临近空间是指离地20~100 km的空域，介于天基卫星平台和航空飞行器平台之间，是航空和航天的过渡区，包括平流层、中间大气层和部分电离层区域.该高度范围内存在各种时空尺度的大气波动，其中既有高频——中小尺度的重力波, 也有缓慢变化——尺度与地球纬圈长度相当的行星波和大气热力潮汐等(吕达仁等，2009).重力波作为一种普遍存在于临近空间的中小尺度波，是大气中最基本的波动形式之一，在全球的气象学、气候学、化学以及中高层大气与低层大气动力学中扮演着十分关键的角色(Fritts and Alexander, 2003).重力波在中层大气中的传播能够在不同高度大气之间产生能量和动量输送，对中层大气各圈层之间能量的藕合有重要贡献(Allen and Vineent, 1995)，对平流层大气温度场和风场的变化、化学成分分布以及大气环流有显著影响(Eyring et al., 2007；吕达仁等，2009).重力波活动及重力波源的时空变化特征是理解和模拟重力波效应的基础(Taylor and Hapgood, 1988；Fritts and Alexander, 2003).

卫星探测由于其全球覆盖性和相对较高的垂直或水平分辨率，在平流层重力波探测中被广泛应用(Fetzer and Gille, 1994；Wu and Waters, 1996；Tsuda et al., 2000；Wu et al., 2006；Gong et al., 2012).Ern等(2004)、Alexander等(2008)、John和Kumar(2012)分别利用大气低温红外光谱仪和望远镜(CRISTA)、高分辨率动态临边探测器(HIRDLS)、大气宽带辐射测量仪(SABER)等红外临边扫描仪数据研究了不同波长的重力波，分析了其对不同天气过程的影响；Hoffmann等(2013)利用高光谱红外探测器(AIRS)观测结果对全球冬季重力波热点区域分布特征进行了深入研究；张云等(2011)利用TIMED/SABER临边温度数据，通过重力波扰动的时空变化特征分析了中层大气重力波的整体分布；钱浩俊等(2012)利用重力波气辉成像观测研究了中层顶大气重力波特征成像观测结果；姚志刚等(2015)利用AIRS观测资料研究了东亚夏季平流层重力波的复杂特征，及其与对流活动的强时空关联性；洪军等(2015)、姚志刚等(2018)以及孙睿等(2018)分别利用AIRS观测资料和WRF数值模拟深入研究了台风以及暴雨过程诱发的平流层重力波扰动特征.但以上的研究一般仅限于国际上的卫星遥感资料，利用国内卫星遥感资料研究平流层重力波则少见(徐凯等，2017).

我国第二代极轨气象卫星FY-3C装载有大气微波垂直探测器.其中，大气微波温度探测器MWTS-Ⅱ(下文用MWTS表示)设置了50~60 GHz氧气吸收波段的大气温度探测通道，可用于探测平流层不同高度的大气温度分布.同时，大气微波湿度探测器MWHS-Ⅱ(下文用MWHS表示)设置了118.75 GHz氧气吸收带的大气温度探测通道，可能也具备探测平流层重力波的能力.与其他平台的微波大气垂直探测器如AMSU-A相比，MWTS尽管在通道设置上类似，但其具有更高的水平分辨率和更大的幅宽，有助于揭示平流层重力波更细致的水平特征.另外，不同平台的同类观测仪器联合使用可用于揭示平流层强扰动更高时间分辨率的变化特征.

为了展现风云气象卫星的MWTS在平流层强扰动分析中的应用潜力和独特优势，本文针对2014年1月7—11日格陵兰岛附近发生的重力波过程，从亮温扰动、波动特征和时间序列三个方面定量分析了平流层重力波分布和传播等特征.随后，针对2014年1月11日拉布拉多半岛附近发生的重力波，结合METOP-B卫星上先进的微波探测器(AMSU-A)观测数据，对比分析了同一波段、不同仪器在平流层强扰动观测上的差异.最后，针对2014年8月10日安第斯山脉附近发生的重力波，给出了包括NOAA19在内的三个不同平台同类载荷对平流层扰动联合观测的结果.

中国第二代极轨气象卫星FY-3C于北京时间2013年9月23日成功发射，该卫星可在全球范围内实施全天候、多光谱、三维、定量探测.其上搭载了包括MWTS和MWHS在内的11个传感器.MWTS是周期自定标的全功率型被动微波辐射计，其扫描周期为8/3 s，每条扫描线90个点，星下点水平分辨率33 km，13个探测通道频率位于50~60 GHz之间，可用于探测地面到6 hPa的大气温度状态(Tang et al., 2014；郭杨等，2014).表 1列出了MWTS和AMSU-A的通道中心频率及其他参数.由表可见，MWTS的通道设置与AMSU-A类似, 且MWTS 8~13通道与AMSU-A 9~14通道对应相同的中心频率，因此可用于相同高度的大气温度联合探测.需要注意的是，MWTS水平分辨率更高且幅宽更大.

表 1 Table 1

表 1 AMSU-A和MWTS的通道参数 Table 1 Channel parameters of AMSU-A and MWTS METOP-B/AMSU-A FY-3C/MWTS 星下点水平分辨率/km 48 33 幅宽/km ±1037 ±1400 通道 中心频率/GHz 带宽/MHz 灵敏度/K 中心频率/GHz 带宽/MHz 灵敏度/K 1 23.8 270 0.30 50.30 180 1.5 2 31.4 180 0.30 51.76 400 0.9 3 50.3 180 0.40 52.80 400 0.9 4 52.8 400 0.25 53.596 400 0.9 5 53.596 170 0.25 54.40 400 0.9 6 54.40 400 0.25 54.94 400 0.9 7 54.94 400 0.25 55.50 330 0.9 8 55.50 330 0.25 FO=57.290344 330 0.9 9 FLO=57.290344 330 0.25 FO±0.217 78 1.5 10 FLO±0.217 78 0.40 FO±0.3222±0.048 36 1.5 11 FLO±0.3222±0.048 36 0.40 FO±0.3222±0.022 16 2.3 12 FLO±0.3222±0.022 16 0.60 FO±0.3222±0.010 8 3.0 13 FLO±0.3222±0.010 8 0.80 FO±0.3222±0.0045 3 4.5 14 FLO±0.3222±0.0045 3 1.20 - - - 15 89.0±1.0 < 6, 000 0.50 - - -

表 1 AMSU-A和MWTS的通道参数 Table 1 Channel parameters of AMSU-A and MWTS

MWHS主要用于大气湿度的垂直探测，但除了大气水汽吸收线183.31 GHz附近5通道的主探测频点，还有位于大气窗区98 GHz和150 GHz用于地表微波辐射特性的辅助探测通道和用于大气温度探测的118.75 GHz附近的氧气吸收通道, 其中的氧气吸收通道可有效改进对流层顶大气温度探测的精度.观测的星下点分辨率是15 km.本文用到氧气吸收线附近的两个通道为2、3通道，其参数技术指标如表 2所示.

表 2 Table 2

表 2 风云3C微波湿度探测器通道2和3的特征参数 Table 2 Characteristic parameters of FY-3C MWHS channels 2 and 3 通道 中心频率/GHz 带宽/MHz 频率稳定度/MHz 动态范围/K 灵敏度/K 定标精度/K 主波束宽度/(°) 主波束效率/% 2 118.75±0.08 20 30 3~340 3.6 2.0 2.0±0.1 >92 3 118.75±0.2 100 30 3~340 2.0 2.0 2.0±0.1 >92

表 2 风云3C微波湿度探测器通道2和3的特征参数 Table 2 Characteristic parameters of FY-3C MWHS channels 2 and 3

根据重力波的能量理论(Tsuda et al., 2000)，可以用温度扰动来反映和描述重力波的分布和变化特征.本文的研究基于Hoffmann等(2014)的方法，利用MWTS亮温扰动数据分析平流层重力波的分布和传播特征，用观测值与拟合得到的背景亮温之差作为亮温扰动，用来反映重力波的扰动.具体是，对每条跨轨扫描微波观测亮温结果作四阶多项式拟合得到一个背景亮温，用每个观测像元的亮温值与背景亮温之差作为该相元的亮温扰动.利用MWTS和AMSU-A资料分析重力波扰动时，不同通道的权重函数峰值对应不同的敏感高度.本文研究分析中所用的MWTS通道8~13分别对应80、50、25、10、5、2 hPa高度，即18、21、26、33、38、45 km，与AMSU-A的通道9~14对应相同的高度(如表 3所示).

表 3 Table 3

表 3 AMSU-A和MWTS各通道权重函数峰值高度 Table 3 Weighting function peak heights of AMSU-A and MWTS channels AMSU-A通道 MWTS通道 中心频率/GHz 气压/hPa 高度/km 9 8 FO=57.290344 80 18 10 9 FO±0.217 50 21 11 10 FO±0.3222±0.048 25 26 12 11 FO±0.3222±0.022 10 33 13 12 FO±0.3222±0.010 5 38 14 13 FO±0.3222±0.0045 2 45

表 3 AMSU-A和MWTS各通道权重函数峰值高度 Table 3 Weighting function peak heights of AMSU-A and MWTS channels

在统计时，对于观测的数据文件样本，将每一个观测像元的扰动值的绝对值插值到1°×1°的网格中并求平均，以升轨观测为例(便于下文与AMSU-A比较)，结果如图 1所示.可见，平流层大气扰动广泛地分布在全球各大陆大洋，冬季强扰动主要分布在40°N—70°N之间的中高纬度地区，通道10的扰动极值达到0.4 K以上，通道12的扰动极值达到0.8 K以上.夏季强扰动主要出现在南美大陆最南端，通道10的扰动极值达到0.5 K以上，通道12的扰动极值达到1 K以上，高层扰动明显强于低层.因此，在个例分析时，冬季重点关注格陵兰岛附近区域(40°N—75°N, 80°W—0°)和东亚区域(40°N—75°N, 80°E—180°E)，夏季则重点关注安第斯山脉附近区域(30°S—70°S，90°W—0°).此外，也注意到一些区域存在离散的大值点，这可能是由于数据处理时暂还未能剔除掉的观测异常值.

图 1

Fig. 1

图 1 FY-3C/MWTS观测的夜间1°×1°全球亮温扰动分布 (a) 2013年冬季25 hPa (约26 km)高度；(b) 2013年冬季5 hPa (约38 km)高度；(c) 2014年夏季25 hPa (约26 km)高度；(d) 2014年夏季5 hPa (约38 km)高度. Fig. 1 Global distributions of brightness temperature perturbations observed by FY-3C/MWTS at nighttime (a) Winter of 2013 at 80 hPa (about 26 km); (b) Winter of 2013 at 5 hPa (about 38 km); (c) Summer of 2014 at 25 hPa (about 26 km); (d) Summer of 2014 at 5 hPa (about 38 km). Perturbation values are averaged to 1°×1° latitude-longitude grid cell.

在平流层中，振幅较大的强扰动事件发生概率并不高，但一旦出现，一般都会维持较长时间(1~3天)(Ramamurthy et al., 1993；Koppel et al., 2000).这些扰动的波长通常在50~500 km之间，周期为0.5 h到4 h，相速度为15~35 m·s^-1，能够形成雨带，为大风、冰雹、暴雪等破坏性天气的产生创造条件，并触发不稳定性，导致下游强对流的发展.当涉及高架地形的下垫面热效应时，情况变得更加复杂. Uccellini和Koch(1987)研究发现，这些强扰动多出现在急流附近，通常出现在暖锋或静止锋的冷气团一侧.通过分析2013年12月至2014年2月的观测结果，注意到格陵兰岛区域2014年1月7—11日有一次连续的强重力波扰动过程, 本节对其背景气象条件、扰动分布和扰动特征进行深入分析和讨论.

2014年1月7—11日，快速传播的高空长波槽到达加拿大东部(图 2).在300 hPa高度上形成一个风速大于60 m·s^-1的强急流，为对流层上部急流GW产生创造有利条件，且有学者曾在上层急流的气旋出口区域观测到中尺度重力波(Uccellini and Koch, 1987；Zhang et al., 2004).同时，图 2a詹姆斯湾(50°N、85°W附近)南部分析出来的气旋系统贯穿于整个重力波过程，其位置随着时间的推移向北移动，由其引起的槽的位置随着风场不断向东传播，强度不断减弱.从天气学角度分析，此类天气形势极易造成局部范围的强降水.

图 2

Fig. 2

图 2 欧洲中心再分析资料描述的300 hPa位势高度和水平风矢场(风速>60 m·s-1的区域用阴影部分表示) (a)表示2014年1月7日00时(UTC); (b)表示1月8日12时(UTC).在2014年1月8日12时，长波槽移动到加拿大东部，在阿巴拉契亚山脉一带形成大风带，低压中心用“L”表示. Fig. 2 ERA-interim 300hPa geopotential heights and horizontal winds (in vectors, speed >60 m·s-1 where shaded) (a) 0000 UTC on 7th January; (b) 1200 UTC on 8th January 2014. At 1200 UTC on 8th January 2014 the trough moved to eastern Canada, creating strong winds toward the Appalachians. Low-pressure centers are indicated by letter "L".

类似地，在1994年1月4日，阿巴拉契亚山脉一带发生强降雪时，Bosart在1999年观测到当地的一次强气旋风暴GW事件，相速度约为35~40 m·s^-1，包含复杂的中尺度结构；2003年1月18—20日，美国东部观测到平流重力波扰动时，也伴随着北美东海岸的大范围强降雪(Wu，2004).Zhang等(2001)在利用中尺度数值模式与MM5模式模拟平流层重力波时提出了地转调整过程的复杂序列是诱发重力波扰动的重要因素，而该调整过程又跟高空急流息息相关.

图 3给出了2014年1月7—11日MWTS通道10观测的格陵兰岛区域的平流层重力波扰动.首先从波动振幅来看，该区域的大气波扰动在白天和夜间的扰动强度差异较大，即具有明显的日变化特征.此外，在这5天中，MWTS观测到的平流层扰动先增强后减弱，在8日夜间，扰动幅度达到最强，影响范围也达到最广.从波形方面来看，本次重力波具有复杂多变性，既有平行波，也有明显的弧状波形结构，且多尺度特征明显.

图 3

Fig. 3

图 3 2014年1月7—11日MWTS通道10亮温扰动 (a1)—(a5)表示降轨对应白天；(b1)—(b5)表示升轨对应夜间. Fig. 3 Brightness temperature perturbations of the channel 10 from 7th to 11th January 2014 (a1)—(a5) represent the perturbations in the daytime (descending); (b1)—(b5) represent the perturbations in the nighttime (ascending).

另一方面，通过分析该区域2014年1月7—11日300 hPa的位势场和水平风场(图略)，注意到格陵兰岛附近偏西气流中的高空急流带随着准西风带不断向东传播、消散，但在上游，又不断产生新的急流带.图 3a中央的低压系统中心附近，纽芬兰半岛南部大西洋面上空的急流在8日12时达到最强，随后减弱，10日12时，大于60 m·s^-1的急流带完全消失，但在上游美国西部落基山脉地区又有新的槽和急流带生成并不断向下游传播.图 4中的亮温扰动也呈现出相似特征：10日起，格陵兰岛东南部扰动减弱，拉布拉多半岛附近扰动相对增强，进一步印证了300 hPa高空槽的形成和传播、急流的不断产生和消亡和风场的调整是诱发和维持该区域冬季重力波扰动的重要气象因子.对比天气形势连续变化过程中急流出现的时间与扰动发生的时间可见，扰动对急流调整的响应时间大约为6~12 h(图略)，与前人研究的平流层重力波的垂直传播特征结论一致(Hoffmann and Alexander, 2010).

图 4

Fig. 4

图 4 2014年1月8日MWTS通道8~13亮温扰动 (a1)—(a6)表示降轨对应白天；(b1)—(b6)表示升轨对应夜间. Fig. 4 Brightness temperature perturbations of the channel 8 to 13 on 8th January 2014 (a1)—(a6) Represent the perturbations in the daytime; (b1)—(b6) Represent the perturbations in the nighttime.

图 4给出了格陵兰岛附近区域2014年1月8日MWTS通道8~13的观测结果，以此为例分析平流层大气扰动的空间分布和变化特征.由图可见，本次平流层扰动个例在空间分布上具有如下特征：(1)随着观测高度的增加，扰动幅度增大.在低层通道(通道8、9)的观测中，仅有少数区域的扰动达到2 K，在通道10以上较高通道，可在大范围观测到2 K以上的强扰动.(2)随着高度的增加，扰动相位向西倾斜.结合高空风场传播特征(高空西风带)可推断本次大气扰动在水平方向逆着风场向西传播.

Alexander和Barnet(2007)利用S变换小波分析的方法提取重力波亮温扰动场中跨轨和顺轨方向的扰动振幅和水平波长，定量描述重力波的波动特征.类似的，本文以MWTS观测的不同时刻格陵兰岛附近的扰动为例，通过S变换小波分析的方法提取亮温扰动场中跨轨和顺轨方向的扰动振幅和水平波长，结果如图 5c、d和图 6c、d所示.

图 5

Fig. 5

图 5 2014年1月8日11:32(UTC)格陵兰岛附近33 km高度重力波扰动的观测和S变换小波分析结果 (a)卫星观测的亮温场；(b)亮温扰动；(c)波幅；(d)水平波长. Fig. 5 GW observations and S-transform wavelets at the 33km altitude near Greenland at 11:32 UTC on 8th January 2014 (a) Brightness temperature field from satellite; (b) Brightness temperature perturbations; (c) Wave amplitudes; (d) Horizontal wavelengths.

图 6

Fig. 6

图 6 与图 5类似，2014年1月8日21:41(UTC)观测和分析结果 Fig. 6 Same as Fig. 5 but for 21:41 UTC on 8th January 2014

图 6中四幅图分别表示2014年1月8日11:32(UTC)MWTS降轨观测到的亮温、扰动及其S变换小波分析提取的扰动振幅和水平波长(图 5中上面两幅图四个角的位置与下面两幅图一一对应)，分析出来的振幅与观测扰动大小在位置上具有较好的一致性.观测结果表明, 强重力波扰动的分布与背景亮温的分布具有密切的对应关系：首先，强重力波扰动均沿着冷暖气团交接线分布，即大气的上升和下沉运动相互影响越显著的地方越容易出现重力波；其次，冷暖气团中均有互相延伸和镶嵌在对方内部的气团，当冷气团延伸至暖气团的部分越靠近暖中心，则其形成的负扰动越强，反之正扰动越强.极地环流和中纬度环流在该区域相遇，也为该区域的大气扰动准备了条件.分析结果表明，本次重力波扰动具有多尺度的特征，图 5c可见MWTS监测到的扰动振幅可达3 K以上，图 5d可见水平波长覆盖由700 km延伸至1200 km以上，其中最强振幅3.2 K左右，其在图 5d对应位置附近的水平波长约为1000 km.需要注意的是，由于S变换小波分析过程只提取了扰动过程的主要信息，滤去了噪声和弱扰动信息，故分析所得的振幅绝对值的极值与观测的扰动极值(见图中空白部分标注)存在一定差异.

图 6与图 5类似，为当日21:41(UTC)升轨观测和分析结果.分析计算所得最大振幅为4.76 K，对应水平波长约为930 km.对比两个时刻的观测和分析结果可见，虽然升轨观测和分析的最大振幅对应波长小于降轨，但其平均扰动振幅和平均水平波长均大于降轨.

对流层产生的中尺度GW对平流层和中间层的动力学具有深远的影响，其在突发的平流层变暖和极地环流模式中的作用仍然令人困惑(Wu and Zhang, 2004).为了研究平流层重力波与对流层上层激发的GW之间的联系，本文利用MWTS观测资料监测了北半球冬季重力波热点区域——格陵兰岛附近30°×10°(30°W—0°, 60°N—70°N)范围内2014年1月份平均亮温扰动绝对值的时间序列，如图 7所示.图 7a为权重函数相对较低的3个通道，图 7b为权重函数居中的2个通道，图 7c为权重函数最高的通道，图中扰动值的平均水平反映背景噪声的大小，峰值反映强扰动出现的频次.由图可见，对于同一区域，不同通道的观测结果存在显著差异，但总体来说，各通道亮温扰动随时间的变化趋势一致，高层通道的波幅大于低层，但其噪声也相对较大.对于9通道和10通道，前者的噪声相对较大，但其扰动幅度却相对较小，即权重函数较高的通道得到的扰动幅度相对较大，也这说明波动在上传过程中其幅度也增大.低层的8~10通道背景噪声均小于0.3 K，11和12通道的背景噪声分别为0.38 K和0.56 K左右，13通道背景噪声大于1 K.

图 7

Fig. 7

图 7 MWTS通道8~13观测的2014年1月(30°W—0°，60°N—70°N)平均亮温扰动的时间序列 (a)表示通道8~10；(b)表示通道11~12；(c)表示通道13. Fig. 7 Time series of mean brightness temperature perturbations (K) of MWTS channels 8 to 13 for (30°W—0°, 60°N—70°N) in January 2014 (a) Channels 8 to 10; (b) Channels 11 to 12; (c) Channel 13.

另外，由图 7亦可见，该区域2014年1月7—11日的连续强扰动过程，与观测结果一致，在8日达到最盛，随后减弱，10日到11日又增强，尤其图 7b、c更显著.同时注意到，8日的最强扰动在8、9两通道的时间序列图上没有得到充分表现，因此在利用单一通道分析强扰动的波动特性时，优先选择10~12通道(13通道噪声信号太强，也不利于识别和提取扰动信息).

MWTS的第9、10通道的权重函数峰值分别对应40 hPa、25 hPa(约22 km、26 km)，MWHS的第3、2通道的中心高度分别对应约60 hPa、30 hPa(约20 km、24 km)，因此可以将MWTS与MWHS联合起来，揭示更高垂直分辨率的扰动特征.

图 8给出了2014年1月8日MWHS通道2和通道3的观测结果.由图可见，尽管MWHS通道2的噪声相对较大，但仍然可以捕捉到重力波扰动信号.对比MWHS第3与第2通道的扰动，前一通道的扰动强度要弱于后一通道.由前文可知，前一通道的权重函数较后一通道的高度低.因此，两通道的观测结果表明，扰动幅度呈现出上层大于下层的特征.相比于图 3b1、b2和图 4b1、b2中的MWTS观测结果，由于MWTS的垂直分辨率更高，故揭示的扰动强度也更强.

图 8

Fig. 8

图 8 MWHS观测的2014年1月8日亮温扰动 (a)表示通道3白天观测；(b)表示MWHS通道3夜间观测；(c)表示通道2白天观测；(d)表示MWHS通道2夜间观测. Fig. 8 Brightness temperature perturbations from MWHS on 8th January 2014 (a) Daytime observations of the MWHS channel 3; (b) Nighttime observations of the MWTS channel 3; (c) Daytime observations of the MWHS channel 2; (d) Nighttime observations of MWTS channel 2.

本节重点开展MWTS与AMSU-A观测大气重力波的比较.对于1月10日拉布拉多半岛附近的重力波，分别选取FY-3C/MWTS通道11、12和METOP-B/AMSU-A对应的相同高度的两个通道12、13的观测结果作对比分析，如图 9所示.FY-3C过境时间为当地时间上午10:00，METOP-B过境时间为当地时间上午9:30，所以图 9中的两个分析结果仅差0.5 h，这里假定这个时间段内波动的强度变化不大.对比可见，AMSU-A观测的强扰动区域和MWTS观测的强扰动区域几乎是重合的，但右图的扰动比左图更显著，且MWTS像元密度更高，使重力波的波动结构和细节特征更加明显.例如图 9b1中，在拉布拉多半岛东北方向的洋面上观测到一条呈细线状的负扰动高值区，AMSU-A则没有观测到.对于两者都观测到的同一正(或负)扰动高值区，两个高度上MWTS观测到的波形在径向上都比AMSU-A观测到的波形更窄更细，且MWTS可以看到扰动在空间上的渐变特征，而AMSU-A观测的扰动值变化则较为突兀.

图 9

Fig. 9

图 9 2014年1月10日夜间扰动 (a1)—(a2)表示METOP-B/AMSU-A通道12~13；(b1)—(b2)表示FY-3C/MWTS通道11~12扰动观测. Fig. 9 Brightness temperature perturbations of nighttime on 10th January 2014 (a1)—(a2) Observations of channels 12 to 13 of METOP-B/AMSU-A. (b1)—(b2) Observations of channels 11 to 12 of FY-3C/MWTS.

另一方面，上图与下图对比可见，在同一区域相同时间段，随着高度的增加，波列向西倾斜，且扰动幅度增大.由此可初步判断该区域冬季平流层重力波在垂直方向向上传播，水平方向向西传播.

为定量描述两个探测器观测平流层重力波的差异，对本次重力波活动中的一次观测结果做S变换和小波分析，结果如图 10所示.从上到下依次为亮温扰动、S变换后的振幅和小波分析的水平波长，左边为AMSU-A观测和分析结果，右边为MWTS，对比可见，除了波动结构复杂和多尺度的特征之外，对于该高度同一扰动，MWTS观测到最强扰动比AMSU-A强1~2 K(见图 10a1、a2左下标注)，平均扰动比AMSU-A强0.5 K，通过对比两个探测器观测到的重力波波长可见，MWTS观测到的最大波长比AMSU-A观测的最大波长小20 km左右，最小值亦然.

图 10

Fig. 10

图 10 2014年1月10日拉布拉多半岛附近33 km高度重力波扰动观测和S变换小波分析结果 (a1, b1) AMSU-A通道12观测到的的亮温扰动及其小波分析结果; (a2, b2)表示MWTS通道11，从上到下分别为亮温扰动和波幅. Fig. 10 GW observations and S-transform wavelet at 33km altitude near the Labrador Peninsula on 10th January 2014 (a1, b1) AMSU-A channel 12; (a2, b2)MWTS channel 11.

文章第2节展示了MWTS观测的2013年冬季和2014年夏季不同高度全球大气扰动的分布特征，本小节以相同的方法对METOP-B/AMSU-A通道11和通道13夜间的观测数据做相同的统计，结果如图 11所示，可以反映出大气扰动高层强于低层的特征，也可注意到冬季平流层扰动主要分布在40°N—70°N之间的中高纬度地区，且在5°S—30°S之间有一个次大扰动带.

图 11

Fig. 11

图 11 METOP-B/AMSU-A观测的夜间1°×1°全球平均亮温扰动分布 (a) 2013年冬季25 hPa (约26 km)高度；(b) 2013年冬季5 hPa (约38 km)高度；(c) 2014年夏季25 hPa (约26 km)高度；(d) 2014年夏季5 hPa (约38 km)高度. Fig. 11 Global distributions of brightness temperature perturbations observed by METOP-B/AMSU-Aat nighttime (a) Winter of 2013 at 80 hPa (about 26 km); (b) Winter of 2013 at 5 hPa (about 38 km); (c) Summer of 2014 at 25 hPa (about 26 km); (d) Summer of 2014 at 5 hPa (about 38 km). Perturbation values are averaged to 1°×1° latitude-longitude grid.

夏季平流层扰动主要分布在30°S—75°S之间，呈东西向带状分布，尤其是南美洲大陆及与其隔海相望的部分南极洲大陆附近扰动最强，26 km高度上的最强平均扰动可达1 K以上，38 km高度上的最强平均扰动可达2 K以上.

最后，对比图 1和图 11的统计结果可见，在相同的统计时间和相同的高度，FY-3C/MWTS统计的平均扰动大于METOP-B/AMSU-A的统计，一方面是由于MWTS的噪声较大引起，另一方面是因MWTS的较高水平分辨使其对更小尺度的平流层重力波更敏感.此外，对于夏季南半球平流层重力波，MWTS观测到的陆地上的扰动强度强于洋面上的扰动两倍以上，AMSU-A观测到的陆上的扰动强度强于洋面上的扰动一倍多，即MWTS观测的扰动在海陆对比方面的差异更明显.

由于MWTS通道8~13与AMSU-A的通道9~14对应探测高度相同，且METOP-B/AMSU-A(9:30)、FY-3C/MWTS(10:00)、NOAA19/AMSU-A(13:30)过境时间间隔相对较短, 故可以联合这三个平台的观测得到更高时间分辨率的平流层扰动事件过程，即在4 h内得到3次观测, 24 h之内得到6次观测.但我们在试验中发现，欧洲卫星气象应用组织(EUMETSAT)网站共享的METOP-B/AMSU-A和NOAA19/AMSU-A辐射相关数据在研究区域存在缺测.例如METOP-B/AMSU-A的降轨观测，在亚洲、非洲和美洲大陆等多处区域都没有观测数据，NOAA19/AMSU-A在美洲大陆的升轨数据以及在东亚的部分区域升轨数据也不完整.因此，在其他平台的观测数据缺失时，FY-3C/MWTS可以进行弥补.也正是由于这个原因，第5节的对比分析只用到了夜间观测结果.

针对有多个平台观测数据的重力波事件，可联合使用FY-3C/MWTS、METOP-B/AMSU-A和NOAA19/AMSU-A分析平流层重力波特征，如图 13所示.图 13a、b、c分别为METOP-B/AMSU-A、FY-3C/MWTS和NOAA19/AMSU-A观测到的2014年6月10日白天安第斯山脉附近10 hPa高度的大气扰动，图 13d表示FY-3C/MWTS观测到的当日夜间相同高度的大气扰动.由图 13可见，强扰动主要出现在安第斯山脉南部，尤以巴塔哥尼亚高原最显著，扰动的分布向南美洲大陆以东扩大至广阔的大西洋面，山脉附近的波形主要以平行波为主，而洋面上的波动既有平行波，也有弧形波.同时，无论横向或者纵向对比，均可见亮温扰动的分布特征变化不大.

图 13

Fig. 13

图 13 2014年8月10日安第斯山脉附近33 km高度重力波扰动的微波探测器联合观测结果 (a)表示METOP-B/AMSU-A 03:21(UTC)；(b)表示FY-3C/MWTS 03:56(UTC)；(c)表示NOAA19/AMSU-A 05:35(UTC)；(d)表示FY-3C/MWTS 15:10(UTC).以上观测时间主要对应于安第斯山脉区域. Fig. 13 GWs perturbation observed by 3 microwave sounders at 33 km altitude near the Andes (a) METOP-B/AMSU-A at 03:21 UTC; (b) FY-3C/MWTS at 03:56 UTC; (c) NOAA19/AMSU-A at 05:35 UTC; (d) FY-3C/MWTS at 15:10 UTC.

从图 13b—d可见，在大陆和海陆交界处，波动的相位几乎没有发生变化，具有明显的驻波特征.一些学者通过大量研究发现，形成重力波的最重要的两个机制是地形(Smith, 1985；Durran and Klemp, 1987；Dörnbrack et al., 1999)和深对流(Pfister et al., 1986；Tsuda et al., 1994；Alexander and Pfister, 1995；Vincent and Alexander, 2000).而本次重力波过程不仅具有显著的山脉地形特征，且观测到明显的驻波现象，可推断出本次波动是由高架地形的诱发的典型的山脉地形波(MGW).另外，左右对比亦表明MWTS与AMSU-A观测重力波扰动的差异，MWTS在细节分析方面的优势更突出，尤其是图 13d中的降轨观测.此外，MWTS可以得到清晰的洋面上的平流层扰动，而NOAA19/AMSU-A得到的对应区域的扰动特征则不明显.

另一方面，注意到安第斯山脉以东的大西洋面到印度洋面的大气扰动相位具有明显的位移.研究表明重力波在逆着风场方向传播时，受风场折射作用的影响垂直波长增大，使波动更容易被探测器捕获(Alexander and Barnet, 2007)，顺风方向的波动则很快消散，从而表现出波动在水平方向逆着风场传播的特征.图 12给出了2014年8月10日安第斯山脉附近300 hPa高度的高空形势场和水平风场分布，由高空水平风场的分布和变化特征首先可推断该波动的传播方向为自东向西.其次，对比图 12和图 13可见洋面上的较强波动分布的位置刚好是风速和风向均明显切变的位置，表明洋面上的强重力波扰动与风场切变具有关联性.且Alexander和Barnet(2007)在研究中指出，当水平风速大于40 m·s^-1时，重力波扰动的振幅会显著增大，图 12可见该区域存在高空急流.综上，该区域洋面上的本次重力波扰动的波源主要是高空急流和水平风切变.

图 12

Fig. 12

图 12 与图 2类似，2014年8月10日300 hPa位势高度和水平风矢场 (a)表示00:00(UTC)；(b)表示06:00(UTC).阴影部分表示风速≥50m/s的大风带. Fig. 12 Same as Fig. 2 but for 10th August 2014 (a) Represents 00:00 UTC; (b) 06:00 UTC. Shaded areas represent strong wind bands with wind speed ≥50 m·s-1.

星载微波垂直探测器可以获取平流层的大气温度信息.相对于国际上的同类微波探测器如AMSU-A, FY-3C微波大气垂直探测器主要不同在于：一是设置了118.75 GHz大气探测通道, 二是其水平分辨率更高且具有更大的观测刈幅.本文的首要目的是分析FY-3C微波大气垂直探测器在监测平流层强扰动中的优势特点.主要结论有:

(1) 针对典型平流层重力波过程的观测结果表明, FY-3C微波探测器50 GHz和118.75 GHz波段可用于获取平流层不同高度上的大气温度扰动特征, 前一波段的探测能力显著地优于后一波段.

(2) 针对2014年1月11日和格陵兰岛附近和8月10日安第斯山脉附近的平流层强扰动过程, 利用FY-3C的MWTS-Ⅱ与METOP-B和NOAA的AMSU-A的对比观测表明, MWTS-Ⅱ能够揭示平流层波动更细致的水平特征，且在监测平流层重力波方面比AMSU-A更敏感.

(3) 针对同一平流层扰动过程的多平台联合观测表明, FY-3C的MWTS-Ⅱ与国外同类仪器的相同探测通道联合观测, 有助于分析更高时间分辨率的平流层强扰动特征.

尽管MWTS在平流层强扰动观测上存在一定的空间分辨率优势，但同时其观测噪声等也更为显著，尤其是在高层探测通道和靠近极地的高纬度区域.在未来的研究中，需要进一步考虑各大气微波仪器观测噪声等因素对平流层强扰动分析的影响, 并针对典型平流层过程开展多传感器联合观测分析.