一次暴雨过程中重力波参数演变特征的模拟结果

本文利用中尺度数值模式WRF对2003年7月4—5日淮河流域特大暴雨过程进行了数值模拟,并利用高时空分辨率模拟结果资料,提取了暴雨中心区大气重力波频率、周期、水平波长、垂直波长、水平相速和群速等特征参数,分析了暴雨过程中重力波参数随时间的演变特征.结果表明,对此次暴雨强降水过程影响较大的重力波主要是发展的中 α 尺度波和中 β 尺度波,暴雨后期随着重力波的频散,周期和水平波长有减小趋势,频率有增大趋势.非降水区的重力波参数特征和降水中心区有明显不同,大气中小振幅的中 α 尺度和中 β 尺度重力波是否发展和暴雨强降水的发生关系密切.     

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10~35 km, 4~12 min和30~100 m·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.     

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1000 km.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1000 km,周期在15~25 h,垂直波长主要在8~12 km.最后,利用AIRS观测资料分析了平流层30~40 km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.     

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532 nm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30~60 km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.

     

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.     

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.     

重力波包在中层大气温度波导中传播的数值模拟

给出了重力波在中层大气温度波导中的反对称形式导制传播的线性理论模型,并采用二维非线性的数值模型对重力波波包在中层大气温度波导中的传播和演变过程进行了模拟研究.模拟的结果表明,下层大气激发的重力波能量进入波导区域后被俘获形成导制传播.重力波在波导内不停地来回反射,垂直方向的自由传播受到限制,能量在波导内沿着水平方向传输,模拟得到的波参数与理论值相近.重力波包在温度波导中传播时伴随着能量泄漏,且能量泄漏的速率随时间变缓,最终总有部分能量被限制在波导区域.重力波在水平方向上传播几百公里后,依然维持着良好的波结构,同时数值模拟也给出了重力波在波导区域内能量密度的时空分布.     

空间尘埃等离子体中的重力波特性

建立尘埃等离子体中重力波的基本方程,推导尘埃等离子体中重力波的色散关系,分析地球极区中间层顶处尘埃等离子体层中的重力波特性,研究了重力波在电子密度垂直分层的尘埃等离子体中的反射. 结果表明尘埃等离子体改变了通常大气中的重力内波的色散关系,限制了小水平波数重力内波的传播,改变了波的能量特性,减小了重力波在不均匀大气中垂直向上传播时振幅的增长;在尘埃等离子体中传播时重力波可被电子密度垂直分层的结构反射而导致波能量的集中, 它产生的湍动所导致的空间电子密度的不均匀性分布是极区上空PMSEs的可能机制.     

一次冰雹过程的惯性重力波观测及数值模拟

使用高灵敏度的电容式微压波传感器对1998年4月11日16时发生在贵州省普定县的一次降冰雹过程的重力波进行观测,利用WRF（Weather Research and Forecast）中尺度模式对这一过程进行数值模拟,使用Morlet小波方法对模拟结果进行分析,得出这一过程中惯性重力波的分布和变化规律,并分析急流、地形及切变线对惯性重力波的影响.观测发现：在降冰雹前,每隔1~4小时出现一次短周期重力波阵性增强的现象.数值模拟结果显示：在低空降冰雹前几个小时有强的短周期重力波出现,其中周期较长的出现早、存在时间长,周期较短的出现晚、存在时间短;强的低空急流和风速垂直切变触发对流或湍流的发生和加强,对流或湍流又激发了80~200 min的短周期重力波;短周期重力波更容易向垂直方向传播,而长周期重力波倾向于水平方向传播.长周期重力波在降冰雹后周期有明显变短现象,随高度越加明显.由地形形成的重力波在最高山峰上空振幅最大.     

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.     

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.     

Inertia gravity wave activity in the troposphere and lower stratosphere observed by Wuhan MST radar

The troposphere and lower stratosphere (TLS) is a region with active atmospheric fluctuations. The Wuhan Mesosphere-Stratosphere-Troposphere (MST) radar is the first MST radar to have become operational in Mainland China. It is dedicated to real-time atmospheric observations. In this paper, two case studies about inertia gravity waves (IGWs) derived from three-dimensional wind field data collected with the Wuhan MST radar are presented. The intrinsic frequencies, vertical wavelengths, horizontal wavelengths, vertical wavenumber spectra, and energy density are calculated and analyzed. In this paper, we also report on multiple waves existing in the lower stratosphere observed by the Wuhan MST radar. Lomb-Scargle spectral analysis and the hodograph method were used to derive the vertical wavenumber and propagation direction. Meanwhile, an identical IGW is observed by Wuhan MST radar both in troposphere and lower stratosphere regions. Combining the observations, the source of the latter IGW detected in the TLS would be the jet streams located in the tropopause region, which also produced wind shear above and below the tropopause.     

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.     

Variations in the characteristics of acoustic gravity waves according to simulation data

The characteristics of different-scale acoustic gravity waves (wavelengths of 100–1200 km, periods of 10–50 min) under different geophysical conditions have been studied using a numerical model for calculating the vertical structure of these waves in a nonisothermal atmosphere in the presence of an altitudedependent background wind and in a situation when molecular dissipation is taken into account. It has been established that all considered acoustic gravity waves (AGWs) effectively reach altitudes of the thermosphere. The character of the amplitude vertical profile depends on the AGW scales. The seasonal and latitudinal differences in the AGW vertical structure depend on the background wind and temperature. A strong thermospheric wind causes the rapid damping of medium-scale AGWs propagating along the wind. Waves with long periods to a lesser degree depend on dissipation in the thermosphere and can penetrate to high altitudes. A change in the geomagnetic activity level affects the background wind vertical distribution at high latitudes, as a result of which the AGW vertical structure varies.     

风垂直切变对大气静力适应过程的影响——第一部分:波动响应

本文基于描述可压缩大气静力适应过程的线性模型,分别采用正交模法和WKBJ法,从波动响应的角度研究了风垂直切变对大气静力适应过程的影响.结合实际天气现象构造了四种风垂直切变模型,分别为垂直无切变的定常模型、类似锋面特征的线性切变模型、表征东风急流的反气旋式切变模型和类似西风急流的气旋式切变模型.分析了相应模型下静力适应过程中的波动特征及波能量演变规律.得到结论：（1）在定常模型中,破坏静力平衡的能量激发出四支两两成对的、传播性质类似声波和重力波的波动,波动能量在闭合系统假设下为守恒量;（2）风切变的存在改变了波动及其能量的传播特征,也改变了波动能量的守恒性;（3）在大气稳定层结下,若波动多普勒频率大于0且小于0.7倍的浮力振荡频率,则发展（衰亡）型波动的螺旋结构分别为：（a）在线性切变模型中,等相位线自下而上需向西（东）倾斜;（b）在反气旋式切变模型中,等相位线在急流轴上层自下而上需向西（东）倾斜,在急流轴下层自下而上需向东（西）倾斜;（c）在气旋式切变模型中,等相位线在急流轴上层自下而上需向东（西）倾斜,在急流轴下层自下而上需向西（东）倾斜;若波动多普勒频率大于0.7倍的浮力振荡频率,则情形相反.

     

Short-period planetary waves in the Antarctic middle atmosphere

Planetary waves with periods between two and four days in the middle atmosphere over Antarctica are characterized using one year of data from the medium-frequency spaced antenna (MFSA) radars at Scott Base, Rothera, and Davis. In order to investigate the origin of the observed waves, the ground-based data are complemented by temperature measurements from the Earth Observing System Microwave Limb Sounder (EOS MLS) instrument on the Aura satellite as well as wind velocity data from the United Kingdom Met. Office (UKMO) stratospheric assimilation. Observed characteristics of waves with a period of approximately two days in summer are consistent with the quasi-two-day wave (QTDW) generally found after the summer solstice at low- and mid-latitudes. The Scott Base observations of the QTDW presented here are the highest-latitude ground-based observations of this wave to date. Waves with preferred periods of two and four days occur in bursts throughout the winter with maximum activity in June, July, and August. The mean of the two- and four-day wave amplitudes is relatively constant, suggesting constant wave forcing. When several waves with different periods occur at the same time, they often have similar phase velocities, supporting suggestions that they are quasi-non-dispersive. In 2005, a “warmpool” lasts from late July to late August. An alternative interpretation of this phenomenon is the presence of a structure propagating with the background wind. Consideration of the role of vertical shear (baroclinic instabilities) and horizontal shear (barotropic instabilities) of the zonal wind suggests that instabilities are likely to play a role in the forcing of the two- and four-day waves, which are near-resonant modes and thus supported by the atmosphere.     

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.

     

Nonhydrostatic Atmospheric Normal Modes on Beta-Planes

--To facilitate the understanding of nonhydrostatic effect in global and regional nonhydrostatic models, the normal modes of a nonhydrostatic, stratified, and compressible atmosphere are studied using Cartesian coordinates on midlatitude and equatorial #-planes. The dynamical equations without forcing and dissipation are linearized around the basic state at rest, and solved by using the method of separation of variables. An eigenvalue-eigenfunction problem is formulated, consisting of the horizontal and vertical structure equations with suitable boundary conditions. The wave frequency and the separation parameter, referred to as "equivalent height," appear in both the horizontal and vertical characteristic equations as a coupled problem, unlike the hydrostatic case. Therefore, the nonhydrostatic equivalent height depends not only on the vertical modal scale, as in the hydrostatic case, but also on the zonal and meridional modal scales. Numerical resu lts on the dispersion relations are presented for an isothermal atmosphere. Three kinds of normal modes, namely acoustic, gravity, and Rossby modes, are solved and compared with the corresponding global solutions. Nonhydrostatic effects are studied in terms of normal modes in a wide range of wavelengths from small to planetary scales. It is demonstrated that Rossby modes are hardly affected by nonhydrostatic effects regardless of wavelengths. However, nonhydrostatic effects on gravity modes become significant for smaller horizontal and deeper vertical scales of motion. The equivalent height plays a particularly important role in evaluating nonhydrostatic effects of normal modes on the equatorial #-plane, because the equivalent height appears in the scaling of meridional distance variable of the eigenfunctions. The implementation of nonhydrostatic normal mode analysis on high-resolution numerical modeling is also discussed.     

风垂直切变对中尺度地形对流降水影响的研究

针对长江中下游中尺度地形特点以及暴雨过程发生发展期间风垂直切变的主要观测特征,设计了一系列中尺度地形的三维理想数值试验,分析了干大气地形流和重力波特征,探讨了条件不稳定湿大气地形对流降水的模态分布,在此基础上研究了圆形、直线风垂直切变和切变厚度对中尺度地形对流降水强度和模态分布的影响.结果发现:在 Fr≈1的干大气条件下,气流遇到地形后分支、绕流和爬升现象同时存在,地形激发的重力波在水平和垂直方向上传播,其在迎风坡、背风坡、地形上游和下游的振幅不同,并组织出不同强度的垂直上升运动.在Fr > 1的条件不稳定湿大气下,地形对流降水主要存在三种模态,即迎风坡和背风坡准静止对流降水以及地形下游移动性对流降水,地形对流降水的形成与重力波在低层组织的上升运动密切相关.风垂直切变对地形对流降水的强度和模态分布有重要作用,其中圆形风垂直切变(风随高度旋转)不仅影响地形下游对流降水系统的移动方向,而且影响迎风坡和背风坡山脚处对流降水中心的分布和强度;直线风垂直切变(风随高度无旋转)主要影响地形对流降水的移动速度和强度.风随高度自下而上顺(逆)时针旋转,地形对流系统向下游传播时向右(左)偏移.风垂直切变主要通过影响地形重力波的结构和传播以及对流系统的形成、移动方向和速度,来影响地形对流降水的模态分布,其中对流层中低层的风垂直切变对地形对流降水强度和模态分布有重要影响.