左同連 ， 李永熾 ， 陳 鵬

1. 民航江蘇空管分局 氣象臺， 江蘇 南京 2100002. 廣東海洋大學， 廣東 湛江 5240004

0 引 言

大氣重力波，是一種普遍存在于大氣層中的中小尺度的波動現(xiàn)象，也是大氣中的主要波動之一，其垂直波長為2—10 km，水平波長可以從數(shù)千米到數(shù)十千米(Alexander et al,2010)。在穩(wěn)定的大氣層結(jié)中，因為大氣中的微小氣團產(chǎn)生擾動，大氣流體因此偏離平衡位置，并且在重力和浮力的作用下形成具有周期性的振動，這種微小氣團上下波動的現(xiàn)象具有波的特性，因此被稱為大氣重力波(Faber et al,2013)。重力波的能量密度、波數(shù)、傳播方向以及耗散機制，因其來源和形成原因的不同而存在差異。由于重力波的動量、能量在大氣層中進行傳播和耗散，使大氣的動量和能量重新分配。重力波還與氣候變化有關(guān)，比如低層大氣擾動產(chǎn)生的重力波向上傳播，在中高層大氣重力波破碎后影響大氣環(huán)流和熱學結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致晴空湍流的發(fā)生；在低熱層和中間層大氣重力波發(fā)生破碎耗散，能造成中間層頂溫度出現(xiàn)異常。國內(nèi)外研究也都表明，大氣重力波能造成全球大氣的熱力結(jié)構(gòu)變化和動力調(diào)整(Holton,1983;Fritts and Alexander,2003;劉蕾等,2012)，對許多天氣現(xiàn)象的產(chǎn)生和發(fā)展均有重大影響(陳丹等,2011;Chen et al,2013;洪軍等,2015;程胡華,2016;王凌梓等,2018)。重力波是大氣的基本擾動要素之一，在某種程度上決定天氣和氣候變化，其活動對各類中尺度天氣系統(tǒng)都有重要作用，是觸發(fā)各種中尺度強對流系統(tǒng)的一個重要因素(McFarlane,1987;Fritts and Alexander,2003)。因此，分析重力波的時空分布特征及其可能影響機制對于大氣科學研究具有重要意義。近年來，關(guān)于大氣重力波的研究得到越來越多的關(guān)注。目前，對平流層探測的手段主要是三大類：一是原位探測，主要使用探空設(shè)備和儀器，有火箭探空和氣球探空；二是地基探測，主要有流星雷達、激光雷達、MST(Mesosphere-Stratosphere-Troposphere)雷達、重力波成像儀等；三是天基探測，有TIMED(Thermosphere,Ionosphere,Mesosphere Energetics and Dynamics)聯(lián)合探測衛(wèi)星的COSMIC(Constellation Observing System for Meteorology,Lonosphere and Climate)掩星數(shù)據(jù)。其中，能夠用來觀測中高層大氣重力波的探測手段主要有地基遙感和衛(wèi)星遙感，對平流層的重力波信息的提取主要來自大氣垂直探測器(Hoffmann et al,2013)，對中間層頂重力波信息的提取主要來自衛(wèi)星微光探測器(Yue et al,2009)，對中間層大氣重力波特征的提取主要來自氣輝觀測(Smith et al,2000)。衛(wèi)星探測有較高的垂直或水平分辨率和全球覆蓋度，因此在平流層重力波探測中被普遍運用(Fetzer and Gille,1994；Wu and Waters,1996；Tsuda et al,2000)。前人分別利用HIRDLS(High Resolution Dynamics Limb Sounder)、SABER(Sounding of the Atmosphere Using Broadband Emission Radiometry)等數(shù)據(jù)對重力波進行了研究，例如Ern(2004)、Alexander(2008)等對不同波長的重力波進行研究，對平流層重力波對不同天氣過程的影響進行分析。此外，錢浩俊等(2012)基于重力波氣輝成像觀測結(jié)果分析了中間層頂大氣重力波特征。姚志剛等(2015)基于AIRS觀測資料分析了東亞夏季平流層重力波的復(fù)雜特征，并得到重力波與對流活動的關(guān)聯(lián)性。洪軍等(2015)基于AIRS觀測資料和WRF數(shù)值模式模擬分析了臺風誘發(fā)的平流層重力波擾動特征。王一洲等(2019)利用COSMIC衛(wèi)星觀測資料研究了對平流層重力波參數(shù)。金雙根等(2020)利用FY-3C氣象衛(wèi)星和GNSS掩星數(shù)據(jù)估計了全球重力波變化特征。

平流層大氣重力波與多種不同尺度天氣現(xiàn)象均有密切聯(lián)系，影響全球大氣環(huán)流，影響大尺度氣候變化和各類中尺度天氣系統(tǒng)。到目前為止，國內(nèi)的氣象學者較少應(yīng)用TIMED衛(wèi)星資料分析平流層大氣重力波。文中應(yīng)用TIMED衛(wèi)星的SABER探測數(shù)據(jù)對平流層大氣重力波的時空分布特征及其可能影響機制進行分析，以期為大氣重力波研究提供參考。

1 資料和方法

1.1 資 料

使用的資料包括：1) PANGAEA數(shù)據(jù)中心提供的GRACILE(gravity wave climatology based on atmospheric infrared limb emissions observed by satellite)再分析資料(地址：https://doi.pangaea.de/10.1594/PANGAEA.879658)，此數(shù)據(jù)包括了基于TIMED聯(lián)合探測衛(wèi)星上搭載的SABER探測器提供的2002—2015年逐月平均重力波溫度方差、垂直波長、水平波長、絕對動量通量的30、40、50 km三個高度層的全球水平分布數(shù)據(jù)，水平分辨率為10°×5°，同時包括了緯向平均數(shù)據(jù)，水平分辨率為5°，垂直分辨率為1 km。2) SPARC項目數(shù)據(jù)中心提供的1992—1997年逐月緯向風氣候平均數(shù)據(jù)(地址：https://www.sparc-climate.org/data-centre/data-access/reference-climatology/randals-climatologies/temperature-wind-climatology/)。

1.2 方 法

文中將全年分為冬、春、夏、秋四個季節(jié)來研究重力波和平均緯向風場，規(guī)定12、1、2月為冬季，3、4、5月為春季，6、7、8月為夏季，9、10、11月為秋季?？紤]到SABER探測器觀測的緯度范圍以及運行周期，在進行平均時，將不考慮缺測值。同時，選取30—50 km高度層代表平流層進行研究，得到重力波參數(shù)的緯向平均垂直分布和全球水平分布，用于分析重力波參數(shù)的時空變化特征。SPARC項目數(shù)據(jù)中心提供的緯向風氣候平均數(shù)據(jù)以各種來源的數(shù)據(jù)組合而成，可信度和準確性較高。因為緯向風氣候平均態(tài)穩(wěn)定，故采用此數(shù)據(jù)分析緯向風的分布特征，與重力波參數(shù)分布特征進行對比，討論影響重力波參數(shù)的可能機制。

2 平流層大氣重力波時空分布特征

2.1 重力波擾動溫度

溫度垂直廓線的波動通?？梢员憩F(xiàn)重力波的活動。圖1顯示了2002年2月—2015年1月不同季節(jié)平流層重力波平均擾動溫度的緯向平均垂直剖面，表示的是去除大氣背景狀態(tài)之后獲得的重力波擾動溫度?？傮w來看，平流層重力波擾動溫度的范圍為0—30 K2，絕大多數(shù)高度層和地區(qū)的擾動溫度在12 K2以內(nèi)。從垂直方向分布來看，重力波擾動溫度隨高度的增加總體呈增大趨勢，在一些地區(qū)平流層底層和頂層的擾動溫度甚至相差10 K2以上，這主要是由于大氣密度隨高度增加而降低所致。此外，從經(jīng)向分布來看，冬半球高緯度地區(qū)的溫度擾動相比低緯度地區(qū)要明顯得多，相差4—6 K2。

圖1 緯向平均重力波擾動溫度(單位：K2)乘以2的垂直剖面Fig. 1 Vertical profile of zonal average gravity wave disturbance temperature (units:K2) multiplied by 2

從不同季節(jié)、不同高度層重力波擾動溫度的全球分布(圖2)可以看出，同一高度層上，全年擾動溫度的高值帶都存在于風帶中，而且隨著季節(jié)變化而出現(xiàn)或者消失。分析還發(fā)現(xiàn)，赤道附近全年都存在一個低值帶，隨著季節(jié)變化只有較小的南北移動，這都與緯向平均垂直剖面(圖1)揭示的分布特征相對應(yīng)。夏季，亞熱帶地區(qū)的擾動溫度有所增強，其中一個主要原因是重力波激發(fā)源和副熱帶小振幅波為平方振幅和動量急流的傳播提供了有利條件。在同一緯度，大陸上空的擾動溫度普遍比海洋上空要大，高值中心一般出現(xiàn)在大陸，這是由地形因素和極地急流與之相關(guān)的重力波源的強烈活動造成的，而且強背景風也為重力波與背景風方向相反的傳播提供了有利條件。

圖2 冬季、春季、夏季、秋季30 km、40 km、50 km高度層重力波擾動溫度的全球分布(單位:K2)Fig. 2 Global distribution of temperature perturbed by gravity waves at the height of 30 km, 40 km, and 50 km in winter, spring, summer, and autumn (units:K2)

2.2 重力波垂直波長

由所有單一溫度垂直廓線確定的平流層重力波垂直波長為9—13 km。垂直波長的平均分布有幾個主要特征：首先，與重力波擾動溫度的垂直分布特征相同，垂直波長隨高度增加而普遍增大，在平流層高層和低層相差1.5 km(圖3)，這與Preusse等(2006)的研究結(jié)果一致。主要原因是大氣密度隨高度增加而減少，穩(wěn)定傳播的重力波其振幅隨高度增加而增大。對于中頻重力波，其飽和振幅與垂直波長成比例，因此對應(yīng)的垂直波長隨高度增加而增大。在緯向上，赤道附近重力波垂直波長經(jīng)常保持低值，而且向兩極逐漸增大。在低層，同一季節(jié)里南半球的垂直波長普遍比北半球大。

圖3 緯向平均的重力波垂直波長的緯向平均垂直剖面(單位:km)Fig. 3 Vertical profile of the vertical wavelength for zonal average gravity wave (units:km)

平流層重力波垂直波長在水平上的分布特征與擾動溫度相似，在緯向上呈現(xiàn)帶狀分布，兩條分布帶分別位于中低緯度和中高緯度區(qū)域，隨季節(jié)變化其范圍會擴大或減小(圖4)。由于其飽和振幅較小，短垂直波長重力波會在較低高度層飽和，因此，隨著高度的增加，垂直波長較長的重力波將主導(dǎo)全球分布。由圖4還可以看出，垂直波長隨高度增加而遞減，在50 km高度上垂直波長幾乎都大于11 km，這一現(xiàn)象能很好地證明這一觀點。與之相對，在低海拔地區(qū)，平均垂直波長更短。

圖4 同圖2，但為力波垂直波長(單位:km)Fig. 4 Same as Fig.2， but for vertical wavelength of gravity wave (units:km)

重力波垂直波長另一個主要分布特征是，在背景風區(qū)，垂直波長異常增大，特別是在冬季的北半球高緯度地區(qū)和夏季的南半球高緯度地區(qū)，因為重力作用，與背景風相反方向傳播的波因為多普勒頻移而疊加到較長的垂直波上，這些波獲得更大的飽和振幅，因此在這些地區(qū)主導(dǎo)重力波譜。

2.3 重力波水平波數(shù)

與垂直波長不同，平流層重力波的水平波長可以達到數(shù)千千米，因此以水平波長的倒數(shù)來表示的平均水平波數(shù)會低至10-4量級。由圖5可以看出，水平波數(shù)分布表現(xiàn)為由低緯度地區(qū)向兩極先增加后減少，最顯著的特征是經(jīng)向分布上低緯度地區(qū)表現(xiàn)為低值，這種影響可能是由于在熱帶科里奧利參數(shù)較小，所以可以存在水平波長更長的重力波，進而導(dǎo)致水平波數(shù)值較小。然而與重力波擾動溫度和垂直波長不同的是，水平波數(shù)是隨高度增加而減少，推測其部分原因可能是SABER具有采樣距離隨高度增加而增大這一物理特性。

圖5 緯向平均的重力波水平波數(shù)的垂直剖面(單位:10-4 km-1)Fig. 5 Vertical profile of horizontal wave number for zonal average gravity wave (units:10-4 km-1)

從全球來看，平流層重力波的水平波數(shù)在緯向上也是同樣呈現(xiàn)近似的帶狀分布(圖6)。對比東、西半球發(fā)現(xiàn)，東半球的重力波水平波數(shù)普遍要少；在中高緯度的高值帶中，全年的高值區(qū)出現(xiàn)在歐亞大陸北部、北美洲北部、南美洲南部，普遍位于南、北半球的高緯度大陸地區(qū)。不難發(fā)現(xiàn)，水平波數(shù)分布顯示了與特定重力波源區(qū)域有關(guān)的高波數(shù)的幾種增強，例如，安第斯山脈南部和南極半島的水平波數(shù)值增大，該地區(qū)以強烈山波活動而聞名。此外，在夏半球，深對流區(qū)作為重力波的強來源地區(qū)，因此副熱帶地區(qū)的水平波數(shù)明顯增多。

圖6 同圖2，但為重力波水平波數(shù)(單位：10-4 km-1)Fig. 6 Same as Fig.2， but for horizontal wave number of gravity wave (units:10-4 km-1))

2.4 重力波絕對動量通量

圖7給出了緯向平均重力波絕對動量通量的垂直剖面，其中重力波動量通量通常是用溫度垂直廓線對的重力波振幅、垂直波長和水平波數(shù)計算得到的?？傮w上平流層重力波的絕對動量通量在2 mPa以內(nèi)，類似于重力波擾動溫度，位于冬季極地和夏季副熱帶的動量通量會有所增強。然而，與擾動溫度和垂直波長相反的是，動量通量隨高度的增加而普遍減少，這可以表明重力波隨高度的增加而總體是消散的。

圖7 緯向平均的重力波水平波數(shù)的垂直剖面(單位:mPa)Fig. 7 Vertical profile of the absolute momentum flux for zonal average gravity wave (units:mPa)

絕對動量通量與重力波其他參數(shù)相似，緯向幾乎呈現(xiàn)帶狀分布，但其局部的高值中心更為明顯。其分布與冬季極渦的增強值和夏季副熱帶由對流重力波源分布引起的特征性經(jīng)向結(jié)構(gòu)非常相似。分析圖8發(fā)現(xiàn)，春、夏期間南半球的南安第斯山脈和南極半島的地區(qū)的重力波活動十分顯著，這一地區(qū)被稱為明顯的山波源。

圖8 同圖2，但為重力波絕對動量通量(單位：mPa)Fig. 8 Same as Fig.2, but for absolute momentum flux of gravity wave (units:mPa)

3 平流層重力波參數(shù)可能影響機制

已有的平流層重力波參數(shù)的研究結(jié)果(Plougonven and Zhang,2014)表明，影響平流層重力波參數(shù)大小的可能機制之一是背景風對平流層大氣的擾動，強背景風為重力波與背景風相反的傳播提供了有利的傳播條件。

由第2章分析結(jié)果不難看出，平流層重力波參數(shù)分布與全球風場的分布存在聯(lián)系。圖9給出了平均緯向風分布，負值為西風，正值為東風?？梢钥闯?，冬半球高緯度的風速較大，而且盛行東風；而相反的是，夏半球風速大值區(qū)處于中低緯度區(qū)域，盛行西風。在赤道附近全年都存在一個風速小值區(qū)，僅僅會隨著季節(jié)變化而發(fā)生微小的南北移動。在平流層，風速隨高度增加而增大。由此可知，平流層平均緯向風的分布與重力波參數(shù)的分布非常一致，尤其是與重力波擾動溫度和垂直波長的分布相吻合，風速的大值區(qū)對應(yīng)擾動溫度和垂直波長的大值區(qū)，小值區(qū)也對應(yīng)一致。這一現(xiàn)象說明，背景風對平流層大氣的擾動是影響重力波參數(shù)的主要因素之一。

圖9 平均緯向風垂直剖面(單位：m/s；虛線(實線)表示西風(東風))Fig. 9 Vertical profile of mean zonal wind (units:m/s； dotted line (solid line) represents west wind (east wind))

4 結(jié) 論

文中利用2002—2015年平均的全球平流層重力波參數(shù)數(shù)據(jù)和1992—1997年逐月緯向風數(shù)據(jù)，分析了平流層重力波參數(shù)的時空分布特征，并討論了其可能影響機制，得到如下結(jié)論：

1) 緯向平均的垂直分布上，平流層重力波擾動溫度和垂直波長隨高度增加而增大，可能的原因是大氣密度隨高度增加而減小。水平波數(shù)和絕對動量通量則相反，隨高度增加而減小，而絕對動量通量的減小說明重力波普遍隨高度增加而消散。在赤道附近全年存在重力波參數(shù)的低值區(qū)，只會隨著季節(jié)有著較小的南北移動。在夏半球的中低緯度和冬半球的高緯度存在重力波參數(shù)的大值區(qū)，而同一個季節(jié)相對比，南半球的重力波參數(shù)普遍比北半球要大。

2) 水平分布上，平流層重力波參數(shù)在緯向近似呈現(xiàn)帶狀分布，大致與緯向風場相對應(yīng)，參數(shù)的強弱隨季節(jié)而變化。在相同緯度上，大陸地區(qū)的重力波參數(shù)要海洋地區(qū)大，特別是山脈地區(qū)，可能原因是陸地對重力波的激發(fā)有重要影響。

3) 平流層緯向風與重力波參數(shù)分布具有一致性，重力波參數(shù)分布與全球緯向風場相對應(yīng)，這表明背景風對大氣的擾動是重力波參數(shù)的可能影響機制之一。

文中分析了平流層重力波參數(shù)的時空分布特征和可能影響機制，但還有很多不足需要改進。文中分析平流層重力波參數(shù)，只分析了擾動溫度、垂直波長、水平波數(shù)、絕對動量通量四個參數(shù)的分布情況，除此之外還有其他重力波參數(shù)還有待研究；影響重力波參數(shù)的因素有很多，文中只討論了一種可能影響機制，其他影響機制還待進一步的研究。