论文部分内容阅读
重力波作为大气中普遍存在的一种波动，在平流层和对流层之间的动量、能量和水汽等物质的输送中起到重要作用，并能引起大气成分的再分布，改变中层大气的温度和环流等，因此，重力波在天气与气候中的作用是不可忽略的。本文利用2016年6月16日新疆伊犁河谷的降水资料和2016年8月18日的高空探空资料，结合数值模拟，分别研究了强对流和晴空这两种不同天气条件下的平流层惯性重力波的波动特征。同时本文分析了这两种不同天气条件下平流层惯性重力波对大气背景流的反馈调节作用。本文的主要结论如下:
(1)对于新疆伊犁河谷地区的暴雨过程，天气诊断分析结果显示:“两槽一脊”的天气形势为这次暴雨的发生发展提供了有利的背景条件;低层在河谷地区附近的气旋性环流，配合地形的抬升作用共同加强了气流的辐合上升运动;在高层，位于高空急流出口区左侧的有利位置，加强了河谷地区上空的气流辐散。这种有利的高低空配置，配合有利的水汽条件，共同触发了此次暴雨的发生。同时利用WRF模式进行的数值模拟很好地再现了暴雨的发生和发展过程，而基于模式输出结果的功率谱分析显示，在19km高度上存在显著的β中尺度波动信号:水平波长为40～120km，特征周期为50～120min，波动相速度主要为10～25m/s，波动传播方向以为向西传播为主。而交叉谱方法和小波谱方法进一步诊断出暴雨期间的平流层惯性重力波信号的时空特征，同时发现重力波信号与1小时累积降水量具有一定的相关关系。
(2)在晴空天气条件下，利用库尔勒附近地区的高分辨率探空资料发现，在20km附近高度上存在风速很小，上下层风向反转的平流层准零风层。基于天气诊断分析结果显示，这种结构和南亚高压和中亚大槽的变化密切相关。此外，WRF模式成功模拟了大气风场及其他气象要素的垂直分布特征，很好地再现了平流层准零风层的结构特征，并且发现这种平流层准零风层的结构会随时间变化，甚至中断。同时基于模式资料的功率谱分析发现，在平流层准零风层附近区域存在重力波活动，分析结果显示波动在不同高度强弱不同:从18km到20km，波动随高度减弱，大气能量有从波动向基本气流集中的趋势;21-22km，波动活动很弱，大气能量主要集中在基本气流中;而23-25km，波动能量随高度增强，基本气流中能量随高度趋于减弱。而交叉谱分析显示，18.5km和21km高度上分别存在水平波长为36-43km和30-36km的重力波信号，并且这两个高度上的重力波信号相较于基本气流较弱;在25km高度上也存在水平波长为30-37km左右的重力波信号，而且这个波动信号是25km高度上的主要波动。
(3)结合前人的各种E-P通量形式，本文从包辛尼斯克方程组出发，推导出能够适用于分析中尺度平流层惯性重力波的E-P通量形式，并应用于分析暴雨和晴空两种天气条件下平流层惯性重力波的传播。在新疆伊犁河谷暴雨过程中，E-P通量分析显示:波动主要向西传播为主，同时也存在向东和向下传播的分支，这两个分支可能与降水存在联系。此外，利用E-P通量，结合纬向风诊断方程的定量分析显示，E-P通量散度项和科氏项是影响纬向风变化的主要强迫因子，而且强迫作用主要在19km高度上，二者的作用存在相互抵消的效果。在E-P通量散度项中，波动通量的纬向通量项起到了主导作用，其他子项的影响较弱。而在科氏项中，起到主导作用的是动能-势能差子项，并且在动能-势能差子项中，热力作用比动能作用更显著。
进一步，利用纬向动量方程定量分析了影响平流层准零风层纬向风场变化的影响因子。结果显示，科氏项和E-P通量散度项是最重要的影响因子，平流项作用较弱，而气压梯度力项的作用则最弱，基本可以忽略。此外，在平流项中起到主导作用的是纬向通量项;在E-P通量散度项中，占主导作用的是纬向通量项和经向通量项，而垂直通量项的作用可以忽略，并且纬向通量项和经向通量项的作用在不同时刻存在不同的效果，可能共同增加风速，也可能互相抵消。
暴雨和晴空这两种天气条件下，纬向动量方程中，科氏项和E-P通量散度项均为影响纬向风变化的主要强迫因子，且明显强于另外两项的作用。但是这两种天气条件下的强迫效应也存在一定差异:首先，在两种天气条件下，虽然科氏项和E-P通量散度项均为影响纬向风变化的主要强迫因子，但是在暴雨天气条件下科氏项和E-P通量散度项对纬向风的强迫作用明显强于晴空这条件下科氏项和E-P通量散度项对纬向风的强迫作用。此外，在暴雨过程中，在E-P通量散度项中主要作用的是纬向通量项，这可能与降水带的纬向移动有关;但是在晴空条件下，在E-P通量散度项中纬向输送作用项和经向通量项的作用都很强。
(1)对于新疆伊犁河谷地区的暴雨过程，天气诊断分析结果显示:“两槽一脊”的天气形势为这次暴雨的发生发展提供了有利的背景条件;低层在河谷地区附近的气旋性环流，配合地形的抬升作用共同加强了气流的辐合上升运动;在高层，位于高空急流出口区左侧的有利位置，加强了河谷地区上空的气流辐散。这种有利的高低空配置，配合有利的水汽条件，共同触发了此次暴雨的发生。同时利用WRF模式进行的数值模拟很好地再现了暴雨的发生和发展过程，而基于模式输出结果的功率谱分析显示，在19km高度上存在显著的β中尺度波动信号:水平波长为40～120km，特征周期为50～120min，波动相速度主要为10～25m/s，波动传播方向以为向西传播为主。而交叉谱方法和小波谱方法进一步诊断出暴雨期间的平流层惯性重力波信号的时空特征，同时发现重力波信号与1小时累积降水量具有一定的相关关系。
(2)在晴空天气条件下，利用库尔勒附近地区的高分辨率探空资料发现，在20km附近高度上存在风速很小，上下层风向反转的平流层准零风层。基于天气诊断分析结果显示，这种结构和南亚高压和中亚大槽的变化密切相关。此外，WRF模式成功模拟了大气风场及其他气象要素的垂直分布特征，很好地再现了平流层准零风层的结构特征，并且发现这种平流层准零风层的结构会随时间变化，甚至中断。同时基于模式资料的功率谱分析发现，在平流层准零风层附近区域存在重力波活动，分析结果显示波动在不同高度强弱不同:从18km到20km，波动随高度减弱，大气能量有从波动向基本气流集中的趋势;21-22km，波动活动很弱，大气能量主要集中在基本气流中;而23-25km，波动能量随高度增强，基本气流中能量随高度趋于减弱。而交叉谱分析显示，18.5km和21km高度上分别存在水平波长为36-43km和30-36km的重力波信号，并且这两个高度上的重力波信号相较于基本气流较弱;在25km高度上也存在水平波长为30-37km左右的重力波信号，而且这个波动信号是25km高度上的主要波动。
(3)结合前人的各种E-P通量形式，本文从包辛尼斯克方程组出发，推导出能够适用于分析中尺度平流层惯性重力波的E-P通量形式，并应用于分析暴雨和晴空两种天气条件下平流层惯性重力波的传播。在新疆伊犁河谷暴雨过程中，E-P通量分析显示:波动主要向西传播为主，同时也存在向东和向下传播的分支，这两个分支可能与降水存在联系。此外，利用E-P通量，结合纬向风诊断方程的定量分析显示，E-P通量散度项和科氏项是影响纬向风变化的主要强迫因子，而且强迫作用主要在19km高度上，二者的作用存在相互抵消的效果。在E-P通量散度项中，波动通量的纬向通量项起到了主导作用，其他子项的影响较弱。而在科氏项中，起到主导作用的是动能-势能差子项，并且在动能-势能差子项中，热力作用比动能作用更显著。
进一步，利用纬向动量方程定量分析了影响平流层准零风层纬向风场变化的影响因子。结果显示，科氏项和E-P通量散度项是最重要的影响因子，平流项作用较弱，而气压梯度力项的作用则最弱，基本可以忽略。此外，在平流项中起到主导作用的是纬向通量项;在E-P通量散度项中，占主导作用的是纬向通量项和经向通量项，而垂直通量项的作用可以忽略，并且纬向通量项和经向通量项的作用在不同时刻存在不同的效果，可能共同增加风速，也可能互相抵消。
暴雨和晴空这两种天气条件下，纬向动量方程中，科氏项和E-P通量散度项均为影响纬向风变化的主要强迫因子，且明显强于另外两项的作用。但是这两种天气条件下的强迫效应也存在一定差异:首先，在两种天气条件下，虽然科氏项和E-P通量散度项均为影响纬向风变化的主要强迫因子，但是在暴雨天气条件下科氏项和E-P通量散度项对纬向风的强迫作用明显强于晴空这条件下科氏项和E-P通量散度项对纬向风的强迫作用。此外，在暴雨过程中，在E-P通量散度项中主要作用的是纬向通量项，这可能与降水带的纬向移动有关;但是在晴空条件下，在E-P通量散度项中纬向输送作用项和经向通量项的作用都很强。