用垂直高分辨率探空资料分析北京上空下平流层重力波的统计特性

第8期
卞建春等: 用垂直高分辨率探空资料分析北京上空下平流层重力波的统计特性
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研究重力波气候特征所采用的观测资料主要有 以下几类: 1) 空间遥感观测, 它们以卫星为平台能够 提供覆盖全球的观测[4~9]; 2) 无线电探空[10~17]; 3) 火 箭探测 动)
[21,22] [18~20]
. 然而 , 当前对重力波的产生
2003-12-08 收稿 , 2004-03-19 收修改稿 * 中国科学院知识创新重要方向性项目 (编号 : KZCX3-SW-217)和国家自然科学基金项目 (批准号 : 40333034)共同资助 ** E-mail: bjc@
SCIENCE IN CHINA Ser. D Earth Sciences
(a) 纬向风速 ; (b) 经向风速 . 等值线为风速分量月平均值 , 阴影为均方差根 , 风速的单位为 m/s
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∂ω ∂ω , ( cgh , cgz ) = ⎜ ∂ ⎟ k ∂m
; 4) 激 光 雷 达 ( 测 大 气 温 度 和 密 度 扰
[23,24]
和雷达探测(测风)
; 5) 飞机观测
[25,26]
. 每
一种观测方法都有特定的能力和局限性 , 而且重力 波有很宽的波段 , 每一种观测方法只能探测到重力 波的一部分. 其中 , 无线电探空观测温度和水平风速在全球 很多站点开展业务观测已经几十年了 . 这些观测的 主要目的是为了数值天气预报 , 然而除了大尺度过 程以外 , 它们对于重力波这一中小尺度现象的研究 同样具有价值 . 无线电探空资料在对流层和下平流 层垂直分辨率很高, 这就有可能分析重力波特征. 无 线电探空与新近发展的观测技术相比有几个明显的 优点. 第一是经济性，它很容易在任意地点以及同时 在多个点进行观测 . 第二是它的空间分辨率 ( 尤其是 垂直分辨率 ) 高 , 卫星资料水平分辨率为几百公里 , 对于观测小尺度现象分辨率不足 . 第三是无线电探 空观测历史记录比较长, 且连续性好. 利用无线电探空来研究重力波, 始于 20 世纪 80 年代后期 . 最初人们仅仅利用温度廓线分析重力波 谱斜率[27,28]和估计重力波能量[11]. 后来, 结合温度和 风速廓线 , 分析重力波的一些重要参数 [10,14]. Hirota 等人 [18] 首先注意到由风廓线组成的风矢量端点连线 图大致显示为一个椭圆偏振 , 在北(南)半球随高度顺 (逆)时针方向旋转 , 并指出该图形表明风场由单个频 率能量上传的平面惯性重力波所控制 . 经过 Vincent 等 人 [29] 、 Kitamura 等 人 [10] 、 Hamilton[19] 、 Cho[30] 、 Eckermann[31] 、 Sato 等人 [13] 和 Vincent 等人 [14] 的完善 , 逐渐形成了一套完整的根据风、 温廓线分析重力波的 方法 , 其主要理论是风、温等变量之间的偏振关系 . 到 90 年代中期, 随着重力波分析方法的完善, 以及 高分辨率资料的不断收集和积累 , 科学家们开始研 究重力波活动的气候统计特征 , 尤其是 Allen 等人
关键词 惯性重力波 下平流层 偏振关系 固有频率 传播方向
大气重力波是一种中小尺度波 , 在大气中普遍 存在, 并具有全球效应. 有证据表明重力波是平流层 大气温度和风场变化的主要原因 , 上传重力波的破 碎是中层大气中小尺度湍流和混合过程的重要源 . 大量理论和观测研究还表明, 由于重力波的产生、传 播和破碎而引起的动量重新分配 , 在确定全球大气 环流中起关键作用
[11]
1
观测资料
本 文 使 用 的 资 料 是 北 京 市 观 象 台 (116°28′E,
39°48′N)提供的新一代无线电探空资料 , 从 2001 年 12 月至 2003 年 2 月, 每日两次, 07︰00 和 19︰00. 由 于雷达、仪器等问题, 有些天缺少测量资料. 气象要 素如温度、气压和相对湿度采用 L 波段电子探空仪 , 利用 L 波段高空气象雷达跟踪气球来测风. 温度、 气压和湿度等变量每 1~2 s 有一个测量值, 垂直高度根据温压曲线来确定 . 假定气球上升速度 为 5 m/s, 则温度、气压、湿度等变量的垂直分辨率 大致对应于 10 m(传感器的响应很快, 滞后问题可不 考虑 ). 而风速的测量每一分钟给出气球的斜距、仰 角和方位角, 因此风速的垂直分辨率为 300 m 左右. 由于气球的钟摆运动, 以及其它原因, 实际有效垂直 分辨率的值要大于上述估计值. 为了计算的方便, 我 们把所有变量都进行了插值, 间隔为 50 m. 对于温度 和湿度 , 由于测量值比较密 , 故采用线性插值 . 而对 于风速, 则采用 3 次样条插值. 图 1 给出了浮力频率月平均值的时间-高度截面
⎛ ⎝
⎞ ⎠
2
下面分析动能 EK =
ˆ2 − f 2 , −m ω ˆ m2 ω
(k N = (u , 0) +
h h
h
1 2 1 2 u ′ + v′2 + w′2 ≈ u′ + 2 2
2
(
)
(
(
)) .
(4)
v ′2 与潜能 EP =
)
g2 ⎛θ ′ ⎞ ⎜ ⎟ 之间的关系 . 根据公式 2N 2 ⎝ θ ⎠
2 2
分析几个变量之间的相互关系, 扰动变量u′, v′和θ ′可 分别写成:
exp [i (mz + φ0 ) ]} u ' = Re {u ⎧ ⎫ ˆk ⎪ ω ⎪ exp [i (mz + φ0 ) ]⎬ = Re ⎨ 2 h 2 p ˆ − ω f ⎪ ⎪ ⎩ ⎭ ˆ kh ω cos ( mz + φ0 ) , = 2 p ˆ − f2 ω exp [i (mz + φ0 ) ]} v ' = Re {v ⎧ −ifk ⎫ ⎪ ⎪ exp [i (mz + φ0 ) ]⎬ = Re ⎨ 2 h 2 p ˆ −f ⎪ ⎪ ⎩ω ⎭ fk sin ( mz + φ0 ) , = 2 h 2 p ˆ ω −f
[1~3]
机制和源的时空分布的了解还非常有限 . 如果要全 面理解和模拟重力波效应 , 则需要知道关于重力波 活动以及重力波源的地理和季节性变化等更多信息 , 因此观测和分析重力波的气候特征成为一个非常活 跃的领域 . 这里重力波气候特征是指重力波特征量 (波能、周期、相速度、传播方向以及波参数)的地理 和季节变化规律[1].
−1
关系:
= iω ˆv / f, u
=ω /(ω ˆ kh p ˆ − f ), u = −ifkh p /(ω ˆ 2 − f 2 ), v / g, θ = imp
2
(1a)
2
2
(1b) (1c) (1d)
其中i = 1, kh是水平波数, f是Coriolis参数, g是重力 分别是水平风速分量、 , v , θ 和 p 加速度, u 位温和气 压等扰动量的振幅. 根据(1a)式 , 可以得到两个水平风速分量振幅的 比值:
提出 “ 重力波气候研究计划——无线电资料分析 ”[32]. 目前，全球有十多个国家和地区参加了该计划, 中国 至今尚没有参加. 根据无线电探空资料, 已有一些初 步研究工作得到了下平流层重力波活动的经向、 季节 和年际变化的一些规律. 分析表明, 这些变量的扰动 主要来源于低频重力波 , 尤其是频率在 f ~ 3f 之间的 惯性重力波 [14,15]; 由水平风速廓线画成的矢量连线 图通常表现为反气旋运动 , 表明惯性重力波能量向 上传播 [12,15]; 下平流层重力波活动强度存在季节性 变化[10,11,14~17]和明显的经向变化[10~12]; 水平传播方向 是纬度的函数[33,34]. 尽管利用无线电探空资料分析重力波已得到一 些结果 , 但由于观测站点主要集中在北美洲、大洋 洲、西欧和日本等有限区域, 以及记录时间有限, 要 获得重力波全球范围内完整的气候变化特征 , 还需 要把观测站点扩大到更广的范围并保持长时间的记 录. 2002 年, 中国科学院大气物理研究所开始收集北 京市观象台的高分辨率探空资料 , 本文利用这些资 料来分析北京地区下平流层学 D 辑 地球科学 2004, 34 (8): 748~756
用垂直高分辨率探空资料分析北京上空下平流层 重力波的统计特性*
卞建春** 陈洪滨 吕达仁
(中国科学院大气物理研究所, 北京 100029)
摘要
根据北京市观象台新一代无线电探空垂直高分辨率资料研究北京地区下平流层(17~24
km)惯性重力波活动的季节变化特征. 根据风速以及温度之间的偏振关系来分析重力波的一些重 要参数. 结果表明: 1) 波动能量有明显的季节变化, 夏季弱(动能 3.5 J/kg, 潜能 1.8 J/kg), 冬季强 (动能 10.6 J/kg, 潜能 3.6 J/kg), 全年的动能与潜能比的平均值为 2.6; 纬向与经向扰动速度之均方 根大小基本一致, 表明下平流层重力波能量在水平方向上是各向同性的. 2) 垂直波长主要集中在 1.5~3 km 之间, 占所有样本的 80%以上, 平均值大致为 2.3 km; 水平波长主要集中在 100~800 km 之间, 平均值为 445 km 左右; 水平波长与垂直波长之比大约 200︰1. 3) 在拟合偏振椭圆前, 采用 带通滤波保留垂直波长在 1.5~3 km 之间的波, 估计得到的固有频率主要集中在 1f ~3.5f 之间( f 为 科氏参数), 平均值为 2f, 相当于周期 9 h 左右. 4) 重力波能量主要向上传播, 上传重力波出现频 率在 90%以上; 水平传播方向有一定的不均匀性, 但不是很强, 主要方向为西北方向.