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.     

用垂直高分辨率探空资料分析北京上空下平流层重力波的统计特性

根据北京市观象台新一代无线电探空垂直高分辨率资料研究北京地区下平流层(17~24 km)惯性重力波活动的季节变化特征. 根据风速以及温度之间的偏振关系来分析重力波的一些重要参数. 结果表明: 1) 波动能量有明显的季节变化, 夏季弱(动能3.5 J/kg, 潜能1.8 J/kg), 冬季强(动能10.6 J/kg, 潜能3.6 J/kg), 全年的动能与潜能比的平均值为2.6; 纬向与经向扰动速度之均方根大小基本一致, 表明下平流层重力波能量在水平方向上是各向同性的. 2) 垂直波长主要集中在1.5~3 km之间, 占所有样本的80%以上, 平均值大致为2.3 km; 水平波长主要集中在100~800 km之间, 平均值为445 km左右; 水平波长与垂直波长之比大约200︰1. 3) 在拟合偏振椭圆前, 采用带通滤波保留垂直波长在1.5~3 km之间的波, 估计得到的固有频率主要集中在1f~3.5f之间(f为科氏参数), 平均值为2f, 相当于周期9 h左右. 4) 重力波能量主要向上传播, 上传重力波出现频率在90%以上; 水平传播方向有一定的不均匀性, 但不是很强, 主要方向为西北方向.     

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.     

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.     

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.     

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~9 km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~700 km水平尺度、9~12 h时间尺度以及4~5 km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18~20 km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11~20 km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0.86 m·s^-1·day^-1的动力阻曳.     

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.     

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.     

利用激光雷达测量重力波三维结构

激光雷达观测得到的密度、温度等数据被广泛应用于大气重力波研究.瑞利激光雷达可以获取激光路径上的大气密度、温度数据.对于大气中的三维波动而言,单条路径上的观测参量能提取得到的波动信息有限.本文首先以单色重力波为例,分析了利用激光雷达直接观测三维波动结构的可行性.激光雷达垂直观测即可得到重力波的垂直波长,当激光雷达以一定的天顶角斜向测量时,所得到的波长包含了重力波的垂直波长以及水平波长信息.因此,利用激光雷达同时以三个方向(垂直、向南(天顶角30°)以及向西(天顶角30°))测量,可以提取得到重力波的垂直波长和水平波长.本文利用中国科学院国家空间科学中心研制的车载532nm瑞利激光雷达的经向系统和纬向系统同时以不同的指向角观测大气重力波,对利用激光雷达获取三维波动结构的方法进行了分析研究.本文给出了北京地区激光雷达观测重力波的诸多案例,分析了30~60km高度范围内北京地区大气重力波的垂直及水平波长信息.并以2017年11月7日观测的准单色重力波为例,结合再分析资料的风场数据,分析了该重力波的水平波长,垂直波长及传播方向等信息.     

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.     

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.     

Inertial gravity wave parameters for the lower stratosphere from radiosonde data over China

Characterization of gravity wave(GW)parameters for the stratosphere is critical for global atmospheric circulation models.These parameters are mainly determined from measurements.Here,we investigate variation in inertial GW activity with season and latitude in the lower stratosphere(18-25 km)over China,using radiosonde data with a high vertical resolution over a 2-year period.Eight radiosonde stations were selected across China,with a latitudinal range of 22°-49°N.Analyses show that the GW energy in the lower stratosphere over China has obvious seasonal variation and a meridional distribution,similar to other regions of the globe.The GW energy is highest in winter,and lowest in summer;it decreases with increasing latitude.Velocity perturbations with longitude and latitude are almost the same,indicating that GW energy is horizontally isotropic.Typically,85%of the vertical wavelength distribution is concentrated between elevations of 1 and 3 km,with a mean value of 2 km;it is almost constant with latitude.Over 80%of all the horizontal wavelengths occur in the range 100-800 km,with a mean value of 450km;they show a weak decrease with increasing latitude,yielding a difference of about 40 km over the 22°-49°N range.The ratio of horizontal wavelength over vertical wavelength is about 200:1,which implies that inertial GWs in the lower stratosphere propagate along nearly horizontal planes.Ratios of their intrinsic frequency to the Coriolis parameter decrease with increasing latitude;most values are between 1 and 2,with a mean value of 1.5.Study of the propagation directions of GW energy shows that upward fractions account for over 60%at all stations.In contrast,the horizontal propagation direction is significantly anisotropic,and is mainly along prevailing wind directions;this anisotropy weakens with increasing latitude.     

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.     

Statistics of gravity waves in the lower stratosphere over Beijing based on high vertical resolution radiosonde

Atmospheric gravity waves, with small to medium scales, prevail in the atmosphere and have global ef- fects. Many researches show that gravity waves are the main source that causes the variation of wind and temperature field in the stratosphere, and that the break-up of upward propagating gravity waves is the dominant sources of small scale turbulent and mixing processes in the middle atmosphere. Theories and ob- servations indicate that the redistribution of momen- tum, caused by the generati…     

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.     

Nonlinear interactions between gravity waves and tides

In this study, we present the nonlinear interactions between gravity waves (GWs) and tides by using the 2D numerical model for the nonlinear propagation of GWs in the compressible atmosphere. During the propagation in the tidal background, GWs become instable in three regions, that is z = 75―85 km, z = 90―110 km and z = 115―130 km. The vertical wavelength firstly varies gradually from the initial 12 km to 27 km. Then the newly generated longer waves are gradually compressed. The longer and shorter waves occur in the regions where GWs propagate in the reverse and the same direction of the hori-zontal mean wind respectively. In addition, GWs can propagate above the main breaking region (90—110 km). During GWs propagation, not only the mean wind is accelerated, but also the amplitude of tide is amplified. Especially, after GWs become instable, this amplified effect to the tidal amplitude is much obvious.