气象学报  2021, Vol. 79 Issue (1): 150-167 PDF
http://dx.doi.org/10.11676/qxxb2021.008

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#### 文章信息

YANG Chenyi, GUO Qiyun, CAO Xiaozhong, ZHANG Wu. 2021.

Analysis of gravity wave characteristics in the lower stratosphere based on new round-trip radiosonde

Acta Meteorologica Sinica, 79(1): 150-167.
http://dx.doi.org/10.11676/qxxb2021.008

### 文章历史

2020-05-16 收稿
2020-10-18 改回

1. 兰州大学大气科学学院，半干旱气候变化教育部重点实验室，兰州，730000;
2. 中国气象局气象探测中心，北京，100081

Analysis of gravity wave characteristics in the lower stratosphere based on new round-trip radiosonde
YANG Chenyi1 , GUO Qiyun2 , CAO Xiaozhong2 , ZHANG Wu1
1. Key Laboratory for Semi-Arid Climate Change of the Ministry of Education，College of Atmospheric Sciences，Lanzhou University，Lanzhou 730000，China;
2. Meteorological Observation Center of China Meteorological Administration，Beijing 100081，China
Abstract: The observational data of the round-trip sounder collected at Anqing, Changsha, Ganzhou, Nanchang, Wuhan and Yichang stations during an observation experiment from 9 June to 10 July 2018 are used to extract the parameters of gravity wave, including the energy density, natural frequency, wavelength and propagation direction. By studying and analyzing the parameters of gravity wave at these stations, the gravity wave from June to July in the experimental area is counted. Characteristics and horizontal differences as well as the differences between the up and down sections are compared between various sites. The main results are as follows: (1) The gravitational wave energy in this region is generally distributed in the range of 0.2 to 1.2 J/m3, with an average value of about 0.8 J/m3, and the potential energy is generally distributed in the range of 0.03 to 0.5 J/m3, with an average value of about 0.2 J/m3. (2) For the vertical wavelength, 90% of the samples are within the range of 1 to 2.5 km, and more than 50% of the samples are within the range of 2 to 2.5 km. The average wavelength is about 1.8 km. The horizontal wavelength is mainly distributed in the range of 200 to 800 km, with an average of about 600 km. The ratio of vertical wavelength to horizontal wavelength of gravity wave is very small, and the gravity wave propagates horizontally in the stratosphere. (3) There are obvious main propagation directions in the ascending and descending sections of most stations, but the characteristics of the main propagation directions are not the same. The northwest ward propagation prevails, followed by the northward propagation. This new type of data are suitable for the observation and analysis of gravity wave in the lower stratosphere. The data in the descending section can play an important role in the intense observations of gravity wave events. There are some differences between the results obtained in the ascending section and the descending section, but the differences in other parameters are small except for the horizontal propagation direction, and the results in the descending section are generally large except for the energy.
Key words: Lower stratosphere    Gravity wave    Round-trip sounding data    Drop sounding
1 引　言

2 资料与方法 2.1 往返式探空观测资料

 图 1  探空资料的站点分布（五角星表示） Fig. 1  Distribution of stations （pentagram） where sounding data are used in this study

 站点 纬度（°N） 经度（°E） 上升数据总量/廓线数 下降数据总量/廓线数 安庆 30.6 117.1 28168/59 10889/57 长沙 28.3 112.9 25272/63 8426/55 赣州 25.9 114.9 24994/59 8961/53 南昌 28.7 115.9 28518/63 10333/63 宜昌 30.7 111.3 26769/63 10248/56 武汉 30.6 114.3 27122/63 8740/61
2.2 研究方法

（1）重力波能量

 ${E_ {\rm{K}}}=\frac{1}{2}\rho \left(\overline{{{u}'}^{2}}+\overline{{{v}'}^{2}}\right)$ (1)
 ${E_ {\rm{P}}}= \frac{{\rho {g^2}}}{{2{N^2}}}\overline {\widehat T{'^2}}$ (2)

（2）垂直波长

 ${\lambda }_{{\rm{z}}}=2{\text{π} }/m$ (3)

（3）固有频率

 $\frac{\hat{\omega }}{\left|f\right|}=R={\left(\frac{\lambda _{1}}{\lambda _{2}}\right)}^{1/2}$ (4)

（4）水平波长

 ${\lambda }_{{\rm{h}}}=2\mathrm{\text{π} }/{k}_{{\rm{h}}}$ (5)
 ${k}_{{\rm{h}}}^{2}=\frac{\left({\hat{\omega }}^{2}-{f}^{2}\right){m}^{2}}{{N}^{2}}$ (6)

（5）传播方向

 $\mathrm{tan}\alpha =\left[\overline{{{v}'}^{2}}-\overline{{{u}'}^{2}}+\sqrt{{\left(\overline{{{u}'}^{2}}-\overline{{{v}'}^{2}}\right)}^{2}+4{\overline{{u}'{v}'}}^{2}}\right]/2\overline{{u}'{v}'}$ (7)

3 结果分析

3.1 能量密度

 图 2  6个站上升段 （a1—f1） 和下降段 （a2—f2） 下平流层重力波能量密度 （a. 安庆，b. 长沙，c. 赣州，d. 南昌，e. 武汉，f. 宜昌） Fig. 2  Energy density of gravity wave in the lower stratosphere in the ascending （a1—f1） and downcast （a2—f2） sections of 6 stations （a. Anqing，b. Changsha，c. Ganzhou，d. Nanchang，e. Wuhan，f. Yichang）

 图 2   Fig. 2  Continued
3.2 垂直波长

 图 3  6个站上升段 （a1—f1） 和下降段 （a2—f2） 下平流层重力波垂直波长频数分布 （a. 安庆，b. 长沙，c. 赣州，d. 南昌，e. 武汉，f. 宜昌） Fig. 3  Vertical wavelength frequency distribution of gravity wave in the lower stratosphere in the ascending （a1—f1） and downcast （a2—f2） sections of 6 stations （a. Anqing，b. Changsha，c. Ganzhou，d. Nanchang，e. Wuhan，f. Yichang）
 图 3   Fig. 3  Continued
3.3 固有频率

 图 4  滤波前6个站上升段 （a1—f1） 和下降段 （a2—f2） 下平流层重力波固有频率频数分布 （a. 安庆，b. 长沙，c. 赣州，d. 南昌，e. 武汉，f. 宜昌） Fig. 4  Natural frequency distribution of gravity wave in the lower stratosphere （before filtering） in the ascending （a1—f1） and downcast （a2—f2） sections of 6 stations （a. Anqing，b. Changsha，c. Ganzhou，d. Nanchang，e. Wuhan，f. Yichang）
 图 4   Fig. 4  Continued
 图 5  滤波后6个站上升段 （a1—f1） 和下降段 （a2—f2） 下平流层重力波固有频率频数分布 （a. 安庆，b. 长沙，c. 赣州，d. 南昌，e. 武汉，f. 宜昌） Fig. 5  Natural frequency distribution of gravity wave in the lower stratosphere （after filtering） in the ascending （a1—f1） and downcast （a2—f2） sections of 6 stations （a. Anqing，b. Changsha，c. Ganzhou，d. Nanchang，e. Wuhan，f. Yichang）
 图 5   Fig. 5  Continued

3.4 水平波长

 图 6  6个站上升段 （a1—f1） 和下降段 （a2—f2） 下平流层重力波水平波长频数分布 （a. 安庆，b. 长沙，c. 赣州，d. 南昌，e. 武汉，f. 宜昌） Fig. 6  Horizontal wavelength frequency distribution of gravity wave in the lower stratosphere in the ascending （a1—f1） and downcast （a2—f2） sections of 6 stations （a. Anqing，b. Changsha，c. Ganzhou，d. Nanchang，e. Wuhan，f. Yichang）
 图 6   Fig. 6  Continued
 图 6   Fig. 6  Continued
3.5 传播方向

76个站下平流层重力波水平传播方向频数分布，扇形的方向表示水平传播方向，扇形的大小表示出现在这个方向范围内的频数，扇形越大表示在这个方向范围内重力波传播的频率越高。从图中可以看出，与其他参数不同，两阶段所测得的水平传播方向特征差异较大，考虑到经过平漂过程后测量位置改变，气球与重力波的相对位置也有改变，这一结果是比较合理的。大部分站的上升段和下降段结果均存在比较明显的主要传播方向，但主要传播方向特征并不一致，以西北向传播最多，其次是北向传播。

 图 7  6个站上升段 （a1—f1） 和下降段 （a2—f2） 下平流层重力波传播方向频数分布 （a. 安庆，b. 长沙，c. 赣州，d. 南昌，e. 武汉，f. 宜昌） Fig. 7  Frequency distribution of gravity wave propagation directions in the lower stratosphere in the ascending （a1—f1） and downcast （a2—f2） sections of 6 stations （a. Anqing，b. Changsha，c. Ganzhou，d. Nanchang，e. Wuhan，f. Yichang）
 图 7   Fig. 7  Continued
 图 7   Fig. 7  Continued
4 结论与讨论

（1）该区域内下平流层重力波在日尺度上变化明显，并且重力波动能的量值远大于势能，动势能比为2—6，总能量的曲线受重力波动能影响较大。不同站的能量密度特征及变化差异较小，上升段与下降段的差异也较小。

（2）该区域内下平流层重力波垂直波长与水平波长的比值很小，说明平流层重力波以水平传播为主，在垂直方向上的夹角极小，使得平流层重力波能够传播到相对较远的地方。同时说明尽管存在夏季一般约为300 km的平漂距离，但下降段数据也能起到对重力波事件的加密观测作用，且无论是垂直波长还是水平波长，下降段结果均略大于上升段。

（3）滤波前后固有频率的分布变化比较明显，滤波后结果有向大值方向移动的特征，滤波前固有频率主要分布在1.2 —2 f，平均值为1.7 f；滤波后固有频率的最小值仍为1.2 f左右，但最大值明显增大，较大值分布频数也明显增多，大部分分布在1.2—4 f，平均值也增大至2.1 f左右。

（4）与其他参数不同，两阶段所测得的水平传播方向特征差异较大。大部分站上升段和下降段结果均存在比较明显的主要传播方向，但主要传播方向特征并不一致，以西北向传播最多，其次是北向传播。