利用多GNSS掩星任务资料研究全球平流层重力波活动及其气候特征

The gravity wave activities have great impacts on the properties of the middle atmospheric circulation. To acquire the information about gravity waves and to analyze the characteristics of their temporal and spatial variations from different types of observations has great significances for the establishment of precise gravity wave parameterization schemes and for the global climate related research. GNSS radio occultation observations which are of high precision, high vertical resolution, global coverage and long stability are of special advantages for the study of global gravity wave activities. Data from multiple Global Navigation Satellite System (GNSS) Radio Occultation (RO) missions, together with temperature, wind field and surface sensible heat flux from model reanalysis, topographic data and precipitation data, will be used in this project to study the global stratospheric gravity wave activities and to analyze their climatological characteristics. Firstly, the methods to extract the gravity wave-induced temperature perturbations and to calculate the horizontal wavelength from RO temperature profiles will be refined, based on which the temporal and spatial distributions of stratospheric gravity wave parameters, including potential energy, vertical wavelength, horizontal wavelength and momentum flux (MF) absolute value, will be studied. The sources of the gravity waves will be analyzed for hot spots and the principals for the occurrence and propagation of gravity waves will be discussed. Based on the analysis about the inter-annual, inter-seasonal, intra-seasonal variations of gravity wave parameters, the responses of stratospheric gravity wave activities to three large scale atmospheric patterns, QBO, ENSO and MJO, will be studied and the interpretations will be given.

重力波活动影响中层大气环流的基本性质，利用各类观测资料获取大气重力波信息并认识其时空变化特征有助于在全球大气模式中构建准确的重力波参数化方案，对全球气候变化研究具有重要意义。GNSS掩星资料具有高精度、高垂直分辨率、全球分布、长期稳定的特点，对于全球平流层重力波活动研究有其独特优势。本项目旨在利用多项GNSS掩星任务的数据，结合模式再分析温度、风场、地表辐射资料与地形、降雨等数据，研究全球平流层重力波活动情况，分析其气候特征。主要内容包括：研究基于掩星的重力波温度扰动提取和水平波长计算的优化方法；以重力波势能、垂直波长、水平波长和动量通量等参数为表征，研究平流层重力波时空分布；对热点区域的波源进行分析，对重力波产生和传播的物理机制进行探讨；在对重力波参数的年际、季节、季节内等不同时间尺度的变化规律进行深入讨论的基础上，研究重力波活动与QBO、ENSO及MJO的响应关系，并对其进行物理解释。

本项目旨在利用多GNSS掩星任务资料，结合模式风场等数据，研究平流层重力波活动及其气候特征。主要完成了如下工作：在重力波温度扰动与垂直参数的提取方法上，由掩星干温廓线出发，基于水平去趋势原理，利用S变换分离背景温度与温度扰动，进而反演重力波浮力频率、垂直波长与势能Ep。在重力波时空分布特征与波源分析方面，针对已有基于掩星的相关成果所关注的时空范围有限的现状，首次利用2006-2013年的COSMIC干温数据进行全球平流层重力波年际变化特征研究，结合模式风场数据，分析了从对流层顶到38km高度区间内重力波势能Ep的时空变化及风场调制的影响，并对各平流层爆发性增温事件期间重力波活动特性进行了较全面的讨论；对该时间段内三维格网化势能Ep与CPT和LRT两种定义下的对流层顶参数月异常值之间的相关性、以及低纬地区势能Ep与深对流的关系进行了深入分析，发现中高纬地区重力波从对流层穿过对流层顶上传至平流层时抬升了对流层顶，而热带地区对流与重力波共同影响了对流层顶。在重力波水平参数及动量通量的反演上，针对纯粹从掩星数据出发的反演方法受到观测资料时空分布限制的问题，首次提出联合由掩星温度提取的浮力频率与垂直波长和由模式风场提取的固有频率共同反演重力波水平波长与动量通量大小，应用该方法，联合使用2006-2013共七年的COSMIC掩星干温廓线与ERA-Interim再分析纬向风场数据反演全球平流层重力波动量通量的大小，进而对其年际变化特征和相关物理机制进行分析与讨论。在重力波活动与QBO、ENSO等气候现象的响应关系上，首次利用2007-2020年多GNSS掩星任务的干温数据，采用多元线性回归分析方法，对20-35km区间大气重力波势能Ep的变化趋势及其对太阳活动、QBO和ENSO的响应进行了研究，并进行了相关物理解释。相关成果丰富了基于掩星数据进行重力波活动研究的理论与方法，增进了对全球重力波活动气候特征的认识。此外，在FY-3C对流层与电离层掩星产品的验证与应用上开展了一定工作，为后续基于多任务掩星资料进行中性大气-电离层耦合研究奠定了基础。