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.

     

武汉地区无线电探空仪加密观测的初步结果

利用武汉地区2006年1月11～15日的Radiosonde加密观测数据,本文讨论了当地对流层与低平流层（25 km以内）温度、纬向风与经向风周日潮汐变化的振幅与相位（振幅最大值对应的时间）的变化,同时与其他地区统计平均的结果进行了比较. 发现风场振幅的变化与统计平均的结果存在较大差异,这归结于当地冬季对流层内强烈变化而低平流层内相对稳定的风场;温度在23 km以上存在稳定的周日变化,气压在更大的范围内存在与温度类似的周日变化,这使得在23 km以上大气密度的周日变化十分微弱,在各个高度上近似为一个常数.     

低平流层行星波相互作用的双谱分析

采用双港分析方法,利用30hPa、60°N的位势高度数据,分析了冬季低平流层中行星波相互作用的现象．文中介绍了双谱分析方法,给出了行星波相互作用的双谱分析结果,并进行了讨论．这些结果直接给出了和丰富了低平流层行星波相互作用的证据．     

低平流层行星波相互作用的双谱分析

采用双港分析方法,利用30hPa、60°N的位势高度数据,分析了冬季低平流层中行星波相互作用的现象．文中介绍了双谱分析方法,给出了行星波相互作用的双谱分析结果,并进行了讨论．这些结果直接给出了和丰富了低平流层行星波相互作用的证据．     

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.     

平流层爆发性增温期间中高层大气行星波研究进展

极区平流层爆发性增温（SSW）是冬季半球最剧烈的大气扰动现象之一. SSW期间温度和风场的剧烈变化被认为是冬季半球中高层大气波动能量异常增强的主要原因.流星雷达是能够稳定连续探测中间层和低热层风场的重要地基探测设备.主要依托国家重大科技基础设施建设项目：“子午工程”,我国已建设了多个流星雷达观测台站,对中间层和低热层风场进行了长期稳定连续的监测,为揭示SSW期间中间层和低热层波动异常变化的物理机制提供了重要的观测资料.本文简述了近年来以我国“子午工程”流星雷达监测数据为核心,SSW期间中高层大气行星波的研究进展和成果;深入讨论了冬季半球中高层大气行星波发生异常变化的主要激发机制.随着“子午工程”二期十个流星雷达台站即将建成,本文对利用“子午工程”流星雷达监测台网进一步研究SSW期间中高层大气波动的变化特性进行了展望.     

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.     

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.     

2013年平流层爆发性增温期间高纬电离层半日潮汐波研究

基于Sondrestrom站(67°N, 51°W)非相干散射雷达观测数据, 研究了2013年平流层爆发性增温(SSW)事件发生后高纬地区电离层F层和E层半日潮汐波.同时, 对1月非SSW发生期间和不同太阳活动期间高纬电离层中的半日潮汐波进行了统计分析, 并和2013年SSW事件发生后的结果进行了比较.研究发现, SSW发生后F层经向风中的半日潮汐波有显著增强, 其振幅大于80 m·s^-1的时间持续了至少60 h, 最大值达到109 m·s^-1.在180~330 km范围内, 半日潮汐波振幅平均大了24 m·s^-1.在E层高度上, 经向风中的半日潮汐波也在SSW发生后迅速增强, 最大值达到109 m·s^-1, 在108~117 km范围内, 其振幅平均大了33 m·s^-1.在E层纬向风中, 半日潮汐波振幅在120 km处连续超过36 h的时间内大于70 m·s^-1, 最大值达到92 m·s^-1.不同太阳活动期间的半日潮汐波统计结果显示, 和低太阳活动期间相比, 高太阳活动期间半日潮汐波在F层和E层平均增强14 m·s^-1.这明显小于SSW期间24和33 m·s^-1的增幅, 表明高太阳活动不是2013年SSW期间高纬电离层半日潮汐波增强的主要原因.我们的研究表明2013年高纬电离层半日潮汐波的增强很可能是受到SSW事件的影响.

     

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4 μm和15 μm波段可用于识别30~40 km高度范围和41 km高度附近的重力波,其11 μm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1000 km,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,41 km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30~40 km高度区间和41 km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.     

两日对称行星波发电机效应的数值研究

本文从发电机理论出发,计算了一种波数为3、周期为两日的西行对称大气行星波风场所产生的电流及电场的全球分布以及随世界时的变化,并给出这种电场在不同经度随地方时的变化.这个电场沿磁力线传到F层后,将会对F层动力学过程起着重要的作用,可能是导致赤道异常两日波动的原因.     

两日对称行星波发电机效应的数值研究

本文从发电机理论出发,计算了一种波数为3、周期为两日的西行对称大气行星波风场所产生的电流及电场的全球分布以及随世界时的变化,并给出这种电场在不同经度随地方时的变化.这个电场沿磁力线传到F层后,将会对F层动力学过程起着重要的作用,可能是导致赤道异常两日波动的原因.     

水平非均匀基流中行星波的传播

行星波传播理论虽然已有很多研究,但是大多以纬向对称基流为主,无法解释东西风带之间相互作用的事实.鉴于此,本文从理论上系统讨论了纬向对称和水平非均匀基流中定常和非定常波动的传播特征.首先,对纬向对称基流中波动传播的周期特征进行分析后发现,西风中位相东传超长波周期大于30 d,而东风中位相西传超长波的周期则小于30 d.之后,从传播的空间以及周期特征等方面系统研究了水平非均匀基流中球面波动传播理论,得到以下结论:经向基流使得定常波可以穿越东风带,在南北两半球间传播,为东西风带之间的相互作用提供了理论解释;强的经向流使得波动传播具有单向性;亚澳季风区低层纬向1波呈低频特征.     

中性风与等离子体行星波的同步振荡

本文是“赤道异常的行星波振荡”的续篇。提供新的事实以说明:由于中层大气的行星波振荡会调制到潮汐风上面,潮汐风上升到E层发电机区域,通过发电机效应产生电场及S_q电流体系的行星波振荡。电场沿磁力线传到F_2层,通过“喷泉效应”引起电离层赤道异常的行星波振荡。所有这些振荡来源相同,所以是同步的。     

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.     

中性风与等离子体行星波的同步振荡

本文是“赤道异常的行星波振荡”的续篇。提供新的事实以说明:由于中层大气的行星波振荡会调制到潮汐风上面,潮汐风上升到E层发电机区域,通过发电机效应产生电场及S_q电流体系的行星波振荡。电场沿磁力线传到F_2层,通过“喷泉效应”引起电离层赤道异常的行星波振荡。所有这些振荡来源相同,所以是同步的。     

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.     

利用低纬赤道带垂测站台网测量西移两日行星波的纬向波数

本文介绍一种利用低纬赤道带垂测站台网测量西移两日行星波纬向波数k的新方法.对IGY期间1958年的测量结果分析表明:西移两日行星波纬向波数k=2出现的次数,比k=3出现的次数要多得多.     

基于毫米波雷达、无线电掩星和探空仪资料的云边界高度对比研究

为准确评估基于相对湿度廓线法反演云边界高度的有效性,以CloudSat和CALIPSO联合探测结果为基准,对2008年1月至2009年1月COSMIC无线电掩星和探空仪的云底高与云顶高反演结果进行定量对比验证,结果表明:CloudSat、掩星和探空仪检测到高云的比例差异较大,掩星和探空仪云检测效率相近,但云检测质量掩星优于探空仪,云层沿高度的发生概率同样掩星与CloudSat具有更好的一致性;陆地与海洋地区掩星和探空仪云底高反演精度大于云顶高,且反演精度与云层高度有关,二者对不同类型云的边界高度具有不同的反演优势,云底高发生概率掩星和探空仪与CloudSat都有很好的一致性,但云顶高概率掩星与CloudSat的吻合程度更好;CloudSat云边界高度随纬度升高而减小,其与掩星和探空仪的反演偏差同样是低纬大于中高纬,且具有不同的季节分布特点.此外,三者检测的底层云中低云所占比例从冬季到夏季逐渐减小,顶层云中云顶高于10 km的比例从冬季到夏季却逐渐增加.