杨文凯 杨钧烽 郭文杰 杨晓华 夏仲飞 张炳炎 程 旋 胡 雄

1(中国人民解放军31010 部队 北京 100081)

2(中国科学院国家空间科学中心 空间环境态势感知技术重点实验室 北京 100190)

0 引言

大气重力波是中高层大气主要波动之一，在临近空间环境变化过程中具有重要作用。重力波的传播能够输送能量和动量，对全球大气环流和热力学结构等方面具有重要影响，在对流层、平流层、中间层、热层甚至电离层大气之间的耦合过程中有着至关重要的作用[1–4]。Fritts 和Alexander[5]对重力波及其对大气的作用进行了详细描述，总结了大气重力波的动力过程和作用，论述了不同激发源重力波特征和传播特性。但是大气重力波在大气模式的模拟过程中仍无法被准确表征，其参数化方案与实际情况存在一定差异，这影响到模式模拟的准确度[2,4]。因此，对重力波活动特性进行深入观测和分析是十分必要的。

国内外学者利用多种探测手段对重力波进行观测和研究。无线电雷达、激光雷达和气辉成像仪等地基探测设备数据具备站点上空连续时间和高分辨率观测的特点[6–9]，能够有效提取站点上空重力波特征，并结合色散关系获得重力波结构，其中气辉成像仪能够获得短波长和短周期重力波。此外，高空火箭和无线电探空仪也是观测大气重力波的重要手段[10–11]。但是这些数据在空间和时间覆盖方面存在不足。卫星数据相比地基和原位探测，具有全球覆盖性广的优点，常被用于全球大气重力波活动研究[12–19]。

Aura 卫星搭载的大气微波临边探测器MLS（Microwave Limb Sounder）和TIMED 卫星搭载的大气宽带红外辐射计SABER（Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry）均采用了临边探测技术，可以探测临近空间的大气温度等环境要素。本文利用2012－2014 年共三年的Aura/MLS 与TIMED/SABER 温度数据，提取全球范围内垂直波长2～15 km 的平流层重力波扰动，给出了30～50 km 高度重力波扰动强度的全球分布状况，同时分析了纬圈平均的重力波活动强度随高度及纬度的变化情况。

1 数据与分析方法

1.1 Aura/MLS 数据

Aura 是由美国喷气推进实验室研制的地球观测卫星，于2004 年7 月15 日发射。Aura 卫星轨道高度705 km，倾角98.2°，轨道周期1.7 h，每天绕地13～14 圈，每天的探测剖面数约为3300～3600。Aura 卫星搭载的微波临边探测器MLS 主要用于测量地球大气临边的微波热辐射，于2004 年8 月13 日开始获取大气温度观测数据。MLS 的温度数据根据与氧原子谱线相近的118 GHz 和240 GHz 的两个辐射探测器探测到热辐射结果反演得到[17]。其有效温度廓线覆盖了约10～92 km 的高度范围，垂直分辨率在50 km 以下约为1.3 km，50 km 以上逐渐增大至约5 km。空间覆盖的纬度范围为82°S－82°N，经度范围为180°W－180°E，相邻观测廓线水平距离约165 km，时间间隔为24.7 s[18]。

1.2 TIMED/SABER 数据

热层–电离层–中间层能量和动力学卫星TIMED由美国航空与航天局（NASA）研制，于2001 年12 月7 日发射。TIMED 卫星轨道倾角74.1°，轨道高度约625 km，轨道周期约97 min，每60 天实施一次偏航机动[19–22]。卫星每天测量15 轨数据，相邻轨道的经向间距约为24°，每个轨道约96 个事件，每天可获得1000 多条探测廓线。TIMED 卫星搭载了利用宽带发射辐射计的大气廓线测量仪SABER。SABER 是一个用来测量地球红外临边辐射的十通道红外辐射计。该设备通过测量很宽高度及光谱范围的大气热辐射，获得15～100 km 的有效大气温度数据[20]。TIMED 卫星进动缓慢，覆盖全球24 h 地方时需要约60 天。卫星每60 天进行一次姿态调整，SABER 在北向观测时覆盖纬度50°S－82°N，在南向观测时覆盖纬度82°S－50°N，观测方向垂直于轨道平面[19–22]。

1.3 分析方法

本文分析选取的是Aura/MLS 卫星数据V4.2 版本和TIMED/SABER 卫星数据V2.0 版本的大气温度等数据，时间为2012 年1 月至2014 年12 月共3 年。采用带通滤波方法提取平流层重力波扰动[20,23]。对多年的卫星探测数据进行时间和空间统计，时间划分为四季，12 月到2 月为冬季，3 月到5 月为春季，6 月到8 月为夏季，9 月到11 月为秋季。区域纬度设定在80°S－80°N，分辨率为2°；经度设定在180°W－180°E，分辨率为4°。高度设定在20～50 km。

利用Aura/MLS 和TIMED/SABER 温度数据提取平流层背景温度廓线和温度扰动。每个温度廓线可看作由背景温度与扰动值叠加而成[21]。第一步，对于每个探测剖面，在20～50 km 高度范围，温度参量采用线性插值，高度分辨率归一化为1 km。第二步，根据季节统计的网格内所有温度廓线平均得到背景温度，每条廓线减去平均值后得到的扰动包含大气重力波、行星波等引起的大气扰动。第三步，在垂直方向上进行2～15 km 带通滤波，去除其他波动成分，得到垂直波长在2～15 km 范围内重力波引起的大气扰动[24]。第四步，各网格点内温度扰动值的平均值除以背景温度得到重力波扰动百分比，代表垂直波长2～15 km 的重力波扰动强度。

2 研究结果

2.1 Aura/MLS 观测全球重力波扰动

图1 为Aura/MLS 观测数据分析的30 km 高度全球重力波扰动强度分布，可以看到30 km 高度重力波活动强度在不同月份随纬度变化显著。12－2 月份，重力波扰动强度在北半球强，南半球弱。北半球高纬度地区存在较强的重力波扰动，尤其是亚欧大陆、北美洲和大西洋上空。赤道及南半球低纬度地区也存在重力波活动区域。南半球高纬度地区重力波活动最弱。6－8 月份，重力波活动强度在南半球强，北半球弱。南半球高纬度地区存在较强的重力波扰动纬度带，尤其在南美洲南端最强。高纬度地区冬季重力波扰动显著，这与背景风场滤波作用具有密切关系，冬季对流层和平流层盛行西风，而且风速较大，导致更多的低相速度重力波上传到平流层[17]。高纬度重力波波源主要来自于地形、锋面和冬季平流层急流等[19,20]。Wu 等[18]研究也表明南半球平流层重力波与平流层急流具有很强的相关性，部分区域的重力波则与地形更相关。冬季和夏季重力波扰动强度南北半球分布既有对称性又有所区别。南半球高纬度冬季的重力波活动纬向分布比北半球冬季的纬向分布均匀，这与南半球冬季稳定的极涡和弱行星波有关[19]。

图1 利用Aura/MLS 观测数据分析的30 km 高度全球重力波扰动强度分布Fig. 1 Global distribution of gravity waves observed by Aura/MLS at 30 km height

在春秋两季，高纬度地区的重力波活动都大幅度减弱，存在明显的局地性。例如北半球的加拿大北部、乌拉尔山和西伯利亚，以及南半球南美洲南端和南极海岸等地有明显重力波活动区域。Ern 等[20]研究表明在春秋两季，这些重力波活动区域的山脉地形是主要重力波激发源。

图2 给出了Aura/MLS 观测数据分析的50 km高度全球重力波扰动强度分布。50 km 高度全球扰动强度分布与30 km 高度主要特征类似，但50 km的各季节高纬度重力波扰动随经度变化幅度比30 km 的小。冬季北半球重力波活动区域主要集中在北极地区，比30 km 冬季活动区域的纬度更靠极区。30 km 高纬度局地性的重力波扰动没有随高度增加而增强，可能是由于重力波随着高度增加而不断传播，导致50 km 重力波活动区域与波源的水平距离越来越大[19]。

图2 利用Aura/MLS 观测数据分析得到的50 km 高度全球重力波扰动强度分布Fig. 2 Global distribution of gravity waves observed by Aura/MLS at 50 km height

图3 给出根据Aura/MLS 观测数据分析的纬圈平均重力波扰动随高度和纬度的变化。从图中可知，重力波扰动随季节变化显著。12－1 月北半球高纬度重力波扰动较强，赤道上空次之，其中最大值位于北半球高纬度45 km 高度。6－8 月南半球高纬度重力波扰动较强，赤道上空次之，其中最大值位于南半球高纬度45 km 高度，重力波扰动强度分布与冬季基本呈对称相反。春秋季节为冬夏季节的过渡阶段，南北大致对称分布：高纬度和赤道重力波扰动比中纬度地区显著。从图3 中可明显看出，重力波扰动强度随高度增加，这主要是由于在适合上传的背景风条件下，重力波向上传播逐渐饱和，幅度增长[18]。大气密度随高度指数递减，能量守恒的重力波振幅随高度指数递增，标高约为14 km，是气压标高的两倍[20]。

图3 Aura/MLS 观测数据分析的纬圈平均重力波扰动随高度和纬度的变化Fig. 3 Latitude-altitude distribution of zonal mean gravity waves observed by Aura/MLS

2.2 TIMED/SABER 观测全球重力波扰动

图4 给出了2012－2014 年TIMED/SABER 观测数据分析的30 km 高度全球扰动强度分布结果。从TIMED/SABER 温度数据中分析得到的重力波扰动与Aura/MLS 数据得到的强度与全球分布特征都具有较好的一致性。但夏半球低纬度存在几个比Aura/MLS 观测显著的重力波扰动区域：12－2 月份南半球20°S 附近南美洲、非洲和北澳大利亚存在强扰动区域；6－8 月份北半球20°N 附近墨西哥湾、北非和东南亚存在强扰动区域。这些重力波的波源通常来自对流激发，活动区域与季风区域和高海面温度区域密切相关[19,20]。Wu 等[18]研究表明赤道地区重力波水平波长较长和固有频率较低，与赤道平流层顶冰水含量和深对流有密切关系。此外，赤道上空低平流层重力波活动也与赤道平流层准两年振荡QBO（Quasi-Biennial Oscillation）有关，当重力波纬向传播（东向或西向）时，QBO 纬向风变化能够调制重力波是否上传[18,21]。春秋两季山脉地形引起的重力波扰动的区域特征也更为显著。

图4 TIMED/SABER 观测数据分析的30 km 高度全球重力波扰动强度分布Fig. 4 Global distribution of gravity waves observed by TIMED/SABER at 30 km height

图5 给出了2012－2014 年TIMED/SABER 观测数据分析的50 km 高度全球重力波扰动强度分布结果。全球重力波扰动分布特征与Aura/MLS 结果基本一致，但TIMED/SABER 观测的50 km 重力波扰动振幅在高纬度地区和赤道地区比Aura/MLS 的振幅略大。

图5 TIMED/SABER 观测数据分析的50 km 高度全球重力波扰动强度分布Fig. 5 Global distribution of gravity waves observed by TIMED/SABER at 50 km height

图6 给出根据TIMED/SABER 观测数据分析的纬圈平均扰动随高度和纬度的变化。重力波活动强度在冬季半球高纬度地区强于夏季半球高纬度地区。冬季半球高纬度地区是重力波活动的强纬度带，赤道地区为次极大纬度带。图6 在南北纬52°存在部分不连续，这主要是由于TIMED 卫星姿态调整，SABER 观测数据覆盖范围变化所致。TIMED/SABER 温度提取的重力波扰动分布特征与图3 的Aura/MLS 观测结果类似，高纬度和赤道上空重力波扰动强度随高度递增。总体而言，前者比后者的振幅数值略大。

图6 TIMED/SABER 观测数据分析的纬圈平均扰动随高度和纬度的变化Fig. 6 Latitude-altitude distribution of zonal mean gravity waves observed by TIMED/SABER

2.3 分析讨论

目前被广泛使用的从卫星温度数据中提取重力波方法是去除全球尺度的背景大气和带通滤波两种方法，不同研究也可能对其进行适当调整[20,23]。采用同一方法提取重力波，造成的差异主要来自不同卫星对重力波波谱的敏感性[23]。Aura/MLS 具有较窄的束宽，以天底角66°对地观测，对相位平行于观测视线的波动较为敏感。TIMED/SABER 则具有较长的观测路径和较窄的视场，因此具有较高的垂直分辨率和较粗的水平分辨率。相比Aura/MLS，TIMED/SABER 对λz/λh（垂直波长和水平波长比值）较小的重力波较为敏感[18]。在本研究结果中也可看出，Aura/MLS 和TIMED/SABER 温度数据提取的重力波扰动分布基本一致，存在一些细微差异。

Aura/MLS 的辐射数据也可用于重力波特征研究[17,18]。Wu 等[17]从Aura/MLS 的118 GHz 单通道40 个饱和辐射数据中分析λz ＞5 km和λh ∈100～200 km的重力波全球分布。从辐射数据中提取的重力波纬圈分布与图3 分布基本一致，但温度数据提取的夏半球低纬度季风区域的重力波没有辐射数据提取的重力波显著。Wu 等[17]认为利用辐射数据分析重力波的方法与温度数据分析重力波方法存在显著区别，前者利用了118 GHz 单通道40 个饱和辐射数据，而温度反演过程中利用多通道不饱和辐射数据来获得随高度变化的温度廓线。

Preusse 等[19]利用去除纬向波数0～6 波动的方法从SABER 温度数据中提取全球重力波温度变化。Ern 等[20]通过去除全球背景温度的方法分析了SABER 数据中20～100 km 重力波动量通量的季节变化和全球分布，并且与HIRDLS （High Resolution Dynamics Limb Sounder）平流层重力波进行比较。Zhang 等[21]利用带通滤波的方法从SABER 温度数据中提取平流层2～10 km 波长的平流层重力波势能。John 等[23]比较了去除纬向波数0～6 波动和带通滤波两种方法从SABER 温度探测数据提取重力波的差异，前者的重力波势能是后者的4 倍左右。这些研究结果采用的方法和重力波参量各不相同，从不同的角度对重力波活动的全球分布角度进行了分析。

本文采用带通滤波方法从Aura/MLS 和TIMED/SABER 温度数据中提取的重力波分布特征与其他研究结果基本一致。存在的一些细微差别除来自于提取方法不同之外，也可能与QBO 和年际变化等有关。Zhang 等[21]研究表明QBO 纬向风为西风时，对流层和平流层盛行西风，更多的东向传播重力波上传至平流层，导致平流层重力波势能明显增强；当纬向风由西转东时，部分东传的重力波被背景风滤除，平流层重力波势能显著下降。2013 年1 月北半球也出现平流层爆发性增温（Stratospheric Sudden Warming, SSW），SSW 可能对冬季高纬度重力波有一定影响[25]。尽管如此，冬季高纬度重力波仍然主要受极涡背景环流的滤波影响[26]。

3 结论

利用带通滤波的方法从2012－2014 年两种临边探测手段（Aura/MLS 和TIMED/SABER）观测的临近空间大气温度数据中获取垂直波长在2～15 km 范围的大气重力波，分析了其全球分布特征随季节的变化，二者主要特征基本一致。重力波表现出随季节和纬度的显著变化：冬季半球高纬度重力波扰动较强；赤道、夏季半球的近赤道区域次强；夏季半球高纬度地区几乎无重力波活动。北半球冬季重力波扰动在亚欧大陆、北美洲和大西洋上空较强，而南半球冬季重力波扰动强度除在南美洲南端比较强之外，其随经度变化分布相对比较均匀。夏季半球近赤道区域的重力波活动受季风和对流的影响，具有显著局地性。在春秋分，重力波活动区域受地形影响明显。重力波扰动强度随高度增加呈现增强的现象。50 km 高度冬季半球重力波活动区域也有向极区移动的趋势。TIMED/SABER 中重力波扰动强度数值比Aura/MLS 的略大。