殷青青，任 璐，田文壽，王 濤，楊景怡，張健愷

（蘭州大學大氣科學學院，半干旱氣候變化教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730000）

引 言

重力波是一種普遍存在的大氣波動，一般在低層大氣中被激發(fā)并向上傳播，從而實現(xiàn)能量和動量在垂直方向上的輸送，其可以耦合并連接不同的大氣層，對局地甚至全球大氣的熱力和動力結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響［1］，如作為熱帶平流層風場準2 a 振蕩（quasi-biennial oscillation，QBO）、準半年振蕩（quasisemiannual oscillation，SAO）的主要驅(qū)動力［2］，以及重力波拖曳作用導(dǎo)致的夏季冷中間層頂［3-4］。

大氣重力波的激發(fā)源主要存在于對流層和低平流層，最重要的激發(fā)源包括地形、對流、鋒面系統(tǒng)、急流和波流相互作用等［5］。在遠離地形和斜壓不穩(wěn)定的地區(qū)，對流產(chǎn)生的重力波可以傳播到中間層直至低熱層，并在破碎過程中將自身動量和能量沉積到背景大氣中，對該地區(qū)垂直動量輸送起著非常重要的作用［6-7］。以往研究表明，對流激發(fā)的重力波不僅為QBO 提供約四分之一的緯向驅(qū)動強迫［8］，還是夏半球平流層動量拖曳的主要來源［9］。然而，對流驅(qū)動重力波的機制較為復(fù)雜［5］，故對流性重力波的頻率、水平及垂直尺度、相速度等特性具有顯著的時空變化特征［10-11］。利用多種手段開展更大探測范圍、更高時空分辨率的重力波特征分析研究，可為強對流激發(fā)的重力波參數(shù)化方案提供更加完善的參考依據(jù)。

重力波有多種探測技術(shù)，主要包括地基探測（如雷達、無線電探空儀等）和空基探測（如衛(wèi)星觀測）。由于受空間覆蓋范圍影響，地基探測一般用于探測局地的重力波信息［12-15］。然而，對于大量沒有地基觀測的地區(qū)，只能采用衛(wèi)星探測手段。由于重力波的垂直波長范圍為幾千米到十幾千米，故對探測儀器的垂直分辨率要求較高。COSMIC（con?stellation observing system for meteorology，iono?sphere and climate）資料的垂直分辨率為0.1 km，且數(shù)據(jù)較為可靠［16］，優(yōu)于絕大部分衛(wèi)星資料，常用于大范圍、較長時間尺度的重力波特征研究［17-19］，但由于掃描次數(shù)有限，一些重力波事件難以被捕捉到，較少用于局地的重力波個例分析。此外，衛(wèi)星、雷達等觀測資料存在“觀測濾波”效應(yīng)，即不同觀測儀器僅對某一給定波譜范圍內(nèi)重力波信號較為敏感［5，20］，這表明單一觀測儀器難以揭示重力波的寬譜特征。中尺度數(shù)值模式能夠提供高時空分辨率輸出結(jié)果，在研究波譜分布較廣的局地對流性重力波特性上有獨特優(yōu)勢［21-24］，但模擬結(jié)果通常需要觀測資料驗證［25］，特別是間歇性較強的對流性重力波源［5］。因此，在保證數(shù)值模式模擬的重力波具有一定準確性條件下，其結(jié)果可為基于觀測資料的區(qū)域重力波個例研究提供有效補充。

以往關(guān)于對流激發(fā)重力波的研究多集中在低緯度地區(qū)，特別是沿海熱帶氣旋誘發(fā)的平流層重力波［11，26-27］，而中緯度地區(qū)夏季深對流發(fā)生頻率也較高，但中緯度地區(qū)深對流激發(fā)重力波的模擬多側(cè)重于研究重力波基本參數(shù)特征，很少探討深對流對重力波活動的影響［28-30］。因此，中緯度地區(qū)夏季深對流激發(fā)的重力波特性及其與對流活動的關(guān)系值得進一步研究。2010 年8 月4 日華北地區(qū)上空發(fā)生了重力波事件，并伴隨著較強的深對流活動，AIRS（at?mospheric infrared sounder）和COSMIC 同時探測到非常明顯的重力波活動。由于華北地區(qū)遠離高大地形，地勢較低，受地形影響較小，探測到的重力波主要由深對流活動激發(fā)，這為基于多種資料探究中緯度對流性重力波特征提供了有利條件。因此，本文針對此次個例，利用AIRS 和COSMIC 衛(wèi)星資料初步分析重力波基本特征，并結(jié)合FY-2E 衛(wèi)星資料和ERA5再分析資料對WRF模式模擬的氣象場和對流活動以及重力波基本參數(shù)進行檢驗，在此基礎(chǔ)上基于模式輸出結(jié)果進一步分析重力波的主要特征及其與對流活動之間的關(guān)系。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù) 據(jù)

利用搭載在Aqua衛(wèi)星上的AIRS探測器診斷深對流系統(tǒng)及其伴隨的重力波事件。AIRS 探測器測量3 個 波 段（8.8~15.4 μm、6.2~8.2 μm、3.75~4.58 μm，共2378 個通道）的射出輻射，本文選用8.1 μm（1231.3 cm-1，頻段通道號為1291）的220 K亮 溫 值 作 為 深 對 流 事 件 閾 值［31］，而4.3 μm（2322.6~2345.9 cm-1和2352.5~2366.9 cm-1，頻段通道號對應(yīng)為2040~2065 和2072~2087）的CO2強吸收帶輻射值主要反映平流層的溫度變化，采用沿跨軌方向?qū)γ織l掃描線進行4階多項式擬合的方法去除背景項和掃描角度的增艷效果，得到的亮溫擾動可用于平流層重力波的探測［32-33］。

COSMIC 由美國和中國臺灣地區(qū)于2006 年4 月合作發(fā)射，由6 顆低軌衛(wèi)星組成，其探測范圍廣，幾乎可以覆蓋全球區(qū)域，但主要集中在中緯度地區(qū)，每天能夠獲取約2000 個從地表到40 km 高度的大氣溫度廓線。為了與此次個例發(fā)生的時間和空間位置相匹配，選取2010 年8 月4 日105°E—130°E、25°N—45°N 范圍內(nèi)所有數(shù)據(jù)點，并按照水平距離80~600 km 的標準選取由3 條廓線組成的廓線組（圖1）進行重力波信號的提取與分析［19，34］。

圖1 WRF模擬區(qū)域的海拔高度（填色區(qū)，單位：m）和雙重網(wǎng)格嵌套區(qū)域（矩形區(qū)）以及選取的COSMIC衛(wèi)星廓線位置（紅色圓點）分布［紅色采樣點1（115.60°E，37.04°N）、2（117.36°E，39.83°N）、3（118.08°E，36.56°N）的掃描時間分別為12：19、18：30、12：19（世界時）］Fig.1 The altitude（color shaded areas，Unit：m）of simulation area by WRF model and double grid domains（rectangle areas），and the location distribution of selected profiles from COSMIC satellite（red dots）（The scanning time of red sampling point 1（115.60°E，37.04°N），2（117.36°E，39.83°N）and 3（118.08°E，36.56°N）is 12：19 UTC，18：30 UTC and 12：19 UTC，respectively）

此外，F(xiàn)Y-2E 衛(wèi)星每90 min 可獲取一張完整的圓盤影像，覆蓋范圍為45°E—165°E、60°S—60°N，其紅外通道提供的相當黑體亮度溫度（black body temperature，TBB）產(chǎn)品具有較高的時空分辨率（時間分辨率為1 h，空間分辨率為5 km×5 km），能夠定量指示對流云的發(fā)展高度，從而較好地反映強對流天氣系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展和消亡過程［35］。

1.2 重力波提取方法

參考前人研究［11，36-37］，本文基于衛(wèi)星溫度數(shù)據(jù)提取重力波擾動的方法如下：在每個緯度帶上沿緯圈采用Lomb 最小二乘法擬合0~6波分量，構(gòu)建大尺度背景溫度場，原始溫度場減去背景溫度場即得到由重力波引起的擾動溫度廓線。在對每條廓線進行小波變換時，可通過每個高度功率譜的譜峰確定垂直方向上主導(dǎo)波長及對應(yīng)的振幅和相位。最后，從背景溫度廓線和重力波擾動溫度廓線中獲得局地浮力頻率和重力波勢能密度，計算公式［37］如下：

式中：N（z）（s-1）為z高度的浮力頻率；Ep（z）（J·kg-1）為z高度的重力波勢能密度；g（m·s-2）為重力加速度，忽略其隨緯度和高度變化，取常值9.806 65 m·s-2；cp（J·kg-1·K-1）為定壓比熱，本文取1004.5 J·kg-1·K-1；T0（z）（K）為z高度的背景溫度；?T0(z)?z（K·m-1）為z高度背景溫度梯度；T'（z）（K）為z高度的重力波擾動溫度。

另外，重力波的水平波長和動量通量參數(shù)則需要綜合更多的廓線信息計算獲得，本文采用SCHMIDT 等［19］研究方法，適當放寬廓線組空間距離［34］，基于3 個互不共線的掩星測量組（圖1）的溫度廓線計算重力波的水平波長和動量通量。

1.3 WRF模式模擬

采用中尺度數(shù)值預(yù)報模式WRF V4.0 版本，選取歐洲中期天氣預(yù)報中心ERA5 再分析資料（時間分辨率為6 h）作為模式初始場和邊界場。模擬區(qū)域采用Lambert投影雙重網(wǎng)格嵌套，中心位置為117°E、37°N，模擬區(qū)域范圍和嵌套設(shè)置見圖1，其中內(nèi)外層水平分辨率分別為8、24 km，格點數(shù)分別為316×280、193×181；垂直方向上分為90 層，12~42 km 高度內(nèi)采用500 m 等間距，模式頂部氣壓為1 hPa；模擬時間步長為90 s，每隔30 min 輸出一次結(jié)果。為避免波動在邊界發(fā)生反射，在上邊界設(shè)置了5 km 厚的阻尼層。模式的參數(shù)化方案見表1。

表1 WRF模式的參數(shù)化方案設(shè)置Tab.1 Parameterized scheme setting of WRF model

將WRF 模式輸出的第二重嵌套網(wǎng)格區(qū)域模擬的溫度、氣壓和風等物理量分別插值到垂直間隔為500 m 的高度上；然后，對重力波事件發(fā)生時段［2010 年8 月3 日18：00 至5 日06：00（世界時，下同）］的溫度、水平風在各高度上取平均，并在垂直方向上采用3 階多項式進行擬合，得到背景溫度廓線T0（z）及水平風廓線u0（z）、v0（z）；最后，將模擬的原始廓線減去背景廓線得到溫度擾動T'（z）和水平風速擾動u'（z）、v'（z）廓線［45］。

同樣，WRF 模式模擬的重力波垂直波長采用功率譜方法得到。參考卞建春等［45］和鄧少格等［46］的研究，運用矢量端點連線圖分析方法確定重力波的主要頻率。根據(jù)重力波頻散關(guān)系，可進一步計算重力波的水平波數(shù)、波長及動量的垂直通量。計算公式［45-47］如下：

式中：N（s-1）為浮力頻率為重力波的固有頻率；f（s-1）為科氏參數(shù)；Ω（rad·s-1）為地球自轉(zhuǎn)角速度，取7.27×10-5rad·s-1；φ（rad）為緯度；m為垂直波數(shù)；kh為水平波數(shù)；λh（km）為水平波長；MFh（Pa）為水平動量的總垂直通量（簡稱“動量通量”）；MFx、MFy分別為動量通量的緯向分量和經(jīng)向分量；ρ0（kg·m-3）表示背景大氣密度；u'、v'、w'（m·s-1）分別表示緯向、經(jīng)向和垂直方向上的擾動風速。

2 結(jié)果與分析

2.1 衛(wèi)星探測的對流及重力波事件

此次重力波事件主要發(fā)生于2010 年8 月4 日06：00—21：00。圖2 是2010 年8 月4 日18：05 AIRS衛(wèi)星觀測的8.1 μm 亮溫和4.3 μm 亮溫擾動振幅分布?？梢钥闯?，在110°E—120°E、33°N—38°N 范圍內(nèi)存在亮溫值小于220 K 的深對流區(qū)域［圖2（a）］，且在深對流區(qū)東南方110°E—120°E、30°N—37°N范圍內(nèi)亮溫擾動（即重力波信號）較為明顯，擾動振幅可達0.4 K 以上，重力波大致以該區(qū)域為中心呈現(xiàn)較明顯的圓弧狀分布［圖2（b）］，這是對流激發(fā)重力波的典型特征［48］。由于AIRS 衛(wèi)星掃描時該區(qū)域?qū)α骰顒右阎饾u減弱消散，故低亮溫中心較弱。上述分析可見，通過AIRS衛(wèi)星亮溫可以較為直觀地監(jiān)測到重力波的擾動信號。

為進一步探析重力波特征，利用COSMIC 溫度廓線計算3個采樣點的重力波特征參數(shù)。為避免對流層頂溫度隨高度劇烈變化對重力波參數(shù)計算的影響，選擇15 km 以上平流層進行分析。對比采樣點1、3，采樣點2 掃描時（18：30）對流強度與重力波均有所減弱，對應(yīng)的擾動溫度振幅整體較?。蹐D3（a）］。垂直波長在各高度上變化不大，在7~12 km 之間，平均為9.87 km［圖3（b）］，而主導(dǎo)水平波長約499 km（表略）。由此判斷，此次事件激發(fā)的重力波在平流層以中低頻重力波為主。

重力波勢能密度和動量通量廓線可分別反映重力波上傳過程中攜帶的能量和動量，由于大氣密度隨高度呈指數(shù)下降，當重力波在上傳過程中幾乎不發(fā)生破碎和耗散時，重力波勢能密度隨高度近似指數(shù)增加，而動量通量則隨高度近似保持不變［49］。由圖3（c）和圖3（d）可見，在15~25 km 高度范圍內(nèi)重力波耗散最快，尤其是采樣點1計算的廓線，絕大部分重力波能量和動量聚集在低平流層，25~32 km高度范圍內(nèi)重力波勢能密度和動量通量變化不大，而32 km 高度以上采樣點3 的重力波勢能密度和動量通量明顯增大，可能是此高度上波-波相互作用或重力波破碎過程激發(fā)出次級重力波［5］，進一步攜帶能量和動量傳送到更高的高度上。可見，COSMIC衛(wèi)星能夠量化重力波的一些主要參數(shù)。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果檢驗

由于重力波發(fā)生區(qū)域遠離高大地形，衛(wèi)星資料觀測到與重力波信號相伴隨的強對流系統(tǒng)，故初步判斷此次重力波事件是由強對流活動激發(fā)所致。準確模擬重力波激發(fā)源，特別是間歇性較強的對流性源，這對于重力波的模擬非常重要。因此，首先需要對模式模擬的氣象場進行檢驗。圖4是此次重力波擾動發(fā)生期間30 hPa 等壓面上WRF 模式模擬的溫度場和水平風場與ERA5 再分析資料的對比?？梢钥闯?，WRF 模式模擬的溫度范圍及分布與ERA5 再分析資料比較一致，模式能夠模擬出4 日12：00 的溫度低值區(qū)，但高值區(qū)范圍略偏大；從風場來看，WRF 模式能夠模擬出華北東北部地區(qū)的氣旋式環(huán)流結(jié)構(gòu)，且模擬的環(huán)流形態(tài)和中心與ERA5 再分析資料較為接近。總體上，WRF 模式模擬的氣象場與ERA5再分析資料有較好的一致性。

圖4 2010年8月4日00：00—18：00 30 hPa高度上ERA5再分析資料（a、b、c、d）和WRF模式輸出（e、f、g、h）的溫度場（填色區(qū)，單位：K）和水平風場（白色箭頭，單位：m·s-1）對比（a、e）00：00，（b、f）06：00，（c、g）12：00，（d、h）18：00Fig.4 The comparison of temperature field（color shaded areas，Unit：K）and horizontal wind field（white arrows，Unit：m·s-1）from ERA5 reanalysis data（a，b，c，d）and WRF simulation（e，f，g，h）at 30 hPa from 00：00 UTC to 18：00 UTC on 4 August 2010（a，e）00：00 UTC，（b，f）06：00 UTC，（c，g）12：00 UTC，（d，h）18：00 UTC

TBB 和云頂溫度（cloud top temperature，CTT）都能夠反映對流發(fā)展的高度和強度（由黑體輻射定律可知，TBB 比CTT 略低），故這2 個量可以反映對流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展過程。圖5 是此次對流過程中FY-2E 衛(wèi)星的TBB 和WRF 模式輸出的CTT 時間演變對比?？梢钥闯觯? 日06：00 對流云團開始發(fā)展，對流中心逐漸向東北方向移動，至12：00—15：00發(fā)展最為強盛，TBB 最低為190 K，達到深對流系統(tǒng)對應(yīng)閾值，此后對流云團開始減弱，至21：00僅在遼寧地區(qū)分布著較為分散的弱對流體。對比來看，模式輸出的CTT 在量值上較衛(wèi)星觀測的TBB 偏小約10 K，但2 種資料展示的對流系統(tǒng)在位置移動、強度變化上都非常接近。

圖5 2010年8月4日06：00—21：00 FY-2E衛(wèi)星探測的TBB（a、b、c、d、e、f）和WRF模式模擬的CTT（g、h、i、j、k、l）對比（單位：K）（a、g）06：00，（b、h）09：00，（c、i）12：00，（d、j）15：00，（e、k）18：00，（f、l）21：00Fig.5 The comparison of observed TBB from FY-2E satellite（a，b，c，d，e，f）with simulated CTT by WRF model（g，h，i，j，k，l）from 06：00 UTC to 21：00 UTC on 4 August 2010（Unit：K）（a，g）06：00 UTC，（b，h）09：00 UTC，（c，i）12：00 UTC，（d，j）15：00 UTC，（e，k）18：00 UTC，（f，l）21：00 UTC

綜合對比ERA5 再分析的和FY-2E 衛(wèi)星觀測的平流層氣象場及對流活動，發(fā)現(xiàn)WRF模式能夠較好地模擬出此次事件中真實的大氣環(huán)境和中尺度對流系統(tǒng)，對流發(fā)生發(fā)展時段為8 月4 日06：00—21：00，且在最強盛時期達到深對流標準，具備激發(fā)重力波條件。

圖6是基于WRF 模式結(jié)果計算得出的重力波參數(shù)垂直廓線。與COSMIC 衛(wèi)星觀測結(jié)果相比，整體上WRF模式模擬的重力波擾動溫度振幅較大，且相位上略有偏差。WRF 模式模擬的垂直波長和水平波長與COSMIC 衛(wèi)星觀測較為接近。由于COSMIC 衛(wèi)星采用臨邊探測技術(shù)，僅能探測到水平波長較長的重力波，而當模式分辨率足夠高時其幾乎可以模擬全波段的重力波，因此WRF模式模擬的重力波振幅、勢能密度和動量通量值都大于COSMIC 探測結(jié)果，但二者在垂直方向上的分布及變化特征基本相似。上述分析可見，WRF 模式模擬的重力波基本參數(shù)與COSMIC 衛(wèi)星探測結(jié)果基本吻合，表明WRF模式能夠較好地模擬出這次重力波事件的基本特征，可利用模式輸出結(jié)果對重力波特征做進一步分析。

圖6 2010年8月4日WRF模式模擬的不同采樣點擾動溫度（a）、垂直波長（b）、勢能密度（c）和動量通量（d）廓線Fig.6 The profiles of disturbance temperature（a），vertical wavelength（b），potential energy per unit mass（c）and momentum flux（d）simulated by WRF model at different sampling points on 4 August 2010

2.3 WRF模式輸出的重力波特征

為進一步探究此次對流系統(tǒng)觸發(fā)的重力波信號全局變化特征，對WRF模式輸出的30 hPa垂直速度分布進行分析。從圖7 看出，8 月4 日06：00 起在112°E—123°E、35°N—43°N 范圍內(nèi)有明顯的弧狀波結(jié)構(gòu)發(fā)展，并隨時間不斷向四周擴展，強度逐漸增大，于12：00 左右弧狀波信號最強、結(jié)構(gòu)完整，大致以117°E、37°N 為中心呈現(xiàn)近似閉合的同心圓狀向四周傳播，隨后強度逐漸減弱，重力波擾動及發(fā)展與FY-2E 衛(wèi)星觀測的對流強度演變（圖5）基本一致，且擾動中心隨對流中心逐漸向東移動。對比AIRS 衛(wèi)星的亮溫擾動分布［圖2（b）］，發(fā)現(xiàn)二者在112°E—120°E、30°N—37°N 范圍內(nèi)波動信號較為接近。另外，不同時次重力波垂直速度擾動存在差異，但總體上擾動中心偏東方向的垂直速度振幅強于其他水平方向，表明該重力波主要向東傳播。

圖7 2010年8月4日06：00—21：00 WRF模式輸出的30 hPa垂直速度分布（單位：m·s-1）（a）06：00，（b）09：00，（c）12：00，（d）15：00，（e）18：00，（f）21：00Fig.7 The distribution of vertical velocity from WRF model at 30 hPa from 06：00 UTC to 21：00 UT C on 4 August 2010（Unit：m·s-1）（a）06：00 UTC，（b）09：00 UTC，（c）12：00 UTC，（d）15：00 UTC，（e）18：00 UTC，（f）21：00 UTC

為更進一步探討重力波在垂直方向上的傳播特征，對WRF 模式輸出的垂直速度和位溫沿38°N做高度-經(jīng)度剖面（圖8）?？梢钥闯觯? 日12：00，上升運動由地面發(fā)展到100 hPa 高度，說明對流發(fā)展非常高，并在此高度上激發(fā)出重力波信號，向上傾斜傳播至42 km 高度未完全破碎。此外，在強重力波信號區(qū)等位溫線因垂直氣流影響發(fā)生扭曲，且隨高度升高等熵面波動越來越劇烈，從而產(chǎn)生對流不穩(wěn)定，進而使重力波易發(fā)生破碎。18：00 以后，對流層的對流活動強度減弱，對流發(fā)展高度有所降低，向上傳播的重力波振幅明顯減小。

圖8 2010年8月4日06：00—21：00 WRF模式輸出的垂直速度（填色區(qū)，單位：m·s-1）和位溫（黑色實線，單位：K）沿38°N的經(jīng)度-高度分布（a）06：00，（b）09：00，（c）12：00，（d）15：00，（e）18：00，（f）21：00Fig.8 The longitude-height distribution of vertical velocity（color shaded areas，Unit：m·s-1）and potential temperature（black solid lines，Unit：K）from WRF model along 38°N from 06：00 UTC to 21：00 UTC on 4 August 2010（a）06：00 UTC，（b）09：00 UTC，（c）12：00 UTC，（d）15：00 UTC，（e）18：00 UTC，（f）21：00 UTC

基于WRF 模式模擬的氣象場，計算整個時段內(nèi)112°E—125°E、33°N—45°N 范圍（重力波信號較明顯區(qū)域）平均垂直波長、水平波長、勢能密度和動量通量隨時間和高度變化（圖9）?？梢钥闯?，這4 個參數(shù)隨時間都呈先增后減的變化趨勢。研究表明，對流重力波的垂直波長和水平波長與對流加熱的尺度有關(guān)［50-51］，隨著對流體發(fā)展，潛熱加熱效應(yīng)增強，激發(fā)的重力波的尺度和能量逐漸增大。此外，這4 個參數(shù)在垂直高度上有明顯變化，垂直波長最大值出現(xiàn)在上對流層-下平流層（upper tropo?sphere and lower stratosphere，UTLS）中，且隨高度升高潛熱加熱變?nèi)?，垂直波長逐漸減小，其在平流層中為9~11 km；水平波長在平流層中為650~800 km，極大值出現(xiàn)在低平流層約20 km 高度，該高度上浮力頻率達到峰值；勢能密度一定程度上代表重力波的振幅，隨高度升高大氣密度急劇減小，在平流層重力波振幅迅速增大；動量通量大值區(qū)主要集中于低平流層，約62%的重力波動量集聚在15~25 km 高度范圍內(nèi)。值得注意的是，在整個重力波事件過程中，平流層勢能密度達到峰值的時間較對流最旺盛時刻滯后約6 h，即對流層對流活動在12：00 前后發(fā)展最為旺盛（圖5），其激發(fā)的重力波尺度最大、強度最強，約6 h 后上傳至平流層40 km高度。

圖9 2010年8月4日00：00至5日00：00 WRF模式輸出的重力波垂直波長（a，單位：km）、水平波長（b，單位：km）、勢能密度（c，單位：J·kg-1）和動量通量（d，單位：Pa）隨高度-時間變化Fig.9 The change of vertical wavelength（a，Unit：km），horizontal wavelength（b，Unit：km），potential energy per unit mass（c，Unit：J·kg-1）and momentum flux（d，Unit：Pa）simulated by WRF model with height and time from 00：00 UTC on 4 to 00：00 UTC on 5 August 2010

圖10是不同高度上重力波平均勢能密度和對流強度隨時間變化。從圖10（a）看出，對流活動于4日11：00 發(fā)展最為旺盛，而不同高度上重力波平均勢能密度達到峰值的時間較對流最強時刻有所延遲，20、25、30、35、40 km高度上分別于14：30、17：00、17：30、18：00、18：30 達到峰值，峰值延遲時間隨高度升高逐漸增加。其中，20 km和25 km高度上平均勢能密度峰值出現(xiàn)時間相差2.5 h，而后每上升5 km 峰值滯后時間均相差0.5 h，表明在20~25 km高度范圍內(nèi)重力波上傳速度較慢，而25 km 高度以上重力波上傳迅速。需要注意的是，隨著高度升高，重力波勢能密度隨對流活動增強迅速增大且在對流活動減弱階段其勢能密度下降很快，而在20 km 高度勢能密度達到峰值后，隨著對流活動減弱其變化較小。由此可見，重力波能量對對流活動強度的響應(yīng)速度隨高度升高逐漸加快。此外，在5 日02：00 以后，40 km 高度的勢能密度再次顯著增加，而在低層變化則不明顯。

圖10 WRF模式輸出的不同高度上平均勢能密度（a）和對流強度（b）隨時間變化（虛線指示不同高度平均勢能密度達到峰值的時間，紅色三角形對應(yīng)對流最強時刻）Fig.10 The change of average potential energy per unit mass（a）and convective intensity（b）with time simulated by WRF model at different heights（The dotted lines are the corresponding time with the peak value of average potential energy per unit mass at different heights，and the red triangle marks the moment for strongest convection）

上述分析可見，不同高度上重力波勢能密度變化與對流活動變化密切相關(guān)。因此，定義雷達反射率因子大于20 dBZ 區(qū)域加權(quán)求和后的值為對流強度，分析其在各高度上隨時間的變化特征（權(quán)重為各網(wǎng)格點的面積）。從圖10（b）看出，對流活動于4日00：00開始發(fā)展，至11：00左右達到最強，并一直發(fā)展到16 km高度附近，此后對流活動逐漸減弱，并于5 日02：00開始再次增強，于06：00發(fā)展到16 km 高度，因此重力波事件后期40 km 高度的勢能密度突然增加與對流再次發(fā)展有關(guān)。

重力波的傳播與背景風場有密切聯(lián)系，當重力波相速度與背景風相同時，重力波的固有頻率無限接近于0，重力波會被背景大氣所吸收，該層稱為臨界層［5］。因此，重力波在水平方向上的傳播與背景風同向時，不利于波的上傳；反之，當傳播方向與背景風相反時，重力波能量衰減較慢，能夠迅速上傳至較高層。結(jié)合圖11 可知，當對流發(fā)展較淺時，重力波發(fā)生高度較低，且在西風中傳播的重力波不易上傳到更高的高度；相反，當對流迅速發(fā)展至16 km高度，突破對流層頂甚至到達零風層時，重力波在東風環(huán)境下上傳較快，致使高層重力波勢能密度迅速增大，當對流減弱后低層的重力波能量持續(xù)維持，而高層的重力波能量則迅速減小。因此，5 日02：00，深對流再次發(fā)展使得高層的重力波勢能密度再次增大。上述分析可見，不同高度上平流層重力波勢能密度對對流活動的響應(yīng)主要與對流的發(fā)展高度和背景風場有關(guān)。

圖11 2010年8月4日02：00至5日06：00 WRF模式輸出的u風分量沿38°N的經(jīng)度-高度剖面（單位：m·s-1）（a）4日02：00，（b）4日06：00，（c）4日10：00，（d）4日14：00，（e）4日18：00，（f）4日22：00，（g）5日02：00，（h）5日06：00（黑色實線的風速為0 m·s-1，紫色實線包圍區(qū)域的雷達反射率因子大于等于20 dBZ）Fig.11 The longtitude-height section of u component of wind simulated by WRF model along 38°N from 02：00 UTC on 4 to 06：00 UTC on 5 August 2010（a）02：00 UTC 4，（b）06：00 UTC 4，（c）10：00 UTC 4，（d）14：00 UTC 4，（e）18：00 UTC 4，（f）22：00 UTC 4，（g）02：00 UTC 5，（h）06：00 UTC 5（The wind speed for black solid line is equal to 0 m·s-1，and the radar reflectivity factor in area enclosed by purple solid line is greater than or equal to 20 dBZ）

3 結(jié) 論

（1）AIRS衛(wèi)星較好地捕捉到了此次對流活動及其激發(fā)的重力波信號，而COSMIC 衛(wèi)星探測出此次對流系統(tǒng)激發(fā)的重力波在平流層以中低頻重力波為主，且在低平流層重力波耗散最快。

（2）WRF 模式模擬的重力波激發(fā)源及重力波的主要特征參數(shù)與衛(wèi)星觀測結(jié)果基本一致，在平流層重力波垂直波長主要為9~11 km，水平波長為650~800 km，動量通量主要集中于低平流層，約62%的動量聚集在15~25 km高度范圍內(nèi)。

（3）在此次對流活動發(fā)生期間，平流層低層重力波勢能密度一直維持較高數(shù)值，而上平流層重力波勢能密度則在對流減弱后迅速減小，且伴隨下一次對流活動再次迅速增加。不同高度上平流層重力波勢能密度對對流活動的響應(yīng)差異主要與對流發(fā)展高度和背景風場有關(guān)，當對流發(fā)展較淺時，其激發(fā)的重力波在低層西風中上傳的高度較低，易被耗散，而當對流發(fā)展較深至16 km 甚至更高時，其激發(fā)的重力波接近零風層，并在東風中能夠迅速上傳。