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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

东北冷涡引起的对流输送过程个例分析和数值模拟

平流层-对流层物质交换是影响全球大气成分收支的重要过程.过去的研究认为大尺度的交换过程在平流层-对流层物质交换中最为重要,但是近些年的研究表明,中小尺度过程对平流层-对流层物质交换也有重要贡献.本文利用OMI和MLS数据、ERA-Interim再分析资料,结合中尺度WRF模式综合分析了东北地区发生在冷涡前部和冷涡后部的两次强对流天气过程.结果表明：发生在冷涡前部暖锋云系中的强对流持续时间长,对流垂直尺度小,下平流层静力稳定度高;发生在冷涡后部的孤立强对流持续时间短,水平尺度较小,且在对流层顶附近,静力稳定度小,对流可穿出热力学对流层顶.从示踪物分布情况来看,两次强对流都可将示踪物输送到对流层顶附近,但是冷涡前部对流可将示踪物从边界层输送到整个对流层,而孤立对流是把示踪物输送到对流层顶,而不与自由对流层空气发生混合.

     

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.     

热源激发重力波特征以及波流作用的数值模拟研究

本文在二维等温可压大气中引入了一个随时间和空间变化的热源扰动,分别以静止风和中纬1月份月平均向东的纬向风急流为背景,对不同背景下热源激发的重力波的传播详细过程及其特性进行了数值模拟研究.热源激发出来的重力波在初始阶段有很宽的频谱范围,随后由于重力波的传播效应,水平波长和垂直波长分布范围随时间都有所减小.顺风传播的重力波的小尺度和低频部分会容易被急流吸收,从而加强了对流层急流,而逆风传播的重力波更容易上传,会导致中间层区域向西的背景风增强.这体现了低层大气急流对中间层大气风场结构的影响.热源的尺度直接决定激发波的尺度;激发波的垂直尺度和时间尺度对热源的变化比其水平尺度更敏感.     

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.     

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.

     

基于Cloudsat探测的一次非典型东北冷涡结构及其降水

采用ERA-Interim气象分析资料、云顶亮温TBB资料、Cloudsat云雷达资料、降雨量资料等,对2009年6月10日至12日我国东北地区的一次冷涡天气过程进行研究,重现了该冷涡的精细三维结构和演变过程.分析表明冷涡发生前,东北亚地区处于南北双槽结构之间,随后北槽向赤道发展切断后形成东北冷涡.南槽背景的冷涡热力结构特殊,强冷空气集中在涡内西北象限,暖湿空气在东北象限,南部为相对中性空气,该配置导致北部暖锋强盛,西部冷锋仅在发展初期较强,冷涡过程没有经典挪威学派的气旋锢囚锋出现.冷涡发展初期,狭长冷舌快速入侵南下,冷舌前冷锋对流降水较强,冷舌后部左侧还有暖锋降水;冷涡发展后期,冷锋减弱,冷锋上的高层云停止降水,系统内主要为冷涡北部的暖锋雨层云降水;冷涡成熟后,中心辐合加强,有较强的对流性降水.     

Simulation of the stratosphere-troposphere exchange process in a typical cold vortex over Northeast China

A mesoscale weather research and forecasting(WRF)model was used to simulate a cold vortex that developed over Northeast China during June 19–23,2010.The simulation used high vertical resolution to reproduce the key features of the cold vortex development.Characteristics of the associated stratosphere-troposphere exchange(STE),specifically the spatiotemporal distribution of the cross-tropopause mass flux(CTF),were investigated using the Wei formula.The simulation results showed that the net mass exchange induced by the cold vortex was controlled by stratosphere-to-troposphere transport(STT)processes.In the pre-formation stage of the cold vortex(i.e.,the development of the trough and ridge),active exchange was evident.Over the lifecycle of the cold vortex,STT processes prevailed at the rear of the trough and moving vortex,whereas troposphere-to-stratosphere transport(TST)processes prevailed at the front end.This spatial pattern was caused by temporal fluctuations of the tropopause.However,because of the cancellation of the upward flux by the downward flux,the contribution of the tropopause fluctuation term to the net mass exchange was only minor.In this case,horizontal motion dominated the net mass exchange.The time evolution of the CTF exhibited three characteristics:(1)the predominance of the STT during the pre-formation stage;(2)the formation and development of the cold vortex,in which the CTF varied in a fluctuating pattern from TST to STT to TST;and(3)the prevalence of the STT during the decay stage.     

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.     

中国东北地区剩余重磁异常特征与地质构造及成矿带的关系

在分析中国大陆宏观格架、全国布格重力异常和东北地区1:50万剩余重、磁力异常的基础上,结合东北地质及构造演化史,分析了东北剩余重磁异常特征,并探讨了剩余重磁异常特征与地质构造的关系.总结了与成矿有关的剩余重磁场特征,说明了剩余重磁异常可在刻画地质构造、断裂分布、地层分布及成矿带方面提供重要的参考信息.     

东亚副热带高空急流区中尺度扰动分布特征及可能机理

东亚副热带高空急流强度变化和天气气候密切相关,本文利用WRF模式输出的高时空分辨率模拟资料研究了东亚副热带高空急流区的中尺度扰动特征,并结合动力学理论,揭示了急流区中尺度扰动产生的可能机制.研究表明,急流轴南侧更容易出现水平尺度为几十公里的高频扰动,这些扰动的时空分布具有波动特征.对高空急流区中出现中尺度扰动区域的拉格朗日Rossby数、Richardson数以及绝对涡度的计算发现,高空急流轴南侧中尺度扰动出现的物理机制与非地转平衡流的不稳定发展有关,并且高空急流强度的大尺度整体变化与急流区中尺度扰动变化的累积效应有关.因此,开展高空急流强度变化规律研究不能忽视其内部中尺度动力过程的作用.     

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.     

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…     

A numerical experiment on the general circulation of the middle atmosphere with a three-dimensional model explicitly representing internal gravity waves and their breaking

The general circulation of the middle atmosphere is simulated by means of a three-dimensional primitive equation model which covers from the south pole to the north pole but is limited to a ten-degree sector in the latitudinal direction; cyclic conditions are imposed at the east—west lateral boundaries. The model is capable of explicitly representing internal gravity waves of zonal wavelength greater than a few hundred kilometers with the use of a one-degree mesh, but planetary-scale waves were excluded. No parameterization is employed for subgrid-scale eddy viscosity (or diffusivity).With the assumption of a simple external-heating function corresponding to solstice conditions, a time integration was performed for about thirty days from the motionless state. During the whole period, random forcings were imposed on each grid of the lowest level in order to generate small-scale upwardly propagating internal gravity waves.The experiment has shown that small-scale waves were indeed excited, propagated upward, broke up near the mesopause, and greatly changed the thermally induced zonal mean motion and temperature fields in the upper mesosphere and lower thermosphere. As a result, important features of the general circulation at those levels, such as reversals of the zonal motion and the latitudinal gradient of zonal mean temperature were reproduced.