青藏高原红原站平流层下部重力波观测特征分析

１ ｓ 间 ， 均 值 约 为 １ ． ｓ ５ｍ／ 之 平 １ ３ｍ／ 。
图 ４给 出 了 ２ ０ ０ ８年 ５月 重力 波 水 平 传播 方 向
的频率 分布 。图 ４中把 ４个 象 限分 为 １ ２个方 位角 ， 方 位角 为 ３ 。０ 、 ０ 、８ 。２ ０分别 表 示东 、 、 、 ０ ， 。９ 。１ ０ 、 ７ 。 北 西
图 ２ ２０ 年 ５ 固有 频率 与科 氏参数 之 比出 现频率 分 布 ０８ 月
７Ｏ ７
气
象
科
技
第 ３ ９卷
明重力 波能量在 垂直方 向上 向上 （ ） 播 ， 半球 的 下 传 南 情况 正好相反 。分析结果 表 明 ，０ ８年 ５月重力波 能 ２０ 量在垂 直方 向上 向上传播 出现 的概率达到 ８ 。 ５
２ １ 垂 直 波 长 ．
与卞建 春等 的研 究一样 ， 文惯性 重力波 的垂 本
、
、
糌
霞
丑
Ｌ
图 １ ２０ ０ ８年 ５月垂 直 波 长 频 率 分 布 ： ａ （ ）温 度 ， ｂ （ ）纬 向 风 ，（ ）经 向风 ｃ
２ ２ 固 有 频 率 ．
２ ３ 水 平 波 长 ．
功 率 密 度 最 大 值 所 对 应 的 波 长 。 图 ｌ 、 、 分 别 是 根 ａｂＣ 据 扰 动 温 度 、 向风 和 经 向风 确 定 的垂 直 波 长 的 出 现 纬
廓 线可 知 ， 红原 站上 空对 流层 顶高 度 在 ２ ０ ０ ８年 ５月
平 均 为 １ ｍ 左 右 。 同时 参 考 Ａｌ ｎ等 人 ｌ ８ｋ ｌ ｅ ｇ 的做
间 ， 均 值 约 为 ห้องสมุดไป่ตู้ 、 ， 当于 同有 周 期 ９ｈ左 右 。 重 力 波 能 量 在 垂 直 方 向 上 主 要 向上 传 播 ， 出现 频 率 达 到 ８ ； 平 ．， 相 厂 其 ５
水 平 传 播 方 向主 要 为偏 东方 向 。垂 直 固有 波 速 主要 集 中 在 一 ０ ２ 一０ ０ ｓ 间 ， 均 值 约 为 一 ０ １ ｓ水 平 ．～ ． ５ｍ／ 之 平 ． ２ｍ／ ； 固 有 波 速 主 要 集 中在 ５ １ ｓ 间 ， 均值 约 为 １ ． ｓ ～ ５ｍ／ 之 平 １ ３ｍ／ 。
关 键 词 青 藏 高 原 重 力 波 下 平 流 层 主分 量 分 析方 法
引 言
进行 每 日 ４次 的加密观测 。在探 空资料 中， 度和气 温
压 的垂 直 分 辨 率 约 为 １ 风 速 的 垂 直 分 辨 率 约 为 ０ｍ，
重 力 波 是大 气 中一 种 基本 的波 动 ， 们 在 中层 它 大气 的 动力 过 程 中 扮演 着 重 要 角 色 ［ ］ １ 。虽然 目前 还不 能对 与 重力 波 特 别是 惯 性 重 力 波 （ 性 重力 波 惯
在 平流层 下 层 ｌ ］ ３ 。惯 性 重 力 波 在 平 流 层 下层 的 另
一
个 重 要 作 用 是 由 于 波 动 的 破 碎 而 形 成 晴 空 湍
流 ］ 目前 有关 青藏 高原 上 空 平 流 层 重 力 波 的 分 。 析 研究 工作 非 常少 ， 原 上 空 的重 力 波 活 动 特 征 的 高 研 究 几 乎 是 空 白。 本 文 将 利 用 红 原 探 空 站
原始扰 动廓线 中噪音 的存 在会 影 响 固有 频率 的 估计 ， 因此在估 计 固有频 率 时 ， 要 先 进行 滤 波来 减 需
少 噪 音 带 来 的影 响 ［ 。根 据 上 一 节 的 分 析 ， 直 波 长 ８ ］ 垂
图 ３为 ２ ０ ０ ８年 ５月水 平 波长 的频率 分布 ， 水平 波长 主 要 集 中 在 １ ０ ６ ０ ｋ 之 间 ， 均 值 约 为 ０ ～ ０ ｍ 平
给 出了滤波后 ２ ０ 年 ５月 固有 频率 与科 氏参数 之 比 ０８ 出现频率 的分 布 。可 以看 到 ， 固有频 率与科 氏参 数之
比分布 较宽 ， 小值 约 为 １ 最 大 值 接近 ７ 但 主要 集 最 ， ，
中在 １ ５ ． ． ～３ ５之 间 ， 均 值约 为 ２ ５ 平 ． 。于是 ， 固有 频 率 的平 均值约 为 ２ ５ ， ． ｆ 对应 的 固有周期 为 ９ｈ左右 。
作 者 简介 ： 杰 ， ，９ ５年 生 ， 士研 究 生 ， 张灵 男 １８ 硕 主要 从 事 中 尺度 动 力学 及 数值 模 拟研 究 ， ｍａｌ ｚ ａ ｇ ０ ３ ３ ０ ２ ＠ １ ３ ｃｍ Ｅ ｉ ｈｎ ２０ １ ２０ ５ ． ｏ ： ６
收稿 日期 ：Ｏ Ｏ年 ６ ４ 日； 稿 Ｅ期 ：０ Ｏ年 ７月 １日 ２１ 月 定 ｌ ２１
辨率 的无 线 电探 空资 料 。红原 探 空站 的 海拔 高 度 为 ３ ９ 探空 站正 常情 况下 每 日观 测 两次 ， 有些 天 ４ ３ｍ， 但
本文 使 用 卞 建 春 等 的 分 析 方 法 ， 主 分 量 分 析 用
（ Ｃ 来实现椭 圆拟合 ， 而计算 惯性 重力 波 的各特 Ｐ Ａ） 进
１ 、） 温 度 、 向 风 和 经 向 风 的平 均 垂 直 波 长 分 别 约 ｂｃ， 纬 为 ２ ５ ｍ，． ７ｋ 和 ３ ０ ｍ。 因此 ， 性 重 力 波 ．８ｋ ３ １ ｍ ． １ｋ 惯
的垂直 波长 主要 集 中在 ２ ４ｋ 之 间 ， 均 值 约 为 ～ ｍ 平
２ ｍ ．９ ｋ
圆长轴方 向和 扰动 温 度廓 线与 水 平扰 动风 廓 线 的关 系确定 。惯性重力 波 的其他 特征参 数诸 如水 平波长 、 相 速 度 等可 根 据 单 色重 力 波 的 线性 理 论 计 算得 到 。
本文所 使用 的资料是 中 日 Ｊ Ａ项 目观测试验期 Ｉ Ｃ
间红原探 空站提供 的 ２ ０ 年 ５月一 个月 的垂 直高分 ０８
３ ０ｍ。温度 和气 压 的垂 直 高度 根 据温 压 曲线 确定 。 ０ 由于原 始的温度 、 气压和风 速资料 在垂直 方 向上是不
等 间 隔 分 布 的 ， 会 造 成计 算 重 力 波特 征 参 数 的 困 这
难 。因此 ， 对原 始 的温 度 、 压 和 风速 资 料进 行 了垂 气 直插 值 ， 隔取 ５ 间 ０ｍ。本 文根据 垂 直分辨 率 的大 小 ，
３ １ｋ 。平 均 水 平 波 长 与 平 均 垂 直 波 长 之 比 约 为 １ ｍ
主要集 中在 ２ ｍ之 间 ， ～４ｋ 因此带通 滤波器 的滤 波窗
口取 ２ ４ ｋ ， 波 器 采 用 汉 宁 （ ｎ ｉｇ 窗 。 图 ２ ～ ｍ 滤 Ｈａ ｎｎ ）
１ ０： ， ０ １ 是卞 建 春 等 文 中 ２ ０： ０ １的一 半 。 因此 ， 本 文惯 性 重 力 波 在 垂 直 方 向上 的传 播 要 比卞 建 春 等 ＿ 文 中 的重 力 波来得 明显 。 ８ ］
国家 自然科 学 基金 项 目（０ ７０ ５ 、 国气 象 局行 业 专项 （ ４８ ５ ３ ） 中 ＧＹＨＹＱｘ２ｏ ０ 、 国 气 象 科 学 研 究 院 基 本 科 研 业 务 费 专 项 （ ０ ７ ０ ） ｏ ７６２ ） 中 ２ ０ Ｙ０ ２
和 灾 害 天 气 国 家 重 点 实 验 室 自主 研 究 专 项 （ ０ ８ ＡＳ Ｚ ０ ） ２ ０ Ｌ Ｗ １ ３ 资助
法， 选取 １ ～ ２ ｍ 高 度 范 围作 为 下 平 流 层 的范 ９ ６ｋ 围。在 所有 观测 资料 中 ， 测 高度 达 到 ２ ｍ 的 占 探 ６ｋ
８ ， 有 ５ ８ 共 ２个 时 次 。
２ 分 析 结 果
频率分 布图 。由图 １可见 ， 根据 扰动温 度廓线 确定 的 垂直波 长主要集 中在 １ ｍ 之 间（ ｌ ）根据扰 动 ～４ｋ 图 ａ， 风廓线 确定的垂直 波长主要集 中在 ２ ｍ之 间 （ ～４ｋ 图
通 信 作 者 ， ｍａｌｌ ｙ ＠ ｃ ｍｓ ｃ ． ｏ ． Ｄ Ｅ ｉ ｉ ｈ ａ ． ｍａ ｇ ｖ Ｃ ：ｎ
第 ６ 期
张灵 杰 等 ： 藏 高 原 红原 站平 流 层 下 部 重 力 波 观 测 特 征 分 析 青
７９ ６
征参 数 ， 分析方 法 的原 理及步骤详 见文献 ［］ ８。
第 ３ ９卷 第 ６期 ２１ ０ １年 １ ２月
气 象
科 技
Ｖ ｏ．３９。 ｏ． Ｉ Ｎ ６
Ｄ ｅ ．２ ｃ ０ｌｌ
Ｍ ＥＴＥ（ Ｒｏ Ｌｏ Ｇ Ｉ ） ＣＡ Ｌ ＣＩ Ｓ ＥＮ ＣＥ ＮＤ Ａ ＴＥＣＨ Ｎ ｏ Ｌ（Ｇ Ｙ ）
青藏高 原红原站平流层下 部重力波观测 特征分析
南 ４个 方 向 ， 、 圈 分 别 表 示 ５ 和 １ ０ 的 出 现 内 外 Ｏ ０
频 率 。由图 ４可见 ， 力 波 的水 平 传 播 方 向主 要 为 重
偏东方向。
图 ６ ２０ ０ ８年 ５ 水 平 固有 波 速频 率 分 布 月
对 温度采用线 性 插值 ， 而对 风 速 采用 ３次样 条 插 值 。 然后， 使用 ４阶多项式 拟合建立 温度 与风场 的背景 廓 线 。用垂直 插值得 到的垂直 分辨 率为 ５ 的实 际廓 ０ｍ
主要 指频 率 与科 氏参 数 接 近 的重 力 波 ） 相关 的输 送 和混 合 过程 进行 定量 化 ， 但这 些 过程非 常 重要 ， 其 尤
张 灵 杰 林 永 辉
（ １中 国 气 象 科 学 研 究 院 灾 害 天气 国 家 重 点 实 验 室 ， 京 １ ０ ８ ； 北 ０ ０ １ ２浙 江 省 温 州 市 气 象 局 ， 州 ３ ５ ２ ） 温 ２ ０ ７
摘要
利用位处青藏高 原 的红 原 探空 站 ２０ ０ ８年 ５月 垂 直 高 分 辨 率 的 无 线 电 探 空 资 料 分 析 了 其 上 空 下 平 流 层
图 ３ ２０ ０ ８年 ５月 水 平 波 长 频 率 分 布
２４ 传 播 方 向 ．
固 有频 率 ／ 氏参 数 科
重 力波能量 的垂直 传播 方 向可 通过 水平 扰 动 风 的偏 振 椭 圆 随 高 度 的旋 转 方 向来 确 定 。在 北 半 球 （ Ｏ， ）如果 偏振 椭 圆随 高度 顺 （ ） 逆 时针旋 转 ， 则表
（９ ２ ｍ） 力 波 的 波 动 特 性 。结 果 表 明 ： 力 波 的垂 直 波 长 主 要 集 中 在 ２ ４ｋ 之 间 ， 均 值 约 为 ２ ９ｋ 水 １ ～ ６ｋ 重 重 ～ ｍ 平 ． ｍ； 平 波 长 主 要 集 中在 １ Ｏ ６ ０ｋ 之 间 ， 均 值 约 为 ３ １ｋ 固 有 频 率 主 要 集 中 在 １ ５ ～ ３ ５ （ ０ ～ ０ ｍ 平 １ ｍ； ．， ． ｆ ｆ为 科 氏 参 数 ） 之
本 文 的主要 目的是 研究 下 平 流 层 的 重力 波 ， 因 此 首 先 要 确 定 下 平 流 层 的 高 度 范 围 。 从 温 度 的 背 景
直波 长通过对 扰 动廓 线进 行 功率谱 分 析 来确 定 。功
率谱通 过 Ｂ ｒ 法 最 大熵 谱 分析 来估 计 ， 直波 长 取 ｕｇ 垂
的波 动特性 。 １ 观 测 资 料 和 分 析 方 法
直方 向由惯 性重 力 波产 生 的水 平扰 动 风矢 端 轨迹 是
椭圆Ⅲ 。水 平扰动 风矢 端 绕一 周 所 对应 的高 度差 为 ７ ］ 惯 性重力波 的垂直 波长 ， 偏振椭 圆的 长轴与 短轴 之 比
等于 固有频 率与科 氏参数之 比， 水平传 播方 向可 由椭
线 减去背景 廓线 ， 就得 到 了扰动廓 线 。
椭圆极化是 惯性重力 波 的一个 重要性 质 ， 即沿垂
（ ２ ｏ １ ２ ６Ｅ） ０ ８年 ５月 垂 直 高 分 辨 率 的 无 ３ ． Ｎ，０ ． 。 ２ ０
线 电探 空 资料 ， 研 究 其 上 空 下平 流 层 惯 性 重 力 波 来