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