热带下平流层重力波的季节和年际变化特征.pdf
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[,Q+*3<+等 根 %$& 据 J+FZ4<%7&的 观 点! 首 先 提 出了利用高分辨率探空资料估计惯性重力波活动的
研究方案0该方案可以利用那些积累下来的长期探 空资料!为 下 平 流 层+对 流 层 重 力 波 气 候 特 征 的 研 究提供了 一 个 有 效 的 途 径0 因 此! 近 $! 年 来 这 种 方案已 经 被 许 多 研 究 人 员 采 用0 例 如!\--46 等%#& 利用 \3;Q<+-,+的#(个 站 点 的 探 空 资 料 中 的 温 度 参 量研究了重力波能量随季节和纬度的 变 化09,6/46Q 等 利 %8& 用 探 空 资 料 中 的 温 度 和 风 参 量 研 究 分 析 了
"! 分 析 方 法
"0!! 资 料 处 理 在本研 究 工 作 中! 参 照 \--46 等%#&的 建 议! 并
考虑到对流层顶高度和探测高度!在热带地区选取 #()$’?* 高度 范 围 作 为 下 平 流 层 范 围! 在 此 高 度 范围内!H<36Q&9+,;+-+ 频 率 / 几 乎 不 随 高 度 变 化 "图#$! 为!0!$7)!0!$";T#0 对 于 该 高 度 范 围 内 的 探空资料!首先剔除了那些无效数据过多的廓线和 不合理 的 廓 线 "如 垂 直 切 变 量 过 大 $0 为 了 计 算 方 便!将那些有 效 的 廓 线 在 垂 直 方 向 进 行 等 间 隔 插 值0本文中利用三次样条方法将温度和水平风速插 值到垂直间隔为’!* 的标准高度上!然后使用二次 多项式拟合建 立 背 景 廓 线 "如 图 $$! 并 得 到 相 对 于 这个背景廓线的扰动廓线#温度扰动量 D;’ 水平风 速扰动量>;和+;0温度扰动量除以 背景平均温度得
! 第 !" 卷 ! 第 !# 期 !#$$" 年 !# 月
#’(’
>;和+;!在下平 流 层!可 假 设 这 些 扰 动 都 是 由 重 力 波 引 起 的!很 多 研 究 表 明 下 平 流 层 主 要 是 垂 直 波 长 较短’周期较长的惯性重力波!
直接计算 得 到 的! 公 式 中 的 上 划 线 表 示 #()$’?* 高度内的 平 均0"#$式 中 动 能 的 计 算 没 有 考 虑 垂 直 方向风扰动量的贡献0
重力波的垂直波长可以由归一化温度扰动的垂
直波数功率谱估计 得 到 _ %#%&!对D!;进 行 谱 分 析 得 到 归
一化温度扰动 的 垂 直 波 数 功 率 谱!通 过 此 垂 直 波 数
谱估 计 出 重 力 波 的 主 要 垂 直 波 数!然 后 由 $Q ’ $"+%!就 可 以 得 到 垂 直 波 长$Q !
!$!!%&!7&!$ 收 稿 !$!!%&!8&$A 收 修 改 稿 ! " 国家自然科学基金重点项目"批准号#8!777!78$和中国科学院方向性项目"[UPW7&J_&$#"$共同支持 !"" 通讯作者!)&*+,-#@0/146!*+,-0,+K0Ʋ 卷 ! 第 !# 期 !#$$" 年 !# 月
出季节变化 外! 还 有 显 著 的 与 VH> 周 期 一 致 的 年 际 变 化 特 征0 在 此 分 析 工 作 基 础 上!\-4.+654< 等 通 %#$& 过数值模拟研究!提出了这 样 的 热 带 重 力 波 扰动也有可能对赤道 VH> 产生贡献的观点0
_+6=等%#7&通过利用 美 国 国 家 海 洋 大 气 管 理 局 气候资料 中 心 "Y>\\+YPIP$提 供 的 8 年 "#AA() $!!#$的高分 辨 率 探 空 资 料 分 析 了 北 美 地 区 以 及 一 些热带太 平 洋 岛 屿 上 空 下 平 流 层+对 流 层 重 力 波 活 动的长期变化特征!其研究发现北半球低纬度地区 下平流层的重力波能量密度除季节变化外还具有明
作为全球平流层年际变化中的最强信号!赤道 上空平流层纬向风表现出准两年振荡的特点!称之 为 VH>0通 过 早 期 G,65@46 等%(&和 LB-QB6 等%A&的 研究以及近十多年来的数值 模 拟 和 理 论 分 析%#!&! 已 经从本质上认识到赤道区域重力波的强迫作用是驱
动赤道 VH> 的主要机制0 近年来!一些 对 低 纬 度 地 区 重 力 波 的 研 究 发
其他参数的时空变化特征0 此分 析 程 序 是 建 立 在 ]<,QQ;和 9+6U+65Q重 力
波参数化方案%#%&的基础之上的0使 用 温 度 和 水 平 风 参量计算出重力波的能量密度!并利用谱分析方法 估计得到重力波的主要参数#垂直波长!固有频率 和传播方向0
重力波总能量密 度"单 位 质 量 的 能 量$为 动 能 和 势能 密 度 之 和!#()$’?* 高 度 内 平 均 的 动 能 和 势 能密度分别用下式计算#
显的年际变 化! 并 认 为 这 种 变 化 可 能 与 VH> 的 位 相转换有关0但是由于资料的时间长度不够长!他 们得到的重 力 波 与 VH> 之 间 关 系 的 结 论 还 有 相 当 程度的不确定性0
本文利用 N<3? ""08iY!#’#0(i)$岛站 点 长 达 "年"#AA()$!!8年$的 探 空 资 料 分 析 了 此 区 域 下 平 流层"#()$’?*$重 力 波 的 统 计 特 征! 得 到 了 主 要 的重力波参数#重力波能量密度!垂直波长!固有 频率 和 传 播 方 向0 研 究 结 果 发 现! 冬 季 "#$ 月) $月$时重 力 波 活 动 强! 而 夏 季 "% 月)( 月 $较 弱! 这与该地 区 对 流 活 动 的 季 节 变 化 有 关0N<3? 群 岛 位于热带太平洋!冬季受北方冷空气影响!对流活 动频繁0得益于观测资料的时间长度!本文还清楚 地揭示了 重 力 波 能 量 密 度 的 年 际 变 化 与 赤 道 VH> 之间的一致性!此区域重力波活动呈现出显著受赤 道 VH> 调制的特点0
! 第!"卷!第!#期!#$$"年!#月
#’(7
热带下平流层重力波的季节和年际变化特征"
王雪莲#"$!陈泽宇$"" !吕达仁$!杜秉玉#
#0南 京 信 息 工 程 大 学 电 子 工 程 系 ! 南 京 $#!!88( $0中国科学院大气物理研究所中层大气与全球环境探测实验室 !北京#!!!$A
摘要!!利用位于热带太 平 洋 中 的 N<3? 岛’"08iY"#’#0(i)(长 达 " 年 的’#AA($$!!8 年(高 垂 直 分辨率探空观测资料分 析 了 热 带 地 区 下 平 流 层 ’#($$’?*(重 力 波 活 动 的 气 候 特 征0 分 析 结 果 显 示"在该高度范围内"重力 波 活 动 表 现 出 明 显 的 季 节 变 化" 总 能 量 在 一 月 份 达 到 最 大"% 月 份 最 小#这种变化与北半球西风带向南扩张从而加强当地对流活动的气候特征是一致的0研究结果还 表明"重力波活动还有显著的与赤道 VH> 周期 一 致 的 年 际 变 化0赤 道 VH> 的 东 风 位 相 向 西 风 位 相转变的时段"重力波能量 总 是 达 到 异 常 的 最 大" 此 地 区 重 力 波 活 动 的 年 际 变 化 与 VH> 密 切 相 关0此外还介绍了重力波的其他参数"如固有频率"垂直波长和传播方向0
!! 资 料 描 述
测数据是按气球上升的时间记录的!时间间隔为%;0 N<3?群岛 位 于 北 半 球 热 带 太 平 洋! 对 流 活 动
频繁!冬季 时 由 于 高 纬 度 地 区 西 风 带 的 向 南 入 侵! 对流活动更 为强烈0此区域上 空下平流层盛行东 风!有 短 暂 的 周 期 性 的 西 风 出 现!经 向 风 很 弱0 N<3?群岛上空对流层顶高 度一般 约为#"0’?*0 本 文在研究中对探测高度进行了统计!结果表明每年 中探空高度在$’?* 之上的次数占%!c以上0
重力波的水平波长为$P ’$"+2P!2P 为水平波数! 可由重力波色散关系得到#
图 "!=8-R 岛 "66& 年 J 月 # 日 !" 时 !S=H"不 同 参 量 的 原始垂直廓线及拟合的背景垂直廓线 "+$温 度 ("2$纬 向 风 ("/$经 向 风
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D09,6/46Q教授"陈 泽 宇 与 9,6/46Q个 人 通 信$提 供 的分析程序完成的0该 分 析 程 序 是 \--46 等 在 %#& 他 们开展利用澳大利亚各站点的探空资料研究对流层
和下平流层重力波气候特征的研究工作时建立!并 在随后的同类研究工作中逐渐改进后形成的一个程 序包 0 %8& 近 年 来! _+6= 等 利 %#7!#’& 用 美 国 各 个 站 点 的探空资料分析了对流层和下平流层重力波能量和
图!!!OOJ("66&年月平均的 C8-:I>P$)*$;$频率!8$Q$*" 随 高 度 变 化 等 值 线 !等 值 线 间 隔 为 606#8$Q$*"
图$给出了$!!8年(月7 日 #$ 时"aNP$的 探 空资料得到温度和水平风的原始廓线以及二次多项 式拟合后的背 景 廓 线!两 者 的 偏 差 即 为 扰 动 量 D;’
C+/‘3+<,4岛 "’’iJ!#’Ai)$重 力 波 特 性0 卞 建 春 等 利 %’& 用北京观象台 垂 直 高 分 辨 率 探 空 资 料 统 计 分
析了北京上 空 下 平 流 层 重 力 波 的 特 征0U1+6= 等%%& 研究分析了武汉上空对流层和下平流层的重力波参
数0这些研究都发现下平流层重力波活动具有明显 的季节变化!而且这些变量的扰动主要来源于低频 重力波 ! %"& 尤 其 是 频 率 在 5)75 之 间 的 惯 性 重 力 波0
现!近赤道区 域 下 平 流 层 重 力 波 活 动 除 季 节 变 化 外!还有显著的年际变化!而且这种年际变化与赤 道 VH> 密 切 相 关09,6/46Q等 通 %##& 过 分 析 位 于 热 带印度洋中的 PB/B;"#$iJ!A"i)$岛 观测站 近 %年 "#AA$ 年A 月 )#AA( 年% 月 $的 高 分 辨 率 探 空 资 料 发 现#()$’?* 高度范围 内 重 力 波 能 量 密 度 除 了 表 现
关键词!!重力波!季节变化!年际变化!热带!高分辨探空
!!大气重力波是一种在大气中普遍存在的中小尺 度扰动0在中层大气中!大气重力波的传播及其动 力学效应在决定中层大气环流的基本性质方面起着
重要作用0 重 力 波 动 量 和 能 量 通 过 波&流 以 及 波&波 相互作用在垂直方向传输!决定了中层大气的温度 场和纬向风场0而且重力波在中层大气中的传播能 够在不同高度大气之间产生能量和动量输送!对中 层 大 气 各 圈 层 之 间 能 量 耦 合 有 重 要 贡 献 %#&0
到归一化温度扰动_D!;!即_D!; ’ D;+D8!关于重力波能
量和谱的分析中使用了该变量!
本文所用的资料是美国国家海洋大气管理局气候
资料中心 "Y>\\+YPIP$提 供 的 N<3? 台 站 ""08iY! #’#0(i) $的高垂 直分辨率 无线电 探 空 资 料!时 间 跨 度为"年 "#AA( 年 # 月)$!!8 年 #$ 月$"_+6= 等%#7& 的 研 究 中 用 过 此 站 点 #AA()$!!# 年 的 资 料 $0 正 常 情 况是每日探测两次"!!m!!aNP!#$m!!aNP$!有些 天会有加密探测"在!%m!!aNP 或#(m!!aNP 多进 行一次或两次探 测$0探 空 资 料 中 每 %;记 录 一 次 温 度’气压和探空 气 球 的 位 置0气 球 的 上 升 速 度 约 为 ’*+;! 因 此 温 度 的 垂 直 分 辨 率 约 为 7!*0 水 平 风 速 由 每 %;记 录 的 仰 角 和 方 位 角 计 算 得 到 ! 其 垂 直 分 辨 率 约 为 #’!*%#8&0 但 是 在 公 开 发 布 的 这 种 资 料 中 ! 探
研究方案0该方案可以利用那些积累下来的长期探 空资料!为 下 平 流 层+对 流 层 重 力 波 气 候 特 征 的 研 究提供了 一 个 有 效 的 途 径0 因 此! 近 $! 年 来 这 种 方案已 经 被 许 多 研 究 人 员 采 用0 例 如!\--46 等%#& 利用 \3;Q<+-,+的#(个 站 点 的 探 空 资 料 中 的 温 度 参 量研究了重力波能量随季节和纬度的 变 化09,6/46Q 等 利 %8& 用 探 空 资 料 中 的 温 度 和 风 参 量 研 究 分 析 了
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考虑到对流层顶高度和探测高度!在热带地区选取 #()$’?* 高度 范 围 作 为 下 平 流 层 范 围! 在 此 高 度 范围内!H<36Q&9+,;+-+ 频 率 / 几 乎 不 随 高 度 变 化 "图#$! 为!0!$7)!0!$";T#0 对 于 该 高 度 范 围 内 的 探空资料!首先剔除了那些无效数据过多的廓线和 不合理 的 廓 线 "如 垂 直 切 变 量 过 大 $0 为 了 计 算 方 便!将那些有 效 的 廓 线 在 垂 直 方 向 进 行 等 间 隔 插 值0本文中利用三次样条方法将温度和水平风速插 值到垂直间隔为’!* 的标准高度上!然后使用二次 多项式拟合建 立 背 景 廓 线 "如 图 $$! 并 得 到 相 对 于 这个背景廓线的扰动廓线#温度扰动量 D;’ 水平风 速扰动量>;和+;0温度扰动量除以 背景平均温度得
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作为全球平流层年际变化中的最强信号!赤道 上空平流层纬向风表现出准两年振荡的特点!称之 为 VH>0通 过 早 期 G,65@46 等%(&和 LB-QB6 等%A&的 研究以及近十多年来的数值 模 拟 和 理 论 分 析%#!&! 已 经从本质上认识到赤道区域重力波的强迫作用是驱
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D09,6/46Q教授"陈 泽 宇 与 9,6/46Q个 人 通 信$提 供 的分析程序完成的0该 分 析 程 序 是 \--46 等 在 %#& 他 们开展利用澳大利亚各站点的探空资料研究对流层
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现!近赤道区 域 下 平 流 层 重 力 波 活 动 除 季 节 变 化 外!还有显著的年际变化!而且这种年际变化与赤 道 VH> 密 切 相 关09,6/46Q等 通 %##& 过 分 析 位 于 热 带印度洋中的 PB/B;"#$iJ!A"i)$岛 观测站 近 %年 "#AA$ 年A 月 )#AA( 年% 月 $的 高 分 辨 率 探 空 资 料 发 现#()$’?* 高度范围 内 重 力 波 能 量 密 度 除 了 表 现
关键词!!重力波!季节变化!年际变化!热带!高分辨探空
!!大气重力波是一种在大气中普遍存在的中小尺 度扰动0在中层大气中!大气重力波的传播及其动 力学效应在决定中层大气环流的基本性质方面起着
重要作用0 重 力 波 动 量 和 能 量 通 过 波&流 以 及 波&波 相互作用在垂直方向传输!决定了中层大气的温度 场和纬向风场0而且重力波在中层大气中的传播能 够在不同高度大气之间产生能量和动量输送!对中 层 大 气 各 圈 层 之 间 能 量 耦 合 有 重 要 贡 献 %#&0
到归一化温度扰动_D!;!即_D!; ’ D;+D8!关于重力波能
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