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。      

平流层臭氧纬向分布季节变化和行星波的关系

通过分析1992—2001年的HALOE卫星资料,给出了各纬度带平流层的臭氧混合比的纬向分布结构,并分析了其季节变化的特征,同时,利用NCEP/NCAR再分析资料,分析了平流层行星波的结构及其与臭氧纬向分布的关系。结果表明:平流层臭氧混合比的纬向分布季节差异较大,在两半球的夏季平流层臭氧混合比的纬向分布较均匀,其它季节在中高纬的臭氧混合比高值区有一些扰动,并且随着纬度的增大其扰动加强,其中冬季它的扰动最强,这些都与平流层的行星波有相同的特点。对这两种资料进行波谱分析发现,在冬半球臭氧混合比在中高纬的纬向扰动有明显的1波信号,并且与位势高度的1波扰动有相同的位相,因此认为臭氧纬向扰动主要是由行星波引起的,并且在中高纬主要是1波的影响;而低纬地区由于不满足行星波上传的条件,所以臭氧纬向分布不受行星波的影响。分析行星波扰动对臭氧的输送作用也表明,行星波的扰动确实引起臭氧在经向上的输送,从而造成臭氧纬向分布的不对称,并且由于基本气流的输送作用,使得臭氧纬向扰动与行星波造成的原始扰动有一个位相差。     

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。     

北半球准定常行星波气候平均态的资料分析和数值模拟

利用NCEP/NCAR再分析资料和大气环流模式(CCSR/NIES AGCM Ver 5.6),对北半球准定常行星波的气候平均态分布进行分析和模拟.再分析资料分析的结果表明:北半球冬季,准定常行星波沿两支波导向上传播,其中一支在对流层上层转向中低纬度传播,另外一支折向高纬度,通过极地波导上传到平流层.其中,1波和2波可以上传到平流层,因而其振幅分布除在中低纬的对流层上层出现一个次大值外,在高纬度平流层中上层会出现一个最大值,3波则主要限制在对流层,其振幅分布除在副热带对流层上层出现一个次大值外,最大值出现在中纬度对流层上层.北半球夏季,整个平流层为东风环流,极地波导不存在,行星波不能上传到平流层,在对流层活动也较弱,1波、2波、3波的传播情况大致相似,表现为在对流层上层由中纬度向赤道地区的传播.相应的振幅分布是,对1波和2波而言,最大值出现在中低纬对流层顶附近,同时在中高纬对流层上层出现一个次大值,而3波的振幅分布正好相反,最大值出现在中高纬对流层上层,次大值则在中低纬对流层顶附近.利用大气环流模式进行的数值模拟表明,模式可以比较好地模拟冬夏季准定常行星波的传播路径,但模拟的北半球冬季沿极地波导向平流层的传播明显偏弱,其结果是对1波、2波而言,高纬度平流层中上层的振幅最大值明显小于再分析资料的数值.文中还讨论了数值模拟与资料分析中行星波的差异可能对大气环流模拟的影响.     

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.     

平流层爆发性增温动力机制的初步研究

本文用一个β平面纬向通道非绝热准地转的三层模式,研究平流层爆发性增温的动力机制.根据平均场对扰动的影响、扰动对平均场的影响以及平流层和对流层相互作用的解析表达式,得出有利于爆发性增温有关的自由行波异常增幅的大气条件.主要包括对流层的强感热交换、强切变和平流层的小静力稳定度. 模式大气的纬向平均温度和纬向风场变化都只由扰动热输送引起.整个增温过程按其产生、发展和消失的不同机制可分成三个时期:增温前期、增温盛期和增温后期.这些机制可以大致说明一些爆发性增温期间平流层和对流层大气环流出现异常以及随后又恢复到正常     

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。     

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。     

IAP-AGCM对QBO模拟的动量收支分析（英文）

平流层准两年振荡(QBO)是赤道平流层(～100-1 hPa)变率的主要模态,可对中高纬地区的环流产生重要影响,但目前利用通用大气环流模式(GCM)对其进行准确模拟仍然是一个挑战.本文利用IAP大气环流模式(IAP-AGCM)的中高层大气模式版本(IAP-AGCML69)对QBO进行模拟,并对其动量收支情况进行分析.研究发现,QBO主要是由对流活动引起的重力波强迫(参数化)引起的,但该动量强迫被平流层赤道上升流所引起的平流过程显著削弱.模式可分辨尺度的波动强迫对赤道上空的QBO的总纬向风倾向有正贡献,在上平流层,其量值大小与参数化的重力波强迫相当.以上结果提供了对QBO形成机制以及模式模拟差异可能原因的认识.     

40—50天的纬向基流低频振荡及其失稳效应

初步的资料分析表明,大气运动的40—50天的低频振荡不仅存在于热带对流层,而且也存在于中高纬对流层及平流层.在温度及高度场的功率谱中,40—50天的振荡比双周振荡更为显著. 用球面二层模型对对流层冬季纬向振荡基流所作的稳定性分析表明,小扰动的增长随基流振荡而加强,经向温度梯度40—50天的振荡对波数3—8的波动能产生相当可观的失稳效应。对更长周期的基流振荡,增长率的频率响应出现“饱和”现象. 对平流层的分析表明,平流层定态纬向基流是动力稳定的,而纬向流的振荡分量及非纬向定态扰动则是两个可引起基态失稳的因子.     

Influence of vertical wind on stratospheric aerosol transport

The main goals of this work are climatological analysis of characteristics of vertical wind in the stratosphere and estimation of potential opportunities of its influence on stratospheric aerosol particles. High-altitude, temporal, and latitude dependences of zonal mean vertical wind velocity for the period of 1992?C2006 from the UKMO atmospheric general circulation model are analyzed. It is shown that monthly averaged amplitudes of the vertical wind are approximately ±5?mm/s, while annual averaged ones are ±1?mm/s. The upward wind can provide the vertical lifting against gravity for sufficiently large (up to 3?C5???m) aerosol particles with a density up to 1.0?C1.5?g/cm³ at stratospheric and mesospheric altitudes. The vertical wind, probably, is a substantial factor for particle motion up to altitudes of 30?C40?km and can change essentially the sedimentation velocities and the residence times of stratospheric aerosols. The structure of the averaged fields of vertical wind supposes the opportunity of formation of dynamically stable aerosol layers in the middle stratosphere. With the problem regarding the action of a permanent source of monodisperse particles near the stratopause taken as an example, it is shown that if the action of the averaged vertical component is taken into account along with the gravitational sedimentation and turbulent diffusion, the standard vertical profiles of the relative concentration of particles change cardinally. Estimations for the levitation heights for particles of different densities and sizes in the stratosphere under action of gravity and vertical wind pressure are presented.     

乌鲁木齐暴雪天气的环流配置及中尺度系统特征*

利用1980-2018年ERA-5全球再分析资料，对汉江流域汉中地区典型暴雨发生前纬向风场变化及天气尺度瞬变波活动(Eliassen-Palm通量特征)进行分析。结果表明：瞬变波EP通量特征分析为汉江流域暴雨潜势预报提供一个有利的参考指标；暴雨发生前，33°N附近200hPa附近有纬向风减速中心，对应200hPa为EP通量辐散区，这种垂直分布模型是暴雨前期有利形势，随着纬向风减速趋势加强，EP通量辐散区扩展并加强，有利于暴雨的发生；7月较之8月，暴雨强度更强、暴雨范围更广、纬向风变化更明显、200hPa以上EP通量辐散更强。若简单地将盛夏暴雨整体进行研究，会影响对不同月份瞬变波活动及大气环流变化趋势的诊断，造成诊断偏差且难以准确反映瞬变波与暴雨的联系。因此在讨论盛夏季天气尺度瞬变波与对流层环流的相互作用时，应针对不同月份分开进行讨论。     

地形强迫对大气长波调整的可能影响

地形作为大气的外部强迫,其动力和热力作用对波动结构演变及极端天气出现都有不能忽视的作用。本文通过数值求解考虑地形强迫的β平面正压准地转位势涡度方程,探讨了地形强迫作用对大气长波调整的可能影响,结果表明:同非线性作用和纬向非均匀基流作用一样,无基流情形下具有纬向差异的地形分布影响了大气长波结构的演变,也能强迫出大气长波调整现象。大气长波调整依赖于地形的高度和地形分布,地形越高,长波越容易出现波数的调整;地形波数越大,即地形结构复杂,越不易出现波数变化。大气长波调整还与纬度有关,纬度越高,β越小,地形强迫作用越突出,长波调整容易出现;反之,低纬度以β效应为主的线性波动不易出现波数调整。大气长波调整对波动初始波动的振幅不敏感,但依赖于波动的初始结构。此外,有基流作用时,地形强迫还是诱发定常波的重要因素,且定常波流场结构依赖于地形高度分布,与波动初始结构无关。     

汉江流域盛夏暴雨与天气尺度瞬变波EP通量的可能联系

利用1980—2015年ERA-5全球再分析资料,对汉中地区典型暴雨发生前纬向风场变化及天气尺度瞬变波活动(Eliassen-Palm通量特征)进行分析。结果表明:瞬变波Eliassen-Palm(EP)通量特征分析为汉江流域暴雨潜势预报提供一个有利的参考指标;暴雨发生前,33°N附近200 h Pa有纬向风减速中心,对应200 hPa为EP通量辐散区,这种垂直分布模型是暴雨前期的有利形势,随着纬向风减速趋势加快,EP通量辐散区扩展并加强,有利于暴雨的发生;与8月相比,7月暴雨强度更强,暴雨范围更广,纬向风变化更明显,200 hPa的EP通量辐散更强。若简单地将盛夏暴雨整体进行研究,会影响对不同月份瞬变波活动及大气环流变化趋势的诊断,造成诊断偏差且难以准确反映瞬变波与暴雨的联系。因此在讨论盛夏季天气尺度瞬变波与对流层环流的相互作用时,应按月份讨论。     

一次东移西南涡过程的平流层重力波特征研究

基于WRF模式对2011年6月16—19日一次东移西南涡过程的模拟,开展了西南涡激发平流层重力波的特征研究。东移西南涡可以分为发展、强盛和减弱3个阶段,每个阶段均伴随着强降雨天气,但由于降水位置和强度的不同,平流层重力波的分布和强度也不同。西南涡发展阶段,平流层重力波主要位于低涡的东侧,并向东北传播;西南涡强盛阶段,伴随对流降水的强度和范围明显增大,平流层重力波的振幅和范围也显著增大,且围绕西南涡的东侧和南侧呈现出半环状的重力波分布特征可分为两支,东侧波动波列表现为东北西南向分布,南侧的波列表现为东—西向分布;西南涡减弱阶段,重力波的振幅和范围均减小。波谱分析表明,重力波的纬向波数频率谱关于零频率呈非对称分布,且随着西南涡的增强,波谱在小尺度范围显著增大,即强对流更容易激发出小尺度的高频波;经向波数频率谱在波数较小谱段关于零频率基本呈对称分布,但在波数较大谱段,也呈非对称分布,这说明受平流层东风气流的影响,重力波主要向东传播。     

The Spatial and Temporal Variability of Global Stratospheric Gravity Waves and Their Activity during Sudden Stratospheric Warming Revealed by COSMIC Measurements

This study investigates the spatial and temporal variability of global stratospheric gravity waves (GWs) and the characteristics of GW activity during sudden stratospheric warming (SSW) using the GPS radio occultation measurements from the COSMIC mission during September 2006 to May 2013. Corresponding to the COSMIC RO observational window and analysis method, GW potential energy (Ep) with vertical scales no shorter than ～2 km is resolved. It is found that the distributions of GW Ep over 20-30 km and 30-38 km show similar spatial and seasonal variations. The variations of GW Ep with altitude and latitude along the westerly wind are identified in different seasons over 60°-80°W. In the middle and high latitudes, seasonal cycles are distinct in the time-latitude and time-altitude distributions of GW activities, which show larger Ep in winters when westerly wind dominates and smaller Ep in summers when easterly wind dominates. The influence of quasi-biennial oscillation on GW activity is recognized in the tropics. GW Ep enhances closely following the occurrence of minor SSW events; while during major events, GW Ep may not enhance, and sometimes may even weaken, in the regions where reversals of zonal wind occur, probably caused by the filtering impact of the 0 m s-1 wind level on the GWs.     

全球资料分析中重力波的重要性

本文用哈佛(Hough)调和分析方法作全球(实测)资料的展开,发现重力波分量在风场和高度场的客观分析中是重要的。对全球范围内一些重要天气系统的描写若忽略重力波分量,则许多天气系统分析的强度就会明显偏弱,甚至分析不出来。低纬地区高、低压中心值偏弱4—8位势什米,中高纬地区也有较大的误差。含有重力波(一定分量)的风场的分析也比地转流函数的风场分析更合理,而且不零乱。 本文对按频率大小编号的重力波分量和涡旋波分量的截取项数,也提供了一些试验结果,似乎以分别取15和25项为宜。     

The global energy cycle of stationary and transient atmospheric waves: Results from ECMWF analyses

Summary The role of stationary (monthly mean) and transient (departure from monthly mean) waves within the atmospheric energy cycle is examined using global analyses from the European Centre for Medium Range Weather Forecasts (ECMWF) for the period 1980–1987. Only January and July averages are considered.It is confirmed that planetary stationary waves are basically baroclinic. Their contribution to the globally averaged energy cycle of the atmosphere is comparable to that of the transient waves. In January they contribute about 40% to the baroclinic conversion (CA) from zonal mean to eddy available potential energy. Local values for the northern hemisphere even show a predominant role of the stationary wave conversions over those originating from transient waves. Part of the available potential energy of stationary waves (A _SE) is converted to kinetic energy by warm air rising and cold air sinking. Nonlinear energy conversion, which can be interpreted as destruction of stationary temperature waves by transients, is the second sink forA _SE. The order of magnitude of these two processes is similar.Barotropic nonlinear conversions, though negligible in the global average, reveal large conversion rates between the mean positions of the polar and the subtropical jets. Their orientation is suggestive of a tendency to increase stationary wave kinetic energyK _SE at its local minimum between the jets at the expense of the synoptic scale transients.While all terms of the energy cycle related to stationary waves reveal a predominance of the planetary scale (zonal wave numbers 1–3) transient waves are governed by synoptic scale waves (zonal wave numbers 4–9) only with respect to the baroclinic and barotropic conversions: a significant amount of transient wave energy (50% for the global average ofA _TE) is due to planetary scale waves.With 15 Figures     

TIMED/SABER observations of global gravity wave climatology and their interannual variability from stratosphere to mesosphere lower thermosphere

The present study for the first time reports the global gravity wave activity in terms of their potential energy derived from TIMED/SABER observations right from the stratosphere to the mesosphere lower thermosphere (MLT) region. The potential energy profiles obtained from SABER temperature are validated by comparing them with ground based LIDAR observations over a low latitude site, Gadanki (13.5° N, 79.2° E). The stratospheric and mesospheric global maps of gravity wave energy showed pronounced maxima over high and polar latitudes of the winter hemisphere. The interannual variability of the stratospheric gravity wave activity exhibited prominent annual oscillation over mid-latitudes. The equatorial gravity wave activity exhibited quasi-biennial oscillation in the lower stratosphere and semi-annual oscillation in the upper stratosphere. The MLT region maps revealed summer hemispheric maxima over polar latitudes and secondary maxima over the equatorial region. The results are discussed in the light of present understanding of global gravity wave observations. The significance of the present study lies in emphasizing the importance of satellite measurements in elucidating gravity waves, which is envisaged to have profound impact on parameterizing these waves.