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.     

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.     

利用瑞利激光雷达和无线电探空仪观测数据对武汉上空重力波特性的研究

本文利用武汉大学的瑞利激光雷达的瑞利散射回波数据(30～65km)来研究武汉地区上空(30.5°N,114.4°E)重力波的活动规律和统计特性.通过对2003年12月到2005年3月观测的200h数据反演的密度进行处理分析,得到了重力波的一些个例特征,并提取垂直波长为2 km以上的重力波进行统计分析.结果表明,最可几的垂直波长是3～4 km和17～20 km,重力波振幅的月平均值在冬季有较大值,夏季值较小.与武汉2004年无线电探空仪的密度扰动提取到的重力波做比较,发现与瑞利激光雷达得到的重力波振幅的月平均值有很强的相关性,也是冬季值比较大,夏季值比较小.通过无线电探空仪的风场数据,本文还得到了急流的季节变化规律、最大风剪切年变化规律,发现急流和最大风剪切与激光雷达的重力波统计结果有很强的相关性.     

利用瑞利激光雷达和无线电探空仪观测数据对武汉上空重力波特性的研究

本文利用武汉大学的瑞利激光雷达的瑞利散射回波数据(30～65 km)来研究武汉地区上空(305°N，1144°E)〖JP〗重力波的活动规律和统计特性.通过对2003年12月到2005年3月观测的200 h数据反演的密度进行处理分析，得到了重力波的一些个例特征，并提取垂直波长为2 km以上的重力波进行统计分析.结果表明，最可几的垂直波长是3～4 km和17～20 km，重力波振幅的月平均值在冬季有较大值，夏季值较小.与武汉2004年无线电探空仪的密度扰动提取到的重力波做比较，发现与瑞利激光雷达得到的重力波振幅的月平均值有很强的相关性，也是冬季值比较大，夏季值比较小.通过无线电探空仪的风场数据，本文还得到了急流的季节变化规律、最大风剪切年变化规律，发现急流和最大风剪切与激光雷达的重力波统计结果有很强的相关性.     

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.     

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.     

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.     

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.     

中国地区下平流层惯性重力波参数分布特征的资料分析

重力波参数特征的确定是全球大气环流模式中平流层重力波参数化的一个重要环节,这些参数的选取需要根据观测资料来确定.本文根据中国地区南北向8个站点(自北向南依次为嫩江、锡林浩特、北京、郑州、南阳、宜昌、怀化和南宁,纬度范围为22°~49°N)两年多的垂直高分辨率无线电探空资料,分析了下平流层(18~25km)惯性重力波活动的季节变化及其随纬度的分布特征.主要结果有:(1)与全球其他地区一样,中国地区下平流层重力波能量具有明显的季节变化和经向分布特征:冬季大夏季小,且随着纬度增加而减小;纬向和经向速度扰动大小一致,表明重力波能量在水平方向上是各向同性的.(2)重力波垂直波长随纬度没有明显变化,集中在1~3km,占所有样本的85%以上,平均值约为2.0km;水平波长80%以上集中在100~800km,平均值约为450km,有随纬度增加而降低的趋势(南北水平波长相差达40km左右),水平波长与垂直波长之比大约为200:1,表明下平流层重力波基本上沿水平方向传播,垂直方向的夹角极小.(3)固有频率和科氏参数之比有随纬度增加而减小的特征,集中在1~2,平均值约为1.5.(4)重力波能量主要向上传播,各站点重力波上传频率均在60%以上;水平传播方向有比较显著的方向性,主要是东西方向传播且与盛行风向有关,但是该各向异性随着纬度的增加有所减弱.     

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.     

Gravity wave intensity and momentum fluxes in the mesosphere over Shigaraki, Japan (35°N, 136°E) during 1986–1997

Averaged seasonal variations of wind perturbation intensities and vertical flux of horizontal momentum produced by internal gravity waves (IGWs) with periods 0.2/1 h and 1/6 h are studied at the altitudes 65/80 km using the MU radar measurement data from the middle and upper atmosphere during 1986/1997 at Shigaraki, Japan (35°N, 136°E). IGW intensity has maxima in winter and summer, winter values having substantial interannual variations. Mean wave momentum flux is directed to the west in winter and to the east in summer, opposite to the mean wind in the middle atmosphere. Major IGW momentum fluxes come to the mesosphere over Shigaraki from the Pacific direction in winter and continental Asia in summer.     

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.     

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.     

The effect of horizontal resolution on gravity waves simulated by the GFDL “SKYHI” general circulation model

To examine the effects of horizontal resolution on internal gravity waves simulated by the 40-level GFDL SKYHI general circulation model, a comparison is made between the 3° and 1° resolution models during late December. The stratospheric and mesospheric zonal flows in the winter and summer extratropical regions of the 1° model are much weaker and more realistic than the corresponding zonal flows of the 3° model. The weaker flows are consistent with the stronger Eliassen-Palm flux divergence (EPFD).The increase in the magnitude of the EPFD in the winter and summer extratropical mesospheres is due mostly to the increase in the gravity wave vertical momentum flux convergence (VMFC). In the summer extratropical mesosphere, the increase in the resolvable horizontal wavenumbers accounts for most of the increase in the gravity wave VMFC. In the winter extratropical mesosphere, the increase of VMFC associated with large-scale eastward moving components also accounts for part of the increase in the gravity wave VMFC.The gravity waves in the summer and winter mesosphere of the 1° model are associated with a broader frequency-spectral distribution, resulting in a more sporadic time-distribution of their VMFC. This broadening is due not only to the increase in resolvable horizontal wavenumbers but also occurs in the large-scale components owing to wave-wave interactions. It was found that the phase velocity and frequency of resolvable small-scale gravity waves are severely underestimated by finite difference approximations.     

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.     

Climatological monthly characteristics of middle atmosphere gravity waves (10 min-10 h) during 1979–1993 at Saskatoon

Saskatoon (52° N, 107°W) medium frequency (MF) radar data from 1979 to 1993 have been analyzed to investigate the climatology of irregular wind components in the height region 60–100 km. This component is usually treated in terms of internal gravity waves (IGW). Three different band-pass filters have been used to separate the intensities of IGWs having periods 0.2-2.5; 1.5-6 and 2–10 h, respectively. Height, seasonal and inter-annual variations of IGW intensities, anisotropy and predominant directions of propagation are investigated. Mean over 14 years’ seasonal variation of the intensity of long-period IGWs shows a dominant annual component with winter maximum and summer minimum. Seasonal variations of the intensity of short-period waves have a strong semi-annual component as well, which forms a secondary maximum in summer. Predominant azimuths of long-period IGWs are generally zonal, though they vary with season. For short-period IGWs, the predominant azimuth is closer to the meridional direction. Anisotropy of IGW intensity is larger in summer, winter and at lower altitudes. The IGW intensity shows apparent correlation with both solar and geomagnetic activity. In most cases, this correlation appears to be negative. The variations versus solar activity is larger for longer-period IGW. Possible reasons and consequences of the observed climatological variations of IGW intensity are discussed.     

Gravity wave reflection: Case study based on rocket data

Since gravity waves significantly influence the atmosphere by transporting energy and momentum, it is important to study their wave spectrum and their energy dissipation rates. Besides that, knowledge about gravity wave sources and the propagation of the generated waves is essential. Originating in the lower atmosphere, gravity waves can move upwards; when the background wind field is equal to their phase speed a so-called critical layer is reached. Their breakdown and deposition of energy and momentum is possible. Another mechanism which can take place at critical layers is gravity wave reflection.In this paper, gravity waves which were observed by foil chaff measurements during the DYANA (DYnamics Adapted Network for the Atmosphere) campaign in 1990 in Biscarrosse (44°N, 1°W)—as reported by Wüst and Bittner [2006. Non-linear wave–wave interaction: case studies based on rocket data and first application to satellite data. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics 68, 959–976]—are investigated to look for gravity wave reflection processes. Following nonlinear theory, energy dissipation rates according to Weinstock [1980. Energy dissipation rates of turbulence in the stable free atmosphere. Journal of the Atmospheric Sciences 38, 880–883] are calculated from foil chaff cloud and falling sphere data and compared with the critical layer heights. Enhanced energy dissipation rates are found at those altitudes where the waves’ phase speed matches the zonal background wind speeds. Indication of gravity wave trapping is found between two altitudes of around 95 and 86 km.