高原气象

高原气象 >

2021 , Vol. 40 >Issue 3: 590 - 602

DOI: https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0534.2020.00042

论文

对流层与下平流层大气重力波的气候及差异特征研究——以太原为例

  • 程胡华 , 1 ,
  • 赵亮 , 2 ,
  • 武帅 3 ,
  • 李娟 4 ,
  • 蔡其发 4
展开
  • 1. 163729部队，山西 太原 030027
  • 2. 中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室（LASG），北京 100029
  • 3. 32021部队，北京 100094
  • 4. 61741部队，北京 100094
赵亮(1978 -)， 男， 山西太原人， 高级工程师， 主要从事气象预报、 气候动力学和日地关系研究. E-mail:

程胡华(1983 -)， 男， 江西上饶人， 工程师， 主要从事气象预报、 空间大气环境等研究. E-mail:

收稿日期: 2019-09-05

  修回日期: 2020-05-26

  网络出版日期: 2021-06-28

基金资助

国家自然基金重大项目(41790471)

中国科学院战略性先导科技专项（A类）(XDA17010105)

国家自然科学基金项目(42075040)

国家自然科学联合基金重点项目(U2033207)

收起

Study on the Climatic and Discriminative Characteristics of Tropospheric and Lower Stratospheric Gravity Wave of Taiyuan

  • Huhua CHENG , 1 ,
  • Liang ZHAO , 2 ,
  • Shuai WU 3 ,
  • Juan LI 4 ,
  • Qifa CAI 4
Expand
  • 1. 63729 Troops of Chinese People's Liberation Army，Taiyuan 030027，Shanxi，China
  • 2. State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmosphere Sciences and Geophysical Fluid Dynamics，Institute of Atmospheric Physics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China
  • 3. 32021 Troops of PLA，Beijin g 100094，China
  • 4. 61741 Troops of PLA，Beijing 100094，China

Received date: 2019-09-05

  Revised date: 2020-05-26

  Online published: 2021-06-28

Fold

本文亮点

大气重力波对全球大气的动力、热力结构具有重要影响， 研究重力波参数气候特征是研制全球大气模式中重力波参数化的一个重要环节， 通过引入重力波的影响， 有利于提高大气模式的预报能力。本文利用2014 -2017年太原地区（112.55°E， 37.78°N）高垂直分辨率探空资料， 对其对流层（2~9 km）、下平流层（17~24 km）大气重力波参数的气候特征及其之间差异特征进行研究。结果表明： （1）在1 -12月， 相对于对流层， 下平流层的平均重力波水平波长、周期、固有相速、能量上传百分比均偏大， 垂直波长均偏小， 但群速在2月、5 -9月偏大， 其他月份偏小； （2）对流层与下平流层之间的重力波参数偏差、绝对差较大， 相关性弱； （3）对流层、下平流层的重力波参数及其之间的偏差， 在不同区间范围内的占有率分布特征存在明显差异； 通过研究太原地区上空对流层、下平流层大气重力波参数的气候及其之间差异特征， 进一步补充了中国区域的大气重力波参数气候特征， 有利于研制更适合中国区域数值预报模式的重力波参数化方案。

本文引用格式

程胡华 , 赵亮 , 武帅 , 李娟 , 蔡其发 . 对流层与下平流层大气重力波的气候及差异特征研究——以太原为例[J]. 高原气象, 2021 , 40(3) : 590 -602 . DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2020.00042

Highlights

Atmospheric gravity waves have a significant effect on the dynamic and thermal structure of the global atmosphere.Studying the climatic characteristic of gravity wave parameters constitute an important part of the parameterization of gravity waves in the development of a global atmospheric model.By introducing the effect of gravity waves are conducive to improve the forecasting ability of the atmospheric model.In this paper， based on the high-vertical resolution sounding data of Taiyuan （112.55°E， 37.78°N） from 2014 to 2017， a study is conducted on the climatic characteristics of the atmospheric gravity wave parameters of the troposphere （2~9 km） and lower stratosphere （17~24 km） and their differences in between.The results show that： （1） From January to December， compared with the troposphere， the average gravity wave horizontal wavelength， period， horizontal phase velocity and fraction of upgoing energy are larger in the lower stratosphere， the gravity wave vertical wavelength is smaller； moreover， gravity wave ground-based horizontal group velocity in lower stratosphere is higher in February and from May to September and lower in other months； （2） Gravity wave parameters in the troposphere and lower stratosphere show larger deviation and absolute difference， and weak correlation； （3） Gravity wave parameters in the troposphere and lower stratosphere and their deviation in between show significant difference in their occupancy distribution within different ranges.By studying the climatic characteristics of gravity wave parameters in the troposphere and lower stratosphere over Taiyuan， and characteristics of their differences are further supplemented the climatic characteristics of atmospheric gravity wave parameters in China； it is beneficial to the development of a parameterization scheme that is more suitable for the Chinese regional numerical prediction model.

1 引言

重力波与多种不同尺度天气现象均有密切联系， 其对全球大气的动力、热力结构变化及调整具有重大影响（Holton， 1983； Fritts and Alexander， 2003）； 国内外研究均表明， 大气重力波影响着台风（陈丹等， 2011； Chen et al， 2013； 洪军等， 2015）、降水（邓少格等， 2012； 徐炎炎等， 2013； 程胡华， 2016； 吴迪等， 2016）、冰雹（孙继松和王华， 2009； 覃卫坚等， 2010）、及其他天气现象（Thomas et al， 1998； 陈丹等， 2014； Plougonven and Zhang， 2014； Kramer et al， 2015； 赵桂香等， 2017）的产生和发展， 为提高大气模式对多种不同尺度天气现象的预报能力， 需要在模式中使用重力波参数化的方法加入重力波影响（钟水新和陈子通， 2015）， 通过利用高垂直分辨率探空资料获取全球范围内大气重力波参数气候特征， 已成为研制预报能力更强的大气模式前提条件之一（Yamamori and Sato， 2006； Murphy et al， 2014）。
20世纪80年代， 科学家们使用无线电探空资料中的温度廓线研究重力波能量及谱斜率（VanZandt， 1982）； 随后， Kitamura and Hirota （1989）、Hamilton（1991）、Allen and Vincent （1995）利用风场、温度场廓线计算重力波参数； 经过不断的完善（Eckermann， 1996； Eckermann and Preusse， 1999）， 形成了依据风场和温度场廓线计算重力波参数的一套完整方法， 该方法已被认可并广泛应用（卞建春等， 2004； Zhang and Yi， 2005， 2007； Zhang et al， 2010； Moffat-Griffin et al， 2011； Qing et al， 2014， 2016； 白志宣等， 2016； Kafando et al， 2016； Chen et al， 2019； Jackson et al， 2018）， 例如， 白志宣等（2016）依据两年多中国南北向8个站点的高垂直分辨率探空资料， 分析了下平流层（18~25 km）惯性重力波活动的季节变化及其随纬度的分布特征， 发现下平流层重力波能量冬季大、夏季小， 且随着纬度增加而减小， 重力波垂直波长随纬度没有明显变化， 水平波长随纬度增加而呈现降低的趋势， 固有频率和科氏参数之比随纬度增加而减小的特征； Kafando et al（2016）为提高西非季风模拟水平， 利用高垂直分辨率温度、水平风场资料， 对西非季风期间热带下平流层的小尺度波动（垂直波长小于4 km）活动和波谱特征进行了分析， 发现在西非季风建立的7 -8月， 在下平流层观测到垂直波长为1.5~2.5 km、水平波长为400~1100 km、固有频率为1.1~2.2 f或波周期小于2天的惯性重力波活动活跃。
在中国区域， 北京（卞建春等， 2004）、武汉（Zhang and Yi， 2005）及其他站点区域（Zhang and Yi， 2007； 白志宣等， 2016）的重力波参数特征已取到一系列有意义成果。本文以2014 -2017年太原地区（112.55°E， 37.78°N）高垂直分辨率探空资料为基础， 得到2014 -2017年太原地区上空对流层（2~9 km）、下平流层（17~24 km）的大气重力波参数（水平波长、垂直波长、周期、群速等等）， 与前期研究（卞建春等， 2004； Wang and Geller， 2003； Wang et al， 2005； Zhang and Yi， 2005， 2007； 白志宣等， 2016）相比， 主要有两方面不同， 一方面存在纬度、经度差异， 另一方面虽然前期研究（Wang and Geller， 2003； Wang et al， 2005； Zhang and Yi， 2005）也对对流层、下平流层重力波参数气候特征进行了研究， 但未针对对流层与下平流层之间的大气重力波参数气候差异（如偏差、绝对差）特征及相关性特征进行研究； 通过本文研究， 进一步补充中国其他区域的大气重力波气候特征、以及对流层与下平流层之间的大气重力波气候差异和相关性特征， 有利于研制更适合中国区域数值预报模式的重力波参数化方案。

2 资料来源与方法介绍

2.1　资料来源

研究资料为山西太原气象台（112.55°E， 37.78°N）提供的2014 -2017年高垂直分辨率探空资料， 由于原始资料的垂直间隔不等， 本文利用3次样条插值方法得到垂直分辨率为50 m的气象要素值。

2.2　方法介绍

对于探空资料中的纬向风速 u、经向风速 v、温度 T， 采用二阶曲线拟合方法得到对流层、下平流层的背景场廓线（ u ¯、 v ¯、 T ¯）及其扰动场廓线（ u '、 v '、 T '）， 其中， 所得到扰动场被认为是不同尺度重力波的叠加结果。本文获取重力波参数所用的程序包为澳大利亚Adelaide大学Vincent教授提供， 依据线性重力波理论（卞建春等， 2004； 邓少格等， 2012； Sawyer， 1961）和多种观探测资料均表明， 由重力波产生的水平风速矢量（ u ' ( z )， v ' ( z )）端点的连线， 大致表现为椭圆形状， 若重力波的水平传播方向为自北顺时针旋转角度 α， 则 α方向即为水平风扰动矢量偏振椭圆的长轴方向（卞建春等， 2004； 邓少格等， 2012； Hines， 1989）。通过利用Stokes参数（卞建春等， 2004； 邓少格等， 2012； Eckermann， 1996）和主成分分析法（卞建春等， 2004； 邓少格等， 2012）， 借助Hilbert变换后的归一化温度扰动和速度扰动分量之间的关系（卞建春等， 2004； 邓少格等， 2012）， 可确定出重力波水平传播方向 ϕ、椭圆偏振度 d和偏振椭圆的长短轴， 由偏振椭圆长短轴之比 A X R = u ̂ v ̂ = ω ̂ f （卞建春等， 2004； 邓少格等， 2012）， 即可求出波固有频率 ω ̂和固有周期 T（= 2 π / ω ̂）， 通过归一化温度扰动 T ̂ '的垂直波数功率谱可以估算出波动的垂直波数 m（Hoffmann et al， 2006； Moffat-Griffin et al， 2011）， 依据波数与波长之间关系， 可求取垂直波长 λ z（ λ z = 2 π / m）， 将上述得到的波固有频率 ω ̂和垂直波数 m代入由线性重力波理论得到的频散关系式， 可得到重力波的水平波长 λ h、固有相速 c ⃗ i、对地水平群速 c ⃗ g等一系列的波参数值。
本文利用太原地区高垂直分辨率探空资料来计算对流层、下平流层大气重力波参数， 如垂直波长、固有频率、水平波长等， 由于对流层与下平流层大气之间的浮力频率差异较大， 并且为了避开对流层顶的极低温度， 以及对流层上部纬向风急流对拟合的影响， 拟合分别在对流层范围（地表以上2~9 km）、下平流层范围（海拔17~24 km）进行； 关于获取大气重力波参数计算方法的详细说明请参阅文献（Wang and Geller， 2003； Wang et al， 2005； Zhang and Yi， 2005， 2007； Zhang et al， 2010； 邓少格等， 2012； 白志宣等， 2016）。

3 浮力频率特征

在大气稳定层结条件下， 引起风场强烈变化的原因主要是由于大气中存在各种尺度的波动， 尤其是大气重力波， 而浮力频率可以很好地反映出大气稳定层结性； 在2014 -2017年， 山西太原地区上空浮力频率在对流层和下平流层的平均年内变化特征如图1所示， 可以看出浮力频率值与高度、季节有关［图1（a）］， 对流层的值明显小于相应的下平流层； ［图1（b）］反映了高度范围2~9 km、17~24 km内的平均浮力频率值年内变化特征， 在1 -12月， 对流层、下平流层的平均浮力频率值分别为0.010~0.012 rad·s-1和0.021~0.023 rad·s-1， 平均值分别为0.011 rad·s-1和0.022 rad·s-1， 即对流层的平均浮力频率值明显小于下平流层。
图1 2014 -2017年太原地区上空浮力频率(单位: rad·s-1)的时空变化特征(a)和平均浮力频率的年内变化(b)

Fig.1 Time-altitude cross-section of the buoyancy frequency (unit: rad·s-1) (a) and times series of averaged buoyancy frequency (b) in Taiyuan during 2014 -2017

4 重力波特征

4.1　水平波长

对流层与下平流层重力波水平波长、二者之间的偏差（下平流层波长减去对流层波长， 下同）、绝对差和相关系数的年内变化特征， 以及对流层、下平流层重力波水平波长及其偏差在不同水平波长区间的占有率分布特征如图2所示， 从对流层和下平流层重力波水平波长的年内变化特征［图2（a）］可以看出， 在1 -12月， 下平流层重力波水平波长均明显大于对流层， 它们的波长范围分别为282.21~367.55 km和85.81~131.59 km， 平均值分别为326.84 km和107.03 km， 水平波长偏差在1 -12月均为正值， 其范围为165.49~273.90 km ［图2（b）］， 平均值为219.81 km； 水平波长绝对差的年内变化特征类似偏差［图2（c）］， 其范围为215.88~294.56 km， 平均值为260.96 km， 水平波长相关系数值较小， 其最大值不超过0.15［图2（d）］， 值范围为-0.13~0.13， 平均值为0.03； 对流层、 下平流层水平波长在不同水平波长区间内占有率的分布特征如［图2（e）］所示， 它们均在0~200 km范围内最大， 且该区间范围内的对流层水平波长占有率明显大于下平流层， 其值分别为84.26%和36.98%； 当水平波长超过200 km， 对流层水平波长占有率明显小于下平流层， 其值分别为15.74%和63.02%， 该分布特征与对流层、 下平流层水平波长大小特征［图2（a）］结论吻合； 水平波长偏差在不同区间内的占有率分布特征如［图2（f）］所示， 其中， 在-200~600 km内的各个区间范围均超过5%， 在0~200 km区间范围内最大， 正偏差值占有率为81.20%， 即负偏差值占有率为18.80%。
图2 2014 -2017年山西太原地区对流层和下平流层重力波水平波长(a)、二者偏差(b)、绝对差(c)、相关系数(d), 以及在不同水平波长区间内占有率(e, f)的分布特征

Fig.2 Distribution characteristics of gravity wave horizontal wavelength (a), and their deviations (b), absolute difference (c), coefficient of correlation (d), and occupancy rates in different horizontal wavelength ranges (e, f) in the troposphere and lower stratosphere in Taiyuan during 2014 -2017

4.2　垂直波长

对流层与下平流层重力波垂直波长， 二者之间的偏差、绝对差和相关系数的年内变化特征， 以及对流层、下平流层重力波垂直波长及其偏差在不同垂直波长区间的占有率分布特征如图3所示， 除8月的对流层垂直波长与下平流层较接近外［图3（a）］， 其他月份的对流层垂直波长值均明显大于下平流层， 对流层、下平流层垂直波长值范围分别为2.31~2.99 km和2.18~2.52 km， 平均值分别为2.65 km、 2.36 km， 从垂直波长偏差、绝对差的年内变化特征 ［图3（b）， （c）］可知， 垂直波长偏差均为负值， 值范围为-0.57~-0.06 km， 平均值为-0.29 km； 垂直波长绝对差的值范围为0.49~0.82 km， 平均值为0.64 km； 类似水平波长， 垂直波长相关系数值同样较小［图3（d）］， 在1 -12月， 垂直波长相关系数的值范围为-0.13~0.10， 平均值为0.02。从对流层、下平流层垂直波长在不同区间内的占有率分布特征［图3（e）］可知， 对流层垂直波长在2.5~3.0 km范围内的占有率最高， 而下平流层垂直波长在2.0~2.5 km范围内的占有率最高； 在1.0~2.5 km范围内， 对流层垂直波长的占有率明显比下平流层低， 其值分别为43.04%和61.92%； 当垂直波长超过2.5 km时， 对流层垂直波长的占有率明显比下平流层高， 其值分别为56.96%和38.08%； 从垂直波长偏差在不同区间内的占有率分布特征［图3（f）］可知， 垂直波长偏差占有率超过5%的位于-1.5~1.0 km区间， 且在-0.5~0.0 km区间内最大； 正偏差值占有率为36.51%， 即其负偏差值占有率为63.49%。
图3 2014 -2017年山西太原地区对流层和下平流层重力波垂直波长(a) 、二者偏差(b)、绝对差(c)、相关系数(d), 以及在不同垂直波长区间内占有率(e, f)的分布特征

Fig.3 Distribution characteristics of gravity wave vertical wavelength (a) in the troposphere and lower stratosphere, and their deviations (b), absolute difference (c), coefficient of correlation (d), and occupancy rates in different vertical wavelength ranges (e, f) in Taiyuan during 2014 -2017

4.3　周期

图4描述了对流层与下平流层重力波周期， 二者之间的偏差、 绝对差和相关系数的年内变化特征， 以及对流层、 下平流层重力波周期及其偏差在不同周期区间的占有率分布特征； 在1 -12月， 下平流层周期均明显大于对流层［图4（a）］， 它们的值范围分别为7.51~8.94 h和4.65~6.12 h， 平均值分别为8.23 h和5.27 h； 周期偏差、绝对差的年内变化特征如［图4（b）， （c）］所示， 除1 -3月外， 周期偏差和绝对差在4 -12月的变化趋势基本吻合， 在1 -12月， 周期偏差、 绝对差的值范围分别为1.87~4.01 h和4.72~6.09 h， 平均值分别为2.88 h和5.40 h； 虽然周期相关系数值略大于水平波长、垂直波长， 但同样较小， 其相关系数的最大值不超过0.2， 值范围为 -0.15~0.20 ［图4（d）］， 平均值为0.03； 对流层周期在0.0~2.0 h范围内的占有率最大 ［图4（e）］， 而下平流层周期在8.0~10.0 h范围内的占有率最大； 在0.0~6.0 h范围内， 对流层周期的占有率明显大于下平流层， 其值分别为64.04%和34.93%； 当周期超过6 h时， 对流层周期的占有率明显小于下平流层， 其值分别为35.96%和65.07%； 从周期偏差在不同区间范围内的占有率分布特征［图4（f）］可知， 周期偏差占有率超过5%的位于-6.0~12.0 h区间范围， 且在0.0~2.0 h区间范围内最大； 正偏差值占有率为69.79%， 即负偏差值占有率为30.21%。
图4 2014 -2017年山西太原地区对流层和下平流层重力波周期(a)、二者偏差(b)、绝对差(c)、相关系数(d), 以及在不同周期区间内占有率(e, f)的分布特征

Fig.4 Distribution characteristics of gravity wave period (a), and their deviations(b), absolute difference(c), coefficient of correlation(d), and occupancy rates in different period ranges(e, f) in the troposphere and lower stratosphere in Taiyuan during 2014 -2017

4.4　群速

对流层与下平流层重力波群速， 二者之间的偏差、绝对差和相关系数的年内变化特征， 以及对流层、下平流层重力波群速及其偏差在不同群速区间的占有率分布特征如图5所示， 在1 -12月， 对流层与下平流层群速的年内变化特征存在较明显差异［图5（a）］， 与水平波长、垂直波长及周期不同， 下平流层群速在2月、 5 -9月大于对流层， 其他月份均小于对流层； 下平流层、对流层群速的值范围分别为-2.95~7.47 m·s-1和-0.78~5.80 m·s-1， 平均值分别为2.14 m·s-1和2.03 m·s-1， 群速偏差、绝对差的年内变化特征如［图5（b）， （c）］所示， 其中， 群速偏差在2月、 5 -9月为负值， 其他月份均为正值， 群速偏差、 绝对差的值范围为-5.39~4.84 m·s-1和6.61~18.48 m·s-1， 平均值分别为0.11 m·s-1和11.71 m·s-1， 类似上述已分析的重力波参数， 群速相关系数值同样较小， 在1 -12月， 群速相关系数的值范围为 -0.13~0.19［图5（d）］， 平均值为0.01； 从对流层、下平流层群速在不同区间内的占有率分布特征［图5（e）］可知， 对流层群速在-10~0.0 m·s-1范围内的占有率最大， 而下平流层群速在0.0~10.0 m·s-1范围内的占有率最大； 当群速小于 -30 m·s-1及在0.0~10.0 m·s-1区间范围内， 对流层群速的占有率均小于下平流层， 其值分别为0.08%、0.16%和29.58%、43.43%； 而在其他区间范围时， 对流层群速的占有率均大于下平流层； 从群速偏差在不同区间范围内的占有率分布特征［图5（f）］可知， 群速偏差占有率超过5%的位于-20.0~30.0 m·s-1区间范围， 且在0.0~10.0 m·s-1区间范围内最大； 群速偏差的正偏差值占有率为55.47%， 即负偏差值占有率为44.53%。
图5 2014 -2017年山西太原地区对流层和下平流层重力波群速(a)、二者偏差(b)、绝对差(c)、相关系数(d)、以及在不同群速区间内占有率(e, f)的分布特征

Fig.5 Distribution characteristics of gravity wave ground-based horizontal group velocity (a), their deviations (b), absolute difference (c), coefficient of correlation (d), and occupancy rates in different ground-based horizontal group velocity ranges (e, f) in the troposphere and lower stratosphere in Taiyuan during 2014 -2017

4.5　固有相速

对流层与下平流层重力波固有相速， 二者之间的偏差、绝对差和相关系数的年内变化特征， 以及对流层、下平流层重力波固有相速及其偏差在不同固有相速区间的占有率分布特征如图6所示； 从对流层、下平流层固有相速的年内变化特征［图6（a）］可知， 在1 -12月， 下平流层固有相速均明显大于对流层， 下平流层、对流层固有相速的值范围分别为9.30~10.44 m·s-1和4.48~5.99 m·s-1， 平均值分别为10.10 m·s-1和5.09 m·s-1， 固有相速偏差、 绝对差的年内变化趋势基本一致［图6（b）， （c）］， 在1 -12月， 固有相速偏差、绝对差的值范围分别为4.00~5.64 m·s-1和4.11~5.69 m·s-1， 平均值分别为5.01 m·s-1和5.08 m·s-1； 类似其他波参数， 固有相速相关系数值同样较小 ［图6（d）］， 其值范围为 -0.17~0.19， 平均值为0.05； 从对流层、下平流层固有相速在不同区间范围内的占有率分布特征［图6（e）］可知， 对流层固有相速在4.0~6.0 m·s-1范围内的占有率最大， 而下平流层固有相速在8.0~10.0 m·s-1范围内的占有率最大； 在0.0~6.0 m·s-1范围内， 对流层固有相速的占有率明显大于下平流层， 其值分别为77.26%和2.20%； 当固有相速超过6.0 m·s-1时， 对流层固有相速的占有率明显小于下平流层， 其值分别为22.74%和97.80%； 从固有相速偏差在不同区间范围内的占有率分布特征［图6（f）］可知， 固有相速偏差占有率超过5%的位于0.0~10.0 m·s-1区间范围， 且在4.0~6.0 m·s-1区间范围内最大； 正偏差值占有率为96.46%， 即负偏差值占有率为3.54%。
图6 2014 -2017年山西太原地区对流层和下平流层重力波固有相速(a)、二者偏差(b)、绝对差(c)、相关系数(d), 以及不同固有相速区间内占有率(e, f)的分布特征

Fig.6 Distribution characteristics of gravity wave horizontal phase velocity (a) and their deviations (b), absolute difference (c), coefficient of correlation (d), and occupancy rates in different horizontal phase velocity ranges (e, f) in the troposphere and lower stratosphere in Taiyuan during 2014 -2017

4.6　能量上传百分比

对流层与下平流层重力波能量上传百分比、 二者之间的偏差、 绝对差和相关系数的年内变化特征， 以及对流层、下平流层重力波能量上传百分比及其偏差在不同能量上传百分比区间的占有率分布特征如图7所示， 在1 -12月， 下平流层能量上传百分比均明显高于对流层［图7（a）］， 下平流层、对流层能量上传百分比的值范围分别为67.43%~76.90%和46.98%~52.18%， 平均值分别为72.92%和50.05%， 能量上传百分比偏差、绝对差的年内变化特征如［图7（b）， （c）］所示， 它们在1 -9月的变化趋势基本一致， 其在1 -12月的值范围分别为17.40%~28.32%和25.64%~32.55%， 平均值分别为22.87%和29.78%； 类似其他重力波参数， 能量上传百分比相关系数值同样较小［图7（d）］， 值范围为 -0.14~0.19， 平均值为-0.03； 下平流层、对流层能量上传百分比在不同区间范围内的占有率分布特征如［图7（e）］所示， 对流层能量上传百分比在50.0%~60.0%范围内的占有率最大， 而下平流层能量上传百分比在80.0%~90.0%范围内的占有率最大； 在0~70.0%范围， 对流层能量上传百分比明显大于下平流层， 其值分别为84.34%和35.80%； 当能量上传百分比超过70.0%， 对流层能量上传百分比的占有率明显小于下平流层， 其值分别为15.66%和64.20%； 从能量上传百分比偏差在不同区间范围内的占有率分布特征［图7（f）］可知， 能量上传百分比偏差占有率超过5%的位于-10.0%~70.0%区间范围， 在30.0%~40.0%区间范围内最大； 正偏差值占有率为80.80%， 即负偏差值占有率为19.20%。
图7 2014 -2017年山西太原地区对流层和下平流层重力波能量上传百分比(a)、二者偏差(b)、绝对差(c)、相关系数(d), 以及在不同能量上传百分比区间内占有率(e, f)的分布特征

Fig.7 Distribution characteristics of gravity wave fraction of upgoing energy (a) and their deviations (b), absolute difference (c), coefficient of correlation (d), and occupancy rates in different fraction of upgoing energy (e, f) in the troposphere and lower stratosphere in Taiyuan during 2014 -2017

5 结论与讨论

本文利用2014 -2017年太原地区高垂直分辨率探空资料， 研究了对流层、下平流层重力波参数的年内变化特征及在不同区间范围内占有率特征， 并对下平流层与对流层之间重力波参数的偏差、绝对差、相关系数年内变化特征， 以及偏差在不同区间范围内占有率特征进行了研究， 主要得出以下结论：
（1） 相对对流层， 下平流层的平均重力波水平波长、周期、固有相速、能量上传百分比在1 -12月均偏大， 垂直波长均偏小， 而群速在2月、5 -9月偏大， 其他月份均偏小。
（2） 下平流层与对流层之间的重力波参数偏差、绝对差均较大， 相关性弱。
（3） 对流层、下平流层重力波参数在不同区间范围内的占有率分布特征存在明显差异。
（4） 下平流层与对流层之间的重力波参数偏差在不同区间范围内的占有率分布特征存在明显差异， 其中， 水平波长、周期、群速、固有相速、能量上传百分比均以正偏差为主， 而垂直波长以负偏差为主。
确定重力波参数气候特征是研制全球大气模式中重力波参数化的一个重要前提条件， 这些参数的选取需要根据观测资料来确定。目前， 针对大气重力波参数气候特征， 大多只针对对流层或下平流层进行研究， 较少同时针对同一地区的对流层、下平流层进行对比， 且到目前为止， 尚未见到对流层与下平流层之间的差异及相关性特征等研究成果； 本文利用2014 -2017年太原地区高垂直分辨率探空资料， 同时对对流层、下平流层重力波参数气候特征进行对比， 并对它们之间的差异及相关性特征进行研究， 一方面， 更好地认识了同一地区对流层、下平流层的大气重力波气候特征及其之间差异、相关性特征； 另一方面， 进一步补充了中国区域对流层、下平流层大气重力波参数气候特征， 为后期研制更好的大气模式重力波参数方案提供依据。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
Allen S J， Vincent R A， 1995.Gravity wave activity in the lower atmosphere： Seasonal and latitudinal variations［J］.Journal of Geophysical Research， 100（D1）： 1327-1350.

Chen D， Chen Z Y， Lü D R， 2013.Spatiotemporal spectrum and momentum flux of the stratospheric gravity waves generated by a typhoon［J］.Science China： Earth Sciences， 56（1）： 54-62.DOI： 10.1007/s11430-012-4502-4.

Chen L， Bian J， Liu Y， al et， 2019.Statistical analysis of inertial gravity wave parameters in the lower stratosphere over northern China ［J］.Climate Dynamics， 52（1）： 563-575.

Eckermann S D， 1996.Hodographic analysis of gravity waves： relationships among stokes parameters， rotary spectra and cross-spectral methods［J］.Journal of Geophysical Research， 101（D14）： 19169-19174.

Eckermann S D， Preusse P， 1999.Global measurements of stratospheric mountain waves from space［J］.Science， 286（5444）： 1534-1537.

Fritts D C， Alexander M J， 2003.Gravity wave dynamics and effects in the middle atmosphere［J］.Reviews of Geophysics， 41（1）： 1003.DOI： 10.1029/2001RG000106.

Hamilton K， 1991.Climatological statistics of stratospheric inertia-gravity waves deduced from historical rocketsonde wind and temperature data［J］.Journal of Geophysical Research， 96（D11）： 20831-20839.

Hines C O， 1989.Tropopausal mountain waves over arecibo： A case study［J］.Journal of the Atmospheric Sciences， 46（4）： 476-488.

Hoffmann P， Serafimovich A， Peters D， al et， 2006.Inertia gravity waves in the upper troposphere during the MaCWAVE winter campaign-part I： Observations with collocated radars［J］.Annales Geophysicae， 24（11）： 2851-2862.

Holton J R， 1983.The influence of gravity wave breaking on the general circulation of the middle atmosphere［J］.Journal of the Atmospheric Sciences， 40（10）： 2497-2507.

Jackson D R， Gadian A， Hindley N P， al et， 2018.A means for improved analysis of gravity waves and low-level wind impacts generated from mountainous islands［J］.Bulletin of American Meteorological Society， 99（5）： 1027-1040.DOI： 10.1175/BAMS-D-16-0151.1.

Kafando P， Chane-Ming F， Petitdidier M， 2016.Stratospheric variability of wave activity and parameters in equatorial coastal and tropical sites during the west african monsoon［J］.Climate Dynamics， 47（11）： 3433-3456.DOI： 10.1007/s00382-015-2764-1.

Kitamura Y， Hirota I， 1989.Small-scale disturbances in the lower stratosphere revealed by daily rawinsonde observation［J］.Journal of the Meteorological Society of Japan， 67（5）： 817-831.

Kramer R， Wüst S， Schmidt C， al et， 2015.Gravity wave characteristics in the middle atmosphere during the CESAR campaign at palma de mallorca in 2011/2012： Impact of extratropical cyclones and cold fronts［J］.Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics， 128： 8-23.

Moffat-Griffin T， Hibbins R E， Jarvis M J， al et， 2011.Seasonal variations of gravity wave activity in the lower stratosphere over an antarctic peninsula station［J］.Journal of Geophysical Research： Atmospheres， 116（D14）： D14111.DOI： 10.1029/2010JD015349.

Murphy D J， Alexander S P， Klekociuk A R， al et， 2014.Radiosonde observations of gravity waves in the lower stratosphere over davis， antarctica［J］.Journal of Geophysical Research： Atmospheres， 119（21）： 11973-11996.DOI： 10.1002/2014JD022448.

Plougonven R W， Zhang F Q， 2014.Internal gravity waves from atmospheric jets and fronts［J］， Reviews of Geophysics， 52（1）： 33-76.DOI： 10.1002/2012RG000419.

Qing H Y， Zhou C， Zhao Z Y， al et， 2014.A statistical study of inertia gravity waves in the troposphere based on the measurements of wuhan atmosphere radio exploration （WARE） radar［J］.Journal of Geophysical Research： Atmospheres， 119（7）： 3701-3714.DOI： 10.1002/2013JD020684.

Qing H Y， Zhou C， Zhao Z Y， al et， 2016.Inertia gravity wave activity in the troposphere and lower stratosphere observed by wuhan MST radar［J］.Science China Earth Sciences， 059（5）： 1066-1073.DOI： 10.1007/s11430-015-5253-9.

Thomas L， Worthington R M， McDonald A J， 1998.Inertia-gravity waves in the troposphere and lower stratosphere associated with a jet stream exit region［J］.Annales Geophysicae， 17（1）： 115-121.

Sawyer J S， 1961.Quasi-periodic wind variations with height in the lower stratosphere［J］.Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society， 87（371）： 24-33.

VanZandt T E， 1982.A universal spectrum of buoyancy waves in the atmosphere［J］.Geophysical Research Letters， 9（5）： 575-578.

Wang L， Geller M A， 2003.Morphology of gravity wave energy as observed from 4 years （1998-2001） of high vertical resolution U.S.radiosonde data ［J］.Journal of Geophysical Research， 108（D16）： 4489.DOI： 10.1029/2002JD002786.

Wang L， Geller M A， Alexander M J， 2005.Spatial and temporal variations of gravity wave parameters.Part I： Intrinsic frequency， wavelength， and vertical propagation direction ［J］.Journal of the Atmospheric Sciences， 62（1）： 125-142.

Yamamori M， Sato K， 2006.Characteristics of inertia gravity waves over the south pacific as revealed by radiosonde observations［J］.Journal of Geophysical Research， 111（D16）： D16110.

Zhang S D， Yi F， 2005.A statistical study of gravity waves from radiosonde observations at Wuhan （30°N， 114°E） China［J］.Annales Geophysicae， 23（3）： 665-673.

Zhang S D， Yi F， 2007.Latitudinal and seasonal variations of inertial gravity wave activity in the lower atmosphere over central China［J］.Journal of Geophysical Research， 112（D5）： D05109.

Zhang S D， Yi F， Huang C M， al et， 2010.Latitudinal and seasonal variations of lower atmospheric inertial gravity wave energy revealed by US radiosonde data［J］.Annales Geophysicae， 28： 1065-1074.

白志宣， 卞建春， 陈洪滨， 等， 2016.中国地区下平流层惯性重力波参数分布特征的资料分析［J］.中国科学： 地球科学， 46（12）： 1645-1657.

卞建春， 陈洪滨， 吕达仁， 2004.用垂直高分辨率探空资料分析北京上空下平流层重力波的统计特性［J］.中国科学D辑： 地球科学， 34（8）： 748-756.

陈丹， 陈泽宇， 吕达仁， 2011.台风“麦莎”（Matsa）诱发平流层重力波的数值模拟［J］.中国科学： 地球科学， 41（12）： 1786-1794.

陈丹， 陈泽宇， 吕达仁， 2014.与东北冷涡相伴的高空急流诱发平流层重力波的数值模拟研究［J］.地球物理学报， 57（1）： 10-20.DOI： 10.6038/cjg20140102.

程胡华， 2016.晋西北地区一次雷阵雨天气过程中重力波参数演变特征［J］.干旱气象， 34（5）： 811-819.

邓少格， 钟中， 程胡华， 2012.一次暴雨过程中重力波参数演变特征的模拟结果［J］.地球物理学报， 55（6）： 1831-1843.DOI： 10.6038/j.issn.0001-5733.2012.06.004.

覃卫坚， 寿绍文， 高守亭， 等， 2010.一次冰雹过程的惯性重力波观测及数值模拟［J］.地球物理学报， 53（5）： 1039-1049.

洪军， 姚志刚， 韩志刚， 等， 2015.台风“梅花”诱发平流层重力波的数值模拟与AIRS观测［J］.地球物理学报， 58（7）： 2283-2293.DOI： 10.6038/cjg20150707.

孙继松， 王华， 2009.重力波对一次雹暴天气过程演变的影响［J］.高原气象， 28（1）： 165-172.

吴迪， 王澄海， 何光碧， 2016.青藏高原地区夏季两次强降水过程中重力波特征分析［J］.高原气象， 35（4）： 854-864.DOI： 10.7522/j.issn.1000-0534.2015.00066.

徐炎炎， 闫敬华， 王谦谦， 等， 2013.华南暖区暴雨的一种低层重力波触发机制［J］.高原气象， 32（4）： 1050-1061.DOI： 10.7522/j.issn.1000-0534.2012.00100.

赵桂香， 王晓丽， 王一颉， 2017.黄河中游地区初春与盛夏MCC结构特征比较分析［J］.高原气象， 36（6）： 1638-1654.DOI： 10.7522/j.issn.1000-0534.2016.00138.

钟水新， 陈子通， 2015.天气与气候模式中次网格重力波拖曳参数化的研究［J］.高原气象， 34（4）： 1177-1185.DOI： 10.7522/j.issn.1000-0534.2014.00045.

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