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.     

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.     

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.     

典型东北冷涡个例的平流层-对流层交换过程数值模拟研究

利用中尺度模式WRF对发生于2010年6月19~23日的我国东北地区一次典型冷涡过程开展高垂直分辨率数值模拟研究.在模式结果再现此次东北冷涡基本特征的基础上,进一步用Wei公式考察该冷涡引起的平流层-对流层质量交换的时空分布特征.分析结果表明,此次冷涡过程所引起的穿越对流层顶的质量交换总效应表现为平流层向对流层的净输送.在冷涡形成前期,即大型槽脊发展阶段,已经存在活跃的交换.在冷涡活动的整个过程中,槽后和冷涡移动方向的后部主要表现为空气质量由平流层向对流层的输送,而在槽前和冷涡移动方向的前部主要表现为由对流层向平流层的输送.这种空间分布形态主要是由对流层顶变化项决定,但由于其引起的向上、向下交换量作用相抵消,因此它对净交换量的贡献很小,而对此次过程净交换的贡献起决定性作用的是水平运动项.冷涡活动区域平均的总交换通量随时间的变化特征表现为三段:(1)在冷涡形成前期,存在较强的平流层空气向对流层输送过程;(2)随着冷涡的形成发展,总通量表现为TST-STT-TST波动趋势;(3)冷涡发展后期,又表现为平流层空气向对流层输送.     

中纬低层大气重力波动量通量谱的探空观测

本文利用中纬站点Miramar Nas(32.87°N,117.15°W)的探空数据提取了对流层和低平流层的惯性重力波参数并计算了动量通量-相速度谱.分析表明低层大气重力波动量通量谱很好地满足高斯分布.高斯拟合的参数分析显示:(1)冬季西风急流对向东传播的波的吸收使得对流层向西传播的波的高斯峰值明显强于向东传播的波;(2)重力波在由对流层向平流层的传播过程中谱展会增大,这可能是波与背景相互作用以及波-波相互作用的结果;(3)急流对重力波的吸收与反射以及对流层顶附近波的耗散使得低平流层总动量通量远小于对流层的.受背景风场影响,谱的季节变化呈现出一定规律.多普勒效应对谱产生了两方面的影响,一方面背景风较大时多普勒效应会使谱展宽,另一方面多普勒效应会显著改变谱的中心本征相速度,使得动量通量谱在同一方向上呈现不对称性.     

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.     

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.     

南亚高压区Rossby波能量向上穿越对流层顶传播的特征与机制

夏季平流层盛行强东风,Rossby波能量难以从对流层向上传播至平流层,而冬季平流层盛行西风,Rossby波能量容易上传,因此以往对Rossby波能量向平流层传播的研究多考虑冬季的情况.而事实上,因为夏季高原上空南亚高压反气旋环流,并非只有强东风存在,所以Rossby波能量也可能在南亚高压区向上传播,从而影响平流层的温度、风场及大气成分等.因此,本文利用ERA-interim逐日再分析资料,分析了1979—2015年夏季南亚高压区Rossby波能量穿越对流层顶传播的特征与机制.结果表明:Rossby波能量可以从南亚高压西北部的窗口区上传至平流层,最高可到达平流层顶,而在南亚高压的其他部分,Rossby波能量均不能穿越对流层顶上传或穿越对流层顶后无法继续上传.南亚高压西北区Rossby波能量可以穿越对流层顶传播的原因是盛行西风,且西风急流出现的频率很小,同时涡动热量通量异常引起的垂直分量的第一项对其上传有很大贡献.南亚高压东北区也盛行西风,然而Rossby波能量不能向上穿越对流层顶的原因是强西风出现频率较高,且温度脊与高度脊位相相近,不利于上传.南亚高压南部均盛行东风,在平流层中下层均为稳定层结,因此Rossby波能量很难上传.南亚高压西南区在对流层位于青藏高原环流的伊朗高原下沉区附近,层结稳定,并且温度脊超前于高度脊,所以Rossby波能量很难上传.而南亚高压东南区在对流层位于南海-西太平洋热带幅合带,层结不稳定,存在Rossby波能量较弱的上传,达到对流层顶后无法继续上传,该区域温度脊落后于高度脊的温压场配置也为Rossby波能量在对流层内的传播提供了条件.     

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.     

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.     

The global distribution of gravity wave energy in the lower stratosphere derived from GPS data and gravity wave modelling: Attempt and challenges

Five years of global temperatures retrieved from radio occultations measured by Champ (Challenging Minisatellite Payload) and SAC-C (Satelite de Aplicaciones Cientificas-C) are analyzed for gravity waves (GWs). In order to separate GWs from other atmospheric variations, a high-pass filter was applied on the vertical profile. Resulting temperature fluctuations correspond to vertical wavelengths between 400 m (instrumental resolution) and 10 km (limit of the high-pass filter). The temperature fluctuations can be converted into GW potential energy, but for comparison with parameterization schemes GW momentum flux is required. We therefore used representative values for the vertical and horizontal wavelength to infer GW momentum flux from the GPS measurements. The vertical wavelength value is determined by high-pass filtering, the horizontal wavelength is adopted from a latitude-dependent climatology. The obtained momentum flux distributions agree well, both in global distribution and in absolute values, with simulations using the Warner and McIntyre parameterization (WM) scheme. However, discrepancies are found in the annual cycle. Online simulations, implementing the WM scheme in the mechanistic COMMA-LIM (Cologne Model of the Middle Atmosphere—Leipzig Institute for Meteorology) general circulation model (GCM), do not converge, demonstrating that a good representation of GWs in a GCM requires both a realistic launch distribution and an adequate representation of GW breaking and momentum transfer.     

风云三号卫星微波观测的临近空间大气扰动特征

风云三号C星(FY-3C)同时装载有设置了50～60GHz和118.75GHz附近氧气吸收带内通道的微波大气垂直探测器,可以用于监测临近空间下部的大气温度.本文的首要目的是展示FY-3C微波大气垂直探测器在监测临近空间(尤其是平流层)强重力波扰动中的优势特点.在给出平流层强扰动监测结果的基础上,分析了不同波段不同通道监测平流层大气温度扰动的能力.随后,对比分析了FY-3C大气温度探测通道与国外同类仪器在观测平流层扰动中的异同点,并进一步讨论了不同平台相同大气微波探测通道联合分析平流层扰动过程的能力.本文在统计2013年冬季(2012年12月和2013年1、2月)和2014年夏季(2014年6、7、8月)的微波大气垂直探测器观测的全球平流层扰动出现频率分布的基础上,利用FY-3C微波大气温度探测器分析了格陵兰岛附近2014年1月7—11日一次平流层扰动过程.结果表明,FY-3C微波探测器50～60GHz和118.75GHz波段可用于获取平流层不同高度上的大气温度扰动特征,且前一波段的探测能力显著地优于后一波段.随后,针对2014年1月11日拉布拉多半岛附近的平流层强扰动过程,基于FY-3C的MWTS-Ⅱ与METOP-B的AMSU-A的对比观测表明,MWTS-Ⅱ能够揭示平流层波动更细致的水平结构特征.最后,针对2014年8月10日安第斯山脉附近不同平台仪器的相同通道探测结果的分析表明,多平台联合观测可以进一步提高平流层强扰动监测的时间分辨率.     

Simulation of the stratospheric gravity waves generated by the Typhoon Matsa in 2005

The generation of stratospheric gravity waves(GWs) due to typhoon is simulated by using a meso-scale model(WRF) with a typhoon case,the Matsa in 2005.An 8-day model run that covers the major stages of the Matsa’s development reproduces the key features of the typhoon.For example,good agreements in the typhoon’s track,the intensity,and the spiral clouds,as well as mean state of stratosphere,are seen between the simulation results and the observation.Simulation results clearly show that with typhoon propagates northwestward,pronounced stratospheric GWs are generated continuously in the vicinity of Matsa.The GWs exhibit the typical curve-like wave fronts away from the Typhoon Matsa,and propagate preferentially in the upstream of the background winds.These characteristics reflect that the stratospheric GWs are closely associated with the typhoon,and thus the GWs are referred to as Tropical Cyclone related Gravity Waves(TC-GWs).The results also show that these waves should have a rather large horizontal scale so that the outmost wave fronts can be seen at the distance of ～1000 km to the typhoon center in the horizontal plane of 20 km.This is consistent with the phenomenon of stratospheric TC-GWs with ～1000 km horizontal scale disclosed by the previous observational analysis results.     

Inertia-gravity waves in the troposphere and lower stratosphere associated with a jet stream exit region

Radar measurements at Aberystwyth (52.4°N, 4.1°W) of winds at tropospheric and lower stratospheric heights are shown for 12–13 March 1994 in a region of highly curved flow, downstream of the jet maximum. The perturbations of horizontal velocity have comparable amplitudes in the troposphere and lower stratosphere with downward and upward phase propagation, respectively, in these two height regions. The sense of rotation with increasing height in hodographs of horizontal perturbation velocity derived for hourly intervals show downwards propagation of energy in the troposphere and upward propagation in the lower stratosphere with vertical wavelengths of 1.7 to 2.3 km. The results indicate inertia-gravity waves propagating in a direction similar to that of the jet stream but at smaller velocities. Some of the features observed contrast with those of previous observations of inertia-gravity waves propagating transverse to the jet stream. The interpretation of the hodographs to derive wave parameters has taken account of the vertical shear of the background wind transverse to the direction of wave propagation.     

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.     

Responses of polar mesospheric cloud brightness to stratospheric gravity waves at the South Pole and Rothera,Antarctica

We present the first observational proof that polar mesospheric cloud (PMC) brightness responds to stratospheric gravity waves (GWs) differently at different latitudes by analyzing the Fe Boltzmann lidar data collected from the South Pole and Rothera (67.5°S, 68.0°W), Antarctica. Stratospheric GW strength is characterized by the root-mean-square (RMS) relative density perturbation in the 30–45 km region and PMC brightness is represented by the total backscatter coefficient (TBC) in austral summer from November to February. The linear correlation coefficient (LCC) between GW strength and PMC brightness is found to be +0.09 with a 42% confidence level at the South Pole and ?0.49 with a 98% confidence level at Rothera. If a PMC case potentially affected by a space shuttle exhaust plume is removed from the Rothera dataset, the negative correlation coefficient and confidence level increase to ?0.61 and 99%, respectively. The Rothera negative correlation increases when shorter-period waves are included while no change is observed in the South Pole correlation. Therefore, observations show statistically that Rothera PMC brightness is negatively correlated with the stratospheric GW strength but no significant correlation exists at the South Pole. A positive correlation of +0.74 with a confidence level of 99.98% is found within a distinct subset of the South Pole data but the rest of the dataset exhibits a random distribution, possibly indicating different populations of ice particles at the South Pole. Our data show that these two locations have similar GW strength and spectrum in the 30–45 km region during summer. The different responses of PMC brightness to GW perturbations are likely caused by the latitudinal differences in background temperatures in the ice crystal growth region between the PMC altitude and the mesopause. At Rothera, where temperatures in this region are relatively warm and supersaturations are not as large, GW-induced temperature perturbations can drive subsaturation in the warm phase. Thus, GWs can destroy growing ice crystals or limit their growth, leading to negative correlation at Rothera. Because the South Pole temperatures in the mesopause region are much colder, GW-perturbed temperature may never be above the frost point and have less of an impact on crystal growth and PMC brightness. The observed phenomena and proposed mechanisms above need to be understood and verified through future modeling of GW effects on PMC microphysics and ray modeling of GW propagation over the South Pole and Rothera.