热带平流层重力波和行星波活动长期特征——多台站高分辨无线电探空数据联合分析

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本文旨在探讨如何从观测资料中分离行星波信号与重力波信号,并在此基础上分析重力波和行星波活动的长期特征。  传统的利用高分辨无线电探空资料研究重力波活动的分析工作基于单个站点,其重力波信号的提取方案往往包含其他波动信号,这一方案在各种尺度波动盛行的热带下平流层并不合适。针对传统分析方案的缺陷,本文联合热带太平洋上6个紧邻岛屿站点(相邻站点经度间隔在3.6°~13.6°之间)1999~2008年间19~26km高度范围内的温度和风场观测,基于站点上空行星波信号的相干性,采用扩展经验正交函数(EEOF)法提取行星尺度波动模态,实现重力波分量与行星波分量的分离。同时,结合重力波频散关系以及动/势能比与固有频率的关系给出重力波属性判定。重点探讨了惯性重力波以及行星波的时变统计特征,并与使用传统方法的研究结果作比较。本文的主要结论如下:  1)联合6个站点高分辨无线电探空的温度、纬向风和经向风初始扰动场做EEOF分析,得到的第一、第二模态的重建扰动量在QBO西风切变时期温度和纬向风扰动以π/2相差传播,但两者与经向风扰动没有明显联系,符合开尔文波各分量的偏振关系;在东风切变时期温度和经向风扰动以相同位相传播,两者与纬向风扰动保持π/2的相差,符合混合罗斯贝-重力波各分量的偏振关系。从初始扰动场中去除行星尺度模态后得到的新扰动廓线,对其进行重力波垂直波数谱的Desaubies谱型拟合。结果表明,相比较于传统方案,新方案提取的重力波扰动廓线具有更加稳定的谱参数。具体来讲,无论在QBO的东风还是西风位相中特征垂直波长都稳定在1.7km左右;而另一谱型参数s数值与理论值-1更为接近。由此可以推断,本文方法得到的新扰动廓线降低了行星尺度波动的干扰,是性质更单一的重力波信号。  2)利用新的重力波扰动量计算重力波能量密度。结果表明热带下平流层重力波能量冬季显著大于夏季,多年均值在7J/kg左右,同时还呈现与QBO周期一致的年际变化特征,当QBO由东风位相向西风位相转变时,能量达到极大值。在非静力平衡条件下推导重力波动/势能比与固有频率之间的关系,并结合重力波频散关系得到重力波属性判定阈值。对9年中每月的惯性重力波发生频数进行统计可知,多年平均的惯性重力波月发生率为81.7%。  3)已有的研究大都显示在下平流层重力波的水平传播方向有显著各向异性。而本文的研究结果表明,当行星波模态被去除后重力波水平传播方向各项异性并不显著。此外,考察惯性重力波的垂直波长、固有频率、水平波长、能量上传率以及动量通量的长期变化特征,结果表明垂直波长、固有频率、水平波长的月平均值分别集中在1.5~2.5km、f~6f以及1000~3000km范围内,三者的多年平均为2.07km、2f和1850km。垂直方向的能量上传比例为68%。  4)惯性重力波的月平均纬向净通量值在-0.8~+2.8mPa范围内,均值为0.6mPa,并且冬季大夏季小,季节变化显著;月平均经向净通量值在-0.5~+0.75mPa范围内,均值为-0.08mPa,季节变化不明显。采用热带波动的偏振关系推导开尔文波和混合罗斯贝-重力波的纬向动量通量表达式,通过计算可知两种波动动量通量的绝对值在0.001~1.4mPa之间,与惯性重力波相比后者是前者的约2~3倍。
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