魏栋，田文寿，陈泽宇，张健恺，许平平，黄倩，韩元元，张杰

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　兰州中心气象台，兰州　730020　3 中国科学院大气物理研究所中层大气与全球环境探测重点实验室，北京　100029



青藏高原上空UTLS区域一次地形重力波过程中的物质上传

魏栋1,2，田文寿1*，陈泽宇3，张健恺1，许平平1，黄倩1，韩元元1，张杰1

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7300002兰州中心气象台，兰州7300203 中国科学院大气物理研究所中层大气与全球环境探测重点实验室，北京100029

摘要利用美国航空航天局MERRA(Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications)再分析资料和MODIS(Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer)卫星资料以及欧洲气象中心ECMWF-Interim(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)再分析资料，分析了发生于青藏高原北侧上空的一次地形重力波事件，并使用中尺度预报模式WRF-ARW.V3.0(Weather Research and Forecasting model,V3.0)对其进行了数值模拟.在此基础上，诊断分析了此次地形重力波在UTLS(Upper Troposphere and Lower Stratosphere)区域造成的物质和能量垂直传输特征.分析结果表明这一中尺度地形重力波信号的水平波长约为600 km，与地形扰动水平尺度接近，重力波在对流层中传播的垂直波长约为3 km，在垂直方向上随着高度的增加呈现出由东向西倾斜的结构特征.此次地形重力波上传进入平流层并在150 hPa附近破碎，波破碎后动量通量在短时间内发生了强烈的衰减，重力波携带的能量在破碎高度附近释放.重力波破碎的同时垂直方向湍流混合变得异常强烈，湍流交换系数可在短时间内增加到背景值的8倍以上，剧烈湍流混合过程导致了对流层上层的空气进入平流层，使下平流层空气出现了位势涡度和臭氧的低值区，在浮力频率的垂直剖面中也可以看到由于地形重力波过程造成的平流层下层浮力频率异常低值区.

关键词地形重力波； 上对流层下平流层； 平流层对流层交换； WRF模式

1引言

重力波是一种在稳定层结大气中传播的振荡运动，作为一种中小尺度的大气波动，重力波传播和破碎引起的动量重新分配，对局地乃至全球的大气环流都有影响(Fritts，1984).重力波对平流层大气温度场和风场变化的影响尤其重要，其上传和破碎的过程会形成对中层大气背景流的动力强迫，而这种动力强迫是中层大气典型环流结构中的重要驱动机制(吴少平和易帆，2002；Fritts and Alexander，2003；陈丹等，2011,2013).同时，重力波破碎过程是中高层大气内小尺度湍流混合过程的重要驱动源(卞建春等，2004).Miyazaki等(2010)的数值模拟研究结果表明重力波的破碎和耗散对对流层顶以上大气内三维小尺度混合过程具有重要的贡献.正是由于重力波破碎所导致的小尺度湍流混合作用，在对流层顶附近发生的重力波上传和破碎可以引起平流层对流层之间的物质交换和中高层大气内大气成分空间分布的变化，进而影响其辐射和能量的收支(Holton et al.，1982；Lamarque et al.，1996；Sprenger et al.，2007; Pan et al.，2010).通常，大气中的重力波根据其波源可分为地形重力波和非地形重力波(由对流活动和急流等激发).以往的研究表明，无论是地形重力波还是非地形重力波都对STE(Stratosphere and Troposphere Exchange)有重要的影响.Cho等(1999)的飞机观测研究表明对流活动产生的重力波的破碎会伴随对流层顶的折卷，这一过程对STE产生了显著的影响.Lamarque等(1996)和Schiling等(1999)的观测模拟研究发现地形激发的重力波在对流层顶附近的破碎对臭氧等大气成分在平流层对流层之间的不可逆交换有重要的贡献.

青藏高原是东亚地区极具代表性的大地形(杨健和吕达仁，2003)，是产生大气重力波的重要源地(Hoffmann et al.，2013)，同时也是对流活动十分旺盛的区域(徐祥德等，2001；Gettelman et al.，2002)，青藏高原对STE过程具有重要的影响.以往的研究已发现，由于青藏高原及周边地区特殊的大地形和特殊的动力、热力效应，使得该区域成为全球平流层对流层间能量、物质交换的重要“窗口”(陈洪滨等，2006).这些以往关于青藏高原影响STE的研究，主要聚焦于高原上空的对流活动以及与季风有关的输送过程对STE的影响.由于缺乏高时空分辨率的观测资料，高原复杂地形激发的重力波对STE的影响一直没有得到很好的认识.一些关于青藏高原上空重力波的研究，也多关注这一区域重力波的特征、重力波拖曳或者重力波对对流活动的触发作用(陆维松和朱乾根，1991；王文等，2012；张灵杰和林永辉，2012)，关于这一地区地形重力波对UTLS区域物质能量传输的影响研究则鲜有报道.

本文利用美国航空航天局(NASA)新一代MERRA再分析资料和中尺度模式WRF对发生在青藏高原区域的一次地形重力波事件进行了分析，诊断分析在这次重力波事件发展演变过程中所伴随的STE过程及其细节，以增加我们对高原地区地形重力波影响高原上空UTLS区域物质和能量传输的认识.

2数据和方法

本文所用的美国航空航天局(NASA)第二代高分辨率再分析资料MERRA，其空间分辨率为1.25°×1.25°，垂直分层从1000 hPa到0.1 hPa，共42层(Rienecker et al.，2011).文中还用到了搭载于Terra和Aqua卫星上的中分辨率成像光谱仪MODIS观测资料以及欧洲中心ECMWF-Interim再分析资料来诊断重力波的信号和与之相关的物理过程.MODIS有36个波段(0.405～14.385 μm)，拥有250、500、1000 m这3个不同分辨率，扫描宽度为2330 km.ECMWF-Interim是欧洲中期数值预报中心的再分析数据，水平分辨率为1.5°×1.5°，垂直分层从1000 hPa到1 hPa，共37层.

本文所使用的中尺度模式WRF-ARW(V3.0)是美国国家大气研究中心(NCAR)、国家环境预报中心(NCEP)、预报系统研究室(FSL)和奥克拉荷马大学的风暴分析预报中心等4个单位共同开发的新一代中尺度预报模式和同化系统.以往的相关研究表明WRF模式对中尺度的重力波信号有较好的模拟能力：陈丹等(2011；2013)利用WRF模式模拟了一次台风诱发平流层重力波的过程；Plougonven等(2013)使用WRF模式模拟研究了南极洲上空平流层动量通量与地形重力波之间的关系，指出地形重力波对进入平流层的动量通量的贡献量与非地形重力波相当，是平流层重力波的重要来源.

3重力波事件的基本特征

本文分析的重力波事件发生于2008年5月1日00∶00—06∶00(UTC，下同)，波动区域为高原地区上空.图1a给出了2008年5月1日03∶00时青藏高原上空100 hPa气压层上MERRA再分析资料垂直速度场的水平分布.可以看出，高原北部区域垂直速度出现了明显的正负值中心交替出现的波动分布(黑框区域)，波列沿西北—东南向排列.该波动信号在88°E—104°E范围内有3个完整的波列.图1b是2008年5月1日04∶30MODIS观测的在重力波存在区域的云光学厚度图.云光学厚度在一定程度上可以反映出受复杂地形影响而产生的重力波活动(Lynch et al.，2002)，图1b显示在40°N—45°N，90°E—100°E区域有波动信号的存在，其位置与图1a中的重力波信号出现的位置非常接近，这进一步证明从MERRA再分析资料捕捉到中尺度重力波信号是确实存在的.我们注意到在图1a中40°N—45°N，75°E—90°E这片区域也有较强的波动信号，但是在图1b中相同区域垂直速度的波形却并不明显，因此，我们在后文中着重研究图1a中85°E—105°E区域的波动信号.

图1　(a) 2008年5月1日03∶00MERRA再分析资料100 hPa垂直速度分布(图中黑色方框区域附件有明显的重力波信号)；(b) 2008年5月1日04∶30MODIS卫星观测的云光学厚度(图中白色方框区域存在重力波信号)

4重力波数值模拟

再分析资料的时间分辨率和空间分辨率较粗，为了更好地描述重力波的空间结构和时间演变特征，我们利用WRF模式对此次地形重力波进行了模拟.模拟时长为20 h；模拟区域为75°E—115°E，25°N—55°N，采用Lambert投影；水平分辨率取80 km.为了有效地分辨重力波时空演变过程，诊断重力波过程造成的平流层对流层物质和能量交换，在模式垂直方向上设置了46层，模式顶部设在10 hPa.在数值模拟试验中，选取了WSM3 显式降水方案(Hong et al.，2004)和Kain-Fritsch 积云对流方案(Kain and Fritsch，1990)，在行星边界层过程和辐射强迫计算方面分别使用了YSU 方案(Hong et al.，2006)、RRTM 长波辐射(Mlawer et al.，1997)和Dudhia 短波辐射强迫方案(Dudhia，1989).模式模拟的初始时刻选在2008年4月30日16∶00，该时刻距离本次重力波过程出现的初始时刻有8 h.使用NCEP的FNL数据生成模式的初始场，以180 s的时间步长，每隔1 h输出模拟结果，至2008年5月1日12∶00完成总共20 h的模拟过程，其中前8 h作为模式的起转时间，后12 h的模式输出数据用于诊断分析.

图4为WRF模式模拟的2008年5月1日03∶00青藏高原上空100 hPa垂直速度水平分布图.可以看出，在MERRA再分析资料中重力波信号出现的区域(36°N—42°N，85°E—100°E)，WRF模式模拟的垂直速度场中也出现波动信号.从图4可以看出，在出现重力波信号的区域，风场主要以西风为主，气流受地形扰动产生了波动信号，属于典型的地形重力波，波列较为明显的区域在88°E—96°E.WRF模式模拟出的重力波水平波长与图1a中MERRA再分析资料显示的重力波水平波长接近，也约为6个经距(约600 km)，这说明WRF模式能模拟出这次重力波信号的基本特征.

同样的，用WRF模式模拟的垂直速度做与图2相同纬度处(38°N)的纬向剖面 (图5)，其中图5(a—h)依次为2008年5月1日00∶00—07∶00时垂直速度纬向剖面.可以看出WRF模式模拟的重力波水平波长和垂直剖面的倾斜结构与MERRA再分析资料中的重力波的对应特征基本一致，而且在WRF模式模拟的结果中可以较为清晰地看出重力波的垂直波长，这弥补了MERRA再分析资料垂直分辨率较粗的不足.需要指出的是，图5中的垂直速度的单位(m·s-1)，与前面的以压力作为垂直坐标的垂直速度(Pa·s-1)符号相反，所以图5中所反映的重力波相位与图2所示重力波相位也是吻合的.从图5(a—h)也可以看出，250 hPa以下的区域中，重力波的垂直波长很小，维持在3 km左右，与理论公式估算的重力波垂直波长相当.重力波上传可到达70 hPa的高度，而该区域的动力对流层顶高度约在250 hPa (见图7).在重力波上传过程中，垂直方向波列向东倾斜的角度变得更大，同时垂直波长也有所伸长，这是由于上对流层下平流层(UTLS)区域内浮力频率梯度开始变大(如图3所示)，自下 而上大气静力稳定度变得越来越大，造成了重力波垂直波长的伸长(贺海晏，1989).重力波在平流层中波形以7 km左右的垂直波长继续向上传播并耗散，至07∶00波形逐渐消失于100 hPa附近.

图4　WRF模拟2008年5月1日03∶00 100 hPa垂直速度(填充，单位：Pa·s-1)、水平风(箭头，单位：m·s-1)

图5　WRF模拟2008年5月1日00∶00—07∶00在38°N垂直剖面上的垂直速度分布(a) 2008年5月1日00∶00； (b) 2008年5月1日01∶00； (c) 2008年5月1日02∶00； (d) 2008年5月1日03∶00； (e) 2008年5月1日04∶00； (f) 2008年5月1日05∶00； (g) 2008年5月1日06∶00； (h) 2008年5月1日07∶00.

图6　模式模拟的2008年5月1日04∶00—06∶00在38°N纬向剖面上的纬向风分布(a) 2008年5月1日04时；(b) 2008年5月1日05时；(c) 2008年5月1日06时.

图6(a—c)给出了模式模拟的2008年5月1日04∶00—06∶00纬向风在38°N的纬向剖面，反映了重力波上传与破碎过程中的大气背景流场.如图6所示，在重力波活动的旺盛阶段，150 hPa高度附近存在一西风急流，急流剪切风场形成的临界层效应，会吸收重力波的能量，从而造成重力波的破碎(张绍东等，1999).

以上结果表明WRF模式可以很好地模拟出本次地形重力波信号的时空演变特征.WRF模式的模拟实验结果为诊断上对流层下平流层区域物质和能量传输提供了比MERRA再分析资料更高的时空分辨率.下面分析重力波传播和破碎引起的物质和能量上传的细节特征.

5重力波过程中的STE

本文所使用的WRF-ARW(V3.0)模式中不包括对大气成分的模拟，为了诊断重力波破碎导致的对流层和平流层之间的物质交换，本文使用位势涡度和再分析资料中的臭氧作为两种示踪物，来研究这次地形重力波过程中物质在UTLS区域从对流层向平流层的传输(卞建春，2009).

图7中(a—h)依次为WRF模式模拟的2008年5月1日00∶00—07∶00位势涡度在38°N纬向剖面上的分布；图8是MERRA再分析资料中的位势涡度在38°N的纬向剖面图，图8(a—c)分别对应2008年5月1日00∶00、03∶00和06∶00.通常情况下，平流层内空气的位涡较高，对流层内空气的位涡较低，中纬度对流层顶附近的位涡值为2.5 PVU (PVU，1 PVU=10-6K·m2·s-1·kg-1)，我们以位涡值为2.5 PVU的空气层作为动力对流层顶(易明建等，2013)，所以图7(a—h)中深蓝色与绿色区域的过渡带即为动力对流层顶，高度约为11 km，与图8(a—c)中MERRA再分析资料的动力对流层顶高度相一致.可以看出，在图7(a—h)和图8(a—c)中平流层下层(200～100 hPa)都出现了低位涡空气团，说明有对流层的空气进入了平流层.图7显示对流层上层空气在重力波的发展演变过程中逐渐向平流层侵入，随着时间的发展，侵入平流层的空气与下方对流层上层空气逐渐脱离并最终停留在平流层中，形成一个闭合的位涡低值区.图8(a—c)中MERRA再分析资料所反映的位势涡度时空变化特征与模式模拟的结果基本一致.

图8　2008年5月1日MERRA再分析资料在38°N处纬向剖面上位势涡度分布(a) 2008年5月1日00∶00； (b) 2008年5月1日03∶00； (c) 2008年5月1日06∶00.

图9　WRF模式模拟的2008年5月1日01∶00—06∶00在38°N处位涡垂直通量的纬向剖面分布(a) 2008年5月1日01∶00； (b) 2008年5月1日02∶00； (c) 2008年5月1日03∶00； (d) 2008年5月1日04∶00； (e) 2008年5月1日05∶00； (f) 2008年5月1日06∶00.

图7　WRF模式模拟的2008年5月1日00—07时在38°N处剖面上位势涡度分布(a) 2008年5月1日00∶00； (b) 2008年5月1日01∶00； (c) 2008年5月1日02∶00； (d) 2008年5月1日03∶00； (e) 2008年5月1日04∶00； (f) 2008年5月1日05∶00； (g) 2008年5月1日06∶00； (h) 2008年5月1日07∶00.

为了进一步验证本次地形重力波引起了在UTLS区域的物质上传，我们分析了ECMWF-Interim再分析资料中臭氧浓度的时空变化特征.图11是ECMWF-Interim再分析资料中臭氧在38°N的纬向剖面图.由于ECMWF-Interim再分析资料的数据间隔为6 h，所以我们在图11只能看到重力波发生前后的臭氧空间分布变化.图11a和图11b分别对应了00∶00和06∶00两个时刻.臭氧浓度的变化受到化学、平流、垂直混合以及对流输送的共同作用，重力波发生时这一区域200～100 hPa的环流以西风为主，同一纬度的平流作用不会对臭氧浓度产生明显的影响；而本次地形重力波过程中对流活动受到抑制，对流传输对臭氧空间分布的影响也可被忽略；此外，本次地形重力波过程历时较短，几小时内的化学作用的影响不大.所以造成如图11所示在UTLS区域的臭氧异常分布的原因主要是重力波所触发的物质上传.00∶00低臭氧浓度空气向上侵入下平流层，经过数小时的上传与再分布，在06∶00臭氧低值区的脊与上对流层空气脱离，低臭氧浓度的空气团留在平流层中，在平流层下层形成了低臭氧浓度的“气泡”，其空间位置与MERRA再分析资料以及模式模拟的位涡异常的位置非常接近，这进一步说明地形重力波的破碎导致了对流层物质向平流层的传输.

图3　6 MPa平均正应力下正弦波状正应力扰动的剪应力-时间曲线

图6　11 MPa平均正应力下正弦波状正应力扰动的剪应力-时间曲线

图9　5 MPa平均正应力下方波状正应力扰动的剪应力-时间曲线(6300 s左右的大应力降事件为切换扰动振幅引起加载系统不稳所致)

图11　不同扰动振幅下黏滑失稳相位分布图

6结论和讨论

本文使用了新一代中尺度预报模式WRF-ARW(V3.0)结合再分析资料诊断分析了一次发生于青藏高原邻近地区的地形重力波事件及其引起的对流层平流层物质和能量的交换.本文研究的重力波其水平波长约为600 km，与扰动地形尺度相当；重力波在对流层中的垂直波长约为3 km；在垂直方向上随着高度的增加呈现出由东向西倾斜的结构特征.

分析表明，模式可以很好地再现从MERRA再分析数据中捕捉到的重力波信号及其时空演变.模式模拟结果显示，重力波在04∶00破碎，破碎高度在150 hPa附近，波破碎后动量通量在短时间内发生强烈的衰减，重力波携带的能量在破碎高度附近释放.

分析结果还显示，重力波破碎的同时垂直方向湍流混合变得异常强烈，湍流混合过程导致了对流层上层的空气进入平流层，使下平流层空气出现了位势涡度和臭氧的低值区，在浮力频率的垂直剖面中也可以看到由于地形重力波过程造成的平流层下层浮力频率异常低值区.

致谢美国航空航天局提供MERRA再分析资料和MODIS卫星资料；欧洲气象中心提供ECMWF-Interim再分析资料；审稿专家对本文提出建设性修改意见，在此一并感谢.

References

Bian J C,Chen H B,Lü D R.2004.Analysis of the characteristics of gravity waves under stratosphere by using the high-resolution data of radiosonde observation.Science in China Ser.D Earth Sciences (in Chinese),34(8): 748-756.

Bian J C.2009.Recent advances in the study of atmospheric vertical structures in Upper Troposphere and Lower Stratosphere.Advances in Earth Science (in Chinese),24(3): 262-271.

Chen D,Chen Z Y,Lü D R.2012.Simulation of the stratospheric gravity waves generated by the Typhoon Matsa in 2005.Sci.China Earth Sci.,55(4): 602-610.

Chen D,Chen Z Y,Lü D R.2013.Spatiotemporal spectrum and momentum flux of the stratospheric gravity waves generated by a typhoon.Science China: Earth Sciences,56(1): 54-62.

Chen H B,Bian J C,Lü D R.2006.Advances and prospects in the study of stratosphere-troposphere exchange.Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese),30(5): 813-820.

Cho J Y N,Newell R E,Bui T P,et al.1999.Observations of convective and dynamical instabilities in tropopause folds and their contribution to stratosphere-troposphere exchange.Journal of Geophysical Research: Atmospheres (1984—2012),104(D17): 21549-21568.

Ding X,Zhang S D,Yi F.2011.A numerical simulation on gravity waves generated by thermal source and their influences on mean flow.Chinese J.Geophys.(in Chinese),54(7): 1701-1710,doi: 10.3969/j.issn.0001-5733.2011.07.002.

Dudhia J.1989.Numerical study of convection observed during the winter monsoon experiment using a mesoscale two-dimensional model.J.Atmos.Sci.,46(20): 3077-3107.Fritts D C.1984.Gravity wave saturation in the middle atmosphere: A review of theory and observations.Reviews of Geophysics,22(3):

275-308.Fritts D C,Alexander M J.2003.Gravity wave dynamics and effects in the middle atmosphere.Reviews of Geophysics,41(1): 1003.Gao S T,Chen H.2000.The studies of Lee waves over a big topography through the rotating tank experiments.Acta Meteorologica Sinica (in Chinese),58(6): 653-665.

Gettelman A,Salby M L,Sassi F.2002.Distribution and influence of convection in the tropical tropopause region.Journal of Geophysical Research: Atmospheres (1984—2012),107(D10): ACL 6-1-ACL 6-12.He H Y.1989.Internal inertia gravity waves in a non-uniformly stratified atmosphere and their role in initiating convection.Journal of Tropical Meteorology (in Chinese),5(1): 8-17.

Hoffmann L,Xue X,Alexander M J.2013.A global view of stratospheric gravity wave hotspots located with Atmospheric Infrared Sounder observations.Journal of Geophysical Research: Atmospheres,118(2): 416-434.

Holton J R.1982.The role of gravity wave induced drag and diffusion in the momentum budget of the mesosphere.Journal of the Atmospheric Sciences,39(4): 791-799.

Hong S Y,Dudhia J,Chen S H.2004.A revised approach to ice microphysical processes for the bulk parameterization of clouds and precipitation.Mon.Wea.Rev.,132(1): 103-120.

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,Fritsch J M.1990.A one-dimensional entraining/detraining plume model and its application in convective parameterization.J.Atmos.Sci.,47(23): 2784-2802.

Kawatani Y,Tsuji K,Takahashi M.2005.Zonally non-uniform distribution of equatorial gravity waves in an atmospheric general circulation model.Geophysical Research Letters,32(23).Lü M Z,Hou Z M.2004.Dynamic Meteorology (in Chinese).Beijing: China Meteorological Press.Lamarque J F,Langford A O,Proffitt M H.1996.Cross-tropopause mixing of ozone through gravity wave breaking: Observation and modeling.Journal of Geophysical Research: Atmospheres (1984—2012),101(D17): 22969-22976.

Lu W S,Zhu Q G.1991.Theoretical research on the cold surge of the Qinghai-Xizang plateau as a huge orography.Acta Meteorologica Sinica (in Chinese),49(4): 385-393.Lynch D K,Sassen K,Starr D O C,et al.2002.Cirrus history and definition.∥ Cirrus.New York: Oxford University Press.

Miyazaki K,Watanabe S,Kawatani Y,et al.2010.Transport and mixing in the extratropical tropopause region in a high-vertical-resolution GCM.Part II: Relative importance of large-scale and small-scale dynamics.Journal of the Atmospheric Sciences,67(5): 1315-1336.

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

Nappo C J.2012.An Introduction to Atmospheric Gravity Waves.2nd ed.Boston: Academic Press.

Pan L L,Bowman K P,Atlas E L,et al.2010.The stratosphere-troposphere analyses of regional transport 2008 experiment.Bulletin of the American Meteorological Society,91(3): 327-342.

Plougonven R,Hertzog A,Guez L.2013.Momentum fluxes and intermittency of gravity waves: balloon observations and mesoscale numerical simulations.∥ EGU General Assembly Conference Abstracts.Vienna,Austria.

Rienecker M M,Suarez M J,Gelaro R,et al.2011.MERRA: NASA″s modern-era retrospective analysis for research and applications.Journal of Climate,24(14): 3624-3648.

Schilling T,Lübken F J,Wienhold F G,et al.1999.TDLAS trace gas measurements within mountain waves over Northern Scandinavia during the POLSTAR campaign in early 1997.Geophysical Research Letters,26(3): 303-306.

Shapiro M A.1980.Turbulent mixing within tropopause folds as a mechanism for the exchange of chemical constituents between the stratosphere and troposphere.Journal of the Atmospheric Sciences,37(5): 994-1004.

Sprenger M,Wernli H,Bourqui M.2007.Stratosphere-troposphere exchange and its relation to potential vorticity streamers and cutoffs near the extratropical tropopause.Journal of the Atmospheric Sciences,64(5): 1587-1602.

Wang W,Liu J,Cai X J.2011.Impact of mesoscale gravity waves on a heavy rainfall event in the east side of the Tibetan Plateau.Trans.Atmos.Sci.(in Chinese),34(6): 737-747.

Wu S P,Yi F.2002.A numerical simulation of nonlinear propagation of gravity wave packet in three-dimension compressible atmosphere.Science in China Series E: Technological Sciences,45(3): 306-313.

Xu X D,Zhou M Y,Chen J Y,et al.2002.A comprehensive physical pattern of land-air dynamic and thermal structure on the Qinghai-Xizang Plateau.Science in China Series D: Earth Sciences,45(7): 577-594.

Yang J,Lü D R.2003.Progresses in the study of stratosphere-troposphere exchange.Advance in Earth Sciences (in Chinese),18(3): 380-385.

Yi M J,Chen Y J,Zhou R J,et al.2013.Relationship between winter surface temperature variation in eastern Asia and stratospheric weak polar vortex.Chinese J.Atmos.Sci.(in Chinese),37(3): 668-678.

Zhang L J,Lin Y H.2012.Observational characteristics of gravity waves in lower stratosphere over a Tibetan Plateau station.Meteorological Science and Technology (in Chinese),39(6): 768-771.

Zhang S D,Yi F,Wang J F.1999.The nonlinear propagation of gravity wave packets in the sheared ambient.Chin.J.Space Sci.(in Chinese),19(2): 122-127.

附中文参考文献

卞建春,陈洪滨,吕达仁.2004.用垂直高分辨率探空资料分析北京上空下平流层重力波的统计特性.中国科学D辑: 地球科学,34(8): 748-756.

卞建春.2009.上对流层/下平流层大气垂直结构研究进展.地球科学进展,24(3): 262-271.

陈丹,陈泽宇,吕达仁.2011.台风“麦莎”(Matsa)诱发平流层重力波的数值模拟.中国科学: 地球科学,41(12): 1786-1794.

陈丹,陈泽宇,吕达仁.2013.台风重力波的谱结构和动量通量特征分析.中国科学: 地球科学,43(5): 874-882.

陈洪滨,卞建春,吕达仁.2006.上对流层-下平流层交换过程研究的进展与展望.大气科学,30(5): 813-820.

丁霞,张绍东,易帆.2011.热源激发重力波特征以及波流作用的数值模拟研究.地球物理学报,54(7): 1701-1710,doi: 10.3969/j.issn.0001-5733.2011.07.002.

高守亭,陈辉.2000.大地形背风波的转槽实验研究.气象学报,58(6): 653-665.

贺海晏.1989.非均匀层结大气中的重力惯性波及其激发对流的物理机制.热带气象学报,5(1): 8-17.

吕美仲,侯志明.2004.动力气象学.北京: 气象出版社.

陆维松,朱乾根.1991.青藏高原大地形对冷涌作用的理论研究.气象学报,49(4): 385-393.

王文,刘佳,蔡晓军.2012.重力波对青藏高原东侧一次暴雨过程的影响.大气科学学报,34(6): 737-747.

吴少平,易帆.2002.三维可压大气中重力波波包非线性传播的数值模拟.中国科学: E 辑,32(2): 176-183.

徐祥德,周明煜,陈家宜等.2001.青藏高原地一气过程动力,热力结构综合物理图象.中国科学 (D 辑),31(5): 428-440.

杨健,吕达仁.2003.平流层-对流层交换研究进展.地球科学进展,18(3): 380-385.

易明建,陈月娟,周任君等.2013.亚洲东部冬季地面温度变化与平流层弱极涡的关系.大气科学,37(3): 668-678.

张灵杰,林永辉.2012.青藏高原红原站平流层下部重力波观测特征分析.气象科技,39(6): 768-771.

张绍东,易帆,王敬芳.1999.重力波波包在剪切风场中的非线性传播.空间科学学报,19(2): 122-127.

(本文编辑汪海英)

基金项目国家杰出青年科学基金项目(41225018)，中国科学院重点部署项目(KZZD-EW-01-1)，国家自然科学基金面上项目(41175042，41275006)资助.

作者简介魏栋，男，1990年生，硕士研究生，主要从事中尺度数值模式和平流层-对流层物质交换的研究.E-mail:weid12@lzu.edu.cn *通讯作者田文寿，教授，博士生导师，主要从事平流层大气化学与气候相互作用以及平流层-对流层物质交换的研究.E-mail:wstian@lzu.edu.cn

doi:10.6038/cjg20160303 中图分类号P432

收稿日期2014-11-18，2016-01-13收修定稿

Upward transport of air mass during a generation of orographic waves in the UTLS over the Tibetan Plateau

WEI Dong1,2,TIAN Wen-Shou1*,CHEN Ze-Yu3,ZHAHG Jian-Kai1,XU Ping-Ping1,HUANG Qian1,HAN Yuan-Yuan1,ZHANG Jie1

1KeyLaboratoryforSemi-AridClimateChangeoftheMinistryofEducation，CollegeofAtmosphericSciences，LanzhouUniversity，Lanzhou730000，China2LanzhouCentralMeteorologicalObservatory，Lanzhou730020，China3LaboratoryforMiddleAtmosphereandGlobalEnvironmentalObservation，InstituteofAtmosphericPhysics，ChineseAcademyofSciences，Beijing100029，China

AbstractThis work examined the characteristics of an orographic gravity wave event during 0∶00～6∶00 UTC on 1 May 2008 and its impacts on stratosphere and troposphere exchange,using NASA MERRA (Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications) and European Centre for Medium-Range Weather Forecasts(ECMWF) Interim reanalysis data and Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) data,in combination with the Weather Research and Forecasting model (WRF).The results show that the horizontal wavelength is about 600 km throughout the troposphere and stratosphere,close to the terrain width,and the vertical wavelength is about 3 km in the troposphere.The wave structure shows a westward tilt with height.Orographic waves propagate upward into the stratosphere and break up near 150 hPa,leading to a strong attenuation of momentum flux and the release of energy into basic flows.Meanwhile,vertical turbulent mixing is extremely increased and turbulent exchange coefficient enhances more than eight times during a short period (within 1 hour).Large turbulent mixing process causes air transport from the troposphere to the stratosphere,corresponding to the low value of ozone,potential vorticity and buoyancy frequency in the lower stratosphere.

KeywordsOrographic wave; Upper troposphere and lower stratosphere; Stratosphere and troposphere exchange; WRF model

魏栋，田文寿，陈泽宇等.2016.青藏高原上空UTLS区域一次地形重力波过程中的物质上传.地球物理学报，59(3):791-802,doi:10.6038/cjg20160303.

Wei D,Tian W S,Chen Z Y,et al.2016.Upward transport of air mass during a generation of orographic waves in the UTLS over the Tibetan Plateau.Chinese J.Geophys.(in Chinese),59(3):791-802,doi:10.6038/cjg20160303.