（大气物理学与大气环境专业论文）利用高分辨探空资料分析热带下平流层重力波活动.pdf

摘要 本文利用美国提供的位于太平洋上的8 个站点长达7 年的高垂直分辨率探 空资料中的温度和水平风参量，研究分析了热带下平流层( 1 8 2 5 k i n ) 的重力波 特征。这8 个站点基本位于热带太平洋，对流活动频繁，1 8 2 5 k i n 高度内盛行 东风，有周期性的西风出现。平均说来，随着纬度的增加重力波活动减弱，季 节变化明显，近赤道地区重力波活动还呈现显著的年际变化特性。 本文主要分析了重力波能量和主要参数的时空变化。主要表现为：北半球 重力波能量冬季大而夏季小，且随着纬度增加而减小。近赤道地区重力波的能 量还呈现明显的与赤道q b o 周期一致的年际变化特性，当q b o 由东风位相向 蘧风位相转变时，重力波能量总是达到显著的极大值。这说明，近赤道地区下 平流层重力波活动的年际变化与赤道q b o 紧密相关。 重力波能量主要向上传播，上传的比例冬季小夏季大。在水平方向上，重 力波主要向东传播。纬向动量通量表现出与能量相似的时间变化趋势。固有频 率一般较低，约为2 5 - 3 - y ，随纬度增加而缓慢增加，其与惯性频率厂的比值却 随纬度增加缓慢减小。平均的垂直波长和水平波长都是随着纬度的增加而减小， 垂直波长还具有冬季长夏季短的季节变化。 关键词：重力波，热带下平流层，季节变化，年际变化，q b o a b s t r a c t s e v e n y e a rl o n gh i g hv e r t i c a lr e s o l u t i o nr a d i o s o n d ed a t a ( f r o m1 9 9 8t o2 0 0 4 ) f r o me i g h tu s s t a t i o n si nt h en o r t h w e s tp a c i f i cw e r eu s e dt oi n v e s t i g a t et h e c h a r a c t e r i s t i c so fg r a v i t yw a v ea c t i v i t yi nt h et r o p i c a ll o w e rs t r a t o s p h e r e ( 18 2 5k m h e i g h tr a n g e ) t h ep r e v a i l i n gz o n a lw i n dd u r i n gt h ep e r i o da n dh e i g h tr a n g ea r e w e s t w a r dw i 也ap e r i o d - l i k eo s c i l l a t i o ns u p e r i m p o s e di nt h er e g i o n o na v e r a g e g r a v i t yw a v ea c t i v i t i e sv a r ys e a s o n a l l ya n dw e a k e nw i t hi n c r e a s i n gl a t i t u d e ，a n d e x h i b i ti m e r a n n u a lv a r i a t i o n sn e a rt h ee q u a t o r t h es p a t i a la n dt e m p o r a lv a r i a t i o n so fg r a v i t yw a v ee n e r g yd e n s i t ya n ds e v e r a l k e yp a r a m e t e r sw e r ee s t i m a t e d g e n e r a l l ys p e a k i n g ，t h ew a v ee n e r g yd e n s i t y d e c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gl a t i t u d ea n di sl a r g e ri n 晡n t e rt h a ni ns u m m e r ( n o r t h e m h e m i s p h e r e ) m e a n w h i l e ，i n t e r a n n u a lv a r i a t i o ni s c l e a rs e e nf o re s t i m a t i o n sa t l a t i t u d e sn e a rt h ee q u a t o r f u r t h e rd e t a i l e di n v e s t i g a t i o nr e v e a l st h a tt h em a x i m ao f t h eg w e n e r g yd e n s i t yo c c u rw h e ne q u a t o r i a lz o n a lw i n d sa r ei nt h et r a n s i t i o np h a s e o f t h eq b of r o mt h ee a s t e r l i e st ot h ew e s t e r l i e s w a v e e n e r g yd e n s i t yi sf o u n dt op r o p a g a t eu p w a r d ，a n dt h ed o m i n a n th o r i z o n t a l p r o p a g a t i o nd i r e c t i o ni st o w a r dt h ee a s t z o n a lm o m e n t u mf l u x e se x h i b i tas i m i l a r t e m p o r a lb e h a v i o rt o t h a ts e e r l i nt h eg r a v i t yw a v e e n e r g yd e n s i t y , i n t r i n s i c f r e q u e n c i e sa l eg e n e r a l l yl o wa n di n c r e a s ew i t hi n c r e a s i n gl a t i t u d e ，a n dt h er a t i o s b e t w e e ni n t r i n s i cf r e q u e n c ya n dt h ec o r i o l i sp a r a m e t e ra r e , - - 2 5 3 5 t h er a t i o s d e c r e a s ew i t hl a t i t u d e s l i g h t l y d o m i n a n tv e r t i c a la n dh o r i z o n t a lw a v e l e n g t h s d e c r e a s ew i t hl a t i t u d e t h ev e r t i c a lw a v e l e n g t h sa r ef o u n dt ob el o n g e ri nw i n t e r t h a ni ns u m m e r k e y w o r d ：g r a v i t yw a v e s ，t r o p i c a ll o w e rs t r a t o s p h e r e ，s e a s o n a lv a r i a t i o n ，i n t e r a n n u a i v a r i a t i o n ，q b o 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了黼。 懒名：丝筵 日期：2 碰! 幺。f 壁 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文迸入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名：耋逸盘 e t 期：砧啄。“：z 芝 1 1 中层重力波的重要性 第一章引言 中层大气一般指高度介于1 0 1 0 0 公里的大气层，包括大气分界中的对流层上部、对 流层顶、平流层、中间层及低热层，其主体部分为平流层和中间层。平流层过程对于全球 气候起着重要作用：平流层大气中所含的臭氧通过吸收太阳紫外线调节太阳对于气候的辐 射强迫。一些平流层气体，特别是臭氧、二氧化碳和水汽等决定了平流层的辐射强迫性质， 且使对流层和平流层之间产生动量和能量的耦合【1 】o 为了更好地了解平流层及平流层过程 在气候中的作用，世界气候研究计划组织( w c r p ) 于1 9 9 2 年成立了平流层过程及其在气 候中作用的研究中心( s p a r c ) ，旨在了解平流层对于气候的影响，并预报平流层未来状 况对于对流层一平流层气候系统将具有的影响。s p a r c 数据中心的目的是提供数据，方便 交流和研究。本研究中所用的数据就是从s p a r c 网站上下载的( 由美国n o a a n c d c 提 供) 。 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。在最简单的理 论框架下，大气重力波是一种气团在重力和浮力共同作用下的振荡。研究发现重力波起源 于不同的源，主要有：地形、对流、急流和锋面的地转调整以及切变不稳定等。重力波的 时空尺度高度变化，水平波长从十几到几千千米，周期从几分钟到几天，尺度随不同波源、 个别情况和波在大气中的传播而改变。 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 面起着重要的作用。就目前国际学术界已经取得的认识而言，这些作用可以概要地表述为： 大气重力波是具有垂直传播性质的中小尺度扰动、它们在传播过程中能够在不同高度大气 之间产生能最和动量输送，实现大气各圈层之间的耦合；中层大气中的重力波主要来自对 流层中的一些过程( 如地形效应，强对流性天气过程，伴随显著非地转过程的高空急流的 出口区等) ；在向上传播的过程中，由于与大气密度的平方根成反比。这种扰动的振幅将指 数增大，最终导致其破碎；另外，不同波动之间的非线性相互作用或者波动与背景流之间 1 的相互作用也会导致波动的破碎；更重要的是随着波动发生破碎，其携带的动量将被背景 流截获，从而导致对背景环流的动力强迫；另外，作为一种扰动过程，在其传播过程中， 它们通过影响物质分布( 尤其是那些参与了决定中层大气热力状态的痕量物质) 进而对能 量平衡过程产生作用。 由于重力波对中层大气的重要影响，必须在大气环流模式( g c m ) 加入重力波强迫的 参数化模式，以得到更准确的平均大气环流和温度分布。若要充分理解和模拟波的影响， 需要更多的关于重力波活动的气候学知识，因此，重力波气候特征的研究就显得特别重要。 1 2 国内外研究进展 h i n e s 口1 首次系统地提出利用大气重力波传播及其动力学效应理论来解释发生在中层 大气中的物理现象( 如电离层中的t i n s ，传播性电离层扰动) 。在过去的半个世纪中，一 系列建立在这种理论框架基础上的中层大气动力强迫模型( 参数化方案) 对于人们认识和 理解中层大气环流的基本特征和许多重要现象起着关键的作用。例如，h o l t o n 3 , 4 1 通过建立 一个在现在来看相当简单的参数化方案，利用g c m 模式模拟得到了在定性程度上与观测 结果一致的中层大气平均环流，首次从理论上说明了中层大气环流的性质。从1 9 9 0 年代初 开始，通过在g c m 中引入重力波参数化，国际学术界在模拟赤道平流层纬向风准两年振 荡( q b o ) 现象的研究领域开始取得实质性突破。目前，在几乎所有包括中层大气过程的 g c m 模式中，重力波强迫参数化方案已经是一个必不可少的模式单元。 对于这样的参数化方案，重力波的性质( 主要指下平流层高度) 成为参数化方案的基 本输入，因此相关的研究长期以来一直受到学术界的关注。到目前为止已经有很多种探测 方法和手段来用于平流层重力波的观测研究。包括雷达观测( m u r a y a m a 等口】) ，火箭观测 ( h i r o t a 和n i l d 6 1 ，h a m i l t o nm ，e c k e r m a n n 等f 8 1 ) ，激光雷达观测( h e r t z o g 等 9 】) ，飞机 观测( n a s t r o m 等”q ，j a s p e r s o n 【1 1 】，n a s t r o m 和f r i l l s0 2 1 ) ，卫星观测( w u 和w a t e r s 【1 3 】， t s u d a 等1 1 4 ) 等。a l e x a n d e r 1 s 1 分析了用不同观翱方法得到的g w s 时空变化，认为每一种 观测手段都只能观测到重力波的一部分，即所谓的“观测滤波”。 2 在与此相关的研究工作中，1 9 8 9 年，k i t a m u r a 和h i r o m t l 6 】根据s a w y e r 1 7 】的观点，首 先提出利用高分辨率探空测量数据佰计惯性重力波活动的研究方案。在该方案中可以利用 那些已经积累下来的长期探空资料，且探空观测具有覆盖广、时间长、垂直精度高等优势， 为上对流层和下平流层重力波活动的气候特征研究提供了一个有效的途径。因此，近2 0 年来这种方案已经被许多研究人员采用。例如，a l l e n 和v i n c e n t 1 1 利用澳大剥亚及其附近 区域中位于不同纬度的1 8 个站点高分辨探空资料中的温度测量首先研究了在不同纬度上 平流层上对流层重力波活动及其性质随季节的变化特征。o g i n o 等【1 8 1 利用日本东部地区十 个冬季( 1 9 8 5 - - 1 9 9 5 年) 的观测资料估计了重力波活动的长期变化。v i n c e n t 等【1 9 】利用探 空资料中的温度和风参量研究分析了m a c q u a r i e 岛( 5 5 。s ，1 5 9 。e ) 重力波特性。近年来， w a n g 和g e l l e r 2 0 】以及w a n g 等口1 1 通过利用美国国家海洋大气管理局气候资料中心 ( n o a a n c d c ) 提供大量站点的高分辨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，上对流层重力波活动及其参量长期变化特征。在国内，通过利用北京观象 台以及位于武汉地区站点的高分辨率探空资料，卞建春等以及张绍东和易帆分别研究 了上述两地区上空下平流层重力波活动的特征。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，一矿之间 的惯性重力波。 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q b o 。通过早期l i n d z e n 和h o l m n 2 4 】及h 0 n o i l 和l i n d z e n 的研究以及最近十多 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强迫的作用是驱动赤道 q b o 的主要机制。 近年来，一些对低纬度地区重力波的研究发现，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q b o 密切相关。v m c e n t 和 a l e x a n d e r l 2 6 1 通过分析位于热带印度洋中的c o c o s ( 1 2 。s ，9 7 。e ) 岛观测站近六年( 1 9 9 2 年9 月一1 9 9 8 年6 月) 的高分辨率探空资料发现1 8 2 5 公里高度范围内重力波能量密度除了 表现出季节变化外还有显著的与q b o 周期一致的年际变化特征。在此分析工作基础上， a l e x a n d e r 和v i n c e n t r 2 7 】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 q b o 产生贡献的观点。 w a n g 和g e l l e r l 2 0 】通过利用n o a a n c d c 提供的四年( 1 9 9 8 - - 2 0 0 1 ) 的高分辨探空资 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显 的年际变化，并认为这种变化可能与q b o 的位相转换有关。但是由于资料的时间长度不 够长，他们得到的重力波与q b o 之间关系的结论还有相当程度的不确定性。 i 3 本文研究的主要内容和目的 本文使用美国国家海洋大气管理局气候资料中心( n o a a n c d c ) 提供的长达七年 ( 1 9 9 8 - - 2 0 0 4 ) 的高垂直分辨率探空资料，选取了位于太平洋上的8 个站点，利用与a l l e n 和v m c e n t 【1 】以及n c e n t l l ”等同样的方法研究分析了热带下平流层( 1 8 - - 2 5 1 a n ) 重力波 的长期气候特征。这8 个站点都处于热带太平洋，对流活动频繁。下平流层常年盛行东风， 有短暂的周期性的西风出现。 研究给出了重力波能量密度和主要的重力波参数：垂直和水平波长、固有频率，传播 方向以及水平动量的垂直通量。结果表明，重力波活动具有明显的时空变化：在北半球， 随纬度增加重力波活动减弱，且冬季( 1 2 2 月) 较强而夏季( 6 - 8 月) 较弱。由于重力波 活动的变化，重力波的主要参数也具有一定的时空变化。并且得益于观测的时间长度，本 文还清楚的揭示了近赤道区域( 1 0 n ) 重力波活动呈现显著的类似于q b o 的年际周期性 变化。进一步研究表明，重力波活动的这种年际变化与q b o 是紧密相关的。 本文在w a n g 等f 2 0 1 工作的基础上，借助于更长时间尺度的资料分析了重力波的气候特 征，更清楚地给出了重力波的气候形态，证实了北半球近赤道地区下平流层重力波活动与 赤道q b o 紧密相关，为重力波参数化方案的研究和改进提供了丰富信息。 4 2 1 资料描述 第二章资料和分析方法 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( n o a a n c d c ) 提供的七 年( 从1 9 9 8 年1 月到2 0 0 4 年1 2 月) 的6 s 高垂直分辨率无线电探空资料。这些数据可以 在s p a r c 数据中心的网站( h t t p ：w w w s p a r e s u n y s b e d u ) 上免费得到。资料在被n c d c 存档前经过了二级质量控制，正常情况是每日探测两次( 0 0 ：0 0 u t c ，1 2 ：0 0 u t c ) ，有些天会 有加密探测( 在0 6 ：0 0 u t c 或1 8 ：0 0 u t c 多进行一次或两次探测，每年在其它时间的探测 的次数不超过总探测次数的1 ) 。虽然有时可能会有缺测，但是对于本研究的结果影响不 大。探空资料中每6 s 记录一次大气的温度、气压、相对湿度和探空气球的位置。气球的上 升速度约为5 m s ，因此温度的垂直分辨率约为3 0 m 。水平风速由每6 s 记录的仰角和方位 角计算得到，经平滑处理后其垂直分辨率约为1 5 0 m 2 ”。但是在公开发布的这种资料中， 探测数据是按气球上升的时间记录的，时间间隔为6 s 。 本文研究中使用了位于太平洋上的8 个站点的探空资料。站点的名称和位置见表2 1 和图2 1 ，同时表中还注明了备站点缺少数据的月份这些站点位于热带太平洋，对流活动 频繁，北半球冬季时对流活动更为强烈。站点上空对流层顶位于1 7 1 8 k m 之间，下平流 层( 1 8 - - 2 5 k m ) 一般盛行东风，有短暂的周期性的西风出现，经向风很弱。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2 5 k m 之上的次数占6 0 以上，图2 2 给出了g u a m 站点2 0 0 3 年1 1 月1 1 日- - 2 1 日的探空资料得到的原始温度廓线，从图中可 以看出大部分探空高度超过2 5 k m ，对流层顶约位于1 7 5 k m 。 r 。1 。+ 。 l 图2 1 本文所研究的站点的所在位置l l 表2 1 本文所研究的站点名称和位置以及缺少数据的月份 圈2 22 0 0 3 年1 1 月1 i 臼- - 2 i 目g u a m 站点的原始温度廓线f 2 2 分析方法 本文的研究工作是利用澳大利亚a d e l a i d e 大学r o b e r tv i n c e n t 教授( 陈泽宇老师与 v m c e n t 个人通信) 提供的分析程序完成的。该分析程序是a l l e n 和v i n c e n t 1 】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， 并在随后开展的同类研究工作中逐渐改进后形成的一个程序包。近年来，w a n g 等2 0 , 2 1 l 也使 用这种方法借助于美犀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其它参 数的时空变化特征。 此分析程序是建立在f r i t t s 和v a n z a n d t 重力波参数化方案 2 9 3 1 的基础之上的。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： 垂直和水平波长，固有频率，水平和垂直传播方向，重力波的主要谱参数以及水平动量的 垂直通量。 2 2 1 重力波扰动的提取 本文利用与a l l e n 和v h a c e n t 1 l 以及v i n c e n t 1 晕】等相同的方法从原始探空廓线中提取重力 波扰动。在本研究工作中，参照a l l e n 和v i n c e n t 的建议，考虑到对流层顶和探空高度，在 热带地区选取1 8 - - 2 5 1 a n 高度范围作为下平流层范围，在此高度范围内b r u n t v a i s a l a 频率 几乎不随高度变化。对于该高度范围中的探空资料，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) 。由于数据是按等时间间隔而不是等高度间隔记录的， 对于那些可以利用的探空廓线，为了计算的方便，我们对数据在垂直方向上进行了等间隔 插值。利用三次样条方法将温度和水平风速插值到垂直间隔为5 0 m 的标准高度上( 例如， r 表示插值到上述标准高度上的温度) ，然后使用二次多项式拟合的方法建立背景廓线( 例 如，于表示背景温度) ，相对于这个背景廓线的偏差被认为是代表了重力波产生的扰动( 例 如，= r f ) 。水平风扰动廓线“7 和v 也是按照同样方法提取出来的。另外，上述背 6 景温度廓线及其相应扰动部分被用来建立归一化温度扰动于，即于r = t 于，关于重力波 能量和谱的分析中使用了该变量。 a l l e n 和v i n c e n t1 1 】以及v m c e n t 和a l e x a n d e r 硎的工作中也使用了二次多项式拟合的方 法从探空廓线中提取重力波扰动。但是，v m c e n t 1 9 1 等对探空的风和温度廓线进行三次多项 式拟合建立背景场；e e k e r m a n n f 8 】等和t s u d a i “1 等使用1 0 k i n 域值的高通滤波从火箭数据和 g p s m e t 温度参量中提取重力波扰动；n a s t r o m l 3 2 增以及n a s 订o m 和v a n z a n d t 发现线性 拟合的方法对于他们的研究目的来说已经足够。 本文在确定背景廓线时尝试了使用二次拟合和三次拟合方案，结果表明这两种方法所 得到的重力波参数除了在大小上略有不同外，它们的时间变化趋势是一致的。图2 3 为2 0 0 4 年8 月3 日1 2 时的水平风和温度的原始廓线以及二次拟合与三次拟合的背景廓线。从图中 可以看出，三次拟合得到的扰动量要比二次拟合稍小，对于温度来说，这两种方法得到的 扰动量几乎没有区别。结合以前的研究，本文主要采用二次拟合的方法提取扰动量，文中 以后的内容如果不特别说明都是二次拟合的结果。 图2 4 给出了t r u k 站点2 0 0 4 年8 月3 日1 2 时的资料经二次拟合得到的各扰动量的垂 直廓线，右下图的水平风扰动矢量( “，v ) 随高度顺时针旋转，表明重力波能量主要向 上传播。在平流层，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 赢波长较短、周期较长的惯性重力波。 这里应该注意的是重力波本身具有很宽的波段，在我们进行探空资料的分析中，只有 垂直波长在o 1 7 h n 之间的重力波才有可能被探空观测到，这就是a l e x a n d e r 所提到的 观测滤波。此外，提取扰动的方法不同可能也会在一定程度上影响所得的结果。在与其它 方法的研究结果比较时应该考虑到这些问题。 圈2 3t r u k 站点2 0 0 4 年8 月3 日1 2 时的温度和风的原始廓线以及拟舍廓线 7 2 2 2f r i t t s 和v a n z a n d t 参数化方案 1 9 8 2 年，v a n z a n d t t 3 4 】幂0 用当时海洋学研究中关于海洋重力波观测结果中发现的谱特 征，综合研究了当时通过不同手段获得的在不同高度上大气变量的扰动谱，并提出了“普适” 谱的概念。f r i t t s 和v a n z a n d t r z ”、f r i t t s 和l u f 3 。】以及l u 和f r i t t s t 3 1 】在“普适，诸的理论上提出 了一种重力波参数化方案( 以下称为f v 9 3 方案) ，分析重力波对大气平均状态的影响。他 们得到的垂直波数功率谱和固有频率功率谱与观测的结果很好地吻合。在f v 9 3 方案中， 假设总能量谱e ，0 2 ，庐) 作为垂直波数m 、固有频率彩和传播的方位角庐的函数具有可分 离变量的性质。 e ，o ，庐) = e 。a ) b ) 西 ) ( 2 i ) 其中 一( ) = 4 0 。，( 1 + 抖) ( 2 2 ) 使用了d e s a u b i e s 谱假设9 ”，其中，卢= m m 。为归一化垂直波数( m = 2 ：, r 2 ：，以 为垂直波长，m 为特征垂直波数) ，j 和t 为d e s a u b i e s 谱参数，分别表示垂直波数谱的低 波数部分和高波数部分的斜率，且有 f j 国( 庐) d = 1 口( 缈) = b o o ( 2 3 ) e o 为单位质量的总的重力波能量，即重力波能量密度。e 。的定义为： 岛= 三( + 矿+ 矿+ 譬) c z 。) p 表示固有频率谱的斜率，可由月平均的重力波动能密度和势能密度的比尬p e 得 到，( ) 取决于水平传播方位角的分布，a 。、b 。是由4 ( ) 、b 佃) 以及中( ) 的归一 化限制定义的，参数s 、t 、p 是与实际观测所得的功率谱的斜率比较得到的，在以往的 研究中它们的值分别约为1 、3 和5 ，3 。 在a l l e n 和v i n c e n t b i 的工作中，因为只使用了探空温度，所以他们利用重力波的极化 关系和f v 9 3 的谱模式推算出重力波的总能量密度 耻等去f 眨s ， 其中， 风= 。一1 矿。训【1 一( 专) ”1 _ 1 巳= 告并一等， s ， 其中，厂= ，n ，p 为f v 9 3 参数化方案中的参数，a l l e n 和v i n c e n t 取值5 3 。但是 本文中计算得到的p 一般都与5 3 有一定偏差，且随季节和纬度变化，因此这样得到的总 2 2 3 分析程序介绍 在a l i e n 和v i n e s n t 的研究中【l 】，只使用了归一化温度扰动量于，通过分析方法，借助 于经典重力波谱特征，推导出了重力波能量密度。后来v i n c e n t 等【1 9 1 进一步利用探空资料 中的水平风速参量来推导其它重力波参数，如，垂直和水平波长，传播方向等，还能得到 重力波水平动量的垂直通量。在这些工作的基础上，他们建立了一整套利用探空资料进行 重力波研究的分析方法，主要计算下面的重力波参数 ( i ) 能量密度作为重力波总能量组成部分的重力波动能和势能密度分别用下式计算： k e ：烈 “r2 。+ 万) ( 2 7 ) p e ：蔓f 2 2 ( 2 8 ) “和v ，是利用上述标准高度廓线计算得到的水平风速扰动量，于r 为上述归一化温度 扰动变量，g 表示重力加速度，为b 眦t 蛐a l a 频率( 2 = 善警) ，本文中是用 9 探空资料直接计算得到的。公式中的上划线表示1 8 2 5 k i n 高度内的平均，( 1 ) 式中动能 的计算没有考虑垂直方向风扰动量的贡献。 ( i i ) 波长重力波的垂直波长可由垂直波数功率谱估计得到。本文计算垂直波长时使 用了归一化温度扰动的垂直波数谱，对归一化温度扰动量进行f f t 变换等一些处理后得到 归一化温度扰动垂直波数功率谱，估计得到重力波的主要垂直波数，然后利用t = 2 打m ， 得到垂直波长以。 重力波的水平波长为矗= 2 石k h ，k 为水平波数，可以通过重力波色散关系得到： ( 国2 一厂2 ) 埘2 = n2 k 2 ( 2 9 ) 其中，为c o r i o l i s 参数，为重力波固有频率 ( 1 i d 固有频率重力波固有频率可以通过重力波偏振椭圆( 即水平风扰动量矢端 椭圆) 的长短轴之比( 正j 及) 与之间的关系得到。根据单色波理论，国f 与正￥露 之间有如下关系口l 】【”1 ， 艘：巴一一1 到 ( 2 ，】o ) i 厂出l 听是重力波水平传播时水平风速随之产生的变化 巧= u c o s 一v s i n 妒 ( 2 1 1 ) 西是重力波水平传播方向( 垂直向北为0 度，自北顺时针旋转) ，a x r 可由s t o k e s 参 数计算出来口6 , 3 7 。假设水平风扰动垂直廓线具有部分偏撮的性质，即有 ”= u c o s ( 0 9 t + 西) ，v = v c o s ( 0 9 f + 暖) ，占= 4 一巧2 ( 2 1 2 ) v i n c e n t 等人 3 8 , 4 0 1 定义了四个s t o k e s 参数： ，：泸+ 尹，d ；泸一一v 2 ，p ：2 u v c o s 8 ，q ：2 u v s i n 6 ( 2 1 3 ) 位相占定义波的偏心率，占= 0 。或1 8 0 。时，为线性偏振( q = o ) ；占= 9 0 。或2 7 0 。时，为圆 偏振泸= o ) ；中间值表示椭圆偏振。p 表示同相协方差，与线性偏振有关；q 表示交协方 差，与圆偏振有关；，表示总方差，d 表示各向异性。 那么偏振椭圆的长短轴大小为； - 2 - f 矿万而 ( 2 1 4 ) 正j 尔即为偏振椭圆的长短轴之比0 2 1 如。 ( i v ) 传播方向重力波的水平传播方向可由温度和水平风扰动结合起来可以得到。 根据线性重力波理论，风扰动矢量椭圆的长轴沿着重力波水平传播的方向。利用s t o k e s 参 数技术可以计算出风扰动椭圆的方向，但是这样得到的重力波水平传播方向存在1 8 0 。的不 确定性。可以通过比较风扰动量平行于椭圆长轴的部分u 和温度扰动r 的相位符号来去 除。根据重力波极化关系，u 和t 的相位应该相差9 0 度。实际上，计算u 7 的符号以 消除不确定性，2 是 珏l b e 破换得到的。 重力波垂直传播方向可以通过旋转谱方法用风扰动参量得到。根据线性重力波理论h ”， c o r i o l i s 力影响使得在北半球与向上传播( 向下传播) 的重力波相对应的风扰动矢量随高度 顺时针( 逆时针) 旋转。旋转谱技术9 可以将风扰动矢量场分解为逆时针( a w ) 和顺时 针( c w ) 分量。在北半球，重力波能量上传的部分( f u p ) 可以简单地认为是c w 与( c w + a w ) 的比值，但是这种方法可能会使估计得到的f u p 偏小，因为旋转谱技术假设向上和 向下传播是圆极化的，此假设将一个向上传播的波分成向上传播的部分( 1 + 厂c o ) 2 和向 下传播的部分( 1 一，) 2 。当国远远大于，时，此种方法将会使得到的能量上传的比例 严重偏小。但是对本文研究来说，因为国一般在2 0 - - 3 黟之闻，所以这种方法得到的结 果是有意义的。 乱 ( v ) 动量通量将温度扰动和水平扰动结合起来可以得到重力波水平动量的垂直通 量，对于一个单频的重力波来说，由“、v 和r 之间的极化关系可得到重力波水平动量 的垂直通量。纬向动量的向上通量为： p u v v 8 ( 。0 一p 寺 洲z 9 0 。) ( 2 1 5 ) 其中，定9 0 是对归一化温度扰动进行h i l b e r c 变换的结果，且t ( 。) = ( 1 - f2 缈2 ) ，实 际上我们所处理的是具有一定谱段的重力波，当日( 掰) = b o 甜关系存在时，则c 0 6 _ fm 1 可 用谱平均的固有频率石来代替， 石= 净p 川( 1 矿)( 2 一) 。 、。 其中，= f n ，p 2 。 同样，经向动盘的向上通量为： ( 2 1 6 ) 一c r p v w 正( 。) = 一p 知刚o 厶m ) ( 2 1 7 ) 在本文研究中，p 按以往的理论选择为5 ，3 ，实际本文研究得到的k e p e 的比值约为 1 4 4 ，且具有一定的季节变化。此外，将单频重力波的理论用于分析叠加的具有一定谱段 的重力波时也会有一定的误差。 3 1 简介 第三章重力波能量密度的时空变化 重力波能量密度表征重力波活动的强弱，以前的研究发现下平流层的重力波活动存在 明显的时空变化。1 9 9 5 年，a l l e n 和v i n c e n t 1 ) 用a u s t r a l i a1 8 个站点探空资料研究重力波的 气候特征时发现在南半球重力波活动呈现季节变化和空间变化，具体表现为：随纬度增加 重力波活动减弱，但是季节变化则较复杂一些，低纬度( 3 0 。s ) 则是冬季( 6 - - 8 月) 重力波 活动强夏季( 1 2 - - 2 月) 较弱；2 0 3 0 。s 为过渡地带，之后的研究 1 9 , z 6 1 同样证实了这个观 点。另有研究发现北半球下平流层的重力波强度也呈现明显的季节变化和随纬度变化的趋 势。w a n g 等 2 0 , 2 h 通过利用n o a a n c d c 提供的大量站点的高分辨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上对流层重力波活动及其参量长期变化特征，纬 度跨度约6 5 度( 从6 9 7 n - - 7 i 3 n ) 。结果表明北半球下平流层的重力波活动具有显著的 冬季强夏季弱的季节变化，且随着纬度的增加而减弱。 本文利用第一章中提到的8 个站点的探空资料来研究热带地区重力波活动的季节变化 ( 其中p a g o 站位于南半球，与其它站的情况分开考虑) ，得到与以前研究同样的结论。在 北半球随纬度增加重力波强度减弱，冬季比夏季活跃，低纬度地区除季节变化外还有显著 的年际变化，且这种年际变化与赤道q b o 紧密相关。 3 2 能量密度的季节变化 圈3 1 给出了1 9 9 8 - 2 0 0 4 年北半球不同纬度月平均的重力波总能量密度的等值线图 ( 由t r u k 、y a p 、g u a m 和l i h u e4 个站点的重力波总能量插值得到) ，从圈中可以看出重力 波总能量具有明显的季节变化，总是冬季( 1 2 月一2 月) ( d f ) 大，夏季( 6 月一8 月) ( j j a ) 小。图3 2 进一步给出了各个站点7 年平均的重力波总能量密度的变化曲线，图3 2 ( a ) 和图3 2 ( b ) 分别为t r u k 、y a p 、g u a m 和l i h u e 四个站点以及k o m r 、t r u k 、p o n a p e 和 】3 m a j u r o 四个站点的重力波总能量密度的季节变化曲线。从图中可以更加明确地看出，每个 站点得到的重力波总能量都表现出一致的冬季大而夏季小的季节变化趋势，且d j f 时的总 能量比j l a 要平均高出4 0 - - 7 0 。 i 图3 11 9 9 8 2 0 0 4 年月平均的重力波总能量密度随纬度变化的等值线图l i 图3 2 不同站点7 年平均的重力波总能量密度随月份的变化曲线i 本文研究还发现，重力波能量的组成部分动能和势能也具有与总能量相同的季节变化 特征，其中动能的季节变化特征更加突出，d j f 时要比j j a 时平均高出7 0 以上。图3 3 和图3 4 为1 9 9 8 2 0 0 4 年不同纬度月平均的重力波动能和势能密度的等值线圈，从图中可 明显看出，动能和势能密度都具有冬季大夏季小的季节变化性质。 l 图3 31 9 9 8 2 0 0 4 年月平均的重力波动能密度随纬度变化的等值线图l l 图3 41 9 9 8 - 2 0 0 4 年月平均的重力波势能密度随纬度变化的等值线图1 这7 个站点都位于太平洋上，周围基本全是洋面，地形比较单一。这些地区对流活动 频繁，常年盛行东风，经向风很弱。冬季时由于北半球西风带向南扩展使得对流活动更为 强烈，对流作为热带地区下平流层重力波的主要源，其季节变化是重力波活动季节变化的 主要原因。 图3 5 给出p a g o 站点月平均的重力波能量密度的时间变化曲线。从图可见，能量的季 节变化不如北半球的那些站点明显，但是7 年平均后的季节变化却很清楚( 如图3 6 ) ，1 2 月一6 月重力波的能量密度比7 月一1 2 月要大。此站点资料所得到的熏力波季节变化的不 显著可能与南半球不同纬度季节变化的趋势存在转变有关，以前的研究表明南半球低纬度 和中高纬的重力波活动的季节变化具有反位相的关系1 1 i 。 1 4 3 3 能量密度的年际变化 很多研究已经证实赤道区域的重力波活动具有准两年振荡的特点，且重力波的强迫作 用是驱动赤道q b o 的主要机制。s a t o 等”2 悃s i n g a p o r e ( i n ，1 4 0 6 e ) 1 9 7 8 1 9 9 3 年的探 空资料研究分析得到，风和温度扰动当q b o 由东风位相向西风( 2 0 - - 2 4 5 k m ) 位相转变 时增强。v m c e n t 和a l e x a n d e r 2 8 发现南半球低纬度地区下平流层重力波活动具有与q b o 周期一致的年际变化，本文研究中发现在北半球热带近赤道区域下平流层的重力波活动也 有类似的变化特性。 由圈3 1 、图3 3 和图3 4 看来，可见在北半球热带低纬度地区，下平流层重力波活动 除了季节变化外还表现出若干年尺度的准周期性变化。例如在1 9 9 8 1 9 9 9 、2 0 0 1 - - 2 0 0 2 和2 0 0 3 - - 2 0 0 4 年的冬季重力波总能量密度以及动能和势能密度均显示出显著的极大值。为 了更清楚地说明重力波能量的年际变化，图3 7 给出了所研究的8 个站点1 9 9 8 - - 2 0 0 4 年月 平均的重力波总能量密度，从图中可以看出，在北半球1 5 n 以南，重力波能量具有明显 的年际变化( 其中p o n a p e 站点1 9 9 7 1 9 9 8 年冬季重力波能量也有明显增加，这将在后面说 明) 。这种长期的变化形式在w a n g 等的研究中也曾经被提至过。他们利用1 9 9 8 2 0 0 1 年间美国各站点的探空观测资料进行分析后发现西北太平洋上低纬度区域下平流层重力波 能量密度在1 9 9 8 1 9 9 9 和2 0 0 1 2 0 0 2 年冬季均出现明显增加，并认为重力波能量密度的年 际变化可能与q b o 的位相转变有关。但是由于他们所用资料的时间长度不够长( 以至于 后来在w a n g 等0 1 1 的工作中认为重力波能量密度的年际变化周期约为3 年) ，也没有深入研 究重力波活动与赤道q b o 之间的相关性。 i 图3 71 9 9 8 - 2 0 0 4 年各个站点的月平均重力波总能量密度变化曲线国l 在本研究工作中，借助长达7 年的资料，进一步分析了图3 1 所示的长周期变化与赤 道q b o 之问的关系，结果显示这二者之间存在高度的一致性。这里以t r u k 站点为例进行 深入分析研究。图3 8 给出了由探空资料得到1 9 9 8 - - 2 0 0 4 年t r u k 站点1 8 - - 2 5 k m 高度内纬 向风场( 上) 和纬向风距平场( 中) 的等值线图( 距平场由纬向风场减去7 年平均的纬向 风得到) 以及重力波能量密度( 下) 的变化曲线。从图中可以发现，2 5 k i n 左右高度出现 】5