大振幅重力波的活动及其与环境场的关系

本文分析了梅雨锋暴雨过程中中-β尺度大振幅惯性重力波的活动及其与环境场的关系。突发性降水所构成的雨峰线能表征这类波的活动,重力波平均波长为200km,振幅2hPa。周期6—8h,移速为60—80km/h,强降水全部位于中尺度气压波槽后和脊前的辐合区内,波动的传播方向各异,靠近低空急流的波动大体沿低层盛行风方向传播;有的则受中尺度散度场移动、变化的影响;或受冷锋前先期到达的冷涌性中尺度锋区的影响,并与它一起移动。这类短波活动对环境风场的影响是:它破坏近地层的急流状结构和日变化,却使对流层中、下层环境风增强,急流轴上抬以至消失,这类短波活动使大尺度风场获得能量。     

东亚副热带高空急流短时间尺度增强的机理研究

本文利用中尺度非静力模式WRF输出的高时空分辨率模拟资料研究了东亚副热带高空急流(EASJ)短时间尺度强度变化特征,并结合大气运动方程解释了EASJ增强的可能机制。结果表明,在6 h时间间隔内,急流区纬向风增量的水平尺度大于2 000 km。急流轴北侧高频扰动较少,南侧出现大量高频扰动,相应地,急流轴北侧纬向风大尺度整体增强,而急流轴南侧纬向风增量正值区中还存在水平尺度为几百公里的负值区。高频扰动的周期约为1～6 h,向东传播速度为20～40 m·s-1,与惯性重力波相似。造成EASJ短时间尺度增强的主要物理因子为水平平流作用和非地转效应。水平平流项和非地转项量级相同,但变化趋势几乎相反。两者之和的量值与纬向风局地加速度项相近。此外,垂直平流作用对EASJ强度变化也有一定贡献。     

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。     

2012年江西宜春四类短时强降水特征分析

用宜春气象站常规气象资料,雷达回波和风廓线雷达等资料,采用数理统计、样本对比和特征分析等方法,对2012年3—9月宜春单站短时强降水天气进行分析和研究。结果表明:(1)≥10 mm·10min-1的超短时强降水是构成≥30 mm·h-1和≥50 mm·(2h)-1短时强降水的重要组成部分。(2)宜春短时强降水主要有带状回波、块状回波、絮状回波和短带回波4种类型,是由平均50 d Bz的强回波单体所致。(3)短时强降水回波系统过境时,平均回波宽度43 km,气象要素表现为:出现超短时强降水、温度下降、湿度饱和、气压上升、前导风迅速加大、Cb云急增。(4)短时强降水发生时,宜春风廓线雷达最大探测高度由3 000 m逐步增高到6 000 m,风速加大;850 h Pa西南急流≥12 m·s-1。(5)降水期间由于强降水粒子拖曳作用,风廓线雷达垂直波束上径向速度出现朝向雷达方向的正速度,垂直风速明显加大,噪声系数在40~60 d B之间。     

闪电初始阶段和尺度判别方法及其特征

基于LMA三维闪电定位数据,对2004年10月5日发生于美国新墨西哥州的一次超级单体过程的闪电初始及其尺度特征进行研究,提出闪电初始阶段自动判别及其特征参量提取方法,并给出参量分布特征。结果显示:闪电初始阶段上行负先导（下行负先导）的持续时间中值为13.5 ms（7.5 ms）,三维位移中值为1.4 km（1.0 km）,三维平均位移速度中值为9.2×104 m·s-1（1.2×105 m·s-1）,上行负先导速度随时间递减,下行反之,二者与垂直方向夹角的中值分别为40°和54°。表征闪电尺度的闪电凸壳面积和闪电总长度的概率密度呈负幂函数分布,在小值方向分布更为集中。闪电水平延展距离中值为6.1 km,垂直延展距离中值为4.3 km,约83%的闪电其水平延展距离大于垂直延展距离;闪电的持续时间中值为271.0 ms。分析发现,以水平延展为主的闪电起始高度分布峰值位于8.5 km,以垂直延展为主的闪电起始高度分布峰值位于11 km。闪电初始阶段位移方向越接近水平,对应闪电垂直延展越小,说明闪电初始段的传播方向对于闪电垂直延展具有重要影响。     

中高纬地区与低纬地区重力惯性波特征的比较分析

通过引进无量纲动力学参数μ=(fK_y)/(fK_z),研究了非静力平衡模式中重力惯性波的特征。发现:由于地球自转角速度水平分量的影响,中高纬地区与低纬地区重力惯性波的频谱、传播特征和结构都有着明显的差异;详细讨论了波的色散关系,指出:在一定的不稳定大气层结下,存在着重力惯性波不稳定发展的临界波长,波长略长于该临界波长的低频重力惯性波,在水平方向传播时可以向波的下游频散能量,从而激发起新的波动。它们和雷暴高压:飑线等一类强对流天气的特征和结构颇为相似。     

影响惯性重力波活动规律的动力学因子研究

通过探测发现大气重力波有明显的活动规律:重力波强度在冬、春季强于夏、秋季,在5月和10月发生急剧减弱和加强的转变,无天气过程时晚上比白天强,尤其短周期的重力波,周期为40~80min的重力波平均强度最强,其他较弱。在斜压大气和考虑积云对流加热条件下,运用积云对流参数化、Taylor公式展开等方法,推导出惯性重力波的非线性KdV方程,求出其孤立波解,以此解释以上得出的大气重力波的活动规律:惯性重力波强度随风速垂直切变增大而增大,急流是最重要的惯性重力波波源,是重力波强度在冬、春季强于夏、秋季的主要原因,亚洲急流在5月和10月的北跃和南落,是重力波强度发生急剧变化的原因,急流下方是激发惯性重力波最强的地方。一般情况下,惯性重力波强度随着大气背景流场绝对涡度增大而增大,正涡度对惯性重力波起激发和增强的作用。当惯性重力波向下传播时,波的强度随层结稳定度(N2)增大而增大,由于太阳辐射的作用白天大气层结稳定度比晚上小,这解释了在无天气过程时晚上重力波强度强于白天的原因。惯性重力波强度和波的频率成正比,这解释了周期为40~80 min比周期为140~160 min的重力波强的原因。重力波强度还与非线性积云对流参数常数b及科氏力参数f成正比。     

青藏高原地区夏季两次强降水过程中重力波特征分析

为了更为全面地认识高原地区重力波对暴雨发生发展的影响,利用中尺度数值模式WRF(V3.5.1)对青藏高原东部地区2007年8月25日和2011年8月14日发生的两次强降水过程进行了模拟,分析了降水过程中的重力波特征及其与强降水之间的联系。结果表明,模拟结果较好地再现了这两次强降水过程,降水过程中的垂直速度场和散度场交替式运动完整地表现出波的传播特征,其伴随的上升运动和降水也有着密切的联系。分析Richardson数表明,5~6 km高度上垂直切变不稳定出现的时间先于这些波传播的发生,随着波动的增强,垂直切变逐渐减弱,垂直切变的不稳定气流为重力波提供能量,垂直切变和Richardson数可作为下游地区暴雨预报的指标和依据。同时,Morlet小波分析的结果表明,两次过程中主要是中尺度重力波,其中较长波长的重力波出现时间早,持续时间长,对强降水过程的加强起主要作用。这些表明中尺度重力波是该地区中尺度强降水发生的动力机制之一,在该地区夏季强降水过程中扮演着重要角色。重力波的分析有助于对该地区强降水过程的理解,进而提高青藏高原地区降水的预报能力。