徐曉華， 郭金城， 羅佳,3*

1 武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院， 武漢　430079 2 地球空間信息技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心， 武漢　430079 3 地球空間環(huán)境與大地測(cè)量教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢　430079

利用COSMIC RO數(shù)據(jù)分析青藏高原平流層重力波活動(dòng)特征

徐曉華1,2， 郭金城1， 羅佳1,3*

1 武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院， 武漢430079 2 地球空間信息技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心， 武漢430079 3 地球空間環(huán)境與大地測(cè)量教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢430079

摘要本文利用2006年5月至2013年4月COSMIC干溫廓線數(shù)據(jù)，提取了青藏高原地區(qū)大氣重力波勢(shì)能，以此研究了青藏高原大氣重力波勢(shì)能的分布頻率模型和大氣重力波活動(dòng)的時(shí)空變化特征，并進(jìn)一步分析了高原大氣重力波活動(dòng)與高原地形、風(fēng)速和高原大陸熱輻射之間的相關(guān)性.青藏高原地區(qū)大氣重力波勢(shì)能的分布頻率服從對(duì)數(shù)生長(zhǎng)分布；青藏高原地區(qū)大氣重力波在16～18 km和28～31 km高度較活躍，而在20～26 km高度較平靜；高原大陸邊緣各季節(jié)重力波活動(dòng)均較活躍，而高原大陸上空大氣重力波活動(dòng)呈明顯季節(jié)性變化，其在冬春季節(jié)較活躍，在夏秋季節(jié)較平靜；2010年冬季青藏高原大氣重力波活動(dòng)異常平靜；各季節(jié)整個(gè)高原上空大氣重力波活躍度有隨大氣高度升高而降低的趨勢(shì)，高原上低層大氣重力波向高層傳播會(huì)發(fā)生耗散作用.地形與風(fēng)速是影響青藏高原大氣重力波活動(dòng)的重要因素.地形主要影響平流層底部的重力波活動(dòng)；緯向風(fēng)比經(jīng)向風(fēng)對(duì)該地區(qū)平流層大氣重力波活動(dòng)的影響大，緯向風(fēng)總體上會(huì)促進(jìn)高原大氣重力波活動(dòng).青藏高原大陸熱輻射對(duì)高原大氣的加熱作用是導(dǎo)致青藏高原大氣重力波活動(dòng)呈季節(jié)性變化的重要因素.

關(guān)鍵詞重力波； 青藏高原； 勢(shì)能； COSMIC； 平流層

1引言

重力波是大氣中最基本的動(dòng)力過(guò)程，從微尺度到天氣尺度的多種大氣現(xiàn)象都和重力波有非常密切的聯(lián)系，大氣重力波對(duì)全球大氣環(huán)流及大氣的動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)結(jié)構(gòu)都有著重要影響(Holton, 1983；Fritts and Alexander, 2003).重力波在大氣傳播過(guò)程中受各種耗散過(guò)程作用，將其攜帶的能量和動(dòng)量存儲(chǔ)在背景大氣中，從而對(duì)局地和全球大氣的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)過(guò)程產(chǎn)生影響(Manzini and McFarlane, 1998).

很多在不同的地理和氣象條件下的重力波產(chǎn)生源已得到確認(rèn)(Fritts and Alexander, 2003)，包括地形作用(Fritts and Nastrom, 1992)，對(duì)流和鋒面活動(dòng)(Alexander and Vincent, 2000)，風(fēng)切變(Murayama et al., 1994)與地轉(zhuǎn)適應(yīng)(Hei et al., 2008).Hoffmann等(2013)對(duì)全球熱點(diǎn)區(qū)域重力波活動(dòng)研究表明，絕大多數(shù)重力波活躍區(qū)域的重力波波源都與山脈或?qū)α骰顒?dòng)有關(guān).大氣中氣流流經(jīng)山脈時(shí)受山脈的機(jī)械阻擋會(huì)激發(fā)產(chǎn)生重力波(即山脈重力波).山脈重力波主要產(chǎn)生于具有層結(jié)的大氣中，由地形作用形成.在中層大氣中，山脈重力波的主要尺度為～10-100 km，其相速度接近0，其垂直波長(zhǎng)與局部大氣靜力穩(wěn)定度和波傳播面的平均風(fēng)速有關(guān).對(duì)流涉及與潛熱釋放有關(guān)的時(shí)變熱能驅(qū)動(dòng)，該過(guò)程能夠與大氣上層的穩(wěn)定層相互作用，同時(shí)該過(guò)程還會(huì)以復(fù)雜的形式產(chǎn)生切變.對(duì)流活動(dòng)涉及的復(fù)雜熱能過(guò)程會(huì)在大氣中形成短暫的阻擋效應(yīng)，這種阻擋效應(yīng)能夠起到如山脈那樣的機(jī)械阻擋效果，最終使得大氣重力波產(chǎn)生.

目前多種多樣的觀測(cè)技術(shù)已被用于大氣重力波的研究，包括探空火箭觀測(cè)(Eckermann et al., 1995)，無(wú)線電探空儀探測(cè)(Wang and Geller, 2003)，雷達(dá)觀測(cè)(Tsuda et al., 1990)，激光雷達(dá)觀測(cè)(Hertzog et al., 1999)，來(lái)自飛行器的風(fēng)速和溫度觀測(cè)(Fritts and Nastrom, 1992)，還有來(lái)自星載的大氣探測(cè)系統(tǒng)的溫度觀測(cè)，如AIRS(Hoffmann and Alexander, 2009)、CRISTA(Ern et al., 2004)、HIRDLS(Wright, 2010)和COSMIC(Alexander et al., 2008)等.諸如火箭、探空儀、雷達(dá)之類的地基觀測(cè)資料已經(jīng)為研究重力波活動(dòng)提供了一些有價(jià)值的信息.但是，地基觀測(cè)嚴(yán)重受限于觀測(cè)站的地理分布，難以獲得重力波活動(dòng)的全球分布特征信息.隨著星載傳感器大氣探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，獲取重力波活動(dòng)特征的全球分布成為可能.來(lái)自星載傳感器觀測(cè)的大氣溫度廓線數(shù)據(jù)已被大量用于重力波研究，其中利用低地球軌道衛(wèi)星GPS無(wú)線電掩星技術(shù)(Radio Occultation, RO)探測(cè)地球大氣狀態(tài)受到越來(lái)越多的關(guān)注.

GPS信號(hào)在地球大氣中傳播時(shí)受大氣折射的影響，其傳播路徑會(huì)產(chǎn)生彎曲.在一次掩星事件中，地球低軌道衛(wèi)星上的GPS接收機(jī)可測(cè)量來(lái)自GPS衛(wèi)星的雙頻信號(hào)多普勒頻移，據(jù)此可求出GPS信號(hào)傳播路徑的彎曲角廓線，進(jìn)而可求得大氣折射率廓線，從而提取大氣的溫度、氣壓、水汽等廓線信息.GPS RO探測(cè)具有全球覆蓋、高精度、高垂直分辨率、長(zhǎng)期穩(wěn)定、全天候和準(zhǔn)實(shí)時(shí)觀測(cè)的特點(diǎn)，已成為全球大氣探測(cè)的重要方式，GPS RO觀測(cè)資料近年來(lái)被一些學(xué)者用于大氣重力波的研究(Nastrom et al., 2000).目前針對(duì)大氣重力波的研究，有很多著眼于揭示全球尺度的重力波活動(dòng)特征(Wang and Alexander, 2010)，也有一些著眼于特定區(qū)域的重力波活動(dòng)特征及波源探究，如南極洲(Baumgaertner and McDonald, 2007)，安第斯山脈(Alexander and Teitelbaum, 2011)，熱帶地區(qū)(Alexander et al., 2000)等.

被稱作”世界屋脊”的青藏高原位于亞洲中部，是世界上地形最復(fù)雜的地區(qū)之一，平均海拔約4 km，它不僅對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生機(jī)械屏障作用，同時(shí)還作為熱源與其周圍的自由大氣存在熱量交換(Ding, 1992).青藏高原地區(qū)大氣對(duì)流活動(dòng)頻繁，因此青藏高原地區(qū)可能存在許多重力波源，但目前關(guān)于青藏高原地區(qū)大氣重力波活動(dòng)特征的研究較少，該區(qū)域重力波的特性還不清楚.Lin和Zhang(2012)利用2008年中日合作的JICA(Japan International Cooperation Agency，日本國(guó)際協(xié)力機(jī)構(gòu))項(xiàng)目在青藏高原地區(qū)甘孜(32.2°N,84.4°E)和理塘(30.0°N,100.3°E)的GPS無(wú)線電探空數(shù)據(jù)研究了重力波的垂直波長(zhǎng)、傳播方向和固有頻率與科里奧利頻率比值在這兩個(gè)站的統(tǒng)計(jì)特征.但由于GPS無(wú)線電探空觀測(cè)在時(shí)空分布和成本方面的局限性，Lin和Zhang(2012)的研究?jī)H針對(duì)青藏高原上的兩個(gè)測(cè)站，數(shù)據(jù)時(shí)間跨度不到100天，且觀測(cè)數(shù)據(jù)并不連續(xù)，在空間和時(shí)間跨度上都有局限性，不能較全面地揭示青藏高原地區(qū)大氣重力波的活動(dòng)特征，且并未對(duì)現(xiàn)象背后的成因進(jìn)行分析.

本文利用時(shí)空覆蓋較好的COSMIC掩星數(shù)據(jù)2006年5月至2013年4月的溫度廓線研究青藏高原大氣重力波的活動(dòng)特征，首次給出青藏高原地區(qū)大氣重力波活動(dòng)較為全面的結(jié)果，并分析該地區(qū)重力波活動(dòng)時(shí)空分布特征的規(guī)律與成因.

2COSMIC數(shù)據(jù)

COSMIC是2006年美國(guó)和中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)合作發(fā)射的地球大氣探測(cè)系統(tǒng)，由6顆低軌衛(wèi)星組成，主要應(yīng)用在天氣預(yù)報(bào)、氣候監(jiān)測(cè)、空間天氣研究等方面.COSMIC每天可提供約2000～2500次全球掩星事件，2011年后因該系統(tǒng)已超過(guò)預(yù)定服務(wù)期，每天的全球掩星事件減少到1000多次.COSMIC的溫度廓線可覆蓋5～40 km高度大氣，溫度廓線垂直分辨率由實(shí)際大氣條件下信號(hào)菲斯涅爾圈半徑?jīng)Q定，在平流層約為1 km，在低對(duì)流層約為100 m，其水平分辨率為100～200 km，溫度廓線的精度約為±0.5 K(Horinouchi and Tsuda, 2009).

COSMIC數(shù)據(jù)分析和存儲(chǔ)中心(CDAAC，COSMIC Data Analysis and Archive Center)每天向全球發(fā)布兩種類型的數(shù)據(jù)產(chǎn)品：一種是為氣象監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)所提供的COSMIC近實(shí)時(shí)產(chǎn)品；另一種是為科學(xué)研究提供的更精確有效的COSMIC后處理產(chǎn)品.由于10 km以上大氣中水汽含量極少，10～35 km范圍內(nèi)的COSMIC干溫廓線可直接作為真實(shí)大氣的溫度廓線(Horinouchi and Tsuda, 2009).本文使用CDAAC提供的2006年5月至2013年4月的COSMIC后處理干溫廓線(Version2010.2640)分析青藏高原地區(qū)大氣重力波活動(dòng)的時(shí)空分布及季節(jié)變化.在高度區(qū)間上，Luna等(2013)的研究表明利用RO數(shù)據(jù)計(jì)算的大氣重力波勢(shì)能Ep在18～28 km高度范圍內(nèi)最可靠，本文顧及Ep結(jié)果的可靠性，同時(shí)方便對(duì)比研究重力波活動(dòng)隨高度的變化，將選取18～22 km和23～27 km兩個(gè)高度區(qū)間的重力波勢(shì)能Ep展開(kāi)研究.

圖1是青藏高原地區(qū)的高程分布，本文研究的青藏高原地區(qū)范圍為74°E—104°E，25°N—40°N.

圖1　青藏高原地區(qū)高程分布Fig.1　Elevation distribution of the Qinghai-Tibetan Plateau

3方法

目前基于衛(wèi)星大氣觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)重力波活動(dòng)特征及規(guī)律的研究，主要是利用重力波能量來(lái)度量重力波活動(dòng)強(qiáng)弱.通常，重力波能量包括動(dòng)能(Kinetic Energy，Ek)和勢(shì)能(Potential Energy，Ep)兩部分.根據(jù)重力波線性理論，重力波勢(shì)能與動(dòng)能之比Ep/Ek為常數(shù)(Fritts and Vanzandt, 1993)，故可以直接由Ep表征重力波活動(dòng)特征.利用公式(1)，可直接從大氣溫度廓線計(jì)算Ep，其推導(dǎo)過(guò)程詳見(jiàn)文獻(xiàn)(Tsuda et al., 2000).

(1)

(2)

(3)

由公式(1)可知，為了計(jì)算Ep，需要實(shí)現(xiàn)大氣溫度廓線中背景溫度和擾動(dòng)溫度廓線的分離.擾動(dòng)溫度的提取是重力波參數(shù)計(jì)算過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題.針對(duì)單一溫度廓線進(jìn)行濾波或擬合的方法得到的溫度擾動(dòng)廓線中仍含有較強(qiáng)的背景溫度信息.本文利用Fetzer和Gille(1994)提出的方法，在考慮整個(gè)緯圈上的0～6緯向波數(shù)背景前提下，實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)溫度和背景溫度的提取.具體步驟如下：

(1) 將單天COSMIC全球廓線以0.25 km間隔在15～31 km高度范圍內(nèi)進(jìn)行等間距內(nèi)插，并在水平方向上以5°間隔劃分緯圈；

(2) 對(duì)同緯圈同高度溫度數(shù)據(jù)，以經(jīng)度為自變量，采用最小二乘估計(jì)，求取0～6緯向波數(shù)參數(shù)，并最終由各緯圈各高度上的0～6緯向波數(shù)參數(shù)計(jì)算得到背景溫度廓線；

(3) 由溫度廓線和相應(yīng)的背景溫度廓線，計(jì)算得到擾動(dòng)溫度廓線，并對(duì)擾動(dòng)溫度廓線進(jìn)行平滑處理，得到最終的重力波擾動(dòng)溫度廓線.

4結(jié)果分析

4.1Ep的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)

圖2是利用2006年5月至2013年4月青藏高原地區(qū)COSMIC掩星溫度廓線計(jì)算的大氣重力波勢(shì)能Ep均值的歸一化頻率統(tǒng)計(jì)圖.在對(duì)單次掩星事件計(jì)算Ep值的基礎(chǔ)上，求18～22 km高度內(nèi)Ep的均值，以0.1 J·kg-1的區(qū)間間隔統(tǒng)計(jì)了36432條廓線.圖2中歸一化頻率為1的Ep值區(qū)間對(duì)應(yīng)的廓線數(shù)為810條.不同高度區(qū)間內(nèi)的Ep均值歸一化頻率統(tǒng)計(jì)結(jié)果與圖2相似，只是峰值對(duì)應(yīng)的Ep值及Ep統(tǒng)計(jì)頻率的拖尾有所差異.

參考Baumgaertner和McDonald (2007)的相應(yīng)研究結(jié)果，本文首先基于已知的各種分布類型對(duì)Ep值進(jìn)行了初步的分布擬合，對(duì)比發(fā)現(xiàn)Ep值最符合對(duì)數(shù)生長(zhǎng)分布(loglogistic distribution).然后利用最大似然估計(jì)分別對(duì)18～22 km和23～27 km高度(圖略)內(nèi)Ep均值的歸一化頻率分布進(jìn)行對(duì)數(shù)生長(zhǎng)分布參數(shù)估計(jì).對(duì)數(shù)生長(zhǎng)分布函數(shù)如下：

圖2　2006年5月至2013年4月青藏高原18～22 km高度大氣重力波Ep均值歸一化頻率統(tǒng)計(jì)圖Fig.2　Normalized frequency of the mean GW Ep in 18～22 km height over TP from May 2006 to April 2013

(4)

本文研究結(jié)果表明青藏高原地區(qū)大氣重力波Ep均值的分布頻率服從對(duì)數(shù)生長(zhǎng)分布.Baumgaertner和McDonald(2007)針對(duì)南極洲的大氣重力波研究，得到20～22 km高度內(nèi)Ep均值服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，這與本文的結(jié)果非常相似.對(duì)數(shù)生長(zhǎng)分布是介于正態(tài)分布和對(duì)數(shù)正態(tài)分布之間的一種概率分布，其與對(duì)數(shù)正態(tài)分布的差異極小.這說(shuō)明盡管地區(qū)差異很大，但是大氣重力波Ep均值基本上服從統(tǒng)一的概率分布模型.

4.2Ep的季節(jié)分布

等值圖3a是2006年5月至2013年4月青藏高原地區(qū)15～31 km內(nèi)逐月大氣重力波在各高度上的Ep月均值分布圖，折線圖3b顯示了不同月份青藏高原地區(qū)COSMIC掩星事件數(shù).由于COSMIC掩星任務(wù)星座在剛發(fā)射的幾個(gè)月6顆衛(wèi)星并未調(diào)整到設(shè)計(jì)軌道，2006年5—7月青藏高原地區(qū)掩星事件數(shù)目均非常少.這也導(dǎo)致了求得的15～31 km范圍內(nèi)Ep月均值異常，其趨勢(shì)與2006年8月至2013年4月Ep月均值趨勢(shì)有較大差異.由圖3b可知2006年8月至2013年4月青藏高原地區(qū)每月COSMIC掩星事件都在300～600次之間，每月掩星事件數(shù)目較平均，不存在周期性變化，故這段時(shí)期內(nèi)15～31 km范圍內(nèi)Ep月均值的趨勢(shì)變化不是由掩星事件數(shù)目的變化導(dǎo)致，可以揭示青藏高原地區(qū)大氣重力波活動(dòng)的特征.由圖3a可見(jiàn)，各月15～31 km內(nèi)Ep均值分別在16～18 km和28～31 km出現(xiàn)兩個(gè)峰值，但16～18 km處Ep值更高，20～26 km高度范圍內(nèi)各月的Ep值都極低.這說(shuō)明該高度范圍內(nèi)的重力波活動(dòng)在17 km附近和30 km附近極活躍，而在22～24 km附近非常平靜，青藏高原上空15～31 km大氣重力波活動(dòng)隨高度增加而變化.高原大氣重力波活動(dòng)在15～17 km內(nèi)隨高度增加而加強(qiáng)，而在17～23 km內(nèi)隨高度增加而減弱，但在23～30 km內(nèi)又隨高度增加而增強(qiáng)；不過(guò)23～30 km范圍內(nèi)高原大氣重力波活動(dòng)強(qiáng)度隨高度增加的幅度較15～17 km范圍弱，這也說(shuō)明整體而言高原大氣重力波在平流層底部較活躍.

從2006年至2013年的長(zhǎng)時(shí)期數(shù)據(jù)來(lái)看，每年的冬季(DJF)，青藏高原大氣在15～31 km內(nèi)重力波活動(dòng)比其他季節(jié)活躍，特別是15～20 km高度范圍內(nèi)，Ep月均值>6 J·kg-1；但是2011年冬季青藏高原大氣重力波活動(dòng)較其他年份同季節(jié)有所減弱，Ep月均值介于4～5 J·kg-1.

4.3Ep的空間分布

圖4、5分別是2008—2010年青藏高原18～22 km和23～27 km高度Ep均值的分布.由圖4可知，18～22 km大氣Ep均值呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化，春夏秋三個(gè)季節(jié)青藏高原上空Ep均值較低，而在高原邊緣Ep均值都較高；冬季則高原和高原邊緣的Ep均值都很高.Ep均值在秋季最低，冬季最高.這說(shuō)明冬季青藏高原大氣重力波活動(dòng)在高原及其邊緣都很活躍，而在秋季則較平靜.2007年、2011年和2012年的結(jié)果也體現(xiàn)了同樣的特征(圖中未給出).對(duì)比2007年至2012年各季節(jié)18～22 km大氣的Ep均值分布，發(fā)現(xiàn)2010年冬季Ep均值整體都偏低，圖4l所示2010年冬季18～22 km大氣Ep均值高值只在高原東南部橫斷山脈區(qū)出現(xiàn)，而圖5l所示2010年冬季23～27 km大氣Ep均值在整個(gè)青藏高原都極?。贿@一現(xiàn)象可能與2010年冬季青藏高原地區(qū)重力波波源的異常有關(guān)，同時(shí)重力波活動(dòng)隨高度的衰減加劇了2010年冬季23～27 km高空大氣重力波的異常.至于這種現(xiàn)象是否具有周期性還有待于對(duì)青藏高原地區(qū)更長(zhǎng)期重力波數(shù)據(jù)的研究.

圖3　2006年5月至2013年4月青藏高原15～31 km高度逐月Ep均值(a)及RO廓線數(shù)(b)分布圖Fig.3　(a) Monthly mean GW Ep in 15～31 km height over TP and (b) Radio Occultation (RO) Profiles from May 2006 to April 2013

圖4　青藏高原2008年(a—d)、2009年(e—h)及2010年(i—l)春、夏、秋、冬各季節(jié)18～22 km高度Ep均值的分布Fig.4　Spatial and temporal distribution of mean GW Ep in 18～22 km height over TP from spring to winter in 2008 (a—d), in 2009 (e—h), in 2010 (i—l)

圖5　青藏高原2008年(a—d)、2009年(e—h)及2010年(i—l)春、夏、秋、冬各季節(jié)23～27 km高度Ep均值的分布Fig.5　Spatial and temporal distribution of mean GW Ep in 23～27 km height over TP from spring to winter in 2008 (a—d), in 2009 (e—h), in 2010 (i—l)

圖5顯示2008年至2010年青藏高原23～27 km高度高空重力波Ep值在各季節(jié)都明顯低于圖4所示18～22 km大氣中Ep均值，這說(shuō)明重力波自平流層底部向上傳播的過(guò)程中發(fā)生了能量耗散；夏季高原邊緣Ep值相對(duì)較高，冬季高原上Ep均值較高.但是2010年秋季和冬季Ep均值顯著低于平均水平，這也說(shuō)明2010年秋季和冬季青藏高原地區(qū)大氣重力波活動(dòng)異常.圖5中各子圖右上角的黑色斑塊為Ep異常值，青藏高原2008—2010年各季節(jié)23～27 km高度Ep均值的空間分布在高原地區(qū)東北部邊緣異常高(20 J·kg-1)，而整體上該高度區(qū)間其他區(qū)域的Ep均值均較小(<6 J·kg-1).該區(qū)域并無(wú)特別明顯的重力波波源，且本文關(guān)注相應(yīng)波長(zhǎng)重力波活動(dòng)有隨高度衰減的趨勢(shì)，另本文使用的方法也已有大量研究使用，故本文認(rèn)為該區(qū)域的Ep高值為異常值(圖5中以黑色表示).有待數(shù)據(jù)密度增加和背景溫度分離方法的進(jìn)一步改善予以解決.

4.4Ep與地形的相關(guān)性

為了研究青藏高原地區(qū)大氣重力波活動(dòng)與地形的相關(guān)性，本文對(duì)該地區(qū)2008年各季節(jié)不同高度區(qū)間內(nèi)經(jīng)向和緯向大氣重力波Ep值與高程進(jìn)行了相關(guān)性分析.對(duì)2008年各季節(jié)內(nèi)青藏高原所有Ep廓線數(shù)據(jù)，在74°E—104°E經(jīng)度范圍內(nèi)，以5°間隔劃分經(jīng)度帶，對(duì)各經(jīng)度帶內(nèi)Ep廓線數(shù)據(jù)，在緯度方向以2.5°為間隔，求18～22 km和23～27 km高度區(qū)間內(nèi)Ep值的格網(wǎng)平均，即得到用于進(jìn)行相關(guān)分析的各季節(jié)Ep緯向序列.求取各季節(jié)Ep經(jīng)向序列方法類似，即在25°N—40°N緯度范圍內(nèi)以5°間隔劃分緯度帶，在經(jīng)度方向上以2.5°間隔，求得18～22 km和23～27 km高度區(qū)間內(nèi)Ep值的格網(wǎng)平均.用于進(jìn)行相關(guān)性分析的青藏高原地形經(jīng)向和緯向序列獲取方法與Ep經(jīng)向和緯向序列相同.

圖6給出了2008年春季青藏高原18～22 km大氣中各經(jīng)度帶(5°間隔)內(nèi)緯向重力波Ep和緯向高程的空間序列(2.5°間隔)，可以發(fā)現(xiàn)Ep的變化趨勢(shì)與高程的變化有一定程度的符合.在高程變化較明顯的區(qū)域，高程峰值的兩側(cè)Ep值均出現(xiàn)峰值，如圖6中74.0°E—79.0°E及79.0°E—84.0°E所示.這說(shuō)明在這些區(qū)域地形對(duì)重力波的活動(dòng)有驅(qū)動(dòng)作用.當(dāng)然，由于青藏高原地區(qū)地形和氣象條件復(fù)雜，重力波來(lái)源多樣，重力波的形成是由多種因素共同作用的結(jié)果，各因素對(duì)重力波活動(dòng)的影響難以分離開(kāi)研究，故而難以得到顯著的重力波Ep與高程的響應(yīng)關(guān)系序列.由圖6也可發(fā)現(xiàn)，青藏高原地形在緯向方向的變化較顯著.

表1列出了2008年各季節(jié)青藏高原在18～22 km和23～27 km高度區(qū)間大氣中各經(jīng)度帶緯向重力波Ep和緯向高程空間序列的相關(guān)系數(shù).本文中僅使用互相關(guān)系數(shù)來(lái)表征兩個(gè)序列的相關(guān)性，并使用p值檢驗(yàn)法來(lái)檢驗(yàn)序列相關(guān)性的顯著程度.表1中加粗表示的相關(guān)系數(shù)通過(guò)了顯著性水平為0.05的p值檢驗(yàn)，即有理由相信兩個(gè)序列間存在相關(guān)性.從表1可知，在74°E—79°E經(jīng)度帶內(nèi)，2008年春季和冬季18～22 km大氣中的重力波活動(dòng)與該地區(qū)的高程變化相關(guān)；另外，23～27 km高度大氣重力波活動(dòng)與地形的相關(guān)性比18～22 km高度的弱，這說(shuō)明平流層中上部的重力波活動(dòng)基本上與地形無(wú)關(guān)，山脈地形驅(qū)動(dòng)是平流層下部的重力波來(lái)源；平流層下部的重力波向高層大氣傳播過(guò)程會(huì)發(fā)生明顯的耗散作用.可以認(rèn)為，在74°E—79°E經(jīng)度帶內(nèi)，春冬季節(jié)大氣重力波主要是山脈重力波，而夏秋季節(jié)的重力波活動(dòng)主要由其他因素導(dǎo)致.

圖6　2008年春季青藏高原18～22 km大氣重力波Ep(實(shí)線)和高程(虛線)在各經(jīng)度帶中隨緯度的變化Fig.6　Distribution of different mean zonal GW Ep (solid) in 18～22 km height over TP and altitude (dash) in different longitude zones

經(jīng)度(°E)春季夏季秋季冬季18～22(km)23～27(km)18～22(km)23～27(km)18～22(km)23～27(km)18～22(km)23～27(km)74—79-0.65-0.27-0.22-0.25-0.07-0.380.54-0.4179—840.08-0.03-0.47-0.300.17-0.330.490.0184—89-0.050.17-0.13-0.080.44-0.650.36-0.2489—940.490.26-0.10-0.10-0.100.16-0.18-0.4194—99-0.27-0.46-0.080.13-0.12-0.110.06-0.1699—1040.240.37-0.01-0.30-0.02-0.490.10-0.27

表2列出了2008年各季節(jié)青藏高原各高度(18～22 km和23～27 km)大氣中各緯度帶經(jīng)向重力波Ep和經(jīng)向高程空間序列的相關(guān)系數(shù).只有在25°N—30°N緯度帶內(nèi)，2008年春季18～22 km高度內(nèi)大氣重力波Ep與高程序列相關(guān)(通過(guò)了顯著性水平為0.05的p值檢驗(yàn))，而23～27 km高度內(nèi)大氣重力波Ep與高程序列的相關(guān)性極弱.

表2　2008年各季節(jié)青藏高原18～22 km及23～27 km大氣中重力波Ep和各緯度帶高程的相關(guān)系數(shù)

進(jìn)一步的，本文對(duì)2007—2012年各年各季節(jié)經(jīng)緯度帶高原地形與不同高度層重力波Ep值的相關(guān)性進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，對(duì)比發(fā)現(xiàn)不同年份這種相關(guān)性的差異較大，較強(qiáng)相關(guān)性的空間和季節(jié)分布并不一致.這說(shuō)明高原地區(qū)重力波活動(dòng)的激發(fā)源多種多樣，該地區(qū)的重力波活動(dòng)并不如Andes山脈區(qū)域那樣存在由山脈主導(dǎo)的重力波活動(dòng).青藏高原地區(qū)重力波活動(dòng)與地形存在一定相關(guān)性，地形主要影響平流層底部的重力波活動(dòng).

4.5Ep與風(fēng)速的相關(guān)性

為了研究青藏高原平流層大氣重力波活動(dòng)與風(fēng)速的關(guān)系，本文采用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF，European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)提供的青藏高原地表風(fēng)速資料，結(jié)合重力波Ep的時(shí)間序列，計(jì)算二者的相關(guān)性.風(fēng)速數(shù)據(jù)使用ECMWF提供的2007—2012年逐月平均緯向(U)和經(jīng)向(V)10 m地表風(fēng)速格網(wǎng)數(shù)據(jù)，格網(wǎng)分辨率為2.5°×2.5°.為了利用ECMWF的風(fēng)速序列與Ep進(jìn)行相關(guān)性分析，對(duì)2007—2012年的18～22 km和23～27 km大氣重力波Ep數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空格網(wǎng)平均，得到格網(wǎng)分辨率為2.5°×2.5°的Ep逐月平均序列.具體方法是利用青藏高原地區(qū)2007—2012年所有大氣重力波Ep廓線數(shù)據(jù)，分別針對(duì)18～22 km和23～27 km兩個(gè)高度空間求取大氣重力波Ep的均值，得到所有掩星廓線計(jì)算的Ep均值數(shù)據(jù).再以月為間隔，考慮Ep均值數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的經(jīng)緯度，在空間上以2.5°×2.5°對(duì)青藏高原劃分格網(wǎng)，求取每月落入各格網(wǎng)中的所有Ep數(shù)據(jù)的算術(shù)均值，得到每月各格網(wǎng)的Ep均值.對(duì)最后得到的Ep時(shí)空平均序列，在18～22 km和23～27 km兩個(gè)高度區(qū)間內(nèi)分別求取各格網(wǎng)上的Ep時(shí)間序列(2008年1月至2012年12月，間隔為1個(gè)月)與該格網(wǎng)點(diǎn)經(jīng)向和緯向風(fēng)速時(shí)間序列的相關(guān)系數(shù)，并對(duì)相關(guān)性進(jìn)行顯著性水平為0.05的p值檢驗(yàn).其結(jié)果如圖7、8所示.

圖7a、7b分別表示青藏高原18～22 km和23～27 km大氣重力波Ep格網(wǎng)時(shí)間序列與緯向(U)風(fēng)速格網(wǎng)時(shí)間序列的相關(guān)性，圖8a、8b分別表示青藏高原18～22 km和23～27 km大氣重力波Ep格網(wǎng)時(shí)間序列與經(jīng)向(V)風(fēng)速格網(wǎng)時(shí)間序列的相關(guān)性.圖中非白色區(qū)域的相關(guān)系數(shù)，均通過(guò)了顯著性水平為0.05的p值檢驗(yàn)，說(shuō)明該區(qū)域的Ep與風(fēng)速存在相關(guān)性(Baumgaertner和McDonald(2007)研究得到的南極洲上空大氣重力波與地表風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)基本介于0.15～0.25之間，但此種相關(guān)性通過(guò)了顯著性水平為0.05的p值檢驗(yàn)，二者的相關(guān)性仍是可信的).

圖7　青藏高原18～22 km(a)和23～27 km(b)大氣重力波Ep格網(wǎng)時(shí)間序列與緯向地表風(fēng)速格網(wǎng)時(shí)間序列相關(guān)系數(shù)Fig.7　Correlation coefficient between grid mean monthly GW Ep series and zonal surface monthly wind series in (a) 18～22 km height and in (b) 23～27 km height over TP

圖8　青藏高原18～22 km(a)和23～27 km(b)大氣重力波Ep格網(wǎng)時(shí)間序列與經(jīng)向地表風(fēng)速格網(wǎng)時(shí)間序列相關(guān)系數(shù)Fig.8　Correlation coefficient between grid mean monthly GW Ep series and meridional monthly surface wind series in (a) 18～22 km height and in (b) 23～27 km height over TP

對(duì)比圖7和圖8，可見(jiàn)緯向風(fēng)對(duì)青藏高原平流層大氣重力波的活動(dòng)影響比經(jīng)向風(fēng)明顯，且重力波活動(dòng)強(qiáng)度與緯向風(fēng)風(fēng)速基本上呈正相關(guān)，只在高原西部的小區(qū)域呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)；同時(shí)，同一風(fēng)向風(fēng)速對(duì)平流層中底部(18～22 km)大氣重力波活動(dòng)影響較其對(duì)平流層中上部(23～27 km)大氣重力波活動(dòng)的影響大.由圖8a、8b可知，在25°N—30°N地區(qū)，在18～22 km和23～27 km大氣重力波活動(dòng)都與經(jīng)向風(fēng)呈負(fù)相關(guān).這說(shuō)明在青藏高原的低緯度地區(qū)，經(jīng)向風(fēng)對(duì)平流層大氣重力波的活動(dòng)影響微弱，該區(qū)域經(jīng)向風(fēng)活動(dòng)并不能觸發(fā)山脈重力波.

青藏高原地區(qū)地形復(fù)雜，這種地形會(huì)影響該地區(qū)平流層低層的重力波活動(dòng)，而通常地形相關(guān)的重力波與垂直于地形走向的風(fēng)的關(guān)系更加密切.由圖7、8可知，青藏高原地區(qū)地表風(fēng)速與大氣平流層重力波活動(dòng)有相關(guān)性，緯向風(fēng)比經(jīng)向風(fēng)對(duì)該地區(qū)平流層大氣重力波活動(dòng)的影響大.緯向風(fēng)總體上會(huì)促進(jìn)高原大氣重力波活動(dòng).

4.6青藏高原地表輻射對(duì)重力波活動(dòng)的影響

由圖4和圖5所示不同年份、不同季節(jié)及不同高度區(qū)間青藏高原平流層大氣重力波Ep值的分布可知，高原大陸上不同季節(jié)重力波活動(dòng)強(qiáng)度的差異很大，在高原邊緣這種差異則很小.即高原邊緣上空，各季節(jié)重力波活動(dòng)都較強(qiáng)，這應(yīng)該與高原邊緣急劇的地形變化和地表風(fēng)速有關(guān)，特別是高原邊緣高聳的山脈對(duì)大氣環(huán)流的機(jī)械阻擋作用，導(dǎo)致了大氣重力波的形成.但是高原上同樣有地形變化大的山脈，地表風(fēng)速也沒(méi)有明顯的變化，重力波活動(dòng)卻在各季節(jié)呈現(xiàn)較明顯差異——夏秋季節(jié)高原上空大氣重力波活動(dòng)較弱，而冬春季節(jié)高原上空大氣重力波活動(dòng)很強(qiáng).這種差異是一種規(guī)律性的特征，下文將研究這一特征的形成原因.

圖9是青藏高原西北部一格網(wǎng)點(diǎn)(32.5°N，82.5°E)2007—2012年地表感熱通量(SSHF，Surface Sensible Heat Flux)月均值與18～22 km大氣重力波Ep月均值的逐月時(shí)間序列.SSHF可以反映地表對(duì)大氣的加熱作用，本文的SSHF使用ECMWF提供的再分析數(shù)據(jù)，空間分辨率為2.5°×2.5°，規(guī)定SSHF的正方向?yàn)榇怪钡乇硐蛳?，?fù)值表示地表對(duì)大氣的加熱作用.Ep的逐月格網(wǎng)平均數(shù)據(jù)與本文3.5節(jié)中方法相同，此處只計(jì)算18～22 km大氣重力波Ep的逐月格網(wǎng)均值.

由圖9可知，格網(wǎng)點(diǎn)(32.5°N，82.5°E)2007—2012年SSHF月均值均為負(fù)值，并呈現(xiàn)季節(jié)性變化，冬春季節(jié)SSHF絕對(duì)值較小，夏秋季節(jié)SSHF絕對(duì)值較大，其絕對(duì)值在5—7月超過(guò)80 J/(m2·s)達(dá)到最大值，部分年份甚至超過(guò)100 J/(m2·s)，表明5—7月高原地表對(duì)大氣的加熱作用達(dá)到最大.18～22 km大氣重力波Ep的逐月格網(wǎng)均值在冬春季節(jié)較大，在夏秋季節(jié)較小.圖9表明Ep與SSHF的月均值的逐月變化在趨勢(shì)上具有很好的一致性.為了研究SSHF對(duì)青藏高原大氣重力波活動(dòng)的影響，本文計(jì)算了青藏高原地區(qū)各格網(wǎng)(空間分辨率為2.5°×2.5°)SSHF月均值逐月時(shí)間序列與18～22 km大氣重力波Ep的月均值時(shí)間序列的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果如圖10所示.圖10中的相關(guān)系數(shù)通過(guò)了顯著性水平為0.05的p值檢驗(yàn)，所示Ep與SSHF的逐月時(shí)間序列相關(guān)系數(shù)在0.2～0.5之間，說(shuō)明Ep的變化與SSHF的變化有較強(qiáng)相關(guān)性，而高原大陸約一半的區(qū)域呈現(xiàn)出此種相關(guān)性，表明SSHF是影響高原大氣重力波活動(dòng)的一個(gè)重要因素.

圖9　青藏高原西北部(82.5°E，32.5°N)2007—2012年地表感熱通量(SSHF)月均值(虛線)與18～22 km 大氣重力波Ep月均值(實(shí)線)逐月時(shí)間序列Fig.9　Series of the monthly mean surface sensible heat flux (dashed line) and GW Ep (solid line) in 18～22 km height on northwest TP (82.5°E，32.5°N) from January 2007 to December 2012

圖10　青藏高原18～22 km大氣重力波Ep格網(wǎng)時(shí)間序列與地表感熱通量格網(wǎng)時(shí)間序列相關(guān)系數(shù)Fig.10　Correlation coefficient between monthly grid mean GW Ep series over TP in 18～22 km height and monthly grid mean surface sensible heat flux series

葉篤正和高由禧(1979)指出，青藏高原在夏季是一個(gè)熱源，而在冬季是冷源，夏季高原大陸對(duì)大氣的加熱作用，使得高原大氣不穩(wěn)定.楊偉愚等(1990)指出高原加熱作用會(huì)使得高原近地層(<10 km)出現(xiàn)不穩(wěn)定層結(jié)，這種不穩(wěn)定層結(jié)加劇了高原上空熱量和水汽的傳遞，當(dāng)高原對(duì)大氣加熱作用強(qiáng)烈時(shí)，近地層的熱量和水汽會(huì)通過(guò)對(duì)流逐層傳遞到高空，造成高空大氣的不穩(wěn)定.

穩(wěn)定的大氣層結(jié)是重力波產(chǎn)生發(fā)展的必備要素.當(dāng)高原加熱較弱時(shí)，這種加熱作用只使近地層大氣不穩(wěn)定，這種不穩(wěn)定會(huì)加劇高原上空熱量和水汽的傳遞，近地層的對(duì)流活動(dòng)會(huì)引起其上具有穩(wěn)定層結(jié)大氣的重力波活動(dòng)；而當(dāng)高原加熱較顯著時(shí)，高原近地層的熱量和水汽可通過(guò)分階段式的對(duì)流活動(dòng)傳遞到高空，使得高空大氣不穩(wěn)定，導(dǎo)致大氣重力波不能產(chǎn)生發(fā)展.故可以認(rèn)為高原大陸對(duì)高原大氣的加熱作用的季節(jié)性變化是高原大氣重力波季節(jié)性變化的重要原因.

5結(jié)論

本文使用CDAAC提供的2006年5月至2013年4月的COSMIC后處理干溫廓線數(shù)據(jù)計(jì)算了能夠反映大氣重力波活動(dòng)的Ep，分析了青藏高原18～28 km高度大氣重力波Ep的時(shí)空分布和季節(jié)變化特征；并結(jié)合高原地形、地表風(fēng)速和SSHF與高原大氣重力波Ep的相關(guān)性分析了高原大氣重力波活動(dòng)特征的成因.本文得出以下結(jié)論：

(1) 青藏高原地區(qū)大氣重力波Ep均值的分布頻率服從對(duì)數(shù)生長(zhǎng)分布，盡管地區(qū)差異很大，但是大氣重力波Ep均值基本上服從統(tǒng)一的概率分布模型.

(2) 青藏高原地區(qū)大氣重力波在16～18 km和28～31 km高度較活躍，而在20～26 km高度較平靜；高原大氣重力波呈明顯季節(jié)性變化，冬春季高原大氣重力波活動(dòng)最活躍，夏秋季節(jié)高原大氣重力波活動(dòng)較平靜.

(3) 各季節(jié)整個(gè)高原上空大氣重力波活躍度都隨著大氣高度升高而降低，說(shuō)明高原上低層大氣重力波向高層傳播會(huì)發(fā)生耗散作用.

(4) 高原邊緣各季節(jié)重力波活動(dòng)均較活躍，而高原上空大氣重力波活動(dòng)在冬春季節(jié)較活躍，在夏秋季節(jié)較平靜.2010年冬季青藏高原大氣重力波活動(dòng)異常平靜，是否有規(guī)律有待今后長(zhǎng)時(shí)序的相關(guān)數(shù)據(jù)研究.

(5) 地形與風(fēng)速是影響青藏高原大氣重力波活動(dòng)的重要因素，地形與風(fēng)速可共同作用影響大氣重力波活動(dòng).地形主要影響平流層底部的重力波活動(dòng)，但地形并不能主導(dǎo)高原地區(qū)重力波活動(dòng).青藏高原地區(qū)地表風(fēng)速與大氣平流層重力波活動(dòng)存在相關(guān)性，緯向風(fēng)比經(jīng)向風(fēng)對(duì)該地區(qū)平流層大氣重力波活動(dòng)的影響大.緯向風(fēng)總體上會(huì)促進(jìn)高原大氣重力波活動(dòng).

(6) 青藏高原大陸加熱作用是導(dǎo)致青藏高原大氣重力波活動(dòng)呈季節(jié)性規(guī)律變化的重要因素.當(dāng)高原加熱較弱時(shí)，導(dǎo)致近地層大氣不穩(wěn)定，因此產(chǎn)生的近地層對(duì)流活動(dòng)會(huì)引起其上具有穩(wěn)定層結(jié)大氣的重力波活動(dòng)；而當(dāng)高原加熱較顯著時(shí)，高原近地層的熱量和水汽可通過(guò)分階段式的對(duì)流活動(dòng)傳遞到高空，使得高空大氣不穩(wěn)定，導(dǎo)致大氣重力波不能產(chǎn)生發(fā)展.

由于目前的COSMIC掩星數(shù)據(jù)單天廓線數(shù)有限，故無(wú)法進(jìn)一步提取青藏高原地區(qū)大氣重力波的水平波長(zhǎng)和動(dòng)量通量等參數(shù)以研究高原大氣重力波的特性；隨著COSMIC-2計(jì)劃的實(shí)施，基于GNSS的RO探測(cè)所獲得單天廓線數(shù)將會(huì)大幅增加，屆時(shí)將有望在青藏高原大氣重力波活動(dòng)特征與機(jī)制上有更深入的研究.

致謝衷心感謝CDAAC提供的COSMIC大氣干溫廓線數(shù)據(jù)以及ECMWF提供的風(fēng)速和地表感熱通量數(shù)據(jù).感謝匿名審稿人對(duì)完善本文提出的寶貴建議和意見(jiàn).

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(本文編輯何燕)

Analysis of the active characteristics of stratosphere gravity waves over the Qinghai-Tibetan Plateau using COSMIC radio occultation data

XU Xiao-Hua1,2， GUO Jin-Cheng1， LUO Jia1,3*

1SchoolofGeodesyandGeomatics,WuhanUniversity,Wuhan430079,China2CollaborativeInnovationCenterforGeospatialTechnology,Wuhan430079,China3KeyLaboratoryofGeospaceEnvironmentandGeodesy,MinistryofEducation,Wuhan430079,China

AbstractUsing GPS RO dry temperature profiles obtained by COSMIC mission from May 2006 to April 2013, we obtain the potential energy (Ep) of the stratosphere gravity waves (GW) over the Qinghai-Tibetan Plateau (TP). We have investigated frequency distribution probability model and spatial-temporal variation characteristics of the GW over TP. We further analyzed the correlation between the GW over TP and the TP terrain, the GW over TP and the surface wind speed, the GW over TP and thermal radiation. The frequency distribution of the GW over TP is loglogistic distribution; GW over TP were highly active in 16～18 km and 28～31 km height but calm in 20～26 km height; GW activities over margin of TP continental were active in each season, while GW activities over TP continental showed a seasonal change, they were more active in the winter and calmer in the summer; GW activities over TP were unusually quiet in the winter 2010; each season GW activities over TP decrease with an increasing height, and wave dissipation may happen when GW propagate from bottom to upper atmosphere. Topography and wind speed are important factors affecting the activities of the GW over TP. Topography affects activities of the GW over TP in bottom of the stratosphere. Zonal wind has a greater influence in the GW over TP than the meridional wind. The GW activities over TP will be primarily promoted by zonal wind. Heating effect of thermal radiation to the atmosphere on the TP continental is an important factor leading to seasonal change of the GW activities over TP.

KeywordsGravity wave; Qinghai-Tibetan Plateau; Potential energy; COSMIC; Stratosphere

基金項(xiàng)目國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41374036)，國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2013CB733302)資助.

作者簡(jiǎn)介徐曉華，教授，主要從事GNSS氣象學(xué)的研究.E-mail：xhxu@sgg.whu.edu.cn *通訊作者羅佳，副教授，主要從事地球重力場(chǎng)和GNSS氣象學(xué)的研究.E-mail：jluo@sgg.whu.edu.cn

doi:10.6038/cjg20160403 中圖分類號(hào)P405

收稿日期2015-03-23，2016-02-03收修定稿

徐曉華， 郭金城， 羅佳. 2016. 利用COSMIC RO數(shù)據(jù)分析青藏高原平流層重力波活動(dòng)特征.地球物理學(xué)報(bào)，59(4):1199-1210,doi:10.6038/cjg20160403.

Xu X H, Guo J C, Luo J. 2016. Analysis of the active characteristics of stratosphere gravity waves over the Qinghai-Tibetan Plateau using COSMIC radio occultation data.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(4):1199-1210,doi:10.6038/cjg20160403.