极区夏季70—100km大气垂直速度扰动功率谱的观测

使用1987年夏季MAC/SINEcampaign期间在挪威北部的Andenes发射的5枚chaff火箭垂直速度数据研究了70—100km高度范围内大气垂直速度扰动垂直波数谱.发现垂直速度垂直波数谱在39×10-4m－1处有1个谱缺口.在大于这个谱缺口的垂直波数范围,垂直速度垂直波数谱与饱和谱模式有好的一致.在小于这个谱缺口的垂直波数范围,垂直速度垂直波数谱有谱斜率－1.87和谱振幅比饱和谱振幅低1个量级,认为在低波数,除重力波外的其它地球物理过程存在于垂直速度扰动中.      

极区中层顶区域重力波谱的季节变化

使用MAP/WINE和MAC/SINE两次试验中测量的25m高分辨率水平速度数据和1km低分辨率温度数据,研究极区中层顶区域重力波谱的季节变化.温度的直接测量使计算的谱振幅和Richardson数更接近真实大气.结果显示,极区中层顶区域水平速度垂直波数谱的斜率和振幅存在相当大的变率,这些大的观测变率用各种饱和模式及普适垂直波数谱不能解释.然而平均垂直波数谱显示了明显的季节变化,在夏季,平均谱具有饱和特性;在冬季,平均谱具有非饱和特性.这意味着饱和过程存在于夏季而不是冬季.因此,夏季比冬季应有更强的湍流.这个结果与湍流季节变化的观测大致一致.从Brunt-Vaisala频率N和水平风切变计算的Richardson数Ri剖面也显示出季节差异,Ri<1/4的动力不稳定区出现在夏季,而Ri>0.4的稳定区出现在冬季.这些不稳定区与夏季谱结合很好,而稳定区则与冬季谱结合很好.     

冬季中层顶区域重力波谱特性

使用DYANA试验期间19枚Chaff火箭在81—105km高度范围测量的高分辨率水平速度数据，研究标量水平速度垂直波数谱在冬季的谱特性．分析结果显示冬季平均垂直波数谱有-3．02的谱斜率，这与各种饱和理论预测的-3谱斜率很一致，提供了饱和重力波谱在冬季的观测证据．与各种饱和理论比较表明，这个冬季谱的谱振幅与线性饱和理论预测的谱振幅完全一致，但是总是小于非线性饱和理论预期的、激光雷达测量的谱振幅．这个冬季谱与最近得到的夏季饱和重力波谱一道，共同表明我们的观测结果支持了线性饱和理论，而不管季节，地理位置和高度范围的不同．由这个冬季谱估计的盛行垂直波长为15km，它比夏季的12．8km盛行垂直波长稍大．     

80-100km高度范围高分辨率大气水平速度扰动谱

使用1989/1990年冬季在DYANA试验中从5枚Chaff火箭测量获得的高分辨率水平速度数据,讨论80-100km高度范围内水平速度垂直波数谱与饱和重力波谱的一致性,并决定特征垂直尺度.      

一个湍流谱的进一步研究

一枚Chaff火箭在87.4km高度测量到高达0.33s-1的风切变剖面,相信这个切变值是中层大气曾经测量到的最大切变值.在这个异常大风切变层内,垂直速度扰动谱在浮力子区,惯性子区,和粘性子区有谱斜率-3.10,-1.65,和-7.11,这个观测与中性密度扰动一致.计算的内尺度和浮力尺度与扰动谱中的崩溃点不一致,这个结果与中性密度扰动不一致.讨论了湍流和重力波之间的关系,结果表明,增强湍流与波场饱和有好的联系.      

基于MST雷达数据的中纬对流层和低平流层大气行星波研究

通过分析中国河北香河站MST (Mesosphere-Stratosphere-Troposphere)雷达 2012-2014年的水平风场数据, 研究了北半球中纬地区对流层和低平流层 (Troposphere and Lower Stratosphere, TLS)区域大气行星波的特性. 谱分 析发现, 在这一区域准16天波和准10天波占据主导地位, 准16天波更为显著. 在 对流层区域, 行星波具有丰富的频谱成分, 活动具有间断性, 持续时间一般不 超过三个月, 并没有明显的季节性变化特征, 其中纬向分量的振幅大于经向分量. 在 平流层区域(高度17km以上), 行星波一般出现在冬季, 并且主要在纬向分量中. 通常平流层区域的振幅要小于对流层区域. 结合MERRA再分析资料分 析了强行星波传播特性, 结果表明: 2014年2-3月纬向分量中的准16天波垂 直向上传播, 垂直波长约为64km, 纬圈波数约为2, 纬向传播方向自西向东, 水平波长约为15324.7km, 对应的相速度为11.1m·s-1 (向东为正); 2014年5月纬向分量中的准10天波在10~18km高度范围内向下传播, 垂直波长约为50km, 纬圈波数约为1, 传播方向自西向东, 水平波长约为 30649.4km, 对应相速为35.5m·s-1.      

中国中部低层大气行星波无线电探空仪的观测研究

通过分析武汉、宜昌和恩施气象局无线电探空仪2001-2003年的观测数据,研究了中国中部地区对流层和低平流层中行星波的特性.通过Lomb-Scargle(L-S)的周期图方法发现了周期为准16天和周期为准10天的谱分量占据着主导地位.观察发现,较大振幅的行星波振荡主要集中在5-15 km之间.准16天行星波沿纬圈向西传播,对应的纬圈波数大约为2,水平波长约为17 324.8 km,传播相速度约为-12.5 m·s-1(东向为正),通过计算准16天行星波在10 km以下相位随高度的改变可以得到其垂直波长大约为25-30 km,而在对波层顶附近其相位几乎没有发生改变,呈现出静态波特性.准10天行星波沿纬圈向东传播,对应的纬圈波数大约为4,水平波长约为8627.3 km,传播相速度约为10.0 m·s-1,垂直波长约为22-40 km.      

中纬度冬季低热层潮汐非线性相互作用的MF雷达观测

采用武汉(30°N,114°E)MF雷达在2001年冬季的风场观测数据研究中纬度低热层大气潮汐之间的二阶非线性相互作用.经向风场的Lomb-Scargle归一化振幅谱表明,周日、半日和8 h潮汐是中纬冬季中层顶区域占优势的大气扰动;此外6 h潮汐也清晰可见.双相干谱分析揭示大多数显著的双相干谱峰代表潮汐谐振分量之间的相位互相关或单个潮汐分量的自相关.对随时间变化的潮汐垂直波长的比较发现,实际观测的8h潮汐垂直波长与假定的由观测的24 h潮汐和12 h潮汐非线性相互作用产生的8 h潮汐的理论垂直波长具有明显的一致性.在94.0～98.0km高度范围,周日、半日和8h潮汐之间不仅存在明显的相位相关和垂直波数相关,且它们的振幅随时间变化也显示出振荡幅值相近、振荡相位同步或反相的相关性,表明它们之间已经发生了二阶非线性相互作用.但是在94.0 km以下,三个潮汐分量之间的各种相关性随高度的下降变得越来越弱,因此潮汐二阶相互作用更可能是一种局地和暂态的现象.      

利用COSMIC数据分析全球对流层顶温度和高度的变化特性

利用COSMIC卫星无线电掩星观测的温度数据分析了全球范围的对流层顶参量的变化特性.COSMIC多颗卫星连续观测的温度数据有很好的全球覆盖和很好的垂直分辨率,是分析全球范围对流层顶变化的重要探测数据.经过数据筛选,得到日平均温度的全年分布数据.采用大气温度递减率判据得到对流层顼温度和对流层顶高度的全球分布和变化.结果表明,全球范国内的对流层顶温度和对流层顶高度分布的基本结果与利用无线电探空资料和欧洲气象局再分析数据得到的结果基本一致;对流层项温度和对流层顶高度呈现明显的季节变化,赤道附近和中纬度地区的对流层顶高度变化与高纬地区的对流层顶高度变化出现反相:对流层顶温度和高度的变化呈现明显的南北半球不对称性.     

82-92km高度范围大气湍流能量耗散率的一个个例研究

使用Chaff和落球火箭测量的垂直速度和温度数据研究湍流结构和它的产生.结果表明湍流存在多层桔构.在强湍流层,动力不稳定,和MST雷达回波功率间有好的相关,认为强湍流层和雷达回波与动力不稳定有关.水平速度垂直波数谱表明,观测谱与他和谱模式有极好的一致,认为强湍流层和雷达回波通过动力不稳定直接与重力波饱和相联系.      

Vertical wavenumber spectra of atmospheric ozone measured from ozonesonde observations

Vertical profiles of ozone have been measured at balloon altitudes. Our purpose is to examine the character of vertical wavenumber spectra of ozone fluctuations, to assess the possible roles of gravity wave field in ozone fluctuations, and to determine dominant vertical wavelengths of ozone spectra. Vertical wavenumber spectra of 12 ozone fluctuations obtained during June–August 2003 are presented. Results indicate that mean spectral slopes in the wavenumber range from 4.69 × 10⁻⁴ to 2.50 × 10⁻³ cyc/m are about −2.91 in the troposphere and −2.87 in the lower stratosphere, which is close to the slope of −3 predicted by current gravity wave saturation models. The consistency of the observed spectral slopes with the value of −3 predicted by current gravity wave saturation models suggests that the observed ozone fluctuations are due primarily to atmospheric gravity waves. At m = 1/(1000 m) the mean spectral amplitude is over 30 times larger in the lower stratosphere than in the troposphere. Mean vertical wavenumber spectra in area-preserving form reveal dominant vertical wavelengths of ∼2.6 km in the troposphere and ∼2.7 km in the lower stratosphere, which is consistent with the values varying between 1.5 and 3.0 km estimated from the velocity field and temperature field at these heights.     

Seasonally steady planetary disturbances in the troposphere and stratosphere as seen in 30 years of NCEP reanalysis data

Zonal velocity and temperature daily global reanalysis data of 30 years are used to search seasonally steady planetary disturbances in the middle troposphere (400 hPa) and middle stratosphere (10 hPa). Significant wavenumber 1, 2 and 3 modes are found. Constant phase lines of zonal velocity 1 modes exhibit significant inclination angles with respect to the meridians. The winter hemisphere generally shows a more significant presence of structures. The Northern Hemisphere (NH) exhibits all over the year a larger amount of structures and more intense amplitudes than the Southern Hemisphere (SH). Middle latitudes exhibit the most significant cases and low latitudes the least significant ones. Longitudinally oriented land–sea transitions at ±$\pm$65° and −35° latitudes appear to play a significant role for the presence of steady planetary modes. The stratosphere exhibits a much simpler picture than the troposphere. Large scale structures with respectively NE–SW (NH) and NW–SE (SH) tilts in the observed temperature and zonal velocity constant phase lines recall the quasi-stationary Rossby wave trains that favor the poleward transport of angular momentum.     

High vertical resolution water vapour profiles in the upper troposphere and lower stratosphere retrieved from MAESTRO solar occultation spectra

An algorithm has been developed that retrieves water vapour profiles in the upper troposphere and lower stratosphere from optical depth spectra obtained by the Measurements of Aerosol Extinction in the Stratosphere and Troposphere Retrieved by Occultation (MAESTRO) instrument onboard the SCISAT satellite as part of the Atmospheric Chemistry Experiment (ACE) mission. The retrieval relies on ro-vibrational absorption of solar radiation by water vapour in the 926–970 nm range. During the iterative inversion process, the optical depth spectra are simulated at the spectral resolution and sampling frequency of MAESTRO using the correlated-k approximation. The Chahine inversion updates the water vapour volume mixing ratio (VMR), adjusting all retrieval layers simultaneously, to match the observed differential optical depth due to absorption by water vapour and ozone at each tangent height. This approach accounts for significant line saturation effects. Profiles are typically obtained from ∼22 km down to the cloud tops or to 5 km, with relative precision as small as 3% in the troposphere. In the lower stratosphere, the precision on water vapour VMR is ∼1.3 μmol/mol in an individual retrieval layer (∼1 km thick). The spectral capability of MAESTRO allows for the clear separation of extinction due to water vapour and aerosol, and for the fitting quality to be quantified and used to determine an altitude-dependent convergence criterion for the retrieval. In the middle troposphere, interhemispheric differences in water vapour VMR are driven by oceanic evaporation whereas in the upper troposphere, deep convection dominates and a strong seasonal cycle is observed at high latitudes.     

中层及低热层大气对局地时变热源的响应

采用二维交替方向隐格式(ADI),数值模拟了中高层大气对一个位于对流层高度范围的局地时变热源的响应．分析了这一过程中大气响应的能量密度,水平波数,垂直波数以及频率．模拟结果表明:响应波动携带能量向上传播,集中在较为狭窄的水平区域,该区域关于源的水平位置对称;相对于动量源驱动,热源的水平尺度对响应的水平波长决定性作用更加明显;对于高频振荡的热源,其响应的频率和源一致;响应的垂直波长(41 km)比源的垂直尺度(6 km)大得多．     

平流层臭氧和辐射场的季节分布特征

利用美国NCAR化学气候耦合模式WACCM3对平流层温度场、风场、臭氧及辐射场进行了模拟.结果表明,在适宜飞艇长期驻留的准零风层高度20～22km(对应大气压强范围为50～30hPa,以下均采用气压值表征对应大气高度),7-8月风速小于5m·s-1的风带可长期稳定在40°N以北.臭氧空间分布显示,在30hPa气压高度处中国地区臭氧浓度出现了带状分布,30hPa高度以下低纬度地区臭氧浓度低于中纬度地区.平流层太阳加热率的时空变化表明,在平流层上层,太阳加热率可达100×10-6K·s-1,而在平流层下层,只有10×10-6K·s-1.6-8月中国区域的太阳加热率大于9月;在100～30hPa高度内,中纬度地区太阳加热率高于低纬度地区,在30hPa高度以上,低纬度地区太阳加热率高于中纬度地区;8-9月30～40hPa高度处,太阳加热率的空间变化较小.在30hPa高度上,太阳加热率在40°N昼夜变化最大;50hPa高度处,太阳加热率的昼夜变化小于30hPa高度处,而且白天太阳加热率出现极大值的纬度明显靠北.平流层低纬度地区的长波加热率小于中纬度地区.青藏高原由于地形特殊,其6-7月的臭氧浓度、太阳加热率和长波加热率均小于同纬度其他地区.