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.      

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。     

2009年冬季平流层爆发性增温期间行星波活动特征

利用2008年12月至2009年4月的MERRA再分析数据资料,对2009年1月下旬北半球高纬平流层发生的强增温事件以及与之相关的行星波活动进行了研究.谱分析发现,SSW发生前后极区平流层内准16天行星波活动显著.利用二维谐波拟合法分别拟合温度场准16天波4个波模（W1,W2,E1,E2）的振幅和相位,结果表明:背景西风减弱时四个波模的振幅均有不同程度的增大,且都在50°-80°N范围内的平流层中上层达到最大值;准16天W2波的增幅最大且辐合最强烈,其引起的背景流最大西风减速超过4m·-1·d-1,说明准16天W2波在该次增温事件中占主导地位;行星波传播与零风线移动关系密切,准16天W2波在中高纬地区垂直向上传播并近似呈现经向驻波结构,然后分别向极点和赤道两个方向传播,这表明中高纬地区可能是行星波的一个源区.      

平流层爆发性增温事件中大气准16日行星波

2014年1月上中旬高纬平流层发生弱增温事件,增温幅度约25K,纬向西风减弱并于2月初转向.行星波在平流层爆发性增温（SSW）事件产生中具有重要作用.利用北半球近东经120°链上中低纬5个流星雷达探测的风场数据,研究了此SSW事件发生前和发生期间中间层和低热层区（MLT）大气风场的行星波状况.结果显示,极区平流层增温前MLT区大气呈现出明显增强的准16日波动,增温达到最大时,16日波也最强,表明中低纬MLT区的行星波变化与SSW事件存在耦合关系.进一步利用欧洲中心平流层再分析资料数据,分析SSW期间北半球平流层的波动和零风线状况,发现平流层准16日波和零风线随时间由低纬向高纬移动,反映出16日波与SSW之间存在某种动力学联系.      

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。      

子午工程首次火箭探空数据准单色惯性重力波特性分析

利用2010年6月3日子午工程首次气象火箭探测的温度和风场数据,采用矢端曲线法分别从平流层（20~50km）和对流层（0~15km）廓线提取了海南火箭发射场上空准单色惯性重力波参数.火箭探测的平流层和对流层两个准单色惯性重力波分别向上和向下逆风传播,固有周期为20.1h和22.4h,垂直波长为9.5km和4.0km,水平波长为2900km和753km,垂直群速度c_gz为0.0887m·-1和0.0298m·-1,水平群速度c_gh为12.7m·-1和3.65m·-1,λ_h/λ_z为305:1和188:1,c_gh/c_gz为143:1和122:1.      

基于中国岢岚地区法布里-珀罗干涉仪的风场及行星波观测特征

利用中国岢岚站（38.7°N,111.6°W）法布里-珀罗干涉仪2013年7月至2014年11月的水平风场数据,对87,97,250km风场长期变化和行星波特征进行了研究.通过分析年振荡（AO）和半年振荡（SAO）振幅相位,将午夜风场与HWM07数据对比发现:87km和97km处FPI纬向风变化趋势与HWM07相近,而经向风相位落后于HWM07,从振幅上看,HWM07振幅偏大;250km处风场月变化大,FPI与HWM07差异大,HWM07模式的准确性需进一步考虑太阳活动和行星际磁场的影响.利用Lomb-Scargle功率谱以及最小二乘谐波拟合提取了三个高度的行星波振幅,其特征表明87km和97km处纬向风16日波秋季及冬春季活动强,而6.5日波最强振幅出现在春季和秋季,在中间层顶附近两种行星波活动均较弱;250km处经向行星波活动略强于纬向,经向风不同周期带的行星波最强振幅主要出现在5-9月,与电离层f₀F₂振荡特性的研究结果一致.      

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.      

武汉上空MLT中准16日波的流星雷达观测

利用武汉流星雷达2002年2月20日至2003年11月10日的观测数据,研究了武汉上空中间层-低热层(MLT)中的准16日波,即周期范围在12—20天的行星波。分析结果表明,16日波的纬向成分通常比经向成分要强．(1)在2002年和2003年,波振幅最强都出现在当年的秋季(约9月10日—10月10日)．Lomb-Scargle(L-S)谱分析得到振幅最大值约为16m／s．2002年夏季出现了同年次最强的波动,但2003年没有发现这一现象．两年的冬季都没有出现强的16日波．(2)2002年,在86—98km处波动较强,最大振幅(约16m／s)出现在90km、94km处,而2003年低高度的波动要比较高高度的波动强．武汉上空MLT中,秋季的16日波是能量上传的波动,即它的源在较低的大气层．2002年夏季的波动的能量是下行的,波源可能在南半球．     

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.      

The 16-day waves in the mesosphere and lower thermosphere over Wuhan (30.6°N, 114.5°E) and Adelaide (35°S, 138°E)

Winds from a meteor radar at Wuhan (30.6°N, 114.5°E) and a MF radar at Adelaide (35°S, 138°E) are used to study the 16-day waves in the mesosphere and lower thermosphere (MLT). The height range is 78–98 km at Wuhan and 70–98 km at Adelaide. By comparison, it is found that the zonal components at both sites are generally larger than the meridional ones, and eastward motion of the zonal background winds is favorable for the 16-day waves penetration to the MLT region. The zonal maximum amplitude appears in the autumn (September–October) around 86–98 km at Wuhan and in the winter months and early spring (July–October) around 72–82 km at Adelaide. Differences are found in wave amplitudes and time of appearance between the two years of 2002 and 2003. In 2003, the intensity of the wave amplitudes is relatively smaller than that for 2002 at both sites. The summer 16-day waves are comparatively weaker at Adelaide in both years, but stronger in 2002 at Wuhan near the mesopause and the lower thermosphere (86–98 km). The strong summer waves at Wuhan may come from the winter southern hemisphere.     

Gravity wave propagation studies using the Indian MST radar observations

The Indian MST radar facility at Gadanki (13.5°N, 79.2°E) has been utilised to study the propagation of gravity waves from the troposphere/lower stratosphere to the mesosphere and their interaction with the radar backscattered signal variations. The main objective is to correlate vertically propagating gravity waves derived from the tropospheric velocity fields with the dynamics of mesospheric scattering centres. The tropospheric wind velocities and signal strengths over the entire height range have been subjected to power spectral and wavelet analysis to determine the predominant wave periods/amplitudes and the coupling between the lower atmosphere and mesosphere. Results show that (a) the gravity waves are clearly detectable near tropopause heights, (b) while relatively higher period gravity waves (20–50 min) interact with mesospheric scattering centres, the lower period waves (<20 min) are absorbed in the troposphere itself, (c) the mesospheric scattering layers are affected by gravity waves of complementary periods.     

北京上空高分辨率气球探空观测的温度垂直波数谱

使用分辨率为10 m的温度剖面检查2.90～8.01 km和14.65～19.76 km高度范围内归一化温度扰动谱的谱特性,并且将它们与模式谱比较.结果表明,在波数9.8×10-4～2.5×10-2m-1范围内,对流层的垂直波数谱有约-1.9的平均谱斜率;低平流层的垂直波数谱有约-2.2的平均谱斜率.这两个平均谱斜率大大偏离了目前饱和谱模式和普适大气谱模式表示的-3.0和-2.4谱斜率,并且认为是目前气球测量中曾经观测到的最平谱斜率.在波数9.8×10-4～2.5×10-2m-1范围内,对流层和低平流层的平均谱振幅比饱和谱模式的谱振幅分别大24倍和5倍,这也与饱和谱模式以及目前文献中的观测结果有很大不同.这些较大平均谱振幅与最平的平均谱斜率一道共同表明,观测的温度谱并不遵循目前的饱和谱模式和普适大气谱模式.      

武汉上空中层顶区域潮汐的MF雷达观测

利用武汉中频雷达观测数据进行分析,研究2至3月份武汉上空中层顶潮汐结构及其随高度和时间变化的特性.用Lomb-Scargle周期图方法计算的水平风场动态功率谱表明,武汉上空存在持续的周日潮汐,是中层顶区域风场结构的主要成分.周日潮的平均振幅随高度的增加呈先增后减的趋势.大多数情况下,潮汐谱峰对应的频率与定义值有一定的偏移.周日潮水平扰动速度矢量随时问和高度变化的轨迹表明,经向分量的相位比纬向分量的相位超前,潮汐能量向上传播,对应于向下的相位传播速度.计算得出的经向分量和纬向分量的垂直相速度分别为1.10和1.15 km/h.      

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.