利用COSMIC RO数据分析青藏高原平流层重力波活动特征

本文利用2006年5月至2013年4月COSMIC干温廓线数据,提取了青藏高原地区大气重力波势能,以此研究了青藏高原大气重力波势能的分布频率模型和大气重力波活动的时空变化特征,并进一步分析了高原大气重力波活动与高原地形、风速和高原大陆热辐射之间的相关性.青藏高原地区大气重力波势能的分布频率服从对数生长分布;青藏高原地区大气重力波在16~18 km和28~31 km高度较活跃,而在20~26 km高度较平静;高原大陆边缘各季节重力波活动均较活跃,而高原大陆上空大气重力波活动呈明显季节性变化,其在冬春季节较活跃,在夏秋季节较平静;2010年冬季青藏高原大气重力波活动异常平静;各季节整个高原上空大气重力波活跃度有随大气高度升高而降低的趋势,高原上低层大气重力波向高层传播会发生耗散作用.地形与风速是影响青藏高原大气重力波活动的重要因素.地形主要影响平流层底部的重力波活动;纬向风比经向风对该地区平流层大气重力波活动的影响大,纬向风总体上会促进高原大气重力波活动.青藏高原大陆热辐射对高原大气的加热作用是导致青藏高原大气重力波活动呈季节性变化的重要因素.     

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.     

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5.5 km,平均垂直波长约为6.0 km的地形重力波.     

台风“麦莎”（Matsa）诱发平流层重力波的数值模拟

本文利用新一代中尺度预报模式WRF-ARW（V3.0）对2005年台风＂麦莎＂诱发的平流层重力波进行了数值模拟研究.覆盖整个＂麦莎＂台风主要生命史为期8天的模拟再现了＂麦莎＂的主要特征,与观测资料进行对比,模拟结果在台风基本特征（路径、强度、螺旋云带分布）以及平流层大气平均状态方面上,都与观测资料有较好的一致性.在此基础上,对＂麦莎＂诱发的平流层重力波进行了分析研究,分析结果表明：伴随台风向西北方向移动,在其上空以台风为中心的区域中,持续地出现显著平流层重力波,这些波动呈弧状的波阵面离开台风,并主要在背景流的上游中传播.这些波动特征表明了平流层重力波与台风之间存在紧密联系,我们把这种波动称为＂热带气旋-平流层重力波＂.模拟结果还显示,这些波动应该具有相当大的水平尺度,才使得在20km高度上清晰的波阵面出现在距台风中心1000km以外的位置,这与过去的观测分析结果揭示的与台风相伴的平流层大尺度重力波现象是一致的.     

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.     

典型东北冷涡个例的平流层-对流层交换过程数值模拟研究

利用中尺度模式WRF对发生于2010年6月19~23日的我国东北地区一次典型冷涡过程开展高垂直分辨率数值模拟研究.在模式结果再现此次东北冷涡基本特征的基础上,进一步用Wei公式考察该冷涡引起的平流层-对流层质量交换的时空分布特征.分析结果表明,此次冷涡过程所引起的穿越对流层顶的质量交换总效应表现为平流层向对流层的净输送.在冷涡形成前期,即大型槽脊发展阶段,已经存在活跃的交换.在冷涡活动的整个过程中,槽后和冷涡移动方向的后部主要表现为空气质量由平流层向对流层的输送,而在槽前和冷涡移动方向的前部主要表现为由对流层向平流层的输送.这种空间分布形态主要是由对流层顶变化项决定,但由于其引起的向上、向下交换量作用相抵消,因此它对净交换量的贡献很小,而对此次过程净交换的贡献起决定性作用的是水平运动项.冷涡活动区域平均的总交换通量随时间的变化特征表现为三段:(1)在冷涡形成前期,存在较强的平流层空气向对流层输送过程;(2)随着冷涡的形成发展,总通量表现为TST-STT-TST波动趋势;(3)冷涡发展后期,又表现为平流层空气向对流层输送.     

青藏高原地形重力波对东亚春季降水的重要作用

春季持续性降水是东亚夏季风爆发前的主要雨季,对东亚地区乃至全球水循环都具有深刻影响.过去研究揭示了青藏高原大尺度地形的动力和热力作用对东亚春季降水的重要影响,但青藏高原小尺度地形的作用尚不明确.本研究发现,副热带西风流受青藏高原小尺度地形扰动激发的地形重力波,同样对东亚春季降水具有重要贡献.垂直传播的地形重力波在对流层中层发生破碎,产生纬向拖曳,从而驱动跨越青藏高原的经向环流.在青藏高原南侧,经向环流上升支的动力抽吸作用使得对流层低层气压减弱,从而增强经向气压梯度力和西南季风,将更多水汽输送至下游东亚地区,最终导致春季降水的增多.该研究有助于更加全面地理解青藏高原多尺度地形对东亚春季降水的影响,为西风-季风协同作用提供了新的视角.     

东亚一次典型切断低压引起的平流层空气深入侵过程的分析

利用ERA-Interim再分析资料、卫星资料以及轨迹模式,对2010年6月19-23日东亚夏季一次典型切断低压（COL）过程中的动力、热力及化学结构进行了分析,并详细分析了平流层空气深入侵过程和路径.AIRS臭氧资料与臭氧探空资料分析表明,在COL发展成熟阶段,由极区高位势涡度、高臭氧库区脱离出来的空气在COL的中心形成一个局地高位势涡度与高臭氧浓度区域,并在对流层中上部出现臭氧次峰结构.前向轨迹模式模拟结果表明：COL形成前期,高空槽加深,槽后偏北风急流可以引起极区下平流层空气向中纬度对流层中低层侵入,从而使对流层中低层臭氧浓度升高;COL发展成熟阶段,可以引起平流层空气的＂旋转式＂入侵.最后,应用后向轨迹模式对成熟阶段COL内部及周围空气块源地做进一步模拟分析.结果表明：（1）COL中心高浓度臭氧空气块源地有两个,一是中西伯利亚北部上空的副极地涡旋,这部分气块对COL中心的高臭氧浓度起主要作用;二是90°E以西,50°N附近的温带急流轴左侧的气旋式风速切变区.（2）COL周围低臭氧浓度的气块源地也有两个,一是COL底部臭氧浓度相对较低的空气块主要来自急流轴右侧反气旋式风速切变区,以平流运动为主;二是COL前部及后部的空气块主要来自COL南侧低层暖区,以上升运动为主.     

地形重力波举力效应对台风路径偏转的影响

举力效应是指方向性切变气流经过地形激发的重力波能够使平均气流发生水平旋转.本文首先根据日本气象厅台风数据集统计了2006-2015年登陆台湾的台风个例,分析台风路径的偏转情况.然后利用二维傅里叶变换对欧洲中间尺度天气预报中心的再分析数据进行滤波,得到台风的环境大气层结和水平风场.最后根据台风环境风场以及台湾地形计算地形重力波举力,分析举力对台风路径偏转的可能贡献.结果表明,近十年共有20个台风登陆台湾,其中2006-2008年有10个.除去5个路径较为复杂的台风,本文对15个台风的地形重力波举力进行分析,发现有14个台风的路径偏转方向与举力方向一致.对于路径偏转最为明显的6个台风（偏转角度大于30°）,地形重力波举力对台风路径偏转的贡献可达10%,部分解释了台风经过台湾地形时发生的路径偏转.

     

Radiosonde observations of high-latitude planetary waves in the lower atmosphere

The characteristics of high-latitude planetary waves (PWs) in the troposphere and lower stratosphere (TLS) are studied by using the data from radiosonde observations during 1998 to 2006 at three Alaskan stations in USA (Nome, 64.50°N, 165.43°W; McGrath, 62.97°N, 155.62°W; Fairbanks, 64.82°N, 147.87°W). It is found that strong PWs exist in two regions. One is around tropopause, and the other is in the polar night jet (PNJ) in winter. The PW activities are rather intermittent, and their lifetimes are no longe...     

夏季青藏高原地区近地层水汽进入平流层的特征分析

青藏高原为亚洲季风区的典型代表区域,研究其水汽进入平流层的过程和机理对认识全球气候和大气环境变化具有一定的现实意义. 本文基于中尺度气象模式(WRF)的模拟输出结果(2006年8月20日至8月26)驱动拉格朗日大气输送模式FLEXPART,通过追踪并解析气块的三维轨迹以及温度、湿度等相关物理量的相关变化特征,初步分析了夏季青藏高原地区近地层-对流层-平流层的水汽输送特征. 研究结果表明,源于高原地区近地层的水汽在进入平流层的过程中受南亚高压影响下的大尺度环流和中小尺度对流的共同影响.首先,在对流抬升作用下,气块在短时间内(24 h)可抬升到9~12 km的高度,然后在南亚高压闭合环流影响下,相当部分气块在反气旋的东南侧穿越对流层顶进入平流层中,并继续向低纬热带平流层输送,进而参与全球对流层-平流层的水汽循环过程. 在对流抬升高度上气块位置位于高原的西北侧,然而气块拉格朗日温度最小值主要分布于高原南侧,两个位置上气块的平均位温差值可达15~35 K,这种显著的温度差异将导致气块进入平流层时"脱水". 比较而言,夏季青藏高原地区近地层水汽进入平流层的多寡主要和大尺度汽流的垂直输送有关,而深对流的作用相对较弱.     

北半球中高纬度对流层顶转换层中O3/H2O 混合关系的结构形态

利用北半球40°N～50°N纬度带上HALOE实验测量的O₃和H₂O廓线资料,根据示踪成分O₃和H₂O空间分布的化学寿命以及输运特征时间常数等性质,在等熵坐标中构建了对流层顶附近及最低平流层300～390 K等熵面间,O₃/H₂O混合关系的结构形态和季节特征.结果表明: (1) 在对流层顶转换层的320～380 K等熵面间O₃混合比廓线的斜率具有空间转折"突变",而H₂O混合比廓线的斜率则出现空间渐变转折.在对流层顶附近O₃和H₂O的源分别是平流层与对流层,使O₃混合比和H₂O混合比在320～380 K等熵面的两侧显现出截然不同的垂直分布梯度.(2) 在对流层顶附近O₃/H₂O达到最小二乘意义上的最佳拟合时,两者参考关系的对流层支与平流层支呈现出非规则"L"结构形态的季节与季节内变化,其中对流层支的斜率为负,而平流层支的斜率可随季节出现正负变化.同时,由"L"形态的转角处可确定随季节变化的化学对流层顶(chemopause)特征.(3) 由O₃/H₂O混合关系反映出对流层不同区域空气携带的物质成分分别与平流层空气混合而形成混合层,而且可使混合层的混合线不恒定.混合层的表现在2003年、2005年1月和2003年4月的混合程度相当,混合的等熵厚度大约是30 K,即在320～350 K等熵面间.2005年11月的混合高度有所增高,进入平流层的H₂O混合比要比2003年和2005年1月的小,混合的等熵厚度大约为30 K,在330～360 K等熵面间.不同季节混合的等熵厚度变化较小,但高度可随季节而变化.O₃/H₂O混合关系的平流层支随季节的变化很明显,1月最低平流层空气脱水是引起平流层支季节变化的重要原因.     

夏季南亚高压对流层中上层异常暖中心时空分布特征及其激发的大气波动

利用1979年1月至2016年12月ERA-interim月平均再分析资料和CAMP全球月降水资料,分析夏季（6—8月）南亚高压下方500 hPa到100 hPa暖中心的时空分布,从三维结构来揭示夏季南亚高压暖心特征.回归分析进一步探讨青藏高原上空暖中心对全球大气环流产生的可能影响.结果表明：南亚高压在150 hPa达到最强,这一层也是异常冷暖中心分界面,150 hPa以下有一强大异常暖中心,异常暖中心位于300 hPa附近,150 hPa以上为异常冷中心,中心位置位于70 hPa附近.异常暖中心从500 hPa向上逐渐向西向北倾斜,异常暖中心面积200 hPa达最大,150 hPa异常暖中心消失,100 hPa以上转变为异常冷中心.500~200 hPa异常暖中心表现出不断增暖的长期趋势（1979—2016）,100 hPa异常冷中心则表现出不断变冷的长期趋势（1979—2016）.去掉长期趋势的时间序列表现出明显的"准两年振荡"特征,异常暖中心位置在纬向上较稳定,在经向上表现出年际的"东西振荡".300 hPa异常暖中心是整个南亚高压的关键层.300 hPa异常暖中心对全球其他变量场进行回归分析.高度回归场表明,青藏高原上空异常暖中心在北半球中高纬度高度场上激发出3波的行星波,波特征在对流层中上层表现明显,波振幅随高度增高不断加强,在对流层中下层逐渐减弱并消失.纬向风回归场在对流层中上层表现出横跨南北半球的波列,这个波列在200 hPa振幅最大.经向风回归场在北半球中纬度（30°N—60°N）表现出7波型,说明南北能量交换频繁.降水回归场表明,东亚地区长江中下游至日本降水偏少,而其南北两侧降水偏多.     

夏季南亚高压对流层中上层异常暖中心时空分布特征及其激发的大气波动

利用1979年1月至2016年12月ERA-interim月平均再分析资料和CAMP全球月降水资料,分析夏季（6—8月）南亚高压下方500 hPa到100 hPa暖中心的时空分布,从三维结构来揭示夏季南亚高压暖心特征.回归分析进一步探讨青藏高原上空暖中心对全球大气环流产生的可能影响.结果表明：南亚高压在150 hPa达到最强,这一层也是异常冷暖中心分界面,150 hPa以下有一强大异常暖中心,异常暖中心位于300 hPa附近,150 hPa以上为异常冷中心,中心位置位于70 hPa附近.异常暖中心从500 hPa向上逐渐向西向北倾斜,异常暖中心面积200 hPa达最大,150 hPa异常暖中心消失,100 hPa以上转变为异常冷中心.500~200 hPa异常暖中心表现出不断增暖的长期趋势（1979—2016）,100 hPa异常冷中心则表现出不断变冷的长期趋势（1979—2016）.去掉长期趋势的时间序列表现出明显的"准两年振荡"特征,异常暖中心位置在纬向上较稳定,在经向上表现出年际的"东西振荡".300 hPa异常暖中心是整个南亚高压的关键层.300 hPa异常暖中心对全球其他变量场进行回归分析.高度回归场表明,青藏高原上空异常暖中心在北半球中高纬度高度场上激发出3波的行星波,波特征在对流层中上层表现明显,波振幅随高度增高不断加强,在对流层中下层逐渐减弱并消失.纬向风回归场在对流层中上层表现出横跨南北半球的波列,这个波列在200 hPa振幅最大.经向风回归场在北半球中纬度（30°N—60°N）表现出7波型,说明南北能量交换频繁.降水回归场表明,东亚地区长江中下游至日本降水偏少,而其南北两侧降水偏多.     

Importance of orographic gravity waves over the Tibetan Plateau on the spring rainfall in East Asia

The springtime persistent rainfall(SPR) is the major rainy period before the onset of summer monsoon in East Asia,which profoundly affects the regional and even global hydrological cycle. Despite the great importance of the mechanical and thermal effects of the Tibetan Plateau(TP) large-scale orography on the formation of SPR, the impact of small-scale orography over the TP remains poorly understood. Here we show that upward-propagating orographic gravity waves(OGWs), which occur as the subtropi...     

Simulation of the stratospheric gravity waves generated by the Typhoon Matsa in 2005

The generation of stratospheric gravity waves(GWs) due to typhoon is simulated by using a meso-scale model(WRF) with a typhoon case,the Matsa in 2005.An 8-day model run that covers the major stages of the Matsa’s development reproduces the key features of the typhoon.For example,good agreements in the typhoon’s track,the intensity,and the spiral clouds,as well as mean state of stratosphere,are seen between the simulation results and the observation.Simulation results clearly show that with typhoon propagates northwestward,pronounced stratospheric GWs are generated continuously in the vicinity of Matsa.The GWs exhibit the typical curve-like wave fronts away from the Typhoon Matsa,and propagate preferentially in the upstream of the background winds.These characteristics reflect that the stratospheric GWs are closely associated with the typhoon,and thus the GWs are referred to as Tropical Cyclone related Gravity Waves(TC-GWs).The results also show that these waves should have a rather large horizontal scale so that the outmost wave fronts can be seen at the distance of ～1000 km to the typhoon center in the horizontal plane of 20 km.This is consistent with the phenomenon of stratospheric TC-GWs with ～1000 km horizontal scale disclosed by the previous observational analysis results.     

基于WRF模式的青藏高原斜坡和平台加热影响亚洲夏季风的模拟研究

青藏高原大地形的热力强迫作用对亚洲夏季风的形成和发展具有重要的影响.本文利用较高分辨率的WRF区域模式,探讨了高原不同区域（斜坡和平台）的地形加热分别对南亚夏季风和东亚夏季风的影响.结果表明：高原南部喜马拉雅山脉的斜坡地形加热对其周围局地的环流形势和降水影响十分明显,是南亚夏季风北支分量形成和维持的主导因子,也是斜坡上气流爬坡和降水发生的必要条件.斜坡加热对东亚夏季风也有明显的增强作用,它不仅加强了中国东部低空西南季风环流,还会造成北部南下的异常干冷空气的响应.斜坡上的地形加热作用也是对流层高层暖中心位置维持在斜坡上空的一个重要原因.而高原平台加热对季风环流和降水的影响虽然没有喜马拉雅山脉斜坡加热那么显著,但是对南亚夏季风的影响范围更广,对经向哈得来环流影响更明显,能够调控高原以外更远处热带洋面上的西南季风环流.通过比较高原不同区域地形加热条件下的多种季风指数,进一步表明了高原地形加热对南亚和东亚夏季风均有增强作用,但是高原不同区域的地形加热对两类夏季风子系统又会产生不一样的影响.     

The phase velocities of Rayleigh waves and the lateral variation of lithospheric structure in Tibetan Plateau

According to a Sino-U. S. joint project, eleven broadband digital PASSCAL seismometers had been deployed inside the Tibetan Plateau, of which 7 stations were on the profile from Lhasa to Golmud and other 4 stations situated at Maxin, Yushu, Xigatze and Linzhi. Dispersions and phase velocities of the Rayleigh surface waves (10s–120s) were obtained on five paths distributed in the different blocks of Tibetan Plateau. Inversions of the S-wave velocity structures in Songpan-Ganzi block, Qiang-Tang block, Lhasa block and the faulted rift zone were obtained from the dispersion data. The results show that significant lateral variation of the S-wave velocity structures among the different blocks exists. The path from Wenquan to Xigatze (abbreviated as Wndo-Xiga) passes through the rift-zone of Yadong-Anduo. The phase velocities of Rayleigh waves from 10s to 100s on this path are significantly higher than that on other paths. The calculated mean crustal velocity on this path is 3.8 km/s, much greater than that on other paths, where mean crustal velocities of 3.4–3.5 km/s are usually observed. Low velocity zones with different thicknesses and velocities are observed in the middle-lower crust for different paths. Songpan-Ganzi block, located in the northern part of Tibetan Plateau is characterized by a thinner crust of 65 km thick and a prominent low velocity zone in the upper mantle. The low velocity zone with a velocity of 4.2 km/s is located at a depth form 115 km to 175 km. While in other blocks, no low velocity zone in the upper mantle is observed. The value of Sn in Songpan-Ganzi is calculated to be 4.5 km/s, while those in Qiang-Tang and Lhasa blocks are about 4.6 km/s. The Chinese version of this paper appeared in the Chinese edition ofActa Seismologica Sinica,14, Supp., 566–573, 1992.