Aura/MLS 與TIMED/SABER 觀測全球重力波特性*

楊文凱 楊鈞烽 郭文杰 楊曉華 夏仲飛 張炳炎 程 旋 胡 雄

1(中國人民解放軍31010 部隊(duì) 北京 100081)

2(中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心 空間環(huán)境態(tài)勢感知技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)

0 引言

大氣重力波是中高層大氣主要波動(dòng)之一，在臨近空間環(huán)境變化過程中具有重要作用。重力波的傳播能夠輸送能量和動(dòng)量，對全球大氣環(huán)流和熱力學(xué)結(jié)構(gòu)等方面具有重要影響，在對流層、平流層、中間層、熱層甚至電離層大氣之間的耦合過程中有著至關(guān)重要的作用[1–4]。Fritts 和Alexander[5]對重力波及其對大氣的作用進(jìn)行了詳細(xì)描述，總結(jié)了大氣重力波的動(dòng)力過程和作用，論述了不同激發(fā)源重力波特征和傳播特性。但是大氣重力波在大氣模式的模擬過程中仍無法被準(zhǔn)確表征，其參數(shù)化方案與實(shí)際情況存在一定差異，這影響到模式模擬的準(zhǔn)確度[2,4]。因此，對重力波活動(dòng)特性進(jìn)行深入觀測和分析是十分必要的。

國內(nèi)外學(xué)者利用多種探測手段對重力波進(jìn)行觀測和研究。無線電雷達(dá)、激光雷達(dá)和氣輝成像儀等地基探測設(shè)備數(shù)據(jù)具備站點(diǎn)上空連續(xù)時(shí)間和高分辨率觀測的特點(diǎn)[6–9]，能夠有效提取站點(diǎn)上空重力波特征，并結(jié)合色散關(guān)系獲得重力波結(jié)構(gòu)，其中氣輝成像儀能夠獲得短波長和短周期重力波。此外，高空火箭和無線電探空儀也是觀測大氣重力波的重要手段[10–11]。但是這些數(shù)據(jù)在空間和時(shí)間覆蓋方面存在不足。衛(wèi)星數(shù)據(jù)相比地基和原位探測，具有全球覆蓋性廣的優(yōu)點(diǎn)，常被用于全球大氣重力波活動(dòng)研究[12–19]。

Aura 衛(wèi)星搭載的大氣微波臨邊探測器MLS（Microwave Limb Sounder）和TIMED 衛(wèi)星搭載的大氣寬帶紅外輻射計(jì)SABER（Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry）均采用了臨邊探測技術(shù)，可以探測臨近空間的大氣溫度等環(huán)境要素。本文利用2012－2014 年共三年的Aura/MLS 與TIMED/SABER 溫度數(shù)據(jù)，提取全球范圍內(nèi)垂直波長2～15 km 的平流層重力波擾動(dòng)，給出了30～50 km 高度重力波擾動(dòng)強(qiáng)度的全球分布狀況，同時(shí)分析了緯圈平均的重力波活動(dòng)強(qiáng)度隨高度及緯度的變化情況。

1 數(shù)據(jù)與分析方法

1.1 Aura/MLS 數(shù)據(jù)

Aura 是由美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室研制的地球觀測衛(wèi)星，于2004 年7 月15 日發(fā)射。Aura 衛(wèi)星軌道高度705 km，傾角98.2°，軌道周期1.7 h，每天繞地13～14 圈，每天的探測剖面數(shù)約為3300～3600。Aura 衛(wèi)星搭載的微波臨邊探測器MLS 主要用于測量地球大氣臨邊的微波熱輻射，于2004 年8 月13 日開始獲取大氣溫度觀測數(shù)據(jù)。MLS 的溫度數(shù)據(jù)根據(jù)與氧原子譜線相近的118 GHz 和240 GHz 的兩個(gè)輻射探測器探測到熱輻射結(jié)果反演得到[17]。其有效溫度廓線覆蓋了約10～92 km 的高度范圍，垂直分辨率在50 km 以下約為1.3 km，50 km 以上逐漸增大至約5 km。空間覆蓋的緯度范圍為82°S－82°N，經(jīng)度范圍為180°W－180°E，相鄰觀測廓線水平距離約165 km，時(shí)間間隔為24.7 s[18]。

1.2 TIMED/SABER 數(shù)據(jù)

熱層–電離層–中間層能量和動(dòng)力學(xué)衛(wèi)星TIMED由美國航空與航天局（NASA）研制，于2001 年12 月7 日發(fā)射。TIMED 衛(wèi)星軌道傾角74.1°，軌道高度約625 km，軌道周期約97 min，每60 天實(shí)施一次偏航機(jī)動(dòng)[19–22]。衛(wèi)星每天測量15 軌數(shù)據(jù)，相鄰軌道的經(jīng)向間距約為24°，每個(gè)軌道約96 個(gè)事件，每天可獲得1000 多條探測廓線。TIMED 衛(wèi)星搭載了利用寬帶發(fā)射輻射計(jì)的大氣廓線測量儀SABER。SABER 是一個(gè)用來測量地球紅外臨邊輻射的十通道紅外輻射計(jì)。該設(shè)備通過測量很寬高度及光譜范圍的大氣熱輻射，獲得15～100 km 的有效大氣溫度數(shù)據(jù)[20]。TIMED 衛(wèi)星進(jìn)動(dòng)緩慢，覆蓋全球24 h 地方時(shí)需要約60 天。衛(wèi)星每60 天進(jìn)行一次姿態(tài)調(diào)整，SABER 在北向觀測時(shí)覆蓋緯度50°S－82°N，在南向觀測時(shí)覆蓋緯度82°S－50°N，觀測方向垂直于軌道平面[19–22]。

1.3 分析方法

本文分析選取的是Aura/MLS 衛(wèi)星數(shù)據(jù)V4.2 版本和TIMED/SABER 衛(wèi)星數(shù)據(jù)V2.0 版本的大氣溫度等數(shù)據(jù)，時(shí)間為2012 年1 月至2014 年12 月共3 年。采用帶通濾波方法提取平流層重力波擾動(dòng)[20,23]。對多年的衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間和空間統(tǒng)計(jì)，時(shí)間劃分為四季，12 月到2 月為冬季，3 月到5 月為春季，6 月到8 月為夏季，9 月到11 月為秋季。區(qū)域緯度設(shè)定在80°S－80°N，分辨率為2°；經(jīng)度設(shè)定在180°W－180°E，分辨率為4°。高度設(shè)定在20～50 km。

利用Aura/MLS 和TIMED/SABER 溫度數(shù)據(jù)提取平流層背景溫度廓線和溫度擾動(dòng)。每個(gè)溫度廓線可看作由背景溫度與擾動(dòng)值疊加而成[21]。第一步，對于每個(gè)探測剖面，在20～50 km 高度范圍，溫度參量采用線性插值，高度分辨率歸一化為1 km。第二步，根據(jù)季節(jié)統(tǒng)計(jì)的網(wǎng)格內(nèi)所有溫度廓線平均得到背景溫度，每條廓線減去平均值后得到的擾動(dòng)包含大氣重力波、行星波等引起的大氣擾動(dòng)。第三步，在垂直方向上進(jìn)行2～15 km 帶通濾波，去除其他波動(dòng)成分，得到垂直波長在2～15 km 范圍內(nèi)重力波引起的大氣擾動(dòng)[24]。第四步，各網(wǎng)格點(diǎn)內(nèi)溫度擾動(dòng)值的平均值除以背景溫度得到重力波擾動(dòng)百分比，代表垂直波長2～15 km 的重力波擾動(dòng)強(qiáng)度。

2 研究結(jié)果

2.1 Aura/MLS 觀測全球重力波擾動(dòng)

圖1 為Aura/MLS 觀測數(shù)據(jù)分析的30 km 高度全球重力波擾動(dòng)強(qiáng)度分布，可以看到30 km 高度重力波活動(dòng)強(qiáng)度在不同月份隨緯度變化顯著。12－2 月份，重力波擾動(dòng)強(qiáng)度在北半球強(qiáng)，南半球弱。北半球高緯度地區(qū)存在較強(qiáng)的重力波擾動(dòng)，尤其是亞歐大陸、北美洲和大西洋上空。赤道及南半球低緯度地區(qū)也存在重力波活動(dòng)區(qū)域。南半球高緯度地區(qū)重力波活動(dòng)最弱。6－8 月份，重力波活動(dòng)強(qiáng)度在南半球強(qiáng)，北半球弱。南半球高緯度地區(qū)存在較強(qiáng)的重力波擾動(dòng)緯度帶，尤其在南美洲南端最強(qiáng)。高緯度地區(qū)冬季重力波擾動(dòng)顯著，這與背景風(fēng)場濾波作用具有密切關(guān)系，冬季對流層和平流層盛行西風(fēng)，而且風(fēng)速較大，導(dǎo)致更多的低相速度重力波上傳到平流層[17]。高緯度重力波波源主要來自于地形、鋒面和冬季平流層急流等[19,20]。Wu 等[18]研究也表明南半球平流層重力波與平流層急流具有很強(qiáng)的相關(guān)性，部分區(qū)域的重力波則與地形更相關(guān)。冬季和夏季重力波擾動(dòng)強(qiáng)度南北半球分布既有對稱性又有所區(qū)別。南半球高緯度冬季的重力波活動(dòng)緯向分布比北半球冬季的緯向分布均勻，這與南半球冬季穩(wěn)定的極渦和弱行星波有關(guān)[19]。

圖1 利用Aura/MLS 觀測數(shù)據(jù)分析的30 km 高度全球重力波擾動(dòng)強(qiáng)度分布Fig. 1 Global distribution of gravity waves observed by Aura/MLS at 30 km height

在春秋兩季，高緯度地區(qū)的重力波活動(dòng)都大幅度減弱，存在明顯的局地性。例如北半球的加拿大北部、烏拉爾山和西伯利亞，以及南半球南美洲南端和南極海岸等地有明顯重力波活動(dòng)區(qū)域。Ern 等[20]研究表明在春秋兩季，這些重力波活動(dòng)區(qū)域的山脈地形是主要重力波激發(fā)源。

圖2 給出了Aura/MLS 觀測數(shù)據(jù)分析的50 km高度全球重力波擾動(dòng)強(qiáng)度分布。50 km 高度全球擾動(dòng)強(qiáng)度分布與30 km 高度主要特征類似，但50 km的各季節(jié)高緯度重力波擾動(dòng)隨經(jīng)度變化幅度比30 km 的小。冬季北半球重力波活動(dòng)區(qū)域主要集中在北極地區(qū)，比30 km 冬季活動(dòng)區(qū)域的緯度更靠極區(qū)。30 km 高緯度局地性的重力波擾動(dòng)沒有隨高度增加而增強(qiáng)，可能是由于重力波隨著高度增加而不斷傳播，導(dǎo)致50 km 重力波活動(dòng)區(qū)域與波源的水平距離越來越大[19]。

圖2 利用Aura/MLS 觀測數(shù)據(jù)分析得到的50 km 高度全球重力波擾動(dòng)強(qiáng)度分布Fig. 2 Global distribution of gravity waves observed by Aura/MLS at 50 km height

圖3 給出根據(jù)Aura/MLS 觀測數(shù)據(jù)分析的緯圈平均重力波擾動(dòng)隨高度和緯度的變化。從圖中可知，重力波擾動(dòng)隨季節(jié)變化顯著。12－1 月北半球高緯度重力波擾動(dòng)較強(qiáng)，赤道上空次之，其中最大值位于北半球高緯度45 km 高度。6－8 月南半球高緯度重力波擾動(dòng)較強(qiáng)，赤道上空次之，其中最大值位于南半球高緯度45 km 高度，重力波擾動(dòng)強(qiáng)度分布與冬季基本呈對稱相反。春秋季節(jié)為冬夏季節(jié)的過渡階段，南北大致對稱分布：高緯度和赤道重力波擾動(dòng)比中緯度地區(qū)顯著。從圖3 中可明顯看出，重力波擾動(dòng)強(qiáng)度隨高度增加，這主要是由于在適合上傳的背景風(fēng)條件下，重力波向上傳播逐漸飽和，幅度增長[18]。大氣密度隨高度指數(shù)遞減，能量守恒的重力波振幅隨高度指數(shù)遞增，標(biāo)高約為14 km，是氣壓標(biāo)高的兩倍[20]。

圖3 Aura/MLS 觀測數(shù)據(jù)分析的緯圈平均重力波擾動(dòng)隨高度和緯度的變化Fig. 3 Latitude-altitude distribution of zonal mean gravity waves observed by Aura/MLS

2.2 TIMED/SABER 觀測全球重力波擾動(dòng)

圖4 給出了2012－2014 年TIMED/SABER 觀測數(shù)據(jù)分析的30 km 高度全球擾動(dòng)強(qiáng)度分布結(jié)果。從TIMED/SABER 溫度數(shù)據(jù)中分析得到的重力波擾動(dòng)與Aura/MLS 數(shù)據(jù)得到的強(qiáng)度與全球分布特征都具有較好的一致性。但夏半球低緯度存在幾個(gè)比Aura/MLS 觀測顯著的重力波擾動(dòng)區(qū)域：12－2 月份南半球20°S 附近南美洲、非洲和北澳大利亞存在強(qiáng)擾動(dòng)區(qū)域；6－8 月份北半球20°N 附近墨西哥灣、北非和東南亞存在強(qiáng)擾動(dòng)區(qū)域。這些重力波的波源通常來自對流激發(fā)，活動(dòng)區(qū)域與季風(fēng)區(qū)域和高海面溫度區(qū)域密切相關(guān)[19,20]。Wu 等[18]研究表明赤道地區(qū)重力波水平波長較長和固有頻率較低，與赤道平流層頂冰水含量和深對流有密切關(guān)系。此外，赤道上空低平流層重力波活動(dòng)也與赤道平流層準(zhǔn)兩年振蕩QBO（Quasi-Biennial Oscillation）有關(guān)，當(dāng)重力波緯向傳播（東向或西向）時(shí)，QBO 緯向風(fēng)變化能夠調(diào)制重力波是否上傳[18,21]。春秋兩季山脈地形引起的重力波擾動(dòng)的區(qū)域特征也更為顯著。

圖4 TIMED/SABER 觀測數(shù)據(jù)分析的30 km 高度全球重力波擾動(dòng)強(qiáng)度分布Fig. 4 Global distribution of gravity waves observed by TIMED/SABER at 30 km height

圖5 給出了2012－2014 年TIMED/SABER 觀測數(shù)據(jù)分析的50 km 高度全球重力波擾動(dòng)強(qiáng)度分布結(jié)果。全球重力波擾動(dòng)分布特征與Aura/MLS 結(jié)果基本一致，但TIMED/SABER 觀測的50 km 重力波擾動(dòng)振幅在高緯度地區(qū)和赤道地區(qū)比Aura/MLS 的振幅略大。

圖5 TIMED/SABER 觀測數(shù)據(jù)分析的50 km 高度全球重力波擾動(dòng)強(qiáng)度分布Fig. 5 Global distribution of gravity waves observed by TIMED/SABER at 50 km height

圖6 給出根據(jù)TIMED/SABER 觀測數(shù)據(jù)分析的緯圈平均擾動(dòng)隨高度和緯度的變化。重力波活動(dòng)強(qiáng)度在冬季半球高緯度地區(qū)強(qiáng)于夏季半球高緯度地區(qū)。冬季半球高緯度地區(qū)是重力波活動(dòng)的強(qiáng)緯度帶，赤道地區(qū)為次極大緯度帶。圖6 在南北緯52°存在部分不連續(xù)，這主要是由于TIMED 衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整，SABER 觀測數(shù)據(jù)覆蓋范圍變化所致。TIMED/SABER 溫度提取的重力波擾動(dòng)分布特征與圖3 的Aura/MLS 觀測結(jié)果類似，高緯度和赤道上空重力波擾動(dòng)強(qiáng)度隨高度遞增。總體而言，前者比后者的振幅數(shù)值略大。

圖6 TIMED/SABER 觀測數(shù)據(jù)分析的緯圈平均擾動(dòng)隨高度和緯度的變化Fig. 6 Latitude-altitude distribution of zonal mean gravity waves observed by TIMED/SABER

2.3 分析討論

目前被廣泛使用的從衛(wèi)星溫度數(shù)據(jù)中提取重力波方法是去除全球尺度的背景大氣和帶通濾波兩種方法，不同研究也可能對其進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整[20,23]。采用同一方法提取重力波，造成的差異主要來自不同衛(wèi)星對重力波波譜的敏感性[23]。Aura/MLS 具有較窄的束寬，以天底角66°對地觀測，對相位平行于觀測視線的波動(dòng)較為敏感。TIMED/SABER 則具有較長的觀測路徑和較窄的視場，因此具有較高的垂直分辨率和較粗的水平分辨率。相比Aura/MLS，TIMED/SABER 對λz/λh（垂直波長和水平波長比值）較小的重力波較為敏感[18]。在本研究結(jié)果中也可看出，Aura/MLS 和TIMED/SABER 溫度數(shù)據(jù)提取的重力波擾動(dòng)分布基本一致，存在一些細(xì)微差異。

Aura/MLS 的輻射數(shù)據(jù)也可用于重力波特征研究[17,18]。Wu 等[17]從Aura/MLS 的118 GHz 單通道40 個(gè)飽和輻射數(shù)據(jù)中分析λz ＞5 km和λh ∈100～200 km的重力波全球分布。從輻射數(shù)據(jù)中提取的重力波緯圈分布與圖3 分布基本一致，但溫度數(shù)據(jù)提取的夏半球低緯度季風(fēng)區(qū)域的重力波沒有輻射數(shù)據(jù)提取的重力波顯著。Wu 等[17]認(rèn)為利用輻射數(shù)據(jù)分析重力波的方法與溫度數(shù)據(jù)分析重力波方法存在顯著區(qū)別，前者利用了118 GHz 單通道40 個(gè)飽和輻射數(shù)據(jù)，而溫度反演過程中利用多通道不飽和輻射數(shù)據(jù)來獲得隨高度變化的溫度廓線。

Preusse 等[19]利用去除緯向波數(shù)0～6 波動(dòng)的方法從SABER 溫度數(shù)據(jù)中提取全球重力波溫度變化。Ern 等[20]通過去除全球背景溫度的方法分析了SABER 數(shù)據(jù)中20～100 km 重力波動(dòng)量通量的季節(jié)變化和全球分布，并且與HIRDLS （High Resolution Dynamics Limb Sounder）平流層重力波進(jìn)行比較。Zhang 等[21]利用帶通濾波的方法從SABER 溫度數(shù)據(jù)中提取平流層2～10 km 波長的平流層重力波勢能。John 等[23]比較了去除緯向波數(shù)0～6 波動(dòng)和帶通濾波兩種方法從SABER 溫度探測數(shù)據(jù)提取重力波的差異，前者的重力波勢能是后者的4 倍左右。這些研究結(jié)果采用的方法和重力波參量各不相同，從不同的角度對重力波活動(dòng)的全球分布角度進(jìn)行了分析。

本文采用帶通濾波方法從Aura/MLS 和TIMED/SABER 溫度數(shù)據(jù)中提取的重力波分布特征與其他研究結(jié)果基本一致。存在的一些細(xì)微差別除來自于提取方法不同之外，也可能與QBO 和年際變化等有關(guān)。Zhang 等[21]研究表明QBO 緯向風(fēng)為西風(fēng)時(shí)，對流層和平流層盛行西風(fēng)，更多的東向傳播重力波上傳至平流層，導(dǎo)致平流層重力波勢能明顯增強(qiáng)；當(dāng)緯向風(fēng)由西轉(zhuǎn)東時(shí)，部分東傳的重力波被背景風(fēng)濾除，平流層重力波勢能顯著下降。2013 年1 月北半球也出現(xiàn)平流層爆發(fā)性增溫（Stratospheric Sudden Warming, SSW），SSW 可能對冬季高緯度重力波有一定影響[25]。盡管如此，冬季高緯度重力波仍然主要受極渦背景環(huán)流的濾波影響[26]。

3 結(jié)論

利用帶通濾波的方法從2012－2014 年兩種臨邊探測手段（Aura/MLS 和TIMED/SABER）觀測的臨近空間大氣溫度數(shù)據(jù)中獲取垂直波長在2～15 km 范圍的大氣重力波，分析了其全球分布特征隨季節(jié)的變化，二者主要特征基本一致。重力波表現(xiàn)出隨季節(jié)和緯度的顯著變化：冬季半球高緯度重力波擾動(dòng)較強(qiáng)；赤道、夏季半球的近赤道區(qū)域次強(qiáng)；夏季半球高緯度地區(qū)幾乎無重力波活動(dòng)。北半球冬季重力波擾動(dòng)在亞歐大陸、北美洲和大西洋上空較強(qiáng)，而南半球冬季重力波擾動(dòng)強(qiáng)度除在南美洲南端比較強(qiáng)之外，其隨經(jīng)度變化分布相對比較均勻。夏季半球近赤道區(qū)域的重力波活動(dòng)受季風(fēng)和對流的影響，具有顯著局地性。在春秋分，重力波活動(dòng)區(qū)域受地形影響明顯。重力波擾動(dòng)強(qiáng)度隨高度增加呈現(xiàn)增強(qiáng)的現(xiàn)象。50 km 高度冬季半球重力波活動(dòng)區(qū)域也有向極區(qū)移動(dòng)的趨勢。TIMED/SABER 中重力波擾動(dòng)強(qiáng)度數(shù)值比Aura/MLS 的略大。