臺風“梅花”誘發(fā)平流層重力波的數(shù)值模擬與AIRS觀測

洪軍， 姚志剛， 韓志剛， 趙增亮， 方涵先

1 解放軍理工大學氣象海洋學院，南京 211101 2 北京應用氣象研究所，北京 100029

?

臺風“梅花”誘發(fā)平流層重力波的數(shù)值模擬與AIRS觀測

洪軍1,2， 姚志剛2*， 韓志剛2， 趙增亮2， 方涵先1

1 解放軍理工大學氣象海洋學院，南京 211101 2 北京應用氣象研究所，北京 100029

為了分析臺風這類強對流誘發(fā)平流層重力波的過程，本文利用中尺度數(shù)值模式WRF-ARW(V3.5)和衛(wèi)星高光譜紅外大氣探測器AIRS數(shù)據(jù)對2011年第9號強熱帶氣旋“梅花”的重力波特征進行了分析.首先，針對模式輸出的垂直速度場資料的分析表明，臺風在對流層各個方向上幾乎都具有誘發(fā)重力波的能量，而在平流層內則呈現(xiàn)出只集中于臺風中心以東的半圓弧狀波動，且重力波到達平流層后其影響的水平范圍可達1000 km.此外，平流層波動與對流層雨帶在形態(tài)、位置以及尺度上均具有一定的相似性.其次，對風場的分析結果表明，不同高度上波動形態(tài)的差異主要是由于重力波垂直上傳的過程中受到了平流層向西傳的背景風場以及風切變的調制作用，揭示了重力波逆著背景流垂直上傳的特征.隨后，基于FFT波譜分析的結果表明，“梅花”誘發(fā)的平流層重力波水平波長中心值達到了1000 km，周期在15～25 h，垂直波長主要在8～12 km.最后，利用AIRS觀測資料分析了平流層30～40 km高度上的大氣波動，得到了與數(shù)值模擬結果相一致的半圓弧狀波動.對比結果也驗證了WRF對臺風誘發(fā)平流層重力波的波動形態(tài)、傳播方向、不同時刻擾動強度的變化以及影響范圍的模擬效果.此外，也揭示了多資料的結合對比有助于更加全面地了解臺風誘發(fā)平流層重力波的波動特征.

平流層；重力波；WRF；數(shù)值模擬；AIRS

1 引言

大氣重力波是中高層大氣的主要波動之一，是影響中高層大氣的熱力學結構和環(huán)流結構的重要動力學因素.重力波的發(fā)生和傳播與強對流活動、背景風場、地形以及行星波都具有十分密切的聯(lián)系.特別是，臺風這類強對流作為一種重要的重力波激發(fā)源，擁有完整的組織結構，其激發(fā)的重力波不僅對平流層和對流層物質交換產(chǎn)生十分顯著的影響，造成大氣成分和動量的輸送(Pfister et al.，1993；Vincent and Joan Alexander，2000)，甚至對電離層總電子含量(TEC)也具有重要的影響(毛田等，2009).但目前我們對臺風這種強對流誘發(fā)平流層重力波的源及其產(chǎn)生機制還未完全認識.因此，臺風誘發(fā)平流層重力波的研究一直是大氣科學領域的熱點問題之一.

目前，平流層重力波的研究主要是采用數(shù)值模擬以及基于探空氣球、雷達、火箭等探測資料的分析.由于數(shù)值模擬可以給出大量的高時空分辨率的輸出結果，利用中尺度數(shù)值模式開展臺風激發(fā)重力波的研究被越來越多的學者所采用.Kim等(2005)采用27 km的水平分辨率對臺風Rusa進行模擬，其結果揭示臺風誘發(fā)的平流層重力波的緯向波長能夠達到300～600 km.Kuester等(2008)利用3 km的高水平分辨率對臺風Humberto進行了數(shù)值模擬，得到的重力波水平波長為15～300 km.可見，不同個例及模式分辨率的選擇對于利用數(shù)值模式研究重力波結果也存在著一定的差異，這也說明了重力波具有較寬的波譜范圍.另外，Chane-Ming等(2002)通過風廓線儀探測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，下平流層存在近1000 km水平尺度的重力波，對于這種和臺風對流本體尺度相當?shù)闹亓Σǖ恼T發(fā)機制目前還沒有完全認識清楚.隨著遙感技術的發(fā)展，衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)在平流層重力波分析中也得到廣泛應用.Wu等(2006)通過研究基于不同探測技術的衛(wèi)星資料，發(fā)現(xiàn)這些資料都能夠探測到很強的重力波活動.Choi等(2012)對衛(wèi)星AIRS觀測的重力波進行了個例分析.Yue等(2013)由地基氣輝成像儀和衛(wèi)星AIRS觀測資料同時觀測到了對流激發(fā)的重力波.

東亞區(qū)域是全球熱帶氣旋最活躍的區(qū)域，其激發(fā)的平流層重力波波動的數(shù)值模擬分析研究是進一步認識這一類波動發(fā)生發(fā)展機制的基礎.陳丹等(2011)開展了臺風激發(fā)平流層重力波數(shù)值模擬的個例分析.陳丹等(2013)指出，臺風誘發(fā)的重力波波動能量在上傳的過程中對于驅動QBO(Quasi-Biennial Oscillation，準兩年周期振蕩)現(xiàn)象具有不可忽視的作用.姚志剛等(2015)利用AIRS觀測資料分析了東亞夏季平流層的重力波的分布特征并給出了多種波動形態(tài)，其結果表明，該區(qū)域的平流層半圓弧狀的波動與對流層深對流存在時空相關性，但需要進一步利用其他手段對AIRS觀測的這種平流層波動進行驗證.顯然，基于數(shù)值模擬與衛(wèi)星觀測的臺風誘發(fā)平流層重力波的綜合分析，不僅有助于以上兩種結果的相互對比驗證，也有助于更全面地認識重力波的波動特征.

為了深入分析臺風誘發(fā)平流層重力波的特征以及驗證不同手段得到的平流層重力波的分析結果，本文重點針對2011年7—8月超強臺風“梅花”，開展了時效為6天的數(shù)值模擬，利用模式輸出結果，分析了臺風誘發(fā)重力波在平流層的上傳過程以及形態(tài)、波長、周期等特征，并與AIRS觀測得到的平流層重力波的波動特征進行了對比.

2 臺風“梅花”及其數(shù)值模擬方案

2.1 基本情況

2011年第9號超強臺風“梅花”于7月28日14時在菲律賓以東洋面上生成，29日后期向偏北方向移動，從8月2號轉向西北方向移動，3號開始又向偏西方向運行，4日23時轉向西北方向，6日開始轉向西北偏北方向移動，7日再向偏北方向移動，最終于8月8日18時30分在朝鮮西北部沿海登陸.“梅花”的移動速度比較慢，導致該臺風維持時間較長，生命史共12天，約為一般臺風的2.5倍.該臺風強度強，兩次增強為超級臺風后又減弱，中心附近最大風速達到近50 m·s-1，最低海平面氣壓達到930 hPa.在向北移動的過程中，路徑多次發(fā)生偏折(曹曉崗等，2013).

圖1為AIRS在臺風發(fā)生時段內812.16 cm-1通道獲得的亮溫圖.由圖可見，在該時段內，臺風云系十分密集，組織結構完整，處于成熟期，云系尺度達到上千公里.此外，在臺風成熟階段存在很高的對流云，且在臺風眼壁周圍，有著許多活躍的帶狀云.靠近臺風眼區(qū)附近的云頂溫度達到了200 K甚至更低，這意味著臺風中心附近云系已經(jīng)滲透到了上對流層.

2.2 試驗方案

本文主要利用美國環(huán)境預報中心提供的FNL資料作為模式的初始場和邊界場.該資料目前被廣泛應用于WRF模式作為初始場和邊界場，數(shù)據(jù)包括了水平風速、溫度、位勢高度、渦度、相對濕度等一系列氣象變量場.資料的水平分辨率為1°×1°，時間間隔為6 h，垂直方向分為26個氣壓層，覆蓋由地面(1000 hPa)至平流層中低層(10 hPa)的高度范圍.

模式模擬區(qū)域采用了Mercator投影，東西和南北方向格點數(shù)為187×187，中心設置為(20°N，130°E)，時間積分步長為30 s.模式垂直分辨率由地面至模式層頂逐漸變粗，共86層，其中在10～25 km高度上約為等高度500 m，頂層設為10 hPa.為了防止波動的反射，上邊界采用了阻尼層方案，阻尼層高度為5 km.

此次模擬過程采用的物理方案主要包括：WSM6微物理方案、RRTM長波輻射方案(Mlawer et al.，1997)、Dudhia短波輻射方案(Dudhia，1989)、Monin-Obukhov近地面層方案、熱量擴散方案以及Kain-Fritsch積云參數(shù)化方案(Kain，2004)，行星邊界層主要采用了YSU方案(Hong et al.，2006).模擬時間為2011年8月01日00時—8月7日00時，主要基于該段時間內臺風發(fā)展十分成熟，便于我們更好地進行其誘發(fā)平流層重力波的研究.

3 數(shù)值模擬結果分析

3.1 路徑和強度

圖2a顯示了為期6天的模擬路徑與日本氣象廳(JMA)提供的最佳路徑對比圖.其中，模擬路徑主要通過模式輸出的每隔6 h最低海平面氣壓所在的位置表征.在該段時間內，“梅花”整體上表現(xiàn)為向西北移動的趨勢，并且發(fā)生了偏折.從模擬效果來看，盡管在路徑偏折模擬與實際存在一些小的緯度上的偏差，但是總體上模擬的臺風路徑與最佳路徑之間具有較好的一致性，并且模擬出了臺風路徑的轉折趨勢.臺風的強度演變主要利用最低海平面氣壓來表征，從圖2b中可以看出，在模擬時段內，臺風“梅花”仍處于一個十分成熟的階段，海平面氣壓基本維持在945 hPa附近，只是在模擬后期強度逐漸減弱，且模式模擬的臺風強度以及變化趨勢與JMA給出的事后分析結果十分接近.可見，臺風“梅花”的路徑和強度都得到了很好的再現(xiàn)，故可利用模式輸出結果開展其誘發(fā)平流層重力波的研究.

3.2 平流層重力波

這里主要利用模式輸出的不同高度的垂直速度場分析平流層重力波特征.由圖3a可以看出，在對流層12 km高度上，垂直速度場的分布主要為伴隨臺風中心的圓形對稱結構，這種很強的垂直振動能量主要和臺風眼墻和對流帶有著密切的關系，并且隨著時間的增長，臺風中心附近波動能量分布越來越對稱(未展示).雖然臺風在對流層各個方向上都具備誘發(fā)出重力波的能量，但到了平流層高度上，波動主要位于臺風中心以東，不同高度上的波動形態(tài)也存在著一定的差異，且在25 km高度上(圖3c)的波動幅度要強于20 km(圖3b).根據(jù)重力波上傳理論(Lindzen，1981)，重力波在上傳的過程中，其擾動量正比于ρ-1/2，即在其上傳中波振幅必然是隨高度不斷增加的.因此，這里的模擬結果和以上理論是一致的.

圖1 2011年8月2日16時(a)和8月6日17時(b)AIRS在812.16 cm-1通道觀測的亮溫Fig.1 AIRS brightness temperature at 812.16 cm-1 at 1600UTC Aug 2 (a) and 1700UTC Aug 6 (b), 2011

圖2 2011年8月1日00時到8月7日00時WRF模擬的和日本氣象廳提供的 臺風“梅花”路徑(a)以及近地面最低海平面氣壓(b)對比圖Fig.2 Typhoon Muifa′s track (a) and minimum sea level pressure (b) from WRF simulations and JMA observations from 0000UTC Aug 1 to 0000UTC Aug 7, 2011

此外，從圖3d累計6 h降水量可以看出，臺風產(chǎn)生的螺旋雨帶也主要集中于臺風中心以東.對照圖3c可見，這種雨帶與平流層重力波在尺度、位置以及形態(tài)上具有一定的相似性.這一結果表明，對流層雨帶可能是平流層重力波特征的一個指示.Tepper(1958)首先指出，熱帶氣旋在眼壁附近產(chǎn)生重力波，并向外傳播成為螺旋雨帶.Anthes(1972)、Kurihara和Tuleya(1974)、Kurihara(1976)的數(shù)值模擬分析工作也指出，臺風內部的螺旋雨帶是正壓不穩(wěn)定引起的旋轉不穩(wěn)定，以重力波向四周頻散能量.徐祥德等(2004)研究指出臺風系統(tǒng)存在渦旋螺旋波動力特征，這種重力波列傳播可能與臺風渦旋基本態(tài)波流及其能量頻散動力效應相關.可見，臺風誘發(fā)的平流層重力波可能與產(chǎn)生的螺旋雨帶上的深對流云相關.

圖3 2011年8月6日00時12 km(a)、20 km(b)、25 km(c)高度上垂直速度場(圖中黑色實心圓圈代表 該時刻臺風中心位置，黑色實線為模擬的臺風路徑)以及累計6 h降水量(d)Fig.3 Vertical velocity at 12 km (a), 20 km (b), 25 km (c)(the black solid circle denotes the typhoon center, and the black solid line represents the simulated typhoon track)and 6 h precipitation (d) at 0000UTC Aug 6, 2011

圖4 數(shù)值模式輸出的8月6日00時沿29°N垂直速度剖面圖(圖片底端的黑色實心圓圈代表 該時刻臺風中心的位置，實線為等位溫線，橫軸為沿著29°N緯線轉換的距離)Fig.4 The profile of vertical velocity along the 29°N at 0000UTC, Aug 6 from WRF (the black solid circle denotes the typhoon center, and black solid line denotes the potential temperature，the horizontal axis represents the transform distance along the line of latitude 29°N)

圖4為沿圖3c中黑色虛線的高度-經(jīng)度剖面圖.由圖可見，在對流層中臺風中心附近存在著很強的上升氣流，這就為波動的上傳提供了動力.臺風中心附近這種強的垂直氣流運動，造成了等位溫線也出現(xiàn)了很強的擾動.由該圖也可見，波動在平流層上傳過程中，主導波列主要集中在臺風中心以東，并逆著背景流向東傾斜，波動在上傳中隨著高度增加，傳播距離也越來越遠，在平流層高度上甚至傳到千公里以外的區(qū)域.此外，隨著高度的增加波動幅度也逐漸增大，這也說明了臺風“梅花”誘發(fā)的重力波在平流層30 km高度上未飽和破碎，波動仍會繼續(xù)上傳，即臺風這類組織結構完整的強對流誘發(fā)的重力波能夠傳播到上平流層.

3.3 風場

劉曉和徐寄遙(2006)的理論研究認為，反向背景風場將拉伸重力波的垂直波長，加速重力波的上傳；同向背景風場會延遲重力波發(fā)生不穩(wěn)定的時間，縮短垂直波長，對重力波的上傳有抑制作用.為了進一步分析重力波傳播與背景風場之間的關聯(lián)性，這里對臺風的風場進行分析.圖5為模式輸出的臺風影響區(qū)域內(10°N—30°N、125°E—145°E)在0～30 km高度上的平均風場.由圖可見，在平流層高度上存在著很強的東風氣流，最大風速達到-30 m·s-1，并且緯向方向的風速隨高度的增量顯著地比經(jīng)向方向大，但經(jīng)向方向背景風場對于波動的上傳也會起到一定的作用.此外，緯向風場在0～30 km高度上存在著多次的風切變，經(jīng)向風場主要在15 km高度處存在著一個大的風切變，而這些風切變區(qū)也會影響到波動上傳(Bereset al.，2002).以上這些風場因素導致臺風在對流層激發(fā)的重力波在上傳的過程中向西傳的波動逐漸被背景風場過濾掉，這種傳播方式表明了重力波逆著背景流向上傳播.因此，這里的結果進一步揭示了平流層中的背景風場對于對流層中的重力波上傳起著重要的過濾調制作用.

3.3 波動參數(shù)

重力波參數(shù)化問題在全球大氣模式中(GCMs)還未完全得到解決(Beres et al.，2004；Chun and Baik，1998；Song and Chun，2005)，因此分析臺風誘發(fā)的重力波參數(shù)特征對參數(shù)化方案具有一定的指導意義.為了定量地分析臺風誘發(fā)的平流層重力波特征，本文對波動波譜結構進行了分析.

分析數(shù)據(jù)主要采用模擬時段內8月2日06時—8月3日22時連續(xù)41個小時的垂直風場w，時間分辨率為30 min，空間范圍為選擇時段內每個時刻臺風中心相鄰的111×111(2997 km×2997 km)格點區(qū)域.這樣就可以得到一個以臺風移動的坐標系下的譜參數(shù).在計算過程中，首先將垂直風場減去該變量在整個時空范圍內的平均值，得到垂直風場的擾動值w′.隨后，利用該擾動數(shù)據(jù)進行三維傅里葉變換(FFT)得到功率譜密度(Beres et al.，2002；陳丹等，2013).

對于速度擾動場w′=(x,y,z,t)，對某一高度z

圖5 模式輸出的2011年8月2日06時—8月3日22時0～30 km緯向(a)和經(jīng)向(b)臺風影響區(qū)域內 (10°N—30°N,125°E—145°E)的平均風場(U正值表示西風，V正值表示南風)Fig.5 The zonal (a) and warp (b) direction mean wind speed at 0～30 km in the region influenced by typhoon (10°N—30°N,125°E—145°E) by model output from 0600UTC Aug 2 to 2200UTC Aug 3, 2011 (positive U represents west wind, and positive V represents south wind)

的數(shù)據(jù)利用三維傅里葉變換獲得關于緯向波數(shù)(k)、經(jīng)向波數(shù)(l)以及頻率(ω)的FFT譜，計算公式為：

(1)

其中，F(xiàn)*為F的共軛復數(shù).

為了直觀地展示波動參數(shù)信息，參照Kim等(2009)以及陳丹等(2013)的工作，將(k,l)的笛卡兒坐標轉換成方位角坐標，即

(2)

其中，kh表示沿著?方向的水平波數(shù)，?表示從正東方向逆時針旋轉角度.這樣，功率譜密度就表示為水平波數(shù)kh、方向?以及頻率ω的函數(shù).這里重點選取了具有代表性的0°(正東)、45°(東北)、90°(正北)以及-45°(東南)4個方向進行分析.其中，負值角度表示沿著?+180°方向.圖6即為選取的時間段內，垂直速度擾動場經(jīng)三維FFT變換獲得的25 km高度上四個不同方向的垂直速度擾動場的功率譜密度.

由圖6可見，在分析的四個方向上，能量主要集中于正水平波數(shù)的一側，也即臺風中心的東側，而負水平波數(shù)一側能量普遍很小，這種不對稱能量分布也表明了重力波在上傳過程中逆著背景流向東傳播.在分析的四個剖面中，0°和45°方向能量相對較大，其中0°方向最強，而-45°和90°方向能量相對很弱.由此可見，波動在25 km高度上的優(yōu)勢傳播方向為正東以及東北方向.從譜結構可以看出，在該高度上分析的波動能量主要在0.001 km-1波數(shù)(1000 km波長)以及0.04～0.06 h-1頻率(15～25 h周期)附近.

此外，根據(jù)重力波的色散關系式(3)，即

(3)

本文研究的臺風“梅花”誘發(fā)的平流層重力波特征雖與陳丹等人(2013)使用27 km分辨率對臺風“Matsa”分析出的1000 km水平波長，12～18 h周期，8～12 km垂直波長的單峰窄譜結構水平尺度相似，均達到了1000 km，但其波動的最優(yōu)傳播方向為東北方向.Kuester等(2001)利用3 km水平分辨率獲得的臺風“Humberto”誘發(fā)的下平流層重力波水平波長為15～300 km.可見，不同的臺風以及模式水平分辨率分析出的波動參數(shù)都會具有一定的差異，這就需要我們今后進行更多的個例分析，總結不同類型的臺風誘發(fā)的平流層重力波特征，為重力波參數(shù)化方案的研究提供一定的依據(jù).

圖6 25 km高度上四個不同方向垂直速度擾動場功率譜密度(單位：m2·s-2)Fig.6 The PSD of w′ in four different directions at 25 km height (units: m2·s-2)

圖7 AIRS在2011年8月2日16時(a1)、8月6日17時(a2)30～40 km亮溫擾動圖以及 WRF輸出的2011年8月2日12時(b1)、8月6日15時(b2)在25 km高度的溫度擾動圖Fig.7 AIRS brightness temperature perturbation at 30～40 km height at 1600UTC Aug 2 (a1) and 1700UTC Aug 6 (a2) and WRF temperature perturbation at 25 km height at 1200UTC Aug 2 (b1) and 1500UTC Aug 6 (b2), 2011

4 AIRS觀測結果

由于NCEP (National Centers for Environmental Prediction, 美國國家環(huán)境預報中心)資料高度的限制，這里的數(shù)值模擬無法得到30 km以上高度的重力波特征.AIRS觀測資料可以用于識別20～65 km高度范圍內垂直波長大于15 km、水平波長在50～1000 km范圍內的平行波動(Hoffmann and Alexander，2010).為了分析更高高度上的平流層重力波特征，這里采用權重函數(shù)在30～40 km高度范圍內的AIRS通道的觀測開展分析.理論上，更高高度上的重力波應由其下方的重力波向上傳播所致，因而這里的AIRS觀測分析在一定程度上也可以進一步驗證數(shù)值模式得到的平流層重力波特征.

這里選取了AIRS權重函數(shù)在30～40 km高度上的42個通道的數(shù)據(jù)來進行分析(姚志剛等，2015).圖7(a1, a2)分別為8月2日16時以及8月6日17時AIRS對應于30～40 km觀測的亮溫擾動值.圖7(b1, b2)分別為8月2日12時以及8月6日15時模式輸出的25 km高度上的溫度擾動.首先，由兩種資料的對比可以看出，在120°E—150°E，15°N—35°N范圍內(臺風影響區(qū)域)，均存在明顯的半圓弧狀波動，這與圖2所示的模式輸出結果也具有較好的一致性.盡管目前不能進行同一高度上的對比，但衛(wèi)星觀測結果與模式輸出結果在波動形態(tài)和波動極值區(qū)域上具有較好的一致性，而這些特征在所用的NCEP資料結果(圖略)中則沒有體現(xiàn)出來.這在一定程度是說明了WRF較好地模擬出了這個臺風誘發(fā)的平流層重力波特征，同時也說明了AIRS觀測的平流層重力波主要由該臺風的深對流誘發(fā).其次，由WRF輸出的譜分析得到的該時刻25 km高度的垂直波長為8～12 km，而利用AIRS權重函數(shù)在25 km附近的敏感探測通道也確實未能觀測到大氣波動，但當波動上傳到30～40 km高度范圍內時則在AIRS觀測數(shù)據(jù)中存在明顯的波動特征.根據(jù)理論分析，AIRS的敏感探測波長為15 km以上.因此，兩種資料的綜合結果不僅表明了在較低平流層高度上的結果是一致的，也表明了30～40 km高度的重力波的垂直波長應大于25 km高度上的垂直波長，這與上文提到的波長隨高度增長的理論也是一致的.第三，AIRS觀測的30～40 km高度范圍內的重力波波列相對于WRF在25 km高度的波列存在向東的位移，這與重力波逆著背景流向東向上傳播的特性是一致的.第四，需要注意的是，AIRS觀測的是一定高度范圍內大氣溫度的積分量以亮溫的形式給出，而WRF輸出的是某一高度上的溫度場，故亮溫擾動強度的量值顯著地小于大氣溫度的擾動值.但從前后兩個時刻的擾動強度的變化上看，衛(wèi)星觀測的后一時刻的擾動強度的極正值和極負值約為前一時刻的1.7和1.3倍，而WRF得到的擾動強度的比值為1.6和1.4倍.因此，從重力波擾動強度的變化上看，數(shù)值模擬結果與衛(wèi)星觀測結果具有極好的一致性.此外，從AIRS結果中也揭示了臺風激發(fā)的重力波可傳至水平方向上距臺風中心1000 km以外的平流層，并且由于AIRS資料具有較高的水平分辨率，可以探測出很多細致的波動.因此，AIRS觀測資料可以很好地彌補數(shù)值模式輸出高度不足這一缺陷，兩者之間具有一定的互補性.當然，最佳的融合兩種資料去分析提取重力波特征是未來的一項十分重要而困難的研究工作.

5 結論與討論

本文利用新一代中尺度預報模式WRF-ARW(V3.5)，對2011年第9號超強臺風“梅花”進行了時效為6天的數(shù)值模擬，并結合衛(wèi)星AIRS觀測資料對其波動特征進行了分析.主要結果包括:

(1)通過對WRF模式輸出的不同高度上的垂直速度場的分析表明，雖然臺風在對流層各個方向上都具有誘發(fā)重力波的能量，但是在平流層高度上波動呈現(xiàn)出集中于臺風中心以東的半圓弧狀.此外，平流層波動與對流層雨帶在形態(tài)、位置以及尺度上具有一定的相似性；

(2)針對對流層與平流層波動形態(tài)的差異，進一步對臺風影響區(qū)域內的風場分析結果表明，平流層向西傳的背景風場以及風切變對于重力波垂直上傳起到了十分重要的調制作用，使得向西傳的波動在上傳過程中逐漸被過濾掉，從而揭示了重力波逆著背景流垂直上傳的特征；

(3)基于三維傅里葉變換的平流層25 km高度上波動參數(shù)特征的分析表明，臺風“梅花”在平流層誘發(fā)的重力波水平波長中心值達到了1000 km，周期在15～25 h，垂直波長主要在8～12 km，能量傳播最強方向為正東方向；

(4)基于AIRS資料的分析結果表明，臺風“梅花”在30～40 km高度上也出現(xiàn)了與數(shù)值模擬結果一致的半圓弧狀擾動，并且可以傳播到上千公里以外的平流層，較高的水平分辨率使得其可以探測出一些更細致的波動.此外，兩者之間的一致結果也說明了WRF模式能夠較好地模擬臺風這類強對流誘發(fā)平流層重力波的形態(tài)、波長、影響范圍、強度變化等特征.

最近，Zou等(2015)的研究表明,進一步增加WRF模式的層頂高度并同化平流層衛(wèi)星探測通道可顯著改進熱帶氣旋路徑和強度的預報精度.目前，關于臺風誘發(fā)重力波的機制尚未完全清楚，進一步提高模式分辨率和頂層高度并同化平流層衛(wèi)星觀測資料，對于研究這類重力波的發(fā)生、發(fā)展和傳播機理具有重要的意義.特別是，不同臺風誘發(fā)的平流層重力波特征具有較大的差異，這種差異可能與背景風場、臺風的位置以及發(fā)展階段相關，且一種探測資料只能獲取具有一定波長范圍的重力波特征.因此，在未來的工作中，我們需要利用數(shù)值預報模式并結合不同的衛(wèi)星觀測資料綜合分析不同臺風的重力波特征及其對臺風發(fā)生發(fā)展的反饋作用.

此外，本文的研究也展示了衛(wèi)星高光譜紅外大氣遙感資料在平流層重力波觀測上的優(yōu)勢特點及其在重力波研究上的應用潛力.我國風云系列衛(wèi)星也將裝載類似于AIRS的衛(wèi)星高光譜紅外大氣垂直探測器.因此，利用AIRS觀測資料研究東亞區(qū)域的平流層重力波特征也為進一步利用我國自主的風云系列衛(wèi)星類似載荷開展平流層重力波活動的監(jiān)測與研究提供啟發(fā)和借鑒.

致謝 衷心感謝南京信息工程大學陳丹博士在重力波波譜分析方面給予的幫助.感謝兩位審稿專家提出的寶貴修改意見.

Anthes R A. 1972. Development of asymmetries in a three-dimensional numerical model of the tropical cyclone.Mon.Wea.Rev., 100(6): 461-476.

Beres H J, Joan Alexander M, Holton J R. 2002. Effects of tropospheric wind shear on the spectrum of convectively generated gravity waves.J.Atmos.Sci., 59(11): 1805-1824.

Beres J H, Alexander M J, Holton J R. 2004. A method of specifying the gravity wave spectrum above convection based on latent heating properties and background wind.J.Atmos.Sci., 61(3): 324-337.

Cao X G, Wang H, Liu X B. 2013. Analysis on the turning and forecast of super typhoon Muifa.TorrentialRainandDisasters(in Chinese), 32(2): 151-157.

Chane-Ming F, Roff G, Robert L, et al. 2002. Gravity wave characteristics over Tromelin Island during the passage of cyclone Hudah.Geophys.Res.Lett., 29(6): 18-1-18-4, doi: 10.1029/2001GL013286.

Chen D, Chen Z Y, Lü D R. 2012. Simulation of the stratospheric gravity waves generated by the Typhoon Masta in 2005.ScienceChinaEarthSciences, 55(4): 602-610, doi: 10.1007/s11430-011-4303-1.

Chen D, Chen Z Y, Lü D R. 2013. Spatiotemporal spectrum and momentum flux of the stratospheric gravity waves generated by a typhoon.ScienceChina:EarthSciences, 56(1): 54-62, doi: 10.1007/s11430-012-4502-4.

Choi H J, Chun H Y, Gong J, et al. 2012. Comparison of gravity wave temperature variances from ray-based spectral parameterization of convective gravity wave drag with AIRS observations.J.Geophys.Res., 117: D05115, doi: 10.1029/2011JD016900.

Chun H Y, Baik J J. 1998. Momentum flux by thermally induced internal gravity waves and its approximation for large-scale models.J.Atmos.Sci., 55(21): 3299-3310.

Dudhia J. 1989. Numerical study of convection observed during the winter monsoon experiment using a mesoscale two-dimension model.J.Atmos.Sci., 46(20): 3077-3107. Hoffmann L, Alexander M J. 2010. Occurrence frequency of convective gravity waves during the North American thunderstorm season.J.Geophys.Res., 115: D20111, doi: 10.1029/2010JD014401. Hong S Y, Noh Y, Dudhia J. 2006. A new vertical diffusion package with an explicit treatment of entrainment processes.Mon.Wea.Rev., 134(9): 2318-2341.

Kain J S. 2004. The Kain-Fritsch convective parameterization: An update.J.Appl.Meteor., 43(1): 170-181.

Kim S Y, Chun H Y, Baik J J. 2005. A numerical study of gravity waves induced by convection associated with Typhoon Rusa.Geophys.Res.Lett., 32: L24816, doi: 10.1029/2005GL024662. Kim S Y, Chun H Y, Wu D L. 2009. A study on stratospheric gravity waves generated by Typhoon Ewiniar: Numerical simulations and satellite observations.J.Geophys.Res., 114: D22104, doi: 10./2009JD011971.Kuester M A, Alexander M J, Ray E A. 2008. A model study of gravity waves over Hurricane Humberto (2001).J.Atmos.Sci., 65(10): 3231-3246.

Kurihara Y, Tuleya R E. 1974. Structure of a tropical cyclone developed in a three-dimensional numerical simulation model.J.Atmos.Sci., 31(4): 893-919.

Kurihara Y. 1976. On the development of spiral bands in a tropical cyclone.J.Atmos.Sci., 33(6): 940-958.

Lindzen R S. 1981. Turbulence and stress owing to gravity wave and tidal breakdown.J.Geophys.Res., 86(C10): 9707-9714.Liu X, Xu J Y. 2006. The nonlinearity interactions of gravity waves and different background winds.ProgressinNaturalScience(in Chinese), 16(11): 1436-1441.

Mao T, Wang J S, Yang G L, et al. 2010. Effects of typhoon Matsa on ionospheric TEC.ChineseScienceBulletin, 55(8): 712-717.

Mlawer E J, Taubman S J, Brown P D, et al. 1997. Radiative transfer for inhomogeneous atmosphere: RRRTM, a validated correlated-k model for the longwave.J.Geophys.Res., 102 (D14): 16663-16682.

Pfister L, Scott S, Loewenstein M, et al. 1993. Mesoscale disturbances in the tropical stratosphere excited by convection: observations and effects on the stratospheric momentum budget.J.Atmos.Sci., 50(8): 1058-1075. Song I S, Chun H Y. 2005. Momentum flux spectrum of convectively forced internal gravity waves and its application to gravity wave drag parameterization. PartⅠ: Theory.J.Atmos.Sci., 62(1): 107-124.

Tepper M. 1958. A theoretical model for hurricane radar bands. ∥Preprints of 7th Weather Radar Conference. Miami. Amer. Meteor. Soc., 56-65.

Vincent R A, Joan Alexander M. 2000. Gravity waves in the tropical lower stratosphere: An observational study of seasonal and interannual variability.J.Geophys.Res., 105(D14): 17971-17982.Wu D L, Preusse P, Eckermann S D, et al. 2006. Remote sounding of atmospheric gravity waves with satellite limb and nadir techniques.AdvancesinSpaceResearch, 37(12): 2269-2277.

Xu X D, Zhang S J, Chen L S, et al. 2004. Dynamic characteristics of typhoon vortex spiral wave and its translation: a diagnostic analyses.ChineseJ.Geophys. (in Chinese), 47(1): 33-41, doi: 10.3321/j.issn:0001-5733.2004.01.006.

Yao Z G, Zhao Z L, Han Z G. 2015. Stratospheric gravity waves during summer over East Asia derived from AIRS observations.ChineseJ.Geophys. (in Chinese), 58(4): 1121-1134, doi: 10.6038/cjg20150403.

Yue J, Hoffmann L, Joan Alexander M. 2013. Simultaneous observations of convective gravity waves from a ground-based airglow imager and the AIRS satellite experiment.J.Geophys.Res., 118(8): 3178-3191, doi: 10.1002/jgrd.50341.

Zou X L, Weng F Z, Tallapragada V, et al. 2015. Satellite data assimilation of upper-level sounding channels in HWRF with two different model tops.J.Meteor.Res., 29(1): 001-027, doi: 10.1007/s13351-015-4108-9.

附中文參考文獻

曹曉崗, 王慧, 劉曉波. 2013. 超強臺風“梅花”(1109號)的轉向原因與預報分析. 暴雨災害, 32(2): 151-157.

陳丹, 陳澤宇, 呂達仁. 2011. 臺風“麥莎”(Matsa)誘發(fā)平流層重力波的數(shù)值模擬. 中國科學: 地球科學, 41(1): 1-9.

陳丹, 陳澤宇, 呂達仁. 2013. 臺風重力波的譜結構和動量通量特征分析. 中國科學: 地球科學, 43(5): 874-882.

劉曉, 徐寄遙. 2006. 重力波與不同背景風場之間的非線性相互作用. 自然科學進展, 16(11): 1436-1441.

毛田, 王勁松, 楊光林等. 2009. 臺風“麥莎”對電離層TEC的影響. 科學通報, 54(24): 3858-3863.

徐祥德, 張勝軍, 陳聯(lián)壽等. 2004. 臺風渦旋螺旋波及其波列傳播動力學特征: 診斷分析. 地球物理學報, 47(1): 33-41, doi: 10.3321/j.issn:0001-5733.2004.01.006.

姚志剛, 趙增亮, 韓志剛. 2015. AIRS觀測的東亞夏季平流層重力波特征. 地球物理學報, 58(4): 1121-1134, doi: 10.6038/cjg20150403.

(本文編輯 何燕)

Numerical simulations and AIRS observations of stratospheric gravity waves induced by the Typhoon Muifa

HONG Jun1,2, YAO Zhi-Gang2*, HAN Zhi-Gang2, ZHAO Zeng-Liang2, FANG Han-Xian1

1InstituteofMeteorologyandOcean,PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing211101,China2BeijingInstituteofAppliedMeteorology,Beijing100029,China

Atmospheric wave transport momentum from lower to higher altitudes and have important effects on the general circulation. Typhoon is a significant source of stratospheric gravity waves. The purpose of this study is to investigate the propagation direction, wavelength and period of the typhoon-induced gravity waves with the numerical model and validate its simulation capability by satellite observations.The WRF model is used to reconstruct the Typhoon “Muifa” (2011). The gravity wave parameters including horizontal wavelengths, vertical wavelengths and periods are estimated by the three-dimensional FFT wave spectrum analysis. The AIRS observations data is used to analyze the stratospheric gravity wave features and validate the model outputs.The vertical velocity field from model outputs shows that the typhoon has the energy to induce gravity waves nearly in all directions of the troposphere, while in the stratosphere the waves are only concentrated in the east of the typhoon center, and the range can reach 1000 km when the gravity waves propagate to the stratosphere. In addition, the stratospheric gravity waves and the spiral rain bands have some similarities in the pattern, location and scale. Furthermore, the wind analysis indicates that the differences of gravity waves at different heights mainly result from the modulation of westward background wind and wind shear, which happens in the process of vertical propagation. It reveals that the gravity waves mainly propagate against the background wind field. Then the FFT wave spectral analysis reveals that the gravity wave has the horizontal wavelengths of approximately 1000 km, the periods of 15～25 h, and the vertical wavelengths of 8～12 km at 25 km height. At last, AIRS observations show semicircular arc waves at 30～40 km height, which are similar to those shown at lower heights in the WRF model.This study indicates that the WRF model can reasonably reproduce the stratospheric gravity waves in terms of pattern, propagation and scope. It also reveals that the data from different techniques are complementary for stratospheric gravity wave analysis. Finally, the AIRS observations show great application potential in stratospheric gravity waves analysis.

Stratosphere； Gravity waves； WRF； Numerical simulation； AIRS

10.6038/cjg20150707.

國家公益性行業(yè)專項(GYHY201406011)；國家自然科學基金項目(41375024)；部級重點課題(QX2015040311A12005)共同資助.

洪軍，男，1989年生，碩士研究生，主要從事平流層重力波的數(shù)值模擬與分析研究.E-mail: 505673726@qq.com

*通訊作者 姚志剛，男，1978年生，博士，主要從事衛(wèi)星大氣遙感以及平流層重力波分析研究.E-mail：yzg_biam@163.com

10.6038/cjg20150707

P401, P405, P407

2014-09-26，2015-01-21收修定稿

洪軍，姚志剛，韓志剛等. 2015. 臺風“梅花”誘發(fā)平流層重力波的數(shù)值模擬與AIRS觀測.地球物理學報，58(7):2283-2293,

Hong J, Yao Z G, Han Z G, et al. 2015. Numerical simulations and AIRS observations of stratospheric gravity waves induced by the Typhoon Muifa.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),58(7):2283-2293,doi:10.6038/cjg20150707.