卫星观测台风重力波数值模拟与直接对比验证

以ECMWF的T799资料作为WRF-ARW（V3.5）初始场,对卫星高光谱红外大气垂直探测器AIRS观测的2013年超强台风苏力激发平流层重力波过程进行数值模拟,并利用卫星观测对数值模拟结果进行了直接对比验证.数值模拟表明,该台风诱发的重力波在20~40km高度逆着东风背景流向东向上传播,在水平方向呈半圆弧状;大气的垂直扰动随着高度的增加而增强,在40km高度上达到0.5m·s-1.基于三维傅里叶变换的波谱分析表明,平流层重力波水平波长中心值在500km附近,周期为3~5h,垂直波长主要为10~26km.分析表明,在18~40km高度的净纬向动量通量为6.7×10-4~1.89×10-3Pa,背景流强迫计算值为-0.23~1.21m·s-1·d-1,且在18km和40km高度的数值较大.最后,基于辐射传输模式计算的直接对比表明,卫星观测与数值模拟同时揭示了激发的平流层波动可传至40km以上高度及距台风中心2000km以外的区域,且不同资料得到的波动形态、方位以及水平尺度具有较好的一致性.      

对流层雷暴源所产生的柱形重力波

已有充分的证据表明, 大气对流层的雷暴迹象是大气中间层重力波活动的显著代表源.在雷暴迹象的上方, 通过火箭已观测到大气中间层出现的热效应, 也已通过雷 达探测到大气平流层出现的上行重力波, 从地面和卫星平台上观察到夜间气辉有序而 成环状的重力波波形. 所有这些实验结果都与位于观测点下方的雷暴活动有紧密联系. 此类雷暴通常主要集中在中国东部沿海以及地球其他沿海海湾地域. 关于此类雷暴对大 气中间层的影响尚未被充分研究和了解. 为能有效地探究其成因, 利用所开发的一个二维计算机数值模型模拟和研究大气对流层的雷暴源所引发的上行重力波, 进而揭示 此类重力波产生的基本物理机理, 及其在大气中间层的能量耗散. 通过模拟研究发现, 雷暴源可以大面积高强度地聚集和释放积雨云的能量, 当这种周期性的对流变化引发大气对流层的不稳定性后, 就会有圆柱体重力波的产生和传播.      

一次暴雨激发平流层重力波的卫星观测与数值模拟

针对卫星Aqua/AIRS观测到的与2011年7月25日山东省乳山市特大暴雨相伴的一次平流层重力波过程,利用中尺度数值模式WRF进行暴雨诱发平流层重力波的数值模拟.对模式输出的垂直速度场和温度扰动场的分析表明,暴雨在平流层内的弧状波结构主要集中在降水云系东侧,水平影响范围大于1000km,且随着高度的增加,圆弧状结构趋于闭合,波动能量显著增强.此外,对垂直速度剖面结构分析表明,受高空东风和风切变的影响,重力波在上传过程中逆着背景风场向东传输,不同高度波动形态各异.基于快速傅里叶变换（FFT）的功率谱分析结果表明,此次暴雨激发的平流层重力波在35km高度的周期为7~20h,水平波长约为1000km,垂直波长为5~10km.通过分析动量通量的垂直输送,定量反映出重力波上传过程中的动力学变化特征.      

A simple model for the interhemispheric coupling of the middle atmosphere circulation

The interhemispheric coupling of the middle atmosphere general circulation is characterized by a global anomaly pattern of the zonal-mean temperature. This pattern reflects an anomalous stratospheric and mesospheric residual circulation, in which a weaker (stronger) stratospheric winter circulation is linked to an upward (downward) shift of its upper mesospheric branch reaching from the summer to the winter pole. This phenomenon is robust in observational data and several middle atmosphere general circulation models. In the present study, the recently proposed mechanism of the interhemispheric coupling is unequivocally proven within the framework of a zonally symmetric model that excludes any additional effects due to resolved waves and non-zonally propagating gravity waves. Two simulations are conducted that differ in the strength of the polar vortex. A weaker polar vortex results in a downward shift of the winter mesospheric gravity wave drag. This leads to changes also in the summer upper mesosphere via a feedback solely between gravity wave breaking and the zonal-mean state. The accompanying temperature anomaly reproduces the pattern of the interhemispheric coupling.     

AIRS观测资料研究全球平流层重力波特性

利用2012—2014年1月和7月AIRS（Atmospheric Infrared Sounder）第79通道的观测数据,分析了平流层重力波活动强弱的全球分布以及重力波发生频率的全球分布;分析了重力波活动随纬度和经度的变化特征,给出了重力波活动在全球范围内的热点区域及其活动强度;对比了白天与夜间的重力波活动强度及发生频率.研究表明重力波活动强度呈现出随纬度变化的特征,在低纬度地区（0°—30°）,冬季半球重力波活动强度低,夏季半球重力波活动高;在中高纬度地区,冬季半球重力波活动强度高而夏季半球重力波活动强度低.在1月,全球重力波活动有4个突出的热点区域,分别为50°N附近欧洲大陆与大西洋交接地带、北美洲与大西洋交接地,20°S附近南美洲与大西洋交接地区、非洲与印度洋交接地区.在7月,重力波活动突出的地方为巴塔哥尼亚至南极半岛地区,以及50°S和75°E附近的印度洋区域.重力波活动强度在夜间大于白天,但是夜间的强重力波活动区域小于白天.      

Dissipation of temperature perturbations in the middle atmosphere

It is often observed that the stratospheric and mesospheric temperature structure undergoes transient disturbances from its averaged steady-state behavior. The causes may be traceable to gravity waves, planetary waves, solar proton and relativistic electron precipitation, etc. We examine the theoretical time behavior of the atmospheric temperature following the cessation of such heating phenomena as it relaxes toward its quiescent steady-state value. We also study the time-dependent response during a model stratospheric-warming/mesospheric-cooling event. In particular, we investigate the roles of eddy heat conduction, non-LTE cooling in the 15μm CO₂ band, and an ambient vertical wind, and their relative importance as they depend upon altitude and time, in modifying temperature changes in this region.     

用全球原始方程半谱模式研究QBO对行星波传播的影响

本文建立了一个全球原始方程半谱模式,模拟了赤道上空风场准两年振荡(QBO)及其相应的副热带急流大小对冬季半球行星波向上传播及平流层突然增温的影响。结果表明,波数1的行星波在QBO东风相比西风相更易向上传播,平流层增温更快更强。波数2则相反。QBO对低纬对流层里的行星波上传的影响限制在低纬低平流层,对中高纬影响不大。     

基于激光雷达夜间观测提取重力波方法的定量比较

以激光雷达夜间观测的温度数据的时空范围和时空分辨率作为参考,构造具有已知背景温度（由稳态背景、行星波和潮汐波组成）和重力波频谱分布的合成温度数据,针对合成温度数据,分别采用已有的夜间平均方法和时间滑动平均方法提取重力波.在此基础上,提出了用谐波函数近似表示背景大气变化的谐波拟合方法提取重力波.通过比较提取出的重力波与事先给定的重力波得到谱响应,利用谱响应定量分析各方法能够有效提取重力波的周期范围.研究结果表明:对背景温度成分敏感的夜间平均方法提取的重力波振幅易被严重高估;对半日潮汐比较敏感的时间滑动平均方法通常可以提取周期小于1.15倍窗口宽度的重力波;对背景温度成分不敏感的谐波拟合方法可用来提取周期小于0.4倍夜间时间长度的重力波.将各方法应用于Na激光雷达夜间观测的温度数据,从中提取重力波,结果表明时间滑动平均方法和谐波拟合方法可以得到较好的结果.      

Stratosphere-mesosphere coupling during stratospheric sudden warming events

In this review article we summarize recent results in the coupling of the stratosphere–mesosphere during stratospheric sudden warming (SSW) events. We focus on the role of planetary and gravity waves in driving the middle atmosphere circulation and illustrate the stratosphere–mesosphere coupling during undisturbed wintertime circulation, during an SSW event, and after an SSW event during the formation of an elevated stratopause using simulations of past Arctic and Antarctic winters from the Specified Dynamics version of the Whole Atmosphere Community Climate Model (SD-WACCM). We illustrate the transition of the polar stratopause from being a gravity wave driven phenomena to a planetary wave driven phenomena during SSW events and its subsequent reestablishment and control by gravity waves. We also examine the synoptic structure of the stratosphere, mesosphere, and lower thermosphere using SD-WACCM data fields that show the structure of the vortex during specific dynamical events in both hemispheres. We illustrate the longitudinal asymmetry in the thermal structure in the stratosphere and mesosphere driven by differences in circulation over the polar cap regions during an SSW event. We complement this analysis of the middle atmosphere circulation with a classification of both the Arctic and Antarctic winters since 1979 into major, minor, elevated stratopause or quiet winters based on the level of disturbance using the Modern Era-Retrospective Analysis for Research and Applications (MERRA) reanalysis data. From the MERRA data we find that the combined occurrences of both major and minor warmings in the Arctic have remained constant over the past three decades while we find a minor increase in their occurrences in the Antarctic.     

我国中低纬地区上空低电离层中的行星波

本文通过5年的电离层吸收观测资料与平流层增温事件对比及吸收资料的谱分析,得出以下几点初步结论:1)极区平流层增温事件的影响可能通过子午环流和行星波传播,经过5—9天后到达中低纬地区,从而引起那里的电离层吸收变化;2)冬季行星波沿子午方向的平均速度大约在10m/s到15m/s之间变化;3)全年均有周期为32天、18天、10天、8天和2天的行星波出现,它对大气湍流系数有明显影响。计算得出行星波扰动引起中层的NO浓度偏离未扰值可高达40%。      

Adelaide地区大气重力波的气辉观测

利用澳大利亚Adelaide(34.5°S,138.5°E)地区7年(1995-2001年)的OH和OI气辉观测数据,以及同地区中频雷达所测背景风场数据,通过最大熵谱分析方法,统计分析了该地区大尺度重力波的传播特性.结果表明,(1)在中层顶气辉观测区,利用OH气辉探测到48个重力波事件,利用OI气辉探测到29个重力波事件,这些重力波的周期和水平相速度分别集中在68 min和36 m/s左右,具有东南向的优势传播方向,平均仰角为8°～10°,接近水平方向传播;(2)通过OH气辉和OI气辉观测到了同一个重力波事件,并根据两个高度上观测到的扰动相位差判断该重力波为上行波.      

双变量波状扰动激发重力波波包的数值研究

采用谱配置方法对双变量波状扰动激发重力波的过程及其能量传播和转换特性进行数值研究．模拟结果表明，当初始给定的两个变量的波状扰动的相对振幅和相位严格满足重力波的偏振关系时，只有水平风场扰动(u′)与温度扰动(7′)的共同作用才能抑制能量向下传输．通常情况下，两个变量的波状扰动都会激发出两文传播方向相反的重力波波包，这两支波包的相对能量明显取决于两个波状扰动之间的相对振幅关系．当两个扰动之间的相对振幅满足特定条件时，向下传播的能量几乎为零，只会有一支向上传播的重力波波包被激发．进一步的数值分析则表明，各种情况下两个变量的波状扰动所激发的重力波波包的能量传播路径和速度基本相同；与单变量波状扰动激发重力波波包的过程相比，能量传播路径几乎完全一致，扰动转化为波动的特征时间也基本相同，但能量转换效率更高．     

耗散大气中风场对内重力波传播的影响

使用考虑大气耗散的射线跟踪算法,计算了风场作用下重力波的传播情况.结果表明,风场对快速重力波分量影响较小,但对反射和传播区域的慢速波的影响较大,表现在顺风时使反射区范围缩小,逆风时使反射区范围扩大.在传播区,顺风场使慢速波分量的传播距离变小,传播高度降低,而逆风则使慢速重力波分量的传播距离明显增大,传播高度上升.分析表明,重力波传播的丰富多样性是由风场对波的衰减和反射等滤波作用引起的.      

平流层冬季增温及大气中的行星波

本文利用NIMBUS-7SAMS资料分析了东经100度子午线上的两个站点(67.5°N和42.5°N)在10mb和0.0827mb高度上从1978年底至1982年间的大气温度,获得几年的平流层冬季增温结果.在1978/1979年和1981年初的冬季,高纬站点几天内出现的平流层增温最大幅度可达65K.对平流层增温的谱分析结果指出,在高纬冬季平流层有很强的16天、32夭、21天周期的行星波。中纬冬季平流层增温幅度较小,约为20K.中纬的中间层高度上整年存在有5天、8天和16天的行星波。分析研究、南、北半球不同纬度的温度随经度的分布,得出高纬冬季平流层、中间层大气温度随经度有明显的变化。波数1和波数2的波有大的幅度(主要是波数1),从高纬到低纬,波幅逐渐减小在冬季的平流层和中间层大气中,波数1和波数2的行星波在短期内可强烈增强,引起平流层冬季增温。      

A survey over the PMP-1 winters 1978/79–1981/82 in comparison with earlier winters

The main features of the “PMP-1 Winters” are summarized and compared with information available on earlier winters, dating back partly till the winter 1951/52. The emphasis is put on a comparison of the stratospheric temperatures over the polar region and of the development of the planetary-scale waves 1 and 2. A possible modulation of these waves by the QBO (Quasi-Biennial Oscillation) and by the sunspot cycle is discussed briefly.     

Temperature variability in the tropical mesosphere during the northern hemisphere winter

Temperature observations at 20–90 km height and 5°N–15°N during the period of December 1992–March 1993 from the WINDII and MLS experiments on the UARS satellite are analysed together with MF radar winds and UKMO assimilated fields of temperature and zonal and meridional winds. The correlation between the different datasets at the tropics and zonal mean wind data at mid latitudes is examined for period February–March 1993, when series of stratospheric warming events were observed at middle and high latitudes. Wavelet analysis is applied to investigate coupling between stationary and travelling planetary waves in the stratosphere and the upper mesosphere. Planetary waves m = 1 with periods of 4–7 days, 8–12 days and 13–18 days are found to dominate the period. Westward 7- and 16–18 day waves at the tropics appear enhanced by stationary planetary waves during sudden stratospheric warming events.     

北京地区大气温度及重力波活动的季节变化

利用瑞利激光雷达观测数据,分析了北京地区35~70km高度范围内大气温度和重力波活动的季节变化.发现北京地区30~70km高度范围内的大气温度有明显的年周期变化:平流层顶最高温度出现在6,7月份,大约为270K;中间层70km高度最低温度也出现在6,7月份,大约为200K.以2014年10月14日晚数据为例,分析重力波势能密度,发现50km以下重力波势能存在耗散,而在50km以上重力波近乎无耗散地向上传播.通过对比35~50km高度范围内的平均势能密度,对北京地区重力波活动强弱的季节变化进行了研究.研究结果表明,北京上空重力波活动强度具有明显的年周期变化,冬季平均势能密度为18J·kg-1,夏季为8J·kg-1,且冬季重力波活动强度约为夏季的两倍.此外,还分析了春夏秋冬四个季节重力波势能密度随高度的变化.结果表明,不同季节和不同高度的重力波势能密度不同.      

重力波对中层顶区光化加热的影响

计算了重力波过程对光化加热的影响,并研究了不同温度背景及不同氧原子的背景分析对该过程的影响,计算表明重力波可以造成中层顶光反应加热的损失。     

地形对低平流层突然增温的可能影响

本文用Nimbus7 SAM卫星观测的温度资料,分析了突然增温事例中地面地形不同的四个子午圈剖面内的温度分布及变化过程。结果表明,高山地区、平原和海面上空的行星波加热和低平流层突然增温有很大的差别。地形的影响是明显的。      

重力波波包在可压大气中的非线性传播

本文采用二维全隐欧拉(FICE)格式对具有高斯分布的重力波波包在等温、可压大气中的非线性传播过程进行数值模拟和分析.数值分析结果表明:尽管存在非线性效应,在整个传播过程中,波动的等相面向下运动,波包和波相关能量向上传输.波相关扰动速度随高度增加指数增长,并且波与平流会发生非线性相互作用,最后导致平均流场增强.这与线性重力波理论完全一致.重力波波包的传播路径与重力波线性射线理论预言非常接近,但平均水平群速度和平均垂直群速度均明显小于线性射线理论给出的结果,可见波动的非线性过程会改变波相关能量的传输速度.模拟结果首次定量地展示出非线性效应对重力波波包传播的影响,表明建立在线性理论框架中的重力波运动学定义的合理性.