基于秒级探空资料分析四川重力波统计特征

２０１８１１２０ 收 到 ，２０１９０３０８ 收 到 再 改 稿 。 资 助 项 目 ：国 家 自 然 科 学 面 上 基 金 项 目 （４１３７５１０７），公 益 性 行 业 （气 象 ）科 研 专 项 （ＧＹＨＹ２０１４０６００７） 通信作者，邮箱：ｃｈｅｎｑｙ＠ｃｍａ．ｇｏｖ．ｃｎ
４９ ２ 应 用 气 象 学 报 第３０卷
研 究 重 力 波 活 动 特 征，观 测 资 料 的 选 择 尤 为 重 要。目前资 料 主 要 包 括 火 箭 观 测［６］、雷 达 观 测 、 ［７８］ 无 线 电 探 空［９１７］、空 间 遥 感 观 测［１８］ 和 飞 机 观 测
等［１９］。每种观测方法都有其 优 点 和 局 限 性，由 于 重 力波的波段很宽，导 致 每 种 方 法 只 能 探 测 到 其 中 一 部分的重力波，即所谓 的“观 测 滤 波”［２０］。 无 线 电 探 空以其经济性和同时获取多种天气参数而得到广泛 应用，它可以很好地 探 测 对 流 层 和 平 流 层 各 种 尺 度 的 天 气 活 动 ，且 已 开 展 几 十 年 业 务 观 测 。２０ 世 纪 ９０ 年代后期开始，一些 研 究 认 识 到 这 些 资 料 在 研 究 重 力内波过程中的作 用，少 数 国 家 开 始 存 储 高 垂 直 分 辨率探空资料，并逐 渐 利 用 这 些 资 料 研 究 对 流 层 和 平流层重力波的各种性质及估算重力波动量通量。
将高垂直分辨率的探空资料用于分析重力波特 征研究，最初是由 Ｋｉｔａｍｕｒａ等［１５］根 据 Ｓａｗｙｅｒ［２１］观 点 提 出 并 使 用 ，他 们 利 用 日 本 长 期 积 累 的 探 空 资 料 ， 计算风速与温度的 扰 动，根 据 其 扰 动 计 算 了 一 系 列 重力波参数，这种方 法 被 广 泛 使 用 并 在 以 后 的 各 种 研究中 加 以 改 进。 文 献 ［９１０］利 用 澳 大 利 亚 附 近 １８个 站点的 历时一年 的高分 辨率 温度探 空资 料 ，分
第３０卷 第４期 ２０１９年７月
应用气象学报
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＡＰＰＬＩＥＤ ＭＥＴＥＯＲＯＬＯＧＩＣＡＬＳＣＩＥＮＣＥ
Ｖｏｌ．３０，Ｎｏ．４ Ｊｕｌｙ２０１９
吴 泓 锟 ，陈 起 英 ，华 维 ，等 ．基 于 秒ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ级 探 空 资 料 分 析 四 川 重 力 波 统 计 特 征 ．应 用 气 象 学 报 ，２０１９，３０（４）：４９１５０１． ＤＯＩ：１０．１１８９８／１００１７３１３．２０１９０４０９
引 言
大气重力波是气团受到重力和浮力共同作用而 产 生 的 中 小 尺 度 波 ，在 大 气 中 普 遍 存 在 ，并 具 有 全 球 效应。研究表明：它 不 仅 是 受 到 天 气 过 程 激 发 的 产 物，更是影响一些中 尺 度 过 程 （如 强 对 流）发 生 发 展 的因子。中尺度重 力 波 多 源 于 低 层 大 气，向 上 倾 斜 传 播 。 在 传 播 过 程 中 ，将 能 量 、动 量 带 到 不 同 的 高 度 层 ，并 产 生 或 影 响 各 种 天 气 系 统 ，因 而 重 力 波 在 决 定 全球大气环流方面起到了重要作用 。 ［１２］ 因 此，需 要 对重力波进 行 深 入 理 解 和 数 值 模 拟 研 ［３５］ 究。 而 这 些研究工作的前提是从各种观测资料提取更多重力 波活动的时空分布特征。
析澳大利亚地区的 重 力 波 特 征 及 其 纬 度 差 异，结 合 风速资料研究 Ｍａｃｑｕａｒｉｅ岛的惯性 重 力波 活动。 后 来 经 过 Ｏｇｉｎｏ 等［１１］、Ｙｏｓｈｉｋｉ等［１２］、Ｅｃｋｅｒｍａｎｎ［２２］ 的改进，逐渐得到 一 套 完 善 的 根 据 风 速 和 温 度 廓 线 分析重力波的方法。
基于秒级探空资料分析四川重力波统计特征
吴泓锟１） 陈起英２） 华 维１） 李芳芳１） 李泽椿２）
１）（成都信息工程大学，成都 ６１０２２５） ２）（国家气象中心，北京 １０００８１）
摘 要
利用２０１４年６月—２０１７年９月的秒 级 探 空 资 料，选 取 四 川 地 区 ５ 个 代 表 性 站 点 研 究 重 力 波 在 对 流 层 （２～ １０ｋｍ）和平流层（１８～２５ｋｍ）的时空特征。选取结果表明：重 力 波 能 量 在 四 川 地 区 各 个 高 度 均 存 在 明 显 的 季 节 变 化，冬季强，夏季弱；在对流层由于地形影响，川西 和 川 北 高 原 地 区 的 能 量 小 于 其 他 地 区。 垂 直 波 长 没 有 明 显 的 时 空变化，在对流层和平流层分 别 集 中 分 布 于 １．５～３ｋｍ 和 １．５～３．５ｋｍ；水 平 波 长 则 差 别 较 大，分 别 分 布 于 ０～ ３００ｋｍ 和１００～７００ｋｍ，平均值分别为１００ｋｍ 和３５０ｋｍ。重力波 固 有 频 率 在 对 流 层 有 较 大 的 区 域 差 异，表 现 为 在四川西北部的高原地区固有频率平均值为３犳（犳 为 地 转 参 数），其 他 地 区 则 仅 为２．４犳；平 流 层 则 没 有 明 显 的 差 异 存在，均约为２犳。四川地区重力波的垂直传播方向特 征 基 本 相 同，在 对 流 层 约 有 ５０％ 的 波 动 向 上 传 播，平 流 层 则 有９０％以上的波动向上传播。水平传播则存在明显的不确 定 性，特 别 是 对 流 层；平 流 层 水 平 传 播 方 向 存 在 明 显 的 季 节 变 化 ，表 现 为 夏 季 重 力 波 多 向 偏 东 方 向 传 播 ，而 其 他 季 节 则 向 偏 西 方 向 传 播 。 关 键 词 ：重 力 波 ；秒 级 探 空 资 料 ；时 空 特 征
２０１０年底我 国 探 空 站 的 探 空 系 统 全 部 升 级 为 Ｌ 波段 探 测 系 统，采 样 周 期 可 达 １．２ｓ，大 大 提 高 了 大 气 探 测 精 度 ，提 供 了 密 集 的 秒 级 资 料 ，为 获 取 高 垂 直分辨率探空信息 提 供 了 良 好 平 台，使 利 用 探 空 资 料进行重力波观测研究也有了一定进展。如卞建春 等 利 ［１６］ 用北京１５个月的秒级 探 空 资 料 分 析 了 北 京 平流层重力波活 动 的 特 征，Ｚｈａｎｇ等 利 ［１４］ 用 武 汉 的 高分辨率探空资料分析了武汉上空的重力波特征。 国内利用 探 空 资 料 进 行 重 力 波 研 究 尚 处 于 起 步 阶 段 ，所 采 用 的 探 空 资 料 精 度 、时 长 和 覆 盖 区 域 均 存 在 不足。这些工作无论是对于清楚了解国内重力波的 时空特征，还是 进 行 后 续 的 模 式 应 用 仍 显 欠 缺。 因 此 ，有 必 要 拓 展 利 用 探 空 资 料 进 行 研 究 的 覆 盖 区 域 ， 之前的研究工作大 多 数 集 中 在 平 原 地 区，然 而 重 力 波 源 主 要 是 对 流 、锋 面 等 非 地 形 因 素 ，地 形 产 生 的 重 力波相对较少。由 于 青 藏 高 原 大 地 形 的 存 在，在 青 藏高原下游地区，尤 其 是 四 川 地 区 的 重 力 波 活 动 不 仅被对流和锋面等 天 气 系 统 激 发，还 被 地 形 激 发 和 影 响 ，相 比 其 他 地 区 更 具 复 杂 性 ，国 内 至 今 还 未 见 有 关 四 川 地 区 重 力 波 活 动 观 测 研 究 报 道 ，因 此 ，有 必 要 对四川地区的重力 波 活 动 特 征 进 行 详 细 研 究，以 补 充现 有 研 究 工 作。本 文 利 用 国 家 气 象 信 息 中 心 ２０１４年６月—２０１７年 ９ 月 的 高 分 辨 率 秒 级 探 空 资 料 ，分 析 四 川 地 区 平 流 层 及 对 流 层 的 重 力 波 特 征 ，在 分析时还 考 虑 了 噪 音 和 地 形 等 因 素 对 重 力 波 的 影 响。