基于多臺(tái)站OH全天空氣輝成像儀觀測(cè)的中國(guó)中緯地區(qū)重力波傳播特性

王翠梅， 李欽增， 徐寄遙， 袁韡

1 中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心天氣學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京　100190 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京　100049

基于多臺(tái)站OH全天空氣輝成像儀觀測(cè)的中國(guó)中緯地區(qū)重力波傳播特性

王翠梅1,2， 李欽增1， 徐寄遙1， 袁韡1

1 中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心天氣學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京100190 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京100049

摘要利用位于中國(guó)中緯地區(qū)6個(gè)OH氣輝成像儀2012年1月至2013年12月兩年的觀測(cè)數(shù)據(jù)， 我們研究分析了重力波傳播特征.結(jié)果表明重力波的水平波長(zhǎng)、觀測(cè)周期和水平相速度分別主要分布于10～35 km, 4～12 min和30～100 m·s-1范圍. 夏季，重力波主要沿極向方向傳播. 然而, 冬季, 他們有向赤道方向和平行于赤道方向的傳播趨勢(shì). 同時(shí), 我們結(jié)合TRMM衛(wèi)星和ECMWF數(shù)據(jù), 發(fā)現(xiàn)在夏季重力波的北向傳播趨勢(shì)可能主要由觀測(cè)臺(tái)站南方的對(duì)流活動(dòng)導(dǎo)致. 然而, 對(duì)流層頂附近的急流可能在冬季重力波的主要傳播方向方面做出較大貢獻(xiàn). 分析結(jié)果也表明, 低層-中層大氣背景風(fēng)的濾波效應(yīng)僅在夏季與中國(guó)中緯地區(qū)重力波緯向傳播方向各向異性吻合較好.

關(guān)鍵詞氣輝成像儀; 大氣重力波; 傳播; 波源; 濾波效應(yīng)

1引言

大氣重力波在中層-低熱層動(dòng)力學(xué)過(guò)程中起到重要作用(Nakamura et al., 2003).普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為,中層-低熱層大氣重力波產(chǎn)生于低層大氣且向上傳播(Taylor and Hapgood, 1988).因此,在重力波向上傳播過(guò)程中,低層-中層大氣風(fēng)場(chǎng)對(duì)重力波的通量和方位角分布起到重要作用(Taylor et al., 1993).

近幾十年,研究者利用氣輝成像觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)不同緯度地區(qū)的中層-低熱層高頻重力波傳播特征進(jìn)行了研究.氣輝成像儀具有獲取二維水平結(jié)構(gòu)的能力,被廣泛用于短周期(<1 h) 和小尺度重力波觀測(cè)(水平波長(zhǎng)<100 km).

中緯地區(qū),研究者(Taylor et al., 1993; Nakamura et al., 1999; Walterscheid et al., 1999; Hecht et al., 2001, 2004; Ejiri et al., 2003; Suzuki et al., 2004; Tang et al., 2005, 2014; Dou et al., 2010; Kim et al., 2010; Li et al, 2011b)利用氣輝成像觀測(cè)數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)重力波在夏季主要沿東向和極向傳播.然而,很多觀測(cè)報(bào)道了中緯地區(qū)的重力波在冬季主要沿赤道方向傳播(Walterscheid et al., 1999; Ejiri et al., 2003; Suzuki et al., 2004; Tang et al., 2005, 2014; Dou et al., 2010; Kim et al., 2010; Li et al., 2011b).

低緯地區(qū),Li等(2011a)和Suzuki等(2004)利用OH氣輝成像數(shù)據(jù)分別報(bào)道了Maui(20.7°N,156.3°W)和Australia(12°S)臺(tái)站的重力波在夏季(冬季)趨向于極向(赤道方向)傳播.

赤道附近,Narayanan和Gurubaran(2013)報(bào)道了Tirunelveli(8.7° N)地區(qū)的重力波在夏季幾乎都向南和西南方向傳播.Medeiros等(2004a)的研究結(jié)果表明,在夏季和冬季，Cariri(7°S,35°W)地區(qū)的重力波分別主要沿東南和東北方向傳播.

影響重力波傳播方向的因素有很多.其中,波源位置被廣泛認(rèn)為是影響重力波傳播方向的主要因素之一,且對(duì)流活動(dòng)是產(chǎn)生高頻重力波的重要波源之一.模擬(Fovell et al., 1992; Alexander et al., 1995, 2004; Lane et al., 2001; Vadas and Fritts, 2001, 2009; Walterscheid et al., 2001; Song et al., 2003; Vadas et al., 2009)和觀測(cè)(Walterscheid et al., 1999; Hecht et al., 2001; Ejiri et al., 2003; Suzuki et al., 2004; Pautet et al., 2005; Yue et al., 2009)研究給出了對(duì)流活動(dòng)產(chǎn)生重力波的有力證據(jù).另外,有研究表明導(dǎo)管傳播和波源位置共同影響重力波主要傳播方向.Walterscheid等(1999)報(bào)道了Adelaide(35°S)地區(qū)上空的重力波在夏季(冬季)主要沿極向(赤道方向)傳播.他們解釋了產(chǎn)生這種現(xiàn)象是由于重力波陷入導(dǎo)管傳播.Hecht等(2001)通過(guò)分析 Urbana,Illinois(40°N,80°W)臺(tái)站的的氣輝成像觀測(cè)數(shù)據(jù),報(bào)道了重力波在夏季的北向傳播趨勢(shì)是因?yàn)闊釋?dǎo)管和風(fēng)剪切的存在。

另一個(gè)產(chǎn)生重力波的重要機(jī)制是急流.Shiokawa等(2007)利用FPI干涉儀和557.7 nm氣輝成像儀在Shigaraki(34.8°N,136.1°E)臺(tái)站觀測(cè)到一個(gè)強(qiáng)烈的重力波事件.他們的分析結(jié)果表明,觀測(cè)的重力波產(chǎn)生于日本的東北方向,該處對(duì)流層頂附近存在一個(gè)低壓系統(tǒng)(968 hPa)和急流.

另外,研究者(Taylor et al., 1993; Stockwell and Lowe, 2001a,2001b; Medeiros et al., 2003，2004a, 2004b, 2005)發(fā)現(xiàn)臨界層濾波效應(yīng)在決定重力波緯向傳播方向各向異性方面起到重要作用.Taylor等(1993)假設(shè)波源位于對(duì)流層且使用CIRA-1986緯向風(fēng)數(shù)據(jù)報(bào)道了Colorado(40.0°N 105.6°W)臺(tái)站的重力波從低層向高層大氣傳播過(guò)程中有可能被臨界層濾波效應(yīng)濾除.Stockwell和Lowe(2001a,2001b)認(rèn)為臨界層的緯向風(fēng)的濾波效應(yīng)解釋了重力波在夏季和冬季分別主要沿東向和西向傳播的現(xiàn)象.Medeiros等(2003, 2004a, 2004b, 2005)使用Taylor等(1993)中的濾波理論和HWM93水平風(fēng)場(chǎng)模型(Hedin et al., 1996)報(bào)道了濾波效應(yīng)決定重力波傳播方向各向異性方面起主要作用.然而,Li等(2011b)利用Xinglong(40.2°N,117.4°E)臺(tái)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)重力波傳播特性進(jìn)行研究,結(jié)果表明臨界層濾波效應(yīng)僅在夏季與重力波傳播方向吻合較好.他們指出,波源的非均勻分布和導(dǎo)管傳播也同時(shí)影響重力波傳播方向各向異性.

Medeiros等(2005)通過(guò)分析Atlantic附近的多臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)重力波主要從陸地向海洋傳播.他們認(rèn)為來(lái)自陸地的對(duì)流活動(dòng)在決定沿海地區(qū)重力波傳播方向起重要作用.

Kim等(2010)利用射線追蹤技術(shù)研究大氣重力波,發(fā)現(xiàn)大部分波動(dòng)來(lái)自于中層高度,他們認(rèn)為這些重力波為二次波.

本文利用2012年1月至2013年12月兩年位于中國(guó)中緯地區(qū)6個(gè)臺(tái)站的OH氣輝成像儀觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)中國(guó)中緯地區(qū)重力波傳播特征進(jìn)行了分析.同時(shí),我們結(jié)合TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù),ECMWF(the European Center for Medium-Range Weather Forecasts)和 MERRA(the Modern Era Retrospective-analysis for Research and Applications)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)重點(diǎn)討論了波源位置和濾波效應(yīng)在重力波傳播方向季節(jié)變化方面的影響.文章結(jié)構(gòu)安排如下: 第2部分給出觀測(cè)數(shù)據(jù)和處理方法.結(jié)果和討論將在第3部分呈現(xiàn).第4部分是全文總結(jié).

2數(shù)據(jù)和方法

用于研究重力波傳播特征的數(shù)據(jù)來(lái)自位于中國(guó)中緯地區(qū)6個(gè)臺(tái)站2012年1月至2013年12月的OH氣輝成像儀,它們分別位于: Shuozhou(39.8°N,112.1°E), Xinglong(40.4°N,117.6°E),Donggang(40.0°N,124.0°E),Xinxiang(35.7°N,113.7°E),Linqu(36.2°N,118.7°E)和 Rongcheng(37.3°N,122.5°E).其中,Xinglong(40.4°N,117.6°E)臺(tái)站的OH氣輝成像儀是子午工程(Wang,2010)地基光學(xué)觀測(cè)儀中的一種.每個(gè)OH氣輝成像儀包含溫度穩(wěn)定的濾波輪子,使用Nikon 16mm/2.8D 魚(yú)眼鏡頭，視場(chǎng)角為180°,且由像元數(shù)為1024 pixel×1024 pixel的CCD感光元件組成.整個(gè)觀測(cè)過(guò)程由軟件來(lái)自動(dòng)控制.曝光時(shí)間是1 min.且OH氣輝輻射波段位于715～930 nm,觀測(cè)高度為87±5 km.圖1為OH氣輝成像儀的地理位置示意圖.

這篇文章中使用的重力波參數(shù)(水平波長(zhǎng)、觀測(cè)周期和水平相速度)是按照如下的步驟提取: 第一步,利用中值濾波法去除原始圖像中星光的污染(Suzuki et al.,2007).第二步,去除Van Rhijin效應(yīng)和大氣消光效應(yīng)(Kubota et al.,2001).第三步,假設(shè)OH氣輝層的高度為87 km,且將氣輝圖像投影到800 km×800 km 的地理坐標(biāo)平面內(nèi)(Baker and Stair,1988).第四步,把連續(xù)的兩幅圖片進(jìn)行相減得到差分(TD)圖像(Tang et al.,2005).最后,我們對(duì)差分圖像進(jìn)行去勢(shì)處理且利用2-D FFT光譜分析方法提取重力波參數(shù)(Garcia et al., 1997; Coble et al, 1998).

圖1　OH氣輝成像儀地理位置示意圖Fig.1　A map showing locations of OH all-sky airglow imagers

3結(jié)果和討論

為了研究重力波的季節(jié)變化特征,我們將全年劃分為四個(gè)季節(jié): 春季(3月—4月)、夏季(5月—8月)、秋季(9月—10月)和冬季(11月—次年2月).利用OH氣輝成像儀對(duì)重力波傳播特征研究的文章(Dou et al.,2010; Ejiri et al., 2003; Li et al., 2011a, 2011b; Medeiros et al., 2004a, 2004b, 2005; Nakamura et al., 2003; Narayanan and Gurubaran, 2013; 王翠梅等, 2014)幾乎呈現(xiàn)出重力波的觀測(cè)周期<1 h,因此在這篇文章中,我們用于研究重力波傳播特征的事件不包含水平相速度趨近于0(觀測(cè)周期遠(yuǎn)大于1 h)和圓心能被看見(jiàn)的環(huán)形重力波(因?yàn)閳A心被看見(jiàn)的環(huán)形重力波,其傳播分布于各個(gè)方向).3.1重力波的傳播特征

表1列出了各個(gè)觀測(cè)臺(tái)站的重力波觀測(cè)條件以及觀測(cè)的重力波事件數(shù)目.這里,晴空夜晚定義為半小時(shí)及以上的觀測(cè)圖像沒(méi)有云的污染的夜晚.表1表明,夏季的晴空夜晚數(shù)最少.且晴空夜晚數(shù)在Shuozhou,Xinglong 和Donggang(這3個(gè)臺(tái)站在40°N)明顯多于其他3個(gè)臺(tái)站(36°N附近).

圖2(a—f)分別是2012年1月至2013年12月期間各個(gè)觀測(cè)臺(tái)站的晴空(波動(dòng))小時(shí)數(shù)月分布圖.結(jié)果表明冬季的晴空時(shí)間明顯長(zhǎng)于夏季的,因?yàn)橹袊?guó)中緯地區(qū)夏季多雨.然而,幾乎每個(gè)月的晴空時(shí)間>20 h(除了Xinglong臺(tái)站6月晴空時(shí)間<20 h,因?yàn)樵撛掠^測(cè)天數(shù)較少),所以我們對(duì)重力波傳播特征研究的可信度是比較高的.

圖3(a—f)反映了各個(gè)觀測(cè)臺(tái)站重力波發(fā)生頻率的月分布情況.這里,重力波發(fā)生頻率定義為產(chǎn)生波動(dòng)的時(shí)間與晴空時(shí)間的比例.結(jié)果表明,Donggang臺(tái)站的重力波發(fā)生頻率在各個(gè)月份幾乎相等.然而,在其他觀測(cè)臺(tái)站,重力波發(fā)生頻率在夏季和冬季高于春季和秋季.這可能由于波源的季節(jié)變化和傳播環(huán)境導(dǎo)致.且后者結(jié)果與幾個(gè)之前的研究結(jié)果相似(Nakamura et al., 1999; Medeiros et al., 2004a, 2004b; Kim et al., 2010; Tang et al., 2014).Nakamura等(1999)和Kim等(2010)分別發(fā)現(xiàn)Shigaraki(34.9°N,136.1°E)和Mt.Bohyun, Korea(36.2°N,128.9°E)地區(qū)的重力波發(fā)生頻率最大值在夏季和冬季.Medeiros等(2004a,2004b)報(bào)道了Cariri(7°S,35°W)和 Brazil(23°S,45°W)臺(tái)站的重力波發(fā)生頻率在夏季和冬季大于春季和秋季.Tang等(2014)的研究結(jié)果表明在CO(40.7°N,104.9°W)觀測(cè)臺(tái)站的重力波發(fā)生頻率表現(xiàn)出明顯的半年變化,且最大值在夏季和冬季,最小值在春季和秋季.

表1　各個(gè)臺(tái)站的重力波觀測(cè)條件以及觀測(cè)的重力波事件數(shù)

圖2　晴空時(shí)間(藍(lán)色)和波動(dòng)時(shí)間(紅色)月分布圖(a) Shuozhou; (b) Xinglong; (c) Donggang; (d) Xinxiang; (e) Linqu; (f) Rongcheng.Fig.2　Monthly distributions of clear hours (blue bars) and wave structure hours (red bars) at every observed station

圖3　重力波發(fā)生頻率月分布圖(a) Shuozhou; (b) Xinglong; (c) Donggang; (d) Xinxiang; (e) Linqu; (f) Rongcheng.Fig.3　The monthly distribution of AGWs occurrence frequency

圖4(a—f)分別給出每個(gè)觀測(cè)臺(tái)站的重力波參數(shù)分布(其中下標(biāo)1,2和3分別代表水平波長(zhǎng)、觀測(cè)周期和水平相速度).結(jié)果表明水平波長(zhǎng)、觀測(cè)周期和水平相速度分別主要分布于10～35 km,4～12 min和30～100 m·s-1范圍.

圖5(a—f)分別是每個(gè)觀測(cè)臺(tái)站觀測(cè)的所有重力波事件的傳播方向極向分布.從圖中發(fā)現(xiàn)Rongcheng(37.3°N,122.5°E)和Donggang(40.0°N,124.0°E)臺(tái)站的重力波趨向于東向傳播,可能是因?yàn)檫@兩個(gè)臺(tái)站更接近于沿海且重力波主要來(lái)自大陸對(duì)流.然而,其他四個(gè)觀測(cè)臺(tái)站的重力波傳播方向主要表現(xiàn)為沿經(jīng)向方向,產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因?qū)⒃?.2節(jié)和3.3節(jié)做出討論.

圖6—9表明重力波傳播方向具有明顯的季節(jié)變化.夏季,重力波在Donggang和Rongcheng趨向于東北方向傳播.在其他4個(gè)觀測(cè)臺(tái)站,幾乎所有的重力波沿北向傳播.冬季,重力波具有強(qiáng)烈的沿赤道(向南)方向和平行于赤道(向西或向東)方向傳播的趨勢(shì).另外,重力波在春季(除了Shuozhou臺(tái)站無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)傳播方向)和秋季主要分別沿東北和西北方向傳播.與同緯度的觀測(cè)結(jié)果相比較,幾個(gè)研究者(Wu and Killeen, 1996; Walterscheid et al., 1999; Hecht et al., 2001; Ejiri et al., 2003; Nakamura et al., 2003; Stockwell and Lowe, 2001a; Li et al., 2011a)報(bào)道了重力波在夏季和冬季分別主要沿極向和赤道方向傳播.他們解釋重力波在夏季趨向于極向傳播主要是因?yàn)槌嗟栏浇鼘?duì)流源的影響.然而,中緯和高緯地區(qū)的地形因素和大氣條件可能導(dǎo)致冬季重力波趨向于赤道方向傳播.為了解釋重力波傳播方向在經(jīng)向方向的季節(jié)變化,衛(wèi)星觀測(cè)(Wu and Waters,1996; Nakamura et al.,2003)和環(huán)流模型(Richter et al., 2010)研究結(jié)果表明,夏季多對(duì)流活動(dòng),冬季多急流和鋒系.

3.2重力波傳播方向影響因素分析

3.2.1波源

過(guò)去幾十年,數(shù)值計(jì)算(Horinouchi et al., 2002; Lane et al., 2003; Alexander et al., 2004; Vadas and Fritts, 2009)利用三維模型模擬了對(duì)流活動(dòng)產(chǎn)生重力波,加強(qiáng)了我們對(duì)重力波產(chǎn)生機(jī)制的理解.且隨后的觀測(cè)也驗(yàn)證了重力波產(chǎn)生于對(duì)流活動(dòng).Dewan和Picard(1998)利用天基觀測(cè)數(shù)據(jù),首次報(bào)道了對(duì)流雷暴可以產(chǎn)生重力波.Yue等(2009)利用Yucca Ridge Field Station(40.7°N,104.9°W)臺(tái)站的OH氣輝成像儀觀測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)道了強(qiáng)對(duì)流活動(dòng)產(chǎn)生了環(huán)形重力波.

降雨是反映深對(duì)流活動(dòng)的重要指標(biāo)(Walterscheid et al., 1999; Nakamura et al., 2003).圖10(a—d)是重力波事件發(fā)生前及期間的降雨量季節(jié)分布.結(jié)果表明,觀測(cè)臺(tái)站南方在夏季和春季秋季多降雨,可能在重力波北向傳播趨勢(shì)方面起主要作用.然而,由于觀測(cè)臺(tái)站附近在冬季的降雨較少,因此降雨分布

圖4　重力波參數(shù)直方圖(a) Shuozhou; (b) Xinglong; (c) Donggang; (d) Xinxiang; (e) Linqu; (f) Rongcheng.(下標(biāo)1,2和3分別代表水平波長(zhǎng)、觀測(cè)周期和水平相速度)Fig.4　Histograms of gravity wave parametersThe subscript of 1,2 and 3 represents horizontal wavelength, observed period and horizontal phase speed, respectively.

不能反映冬季的重力波傳播特征.這里,降雨數(shù)據(jù)從TRMM衛(wèi)星獲得,其空間分辨率為0.25°latitude×0.25°longitude,觀測(cè)覆蓋的范圍是180°W—180°E,50°S—50°N.

Buss等(2004)利用ECMWF 數(shù)據(jù)給出Greenland上空對(duì)流層頂附近的急流產(chǎn)生重力波的有力證據(jù).Shiokawa等(2007)利用FPI干涉儀和557.7 nm氣輝成像儀在Shigaraki(34.8°N,136.1°E)臺(tái)站觀測(cè)到一個(gè)與急流有關(guān)的重力波事件.然而,我們通過(guò)ECMWF觀測(cè)數(shù)據(jù)獲得的風(fēng)場(chǎng)矢量圖發(fā)現(xiàn)觀測(cè)臺(tái)站附近上空約300 hPa(～9.2 km)處在冬季經(jīng)常出現(xiàn)兩支急流: 西風(fēng)急流(20°N—45°N)和西北風(fēng)急流(105°E—130°E)(這里沒(méi)有給出冬季平均風(fēng)場(chǎng)矢量圖).這兩支急流可能在影響冬季重力波的主要傳播方向方面起到重要作用.

3.2.2背景風(fēng)的濾波效應(yīng)

很多研究表明,低層-中層風(fēng)場(chǎng)的濾波效應(yīng)在決定重力波緯向傳播方向各向異性方面起重要作用(Taylor et al., 1993; Stockwell and Lowe, 2001b; Medeiros et al., 2003).夏季/冬季,重力波傳播方向的東向/西向傳播趨勢(shì)與臨界層西向風(fēng)/東向風(fēng)的濾波效應(yīng)一致(Nakamura et al., 1999).

為了探究低層-中層大氣濾波效應(yīng)在中層-低熱層觀測(cè)的重力波的緯向傳播方向的影響,圖11(a—d)給出了與各個(gè)季節(jié)在6個(gè)觀測(cè)臺(tái)站的重力波事件相對(duì)應(yīng)的在12UT和18UT的平均緯向風(fēng)剖面(位置: 40°N,120°E).這里,緯向風(fēng)數(shù)據(jù)來(lái)自MERRA,其包含自地面至0.015 hPa 的72個(gè)垂直等壓層，空間分辨率為1/2° latitude×2/3° longitude.圖中表明,在20～70 km高度,夏季盛行西向風(fēng)，冬季盛行東向風(fēng).然而風(fēng)的方向在春季和秋季季節(jié)發(fā)生逆轉(zhuǎn).且結(jié)果也表明,低層-中層大氣濾波效應(yīng)與重力波傳播方向僅在夏季吻合較好.正如 Li等(2011a)指出的低層-中層大氣濾波效應(yīng)僅能部分解釋重力波傳播方向各向異性,且波源的非均勻分布和波導(dǎo)傳播對(duì)重力波傳播方向各向異性也起到重要作用.

圖5　觀測(cè)的所有重力波事件極向分布圖(a) Shuozhou; (b) Xinglong; (c) Donggang; (d) Xinxiang; (e) Linqu; (f) Rongcheng.Fig.5　Polar histograms of propagation directions of all gravity wave events

圖6　春季重力波傳播方向極向圖(a) Shuozhou; (b) Xinglong; (c) Donggang; (d) Xinxiang; (e) Linqu; (f) Rongcheng.Fig.6　Polar histograms of propagation directions in spring

圖7　夏季重力波傳播方向極向圖(a) Shuozhou; (b) Xinglong; (c) Donggang; (d) Xinxiang; (e) Linqu; (f) Rongcheng.Fig.7　Polar histograms of propagation directions in summer

圖8　秋季重力波傳播方向極向圖(a) Shuozhou; (b) Xinglong; (c) Donggang; (d) Xinxiang; (e) Linqu; (f) Rongcheng.Fig.8　Polar histograms of propagation directions in autumn

圖9　冬季重力波傳播方向極向圖(a) Shuozhou; (b) Xinglong; (c) Donggang; (d) Xinxiang; (e) Linqu; (f) Rongcheng.Fig.9　Polar histograms of propagation directions of all gravity wave events in winter

圖10　降雨季節(jié)分布(a) 春季; (b) 夏季; (c) 秋季; (d) 冬季.Fig.10　The seasonal distribution of precipitation(a) Spring； (b) Summer; (c) Autumn; (d) Winter.

圖11　緯向風(fēng)剖面圖(a) 春季; (b) 夏季; (c) 秋季; (d) 冬季.Fig.11　The profile of zonal wind velocity

4結(jié)論

本文基于分布在中國(guó)中緯地區(qū)2012年1月至2013年12月6個(gè)臺(tái)站的OH氣輝成像儀觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究分析了重力波的傳播特征.同時(shí),我們結(jié)合TRMM衛(wèi)星觀測(cè)、ECMWF和MERRA風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)討論了影響重力波傳播方向各向異性的因素.主要結(jié)果總結(jié)如下:

(1) 重力波發(fā)生頻率在夏季和冬季高于春季和秋季季節(jié).

(2) 水平波長(zhǎng)、觀測(cè)周期和水平相速度分別主要分布于10～35 km,4～12 min和30～100 m·s-1范圍.

(3) 重力波傳播方向表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化.重力波在夏季主要沿極向方向傳播.然而,在冬季主要沿赤道方向和平行于赤道方向傳播.

(4) 重力波在夏季和春季秋季的北向傳播趨勢(shì)可能主要由觀測(cè)臺(tái)站南方對(duì)流活動(dòng)導(dǎo)致.然而,對(duì)流層附近急流可能在決定冬季重力波主要傳播方向方面起到重要作用.

波源的非均勻分布、臨界層的濾波效應(yīng)和導(dǎo)管傳播均在重力波傳播方向各向異性方面起重要作用.在未來(lái)的工作中,我們將結(jié)合風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)和溫度數(shù)據(jù)對(duì)產(chǎn)生重力波傳播方向各向異性的因素進(jìn)行更深入的分析.

致謝我們非常感謝ECMWF和MERRA提供水平風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù).我們也感謝TRMM團(tuán)隊(duì)提供降雨數(shù)據(jù).同時(shí),我們也非常感謝中國(guó)子午工程提供數(shù)據(jù).

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(本文編輯胡素芳)

Gravity wave characteristics from multi-stations observation with OH all-sky airglow imagers over mid-latitude regions of China

WANG Cui-Mei1,2, LI Qin-Zeng1, XU Ji-Yao1, YUAN Wei1

1StateKeyLaboratoryofSpaceWeather,CenterforSpaceScienceandAppliedResearch,

ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

AbstractGravity waves were observed by 6 OH airglow all-sky imagers at mid-latitude regions of China from January 2012 to December 2013. The result shows that the horizontal wavelengths, observed periods, and horizontal phase speeds were typically in the range of 10～35 km, 4～12 min, and 30～100 m/s, respectively. Gravity waves prefer to polarward propagation in summer. However, they tend to equatorward and parallel to the equator propagation during winter. Through TRMM satellite and ECMWF data sets, we find that the convective activity at the south of observation stations might mainly explain the northward propagation preference in summer. However, the jet streams near tropopause might play dominant role in determining preferred propagation direction of gravity waves during winter. Simultaneously, the result also suggests that the filtering effect of background wind from the low and middle atmospheric is matched well with propagation direction of AGWs just in summer in the mid-latitude of China in MLT region.

KeywordsAirglow imager; Atmospheric gravity waves; Propagation; Wave source; Filtering effect

基金項(xiàng)目國(guó)家自然科學(xué)基金(41229001,41331069,41404121)和國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)(2011CB811405)聯(lián)合資助.

作者簡(jiǎn)介王翠梅,女,1989年生,中國(guó)科學(xué)院大學(xué)博士研究生,研究方向是中高層大氣. E-mail:cmwang@spaceweather.ac.cn

doi:10.6038/cjg20160502 中圖分類(lèi)號(hào)P421 Res., 114: D06103, 10.1029/2008JD010753. Walterscheid R L, Hecht J H, Vincent R, et al. 1999. Analysis and interpretation of airglow and radar observations of quasi-monochromatic gravity waves in the upper mesosphere and lower thermosphere over Adelaide, Australia (35°S, 138°E). J. Atmos. Sol.-Terr. Phys., 61(6): 461-478, 10.1016/S1364-6826(99)00002-4.

收稿日期2015-11-13，2016-02-25收修定稿

王翠梅， 李欽增， 徐寄遙等. 2016. 基于多臺(tái)站OH全天空氣輝成像儀觀測(cè)的中國(guó)中緯地區(qū)重力波傳播特性.地球物理學(xué)報(bào)，59(5):1566-1577,doi:10.6038/cjg20160502.

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