基于COSMIC_RO数据...原下平流层重力波的活动特征_高雨.pdf

收稿日期:2022 08 16;修订日期:2022 11 22作者简介:高雨(1998)，男，硕士，主要从事 GNSS 气象学的研究。基金项目:国家自然科学基金项目(41904031，42061077，41806114);江西省自然科学基金项目(20202BABL213033，20202ACBL214019);大地测量与地球动力学国家重点实验室开放基金项目(SKLGED2021 2 2);江西省数字国土重点实验室开放基金项目(DLLJ201905);东华理工大学博士启动基金项目(DHBK2018006);江西省研究生创新基金项目(YC2021 S615)。*通信作者:陈志平(1988)，男，博士，讲师，主要从事 GNSS 气象学、ENSO 大气动力学、大气探测等方向的研究。E mail:zhpchen ecut edu cn。第 41 卷第 1 期2023 年 2 月江西科学JIANGXISCIENCEVol 41 No 1Feb 2023doi:1013990/j issn1001 3679 202301016基于 COSMIC O 数据分析青藏高原下平流层重力波的活动特征高雨1，陈志平1，2*(1 东华理工大学测绘工程学院，330013，南昌;2 自然资源部环鄱阳湖区域矿山环境监测与治理重点实验室，330013，南昌)摘要:重力波的传播及其动力学效应对下平流层的大气环流具有重要影响，通过高时空分辨率的观测资料获取下平流层重力波的相关参数，有利于提高大气循环模式的预报精度和可靠性。利用 2006 年 8 月至 2016 年7 月 COSMIC(the Constellation Observing System for Meteorology，Ionosphere，and Climate)掩星(adio Occulta-tion，O)任务反演的干温廓线，通过 S 变换，纬向滤波等处理，提取表征重力波活动的参数 势能。以此分析了青藏高原重力波的垂直分布特征和空间分布特征。青藏高原上空的重力波势能存在明显的先减小后增大的垂直分布。对流层顶以下的势能因较小的浮力频率而异常较大;在对流层顶至 0 风场线，强西风促进重力波的向上传播，势能值相对较大;0 风场线对地形激发的准静态重力波存在过滤作用，势能值在 0 风场线处急剧减小;36 km 以上的重力波势能受到强西风的影响而异常增大。青藏高原下平流层的重力波活动有明显的季节变化，重力波活动在冬季较强，夏季较弱。在 18 20 km、20 22 km 高度，重力波势能的分布在春季、夏季、秋季相似。在冬季，在 18 20 km 高度，势能的分布更集中，势能值更大，该现象主要存在高原东南部。高原边缘存在重力波势能较大的区域，这可能与重力波激发时的地形和背景风有关。关键词:重力波;COSMIC 掩星;青藏高原;活动特征中图分类号:P405文献标识码:A文章编号:1001 3679(2023)01 087 07Analysis of Activity Characteristics of Lower StratosphericGravity Waves over the Qinghai Tibet PlateauBased on COSMIC O ObservationsGAO Yu1，CHEN Zhiping1，2*(1 Faculty of Geomatics，East China University of Technology，330013，Nanchang，PC;2 Key Laboratory of Mine Environmental Monitoring and Improving around Poyang Lake，Ministry of Natural esource，330013，Nanchang，PC)Abstract:The propagation and dynamic effect of Gravity wave(GW)have an important influence onthe atmospheric circulation in the lower stratosphere It is beneficial to improve the prediction accu-racy and reliability of atmospheric circulation model to obtain the relevant parameters of GW in thelower stratosphere through high spatial and temporal resolution observations In this paper，the drytemperature profile retrieved from COSMIC(the Constellation Observing System for Meteorology，I-onosphere，and Climate)adio Occultation mission from August 2006 to July 2016 was used to ex-tract GW potential energy(Ep)through S transformation，zonal filtering and other processingThe vertical and spatial distribution characteristics of GWs over the Qinghai Tibet Plateau(TP)were analyzed The GW Ep over the TP has an obvious vertical distribution，which decreases firstand then increases The Ep below the tropopause is large due to the small Brunt Visl frequen-cy In the tropopause to zero speed wind，the strong westerly wind promotes the upward propagationof GWs，and the Ep value is relatively large The zero speed wind filters the quasi static GW ex-cited by the topography，and the Ep decreases sharply at the zero speed wind The GW Ep above 36km is abnormally increased by the strong westerly wind The GW activity in the stratosphere over TPhas obvious seasonal variation，and the GW activity is stronger in winter and weaker in summer Atthe height of 18 20 km and 20 22 km，the distribution of GW Ep is similar in spring，summerand autumn In winter，the Ep distribution is more concentrated at 18 20 km And the Ep value islarger，which mainly exists in the southeast of TP At the edge of TP，the GW Ep is relatively large，which may be related to the topography and background wind when GWs are excitedKey words:gravity wave;COSMIC O;Qinghai Tibet Plateau;active character0引言重力波作为最基本的大气运动之一，对中层大气的动力学、热力学结构具有重要影响1 3。目前普遍认为中层大气重力波的激发主要发生在对流层和下平流层(troposphere and lower strato-sphere，TLS)，TLS 激发的重力波在上传过程中将能量和动量从一个大气层转移到另一个大气层4，实现了低层和高层大气的耦合5。考虑到重力波的传播及其动力学效应在决定中层大气环流基本性质方面的重要作用6 7，必须将重力波参数引入到大气循环模式(Global CirculationModels，GCMs)中，以提高模式的预报精度和可靠性。下平流层作为重力波活动的重要高度层，通过长期的观测资料获取下平流层重力波的相关参数，这对研究和改进重力波参数方案具有重要意义。随着美国国防部与中国台湾省合作发射的COSMIC(the Constellation Observing System forMeteorology，Ionosphere，and Climate)无线电掩星(O，adio Occultation)任务的成功实施，低地球轨道卫星 GPS O 逐渐成为探测大气重力波的主要手段。相对于无线电探空观测8 9、雷达观测10、激光雷达观测11、飞机观测12，GPS O技术提供的大气参数廓线具有全球覆盖、全天候、长期稳定、高垂直分辨率等特点13。如 COSMIC卫星提供的数据其垂直分辨率在平流层约为1 km，在低对流层约为 100 m，水平分辨率为 100200 km，温度廓线的精度约为 0 5 K14，因此可用于重力波的提取。目前，很多学者致力于全球尺度内重力波活动的研究15 16，而对特殊区域的重力波研究相对较少。被称为“世界屋脊”的青藏高原，东西走向全长约 2 800 km，是世界上地形最复杂的地区之一，这使其不仅对大气运动产生机械屏障作用，同时还作为热源与其周围的自由大气存在热量交换17，徐晓华等18 指出青藏高原可能存在着许多重力波波源。故对青藏高原重力波活动特征的分析尤为重要，通过对青藏高原这种大地形区域的重力波活动特征研究，可以加深对地形波活动的认识，这对改进相关的地形波模型具有重要意义，如用于判断卫星数据中观测到的波是否为地形波的气象研究与预报模式19(Weather e-search and Forecasting，WF)。本文利用 2006 年8 月至 2016 年 7 月 COSMIC 卫星提供的干温廓线，提取青藏高原下平流层近 10 年的重力波参数并分析其活动特征。88江西科学2023 年第 41 卷1数据与方法1 1GPS 无线电掩星数据本文利用 COSMIC 数据分析和存储中心(COSMICDataAnalysisandArchiveCenter，CDAAC)(https:/data cosmic ucar edu/gnss ro/)提供的 COSMIC O 任务的干温廓线，提取该地区的重力波。图 1 为 COSMIC 卫星在青藏高原地区(25 41N，73 105E)提供的 O 事件数目，从图 1 可知，卫星从发射到进入设计轨道期间及卫星达到预计的使用寿命后，提供的 O 事件数目相对较少。本文根据 COSMIC 的稳定运行时间及提供的 O 事件数目，选择 2006 年 8 月至 2017年 6 月的掩星数据进行青藏高原重力波的研究。图 12006 年 5 月至 2020 年 4 月青藏高原地区(25 41N，73 105E)COSMIC O 任务的掩星事件数目1 2重力波的提取重力波能量包括势能(Potential Energy，Ep)与动能(Kinetic Energy，Ek)，由重力波线性理论可知，重力波势能与动能之比为常数20。梁晨等15 指出重力波 Ep 能够很好地表征重力波的活动强度。因此，本文利用 COSMIC 提供的干温廓线，通过式(1)、式(2)、式(3)计算 GW Ep:Ep=12g()N2T?()T2(1)N2=gTTz+gC()p(2)T=T T(3)式(1)中:g 为重力加速度，N 为浮力频率，T为重力波引起的扰动温度(K)，T为背景温度(K);式(2)中:Cp表示等压热熔，g/Cp=98 103K/m表示绝热温度直降率，z 表示高度(m)，式(3)中T 表示实际温度(K)。重力波线性理论将实际观测的大气温度分解成背景温度和重力波引起的扰动温度两部分，由式(1)、式(2)和式(3)可知，获取重力波 Ep 的关键在提取由重力波引起的扰动温度。徐晓华等18 指出对温度廓线进行水平方向的滤波，得到的扰动温度中可以较好地排除其他大尺度波的影响21。故本文拟采用该方法提取扰动温度，并在此基础上反演重力波 Ep22。具体步骤如下。1)将各卫星在青藏高原地区(25 41N，73 105E)的单日温度廓线进行 5 5的经纬度划分，求取各格网的平均温度廓线。在垂直方向上，对平均温度廓线进行等间距线性内插，分辨率为 0 2 km。2)对格网平均温度廓线在水平方向进行 S变换，将 S 变换得到的时频信息进行 0 6 纬向波数滤波，去除高频信息，然后将滤波后的时频信息进行 S 逆变换，得到背景温度廓线23。3)根据重力波线性理论，将实际温度廓线与背景温度廓线求差，获得扰动温度廓线，进而利用式(1)、式(2)求出 GW Ep。图 2 是以 COSMIC 卫星一次 O 事件为例(经度:98 1961E，纬度:28 2133N)为例，利用上述步骤获取的背景温度、扰动温度、浮力频率和重力波 Ep。图 2(a)中实际温度和背景温度均呈现出先减小后增大的趋势，温度发生趋势转变的高度(17 km)即为对流层顶的高度 21。值得注意的是对流层顶以下异常较大的 Ep 值(图 2(d)可能与异常较小的浮力频率有关(图2(c)15。2结果与讨论2 1GW Ep 的垂直分布图 3 是 2006 年 8 月至 2016 年 7 月青藏高原地区逐月 GW Ep 均值在 8 38 km 随高度的变化。由图 3 可知，青藏高原地区的 GW Ep、对流98第 1 期高雨等:基于 COSMIC O 数据分析青藏高原下平流层重力波的活动特征(a)原始温度和背景温度廓线(C0012006 274 21 11 G19);(b)扰动温度廓线;(c)浮力频率廓线;(d)GW Ep 剖面图图 2提取重力波 Ep 的处理步骤层顶和纬向风存在明显的周期变化。在同一高度，每年的 11 月至次年 3 月，背景风为西风，Ep值在 1 月份左右达到最大;每年的 59 月，背景风为东风或较弱西风，Ep 值较小，在 8 月份左右达到最小24。对流层顶高度的变化由许多复杂的物理机制引起25，Zhang 等26 以 10为间隔将地球划分为 18 个非重叠纬度带，发现 18 个纬度带中对流层顶高度变化的总体趋势不同，在北半球的中高纬地区，对流层顶高度呈现出夏季高、冬季低的特点，这与图 3 所呈现的现象一致。红色实心点表示温度递减率对流顶(Lapse ate Tropo-pause，LT)、黑色实线表示西风、;黑色虚线表示东风、实线代表 0 风场线，纬向风数据由 ECMWF(https:/appsecmwf int/datasets/data/)提供图 32006 年 8 月至 2016 年 7 月的青藏高原8 38 km 高度逐月 Ep 均值分布图青藏高原的 GW Ep 存在明显的先减小后增大的垂直分布。对流层顶以下高度层的 GW Ep因异常小的浮力频率而异常变大15。在对流层顶以上至 0 风场线的高度层中，Ep 值因重力波上传过程中发生的耗散作用而逐渐减弱，但强西风促进重力波的向上传播，Ep 值整体较大。在每年的 59 月会出现纬向风风向的反转，反转发生在16 km 以上高度。风向反转时，0 风场线处的 Ep值急剧减小，这是因临界高度处背景风场对重力波产生了过滤作用，一些由地形引起的准静态重力波会达到临界高度而被过滤1，这说明青藏高原地区存在由地形激发的地形波。在 20 36 km高度层，纬向风主要为东风和较弱西风，Ep 值整体较小。36 km 以上高度的 Ep 值突然增大，Hindley 等27 认为这是因为 COSMIC 等卫星无法探测到对流层周围产生的垂直波长较短的非地形波，随高度增加而增强的西风促使该部分重力波的垂直波长变长，在36 km 以上高度，该部分重力波恰好被 COSMIC 等卫星探测到。从上述分析可知，青藏高原这种显著的垂直分布特征主要是由地形波在 0 风场线处的滤波导致。全球尺度下的重力波包括各种除地形波以外的其他重力波，因此，其垂直分布不会像存在强烈地形波活动的青藏高原明显。此外，青藏高原这种特殊区域的重力波的研究可以改进 GCMs 模型中地形波相关的参数化方案，有利于提高该模型的精度和可靠性。2 2GW Ep 的空间分布在已有对全球尺度下重力波空间分布的分析中，主要集中在介绍全球重力波的热点地区，而缺少对青藏高原这种大地形区域重力波的具体研究。目前，对青藏高原地区重力波空间分布的分析仍相对较少，对重力波活跃区域的位置不够清楚。图4 和图5 分别画出了青藏高原地区 2006 年8 月至2016 年7 月春、夏、秋、冬各季节18 20 km，20 22 km 高度 GW Ep 季节均值的空间分布。从图 4 和图 5 中可以看出 18 20 km、20 22 km高度的 Ep 值存在明显的季节变化，冬季的 Ep 值相对于春季、夏季、秋季较大，这说明青藏高原的重力波活动在冬季较为活跃。对比图 4、图 5 可发现，18 20 km 的 Ep 值相对于 20 22 km 整体较大，说明 18 20 km 的重力波活动较为活跃，这与图 3 中的现象一致。18 20 km、20 22 km 高度的 Ep 季节均值的空间分布在春季、夏季、秋季09江西科学2023 年第 41 卷相似。在冬季，18 20 km 高度 Ep 的分布较20 22 km 集中，Ep 值更大，该现象主要存在青藏高原东南部。从图 5 可知，这是由于0 风场线对地形激发的重力波产生了过滤作用，表明了 18 20 km青藏高原东南部较大的 GW Ep 主要是地形激发的地形波。值得注意的是，在 18 20 km、20 22 km的各季节中，青藏高原边缘处均存在较大的 Ep值，且该现象在冬季较为明显，徐晓华等18 认为这应该与高原边缘急剧的地形变化和地表风速有关，山脉对大气环流产生了机械阻挡作用，促进了重力波的产生。值得注意的是在 18 20 km 高度的夏季，高原的西南部存在 GW Ep 较大的区域，因青藏高原本身作为热源和周围大气存在着热量交换17，通过高原大陆对大气的加热作用，加剧了高原上空热量和水汽的传递，该过程中的对流活动在一定程度上促进了大气重力波的产生18，这可能是造成高原东南部 GW Ep 局部较大的原因，这也说明了青藏高原可能存在除地形以外的波源。图 4青藏高原地区 2006 年 8 月至 2016 年 7 月春、夏、秋、冬各季节 18 20 km 高度 GW Ep 季节均值的空间分布图 5青藏高原地区 2006 年 8 月至 2016 年 7 月春、夏、秋、冬各季节 20 22 km 高度 GW Ep 季节均值的空间分布19第 1 期高雨等:基于 COSMIC O 数据分析青藏高原下平流层重力波的活动特征3结论本文利用 CDAAC 提供的 2006 年 8 月至2016 年 7 月 COSMIC O 任务的干温廓线，通过 S变换，纬向滤波等处理，提取了青藏高原近 10 年的重力波势能(GW Ep)，并以此分析了青藏高原GW Ep 的垂直分布和空间分布。分析结果如下。1)青藏高原上空的纬向风、对流层顶、GWEp 存在周期性变化。在同一高度，每年的 11 月至次年 3 月，Ep 值较大。青藏高原的 GW Ep 存在明显的先减小后增大的垂直分布。对流层顶以下高度，GW Ep 因较小的浮力频率而异常增大;在对流层顶至 0 风场线，GW Ep 主要因向上传播过程中的能量耗散而逐渐减小;在 0 风场线(16 km)以上，59 月出现风向反转，GW Ep 在 0风场线附近突然减小，在没有风向反转的月份，GW Ep 在较弱的西风下向上传播，Ep 值也相对较小。36 km 以上高度，GW Ep 受西风的影响异常增大。2)青藏高原下平流层的重力波活动有明显的季节变化，重力波活动在冬季较强，夏季较弱。18 20 km、20 22 km 高度 GW Ep 的分布在春季、夏季、秋季相似。在冬季，18 20 km 的 GWEp 分布更集中，Ep 值更大，该区域主要存在高原东南部。高原边缘存在 Ep 较大的区域，这可能与重力波激发时的地形和背景风有关。青藏高原本身作为热源与周围大气存在着热量交换，通过对大气的加热作用，可以加剧高原上空热量和水汽的传递，进而促进大气重力波的产生，这表明青藏高原可能存在除地形以外的波源。如 18 20 km 高度的夏季，在高原的西南部存在 GW Ep局部较大的区域，该区域可能是因地表对大气的加热作用产生了强对流活动，而该强对流活动激发了重力波，这表明对流也是青藏高原重力波的波源。参考文献:1 LINDZEN S Turbulence and stress owing to gravitywave and tidal breakdown J Journal of Geophysicalesearch:Oceans，1981，86(C10):9707 9714 2 HOLTON J The role of gravity wave induced dragand diffusion in the momentum budget of the meso-sphereJ Journal of the Atmospheric Sciences，1982，39(4):791 799 3 GACIA ，SOLOMON S The effect of breakinggravity waves on the dynamics and chemical composi-tion of the mesosphere and lower thermosphereJ Journal of Geophysical esearch:Atmospheres，1985，90(D2):3850 3868 4ALEXANDE M J A simulated spectrum of convec-tively generated gravity waves:Propagation from thetropopause to the mesopause and effects on the middleatmosphere J Journal of Geophysical esearch:At-mospheres，1996，101(D1):1571 1588 5ZHANG S D，YI F Latitudinal and seasonal varia-tions of inertial gravity wave activity in the lower atmos-phere over central ChinaJ Journal of 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