晉西北地區(qū)一次雷陣雨天氣過(guò)程中重力波參數(shù)演變特征

程胡華

(太原衛(wèi)星發(fā)射中心，山西 岢嵐 036301)

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晉西北地區(qū)一次雷陣雨天氣過(guò)程中重力波參數(shù)演變特征

程胡華

(太原衛(wèi)星發(fā)射中心，山西 岢嵐 036301)

針對(duì)晉西北地區(qū)2013年8月6—8日出現(xiàn)的一次雷陣雨天氣過(guò)程，利用垂直高分辨率探空資料獲取此次天氣過(guò)程中大氣重力波的周期、水平波長(zhǎng)、垂直波長(zhǎng)、波傳播方向和群速等參數(shù)值，分析這些波參數(shù)值隨時(shí)間的演變特征。結(jié)果表明：在此次雷陣雨生成和發(fā)展期(6—7日)，由小尺度強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)引起的非地轉(zhuǎn)平衡，激發(fā)出周期小、水平波長(zhǎng)短且群速快的重力內(nèi)波，其中，重力波周期、水平波長(zhǎng)分別由1.05 h、23.36 km減小到0.22 h和5.67 km，而波群速由5.30 m·s-1增大到18.69 m·s-1，波傳播方向由-93.51°轉(zhuǎn)變?yōu)?5.05°；當(dāng)雷陣雨進(jìn)入消亡期(8日)，大氣重新調(diào)整為準(zhǔn)平衡狀態(tài)，導(dǎo)致重力波周期及水平波長(zhǎng)顯著變大、且波群速明顯變慢，其中，重力波周期和水平波長(zhǎng)分別由0.22 h、5.67 km迅速增大到9.06 h和268.98 km，而波群速由18.69 m·s-1快速減小到2.60 m·s-1，波傳播方向由35.05°轉(zhuǎn)變?yōu)?140.10°；在整個(gè)天氣過(guò)程中，重力波垂直波長(zhǎng)變化不大。因此，是否存在周期小、水平波長(zhǎng)短且群速快的重力波與雷陣雨的發(fā)生關(guān)系密切。

重力波；雷陣雨；探空資料；波參數(shù)；晉西北地區(qū)

引 言

重力波是大氣中存在的多種波動(dòng)的一種，它與多種不同尺度的天氣現(xiàn)象有非常密切的關(guān)系，如雷暴、降雨、臺(tái)風(fēng)、晴空湍流中均伴有大氣重力波活動(dòng)。夏季，由于局地?zé)崃?duì)流、地形抬升、高空冷渦、低空風(fēng)切變、鋒面等都會(huì)引起雷陣雨天氣現(xiàn)象，這些系統(tǒng)處于非地轉(zhuǎn)平衡狀態(tài)，會(huì)不斷激發(fā)出大氣重力波。國(guó)內(nèi)外對(duì)與天氣系統(tǒng)相關(guān)的大氣重力波特征已經(jīng)開(kāi)展了大量研究[1-8]，如李麥村[1]在線性絕熱情況下求解大氣運(yùn)動(dòng)方程，得到重力波解，提出重力波在條件不穩(wěn)定大氣中是產(chǎn)生暴雨的一種機(jī)制；孟凱等[3]通過(guò)利用動(dòng)力學(xué)推導(dǎo)方法探討由重力波引發(fā)局地暴雨天氣過(guò)程的發(fā)生發(fā)展機(jī)制，并提出預(yù)報(bào)重力波傳播的可行方法；龔佃利等[4]利用MM5V3.5模式對(duì)2001年8月23日華北地區(qū)一次強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴成功模擬的基礎(chǔ)上，對(duì)其中的中尺度重力波特征進(jìn)行了研究；陳丹等[7]對(duì)與東北冷渦相伴的對(duì)流層高空西風(fēng)急流演變過(guò)程中出現(xiàn)的平流層重力波活動(dòng)特征進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果揭示在急流區(qū)域上空的平流層中存在顯著重力波活動(dòng)現(xiàn)象；Kramer等[8]利用2011年9月14日—2012年1月10日馬略卡島(39.6°N，2.7°E)探測(cè)數(shù)據(jù)分析受溫帶氣旋和冷鋒影響下的重力波特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)有風(fēng)暴和冷鋒過(guò)境時(shí)，重力波活動(dòng)會(huì)大大增強(qiáng)。

上述研究多采用理論、數(shù)值模式模擬等方法研究大氣重力波特征，由于重力波相速、周期、波長(zhǎng)等波參數(shù)決定波的性質(zhì)和作用，因此很多研究通過(guò)獲取大氣重力波參數(shù)值來(lái)分析其演變特征。目前國(guó)內(nèi)外廣泛使用基于線性重力波理論并結(jié)合Stokes參數(shù)、主成分分析法來(lái)獲取大氣重力波參數(shù)值[9]，并應(yīng)用垂直高分辨率探空資料來(lái)揭示重力波各種參數(shù)(相速、群速、周期和波長(zhǎng)等)的地理、季節(jié)變化規(guī)律[10-15]，如卞建春等[10]利用北京市觀象臺(tái)(39°48″N，116°28″E)15個(gè)月(2001年12月—2003年2月)的新一代無(wú)線電探空資料，對(duì)北京地區(qū)平流層下層(17～24 km)的慣性重力波參數(shù)季節(jié)變化特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析；Zhang等[11]利用武漢上空2000—2002年的探空資料對(duì)對(duì)流層(0～10 km)和平流層(18～25 km)重力波特征進(jìn)行研究，統(tǒng)計(jì)并比較上下2層中重力波傳播特征；Wang等[12]利用美國(guó)94個(gè)臺(tái)站(包括阿拉斯加、夏威夷等)1998—2002年的高垂直分辨率探空資料分別提取對(duì)流層和平流層的重力波參數(shù)，研究重力波參數(shù)隨緯度和季節(jié)的變化特征；Leena等[15]利用印度Gadanki (13.5°N, 79.2°E)熱帶站近2006—2011年高分辨率無(wú)線電探測(cè)數(shù)據(jù)分析重力波特征，結(jié)果顯示所得到的水平波長(zhǎng)與利用衛(wèi)星(HIRDLS和SABER)測(cè)量的非常吻合，并且發(fā)現(xiàn)在季風(fēng)季節(jié)，強(qiáng)對(duì)流和風(fēng)切變都是慣性重力內(nèi)波生成源，風(fēng)切變?yōu)橹饕础?/p>

目前，針對(duì)雷陣雨天氣過(guò)程中大氣重力波參數(shù)演變特征的研究較少，本文將利用垂直高分辨率探空資料對(duì)晉西北地區(qū)一次雷陣雨天氣過(guò)程中重力波波參數(shù)演變進(jìn)行分析，由于雷陣雨天氣與對(duì)流層中大氣對(duì)流活動(dòng)關(guān)系緊密，在此選取對(duì)流層(2～9 km)作為研究對(duì)象，并將得到的重力波參數(shù)與降雨時(shí)段進(jìn)行對(duì)比，研究此次重力波與雷陣雨之間的關(guān)系。

1 天氣特點(diǎn)

晉西北地區(qū)于2013年8月6—8日出現(xiàn)了一次雷陣雨天氣過(guò)程，圖1簡(jiǎn)要反映了此次天氣過(guò)程特點(diǎn)。圖1b和圖1c中縱坐標(biāo)值為1時(shí)，表示出現(xiàn)該類天氣現(xiàn)象；值為0時(shí)，表示未出現(xiàn)該類天氣現(xiàn)象?？梢钥闯觯?日08:00(北京時(shí)，下同)總云量為0，為晴好天氣，隨后無(wú)論是總云量還是低云量開(kāi)始迅速增多，到13:00為滿天云(10成云)(圖1a)；19:00開(kāi)始出現(xiàn)降雨并伴有雷暴天氣，除6日22:00、7日02:00、03:00外，降雨時(shí)間持續(xù)到7日16:00(圖1b)，而雷暴出現(xiàn)時(shí)間也持續(xù)到7日09:00(圖1c)，雖然8日09:00總云量還是10成，但中低云量迅速?gòu)?0成減少到2成(圖1a)，天氣開(kāi)始明顯好轉(zhuǎn)。此次雷暴天氣過(guò)程，6日與7日累計(jì)降雨量分別為10.0 mm和28.2 mm，8日未出現(xiàn)降雨和雷暴天氣。由于晉西北地區(qū)天氣干燥，空氣中的水汽含量少，其年平均降雨量只有463.1 mm，因此這次過(guò)程是一次非常強(qiáng)的雷陣雨天氣過(guò)程。這次過(guò)程歷時(shí)3 d，6日前期為晴天，后期開(kāi)始出現(xiàn)雷暴和降雨；7日前期有雷暴和降雨，隨后轉(zhuǎn)為陰天；8日前期為陰天，后期天氣開(kāi)始明顯轉(zhuǎn)好。

圖1 2013年8月6—8日晉西北地區(qū)天氣特點(diǎn)(a)云量，(b)降水，(c)雷暴，(d)24 h總降雨量

考慮到探空資料中不含垂直速度和散度，利用NCEP (1°×1°)再分析資料得到此次雷陣雨天氣過(guò)程中大氣垂直速度、相對(duì)濕度和500 hPa散度場(chǎng)隨時(shí)間的演變特征(圖2)。6日08:00—24:00，晉西北地區(qū)岢嵐氣象臺(tái)站上空為整層的負(fù)垂直速度區(qū)(即抬升區(qū))(圖2a)，且相對(duì)濕度明顯增大(圖2b)，在動(dòng)力和水汽條件配合下，出現(xiàn)降雨天氣；7日，雖然大氣抬升能力出現(xiàn)減弱，但水汽條件更加充沛，大部分高度范圍內(nèi)相對(duì)濕度接近100%；相對(duì)于6日和7日，8日大氣抬升能力進(jìn)一步減弱，且大氣中水汽含量明顯偏干，相對(duì)濕度不足50%，在動(dòng)力和水汽條件都明顯不足的情況下，8日是晴間多云天氣。對(duì)照?qǐng)D1可知，6日出現(xiàn)4 h降雨，累計(jì)降雨量為10.0 mm；7日出現(xiàn)15 h降雨，累計(jì)降雨量為28.2 mm， 6日和7日每小時(shí)的降雨量分別為2.50 mm和1.88 mm；8日無(wú)降雨。此次雷陣雨天氣過(guò)程中垂直速度與降水量關(guān)系密切，對(duì)比圖1c，強(qiáng)垂直速度引起的上升運(yùn)動(dòng)與雷暴時(shí)間段非常吻合，因此今后雷暴預(yù)報(bào)中需對(duì)強(qiáng)垂直速度引起的上升運(yùn)動(dòng)進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。

圖2c為500 hPa散度沿111.5°E的時(shí)間—緯度剖面，圖中粗黑線位置為岢嵐氣象臺(tái)所在緯度，圖2d為氣象臺(tái)上空500 hPa散度的時(shí)間演變?？梢悦黠@看出此次雷陣雨天氣過(guò)程中500 hPa散度存在快速、明顯的交替變化，表明大氣中存在尺度小且傳播速度快的波動(dòng)，說(shuō)明此次雷陣雨天氣過(guò)程中對(duì)流層存在明顯的大氣重力波活動(dòng)。下面將利用6—8日探空資料獲取大氣重力波參數(shù)，并研究大氣重力波參數(shù)的演變特征。

圖2 2013年8月6—8日垂直速度(a,單位：Pa·s-1)和相對(duì)濕度(b,單位：%)的時(shí)間—高度垂直剖面，500 hPa散度沿111.5°E的時(shí)間—緯度剖面(c)及氣象臺(tái)站上空500 hPa散度的演變(d)

2 資料及計(jì)算原理簡(jiǎn)介

研究資料為山西岢嵐氣象站提供的垂直高分辨率探空資料，由GTS1電子探空儀獲取大氣溫度、相對(duì)濕度及氣壓垂直廓線，通過(guò)L波段二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)跟蹤探空氣球獲取大氣的風(fēng)向和風(fēng)速。雖然所得氣象要素的垂直分辨率很高，但間隔不等，為計(jì)算方便，通過(guò)采用3次樣條插值，得到垂直分辨率為50 m的氣象要素值。

3 結(jié)果分析

3.1 橢圓偏振度和波能比

利用擾動(dòng)場(chǎng)提取大氣重力波參數(shù)之前，先用橢圓偏振度d值大小判斷擾動(dòng)場(chǎng)中單頻波所占比例，若d=1則波動(dòng)為單頻波，d=0即為隨機(jī)波[9-10,16-17]。在實(shí)際大氣中，擾動(dòng)場(chǎng)中常含多種不同尺度的波動(dòng)，因此，大多數(shù)情況下其值為0

根據(jù)線性重力波理論，若擾動(dòng)為重力慣性波，可得其擾動(dòng)動(dòng)能密度EK與擾動(dòng)勢(shì)能密度Ep之比值，即波能比[9-10,17]：

(1)

由上式可知，重力慣性波的擾動(dòng)動(dòng)能密度不小于擾動(dòng)勢(shì)能密度，若|σ|?|f|，則表明擾動(dòng)為純重力波，此時(shí)兩者幾乎相等?？紤]到實(shí)際大氣中會(huì)存在多種不同強(qiáng)度的噪音，因此由(1)式得到的比值應(yīng)略>1。許多研究[9-10,16]表明該比值一般不超過(guò)4。

圖3為6—8日橢圓偏振度和波能比的演變，可以看出，橢圓偏振度最小值為0.66(6日)，最大值為0.78(7日)，平均值達(dá)到0.74，比較接近1，因此所得擾動(dòng)場(chǎng)可認(rèn)為主要由單頻波組成。波能比6日為1.12，7日為1.02，非常接近1，表明雷暴前期(6日)和發(fā)展期(7日)的擾動(dòng)場(chǎng)基本是純重力波；而8日，波能比達(dá)到2.81，表明此時(shí)擾動(dòng)場(chǎng)中除含有純重力內(nèi)波外，還含有慣性波。

圖3 2013年8月6—8日橢圓偏振度(實(shí)線)和擾動(dòng)動(dòng)能密度與擾動(dòng)勢(shì)能密度之比(虛線)

由6—8日波能比的大小變化，可以理解為此次雷陣雨天氣產(chǎn)生(6日)和發(fā)展期(7日)，大尺度天氣系統(tǒng)影響弱，主要是小尺度天氣系統(tǒng)，導(dǎo)致其受地球自轉(zhuǎn)影響偏弱，因此激發(fā)出的主要是小尺度純重力內(nèi)波，而非慣性重力波；當(dāng)雷陣雨消亡時(shí)，小尺度天氣系統(tǒng)已經(jīng)消失，此時(shí)天氣主要受大尺度天氣系統(tǒng)控制，在科里奧利力作用下將生成慣性波，故此時(shí)擾動(dòng)主要由慣性重力波(而不是純重力波)組成。

3.2 波周期

根據(jù)線性重力波理論，可得到2個(gè)水平風(fēng)速分量振幅的比值R為：

(2)

由于重力波引起的偏振橢圓可以通過(guò)水平速度分量的主成分分析得到，因此該比值也等于偏振橢圓長(zhǎng)短軸之比[9-10,17]，即有如下關(guān)系式：

(3)

上式中的AXR為擬合橢圓的長(zhǎng)短軸之比，λ1和λ2分別為由水平風(fēng)速矢量(u′(z)，v′(z))擬合橢圓得到的橢圓長(zhǎng)軸和短軸的半徑平方值，其中橢圓長(zhǎng)軸的方向表達(dá)重力波水平傳播方向。通過(guò)利用Stokes參數(shù)分析方法[9-10,16-17,19]可確定偏振橢圓的長(zhǎng)短軸及其比值，通過(guò)(3)式，可求得重力波的波頻率σ和波周期T(2π/σ)。

此次雷陣雨生成前期(6日)的波周期為1.05 h，隨著對(duì)流活動(dòng)繼續(xù)增強(qiáng)，到發(fā)展全盛期(7日)時(shí)，波周期只有0.22 h，當(dāng)雷陣雨天氣消亡時(shí)，此時(shí)的波周期明顯變長(zhǎng)，達(dá)到9.06 h。該重力波周期的顯著變化很好地反映出此次雷陣雨天氣過(guò)程的特點(diǎn)，即由尺度小、周期短的強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)引起，雷陣雨發(fā)展前期(6日)，強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)開(kāi)始形成，大氣由地轉(zhuǎn)準(zhǔn)平衡狀態(tài)調(diào)整為非地轉(zhuǎn)狀態(tài)，并激發(fā)出大氣重力波，隨著強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)發(fā)展(7日)，導(dǎo)致大氣非地轉(zhuǎn)特性進(jìn)一步加強(qiáng)，此時(shí)有利于激發(fā)出周期更短、尺度更小的大氣重力波；隨著強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)逐漸減弱至消失(8日)，考慮到大氣重力波是頻散波，在傳播過(guò)程中，所攜帶的能量會(huì)逐漸耗散并最終消失，表現(xiàn)為水平波長(zhǎng)增長(zhǎng)、周期增大、群速變慢，此時(shí)大氣由非地轉(zhuǎn)狀態(tài)調(diào)整為地轉(zhuǎn)準(zhǔn)平衡狀態(tài)，天氣明顯轉(zhuǎn)好。

3.3 波長(zhǎng)

(4)

將上面求得的波動(dòng)頻率σ和垂直波數(shù)m代入重力波頻散關(guān)系式[9,17,20]中，重力波頻散關(guān)系式如下：

(5)

式中的f為地轉(zhuǎn)參數(shù)，kh為水平波數(shù)，m為垂直波數(shù)，σ為頻率，N是Brunt-Vaisala頻率。在波動(dòng)頻率σ、垂直波數(shù)m和Brunt-Vaisala頻率N已知的情況下，通過(guò)(5)式可求得水平波數(shù)kh，由波數(shù)與波長(zhǎng)的關(guān)系，得到水平波長(zhǎng)lh，計(jì)算表達(dá)式如下：

(6)

圖4描述了6—8日對(duì)流層重力波的垂直和水平波長(zhǎng)變化特征?？梢钥闯?，此次雷陣雨天氣過(guò)程中，重力波的垂直波長(zhǎng)都較短，且變化不大，介于2.84～3.28km，平均為3.08km；然而重力波的水平波長(zhǎng)變化明顯，8日重力波的水平波長(zhǎng)(268.98km)比6日與7日水平波長(zhǎng)之和還要大很多，7日重力波水平波長(zhǎng)最小，為5.67km，6日重力波水平波長(zhǎng)為26.36km。Mbatha等[26]分析2002年9月南半球平流層突然增溫時(shí)大氣重力波特征時(shí)，指出在平靜期大氣重力波水平波長(zhǎng)明顯變長(zhǎng)。本次雷陣雨天氣消亡時(shí)的重力波水平波長(zhǎng)也是明顯變長(zhǎng)。

圖4 2013年8月6—8日重力波垂直波長(zhǎng)(實(shí)線)和水平波長(zhǎng)(虛線)變化

3.4 波傳播方向

利用水平風(fēng)速矢量(u′(z)，v′(z))擬合橢圓后得到的橢圓長(zhǎng)軸方向即為波傳播方向，此時(shí)得到的波傳播方向α存在180°的不確定性，可通過(guò)借助Hilbert變換后的歸一化溫度擾動(dòng)和速度擾動(dòng)分量之間的關(guān)系[9-10,16-17]來(lái)解決該不確定性。

從圖5看出，重力波的傳播方向差別較大，雷陣雨前期(6日)，近似于向西方向(-93.51°)，雷陣雨發(fā)展期(7日)與消亡期(8日)的方向相反，前者為東北方向(35.05°)，后者為西南方向(-140.10°)。

圖5 重力波6日(a)，7日(b)和 8日(c)的水平傳播方向

3.5 水平波相速和群速

利用線性重力波方程組求得的頻散關(guān)系式[9,17,20]，可以得到大氣重力波的水平相速，表達(dá)式如下：

(7)

當(dāng)考慮背景風(fēng)場(chǎng)影響時(shí)，其計(jì)算表達(dá)式如下：

(8)

同理，可以求得大氣重力波的水平群速，表達(dá)式如下：

(9)

考慮背景風(fēng)場(chǎng)時(shí)的水平方向群速為：

(10)

比較考慮背景風(fēng)場(chǎng)后的水平相速和群速矢量圖，可以看出，6日、7日的水平相速與群速值大小和方向均非常接近，由公式(8)和(10)可知此時(shí)|σ|?|f|，表明6日、7日重力波可看作為純重力內(nèi)波，進(jìn)一步印證上述結(jié)論，而且此時(shí)的重力波可視為非頻散波，不利于擾動(dòng)能量的耗散；但在8日，雖然兩者方向基本相同，但群速大小為2.60 m·s-1，是考慮背景風(fēng)場(chǎng)時(shí)水平相速(1.02 m·s-1)的2倍多，呂美仲等[27]指出當(dāng)群速大于相速時(shí)，擾動(dòng)能量向下傳播，波群的寬度加寬，擾動(dòng)能量將逐漸被“分散”，即大氣由非地轉(zhuǎn)平衡狀態(tài)開(kāi)始調(diào)整為準(zhǔn)地轉(zhuǎn)平衡狀態(tài)。鄧少格等[17]在利用WRF數(shù)值模式結(jié)果分析江淮暴雨過(guò)程中重力波的波相速、群速特征時(shí)，也得到上述結(jié)論。

圖6 2013年8月6(左)、7(中)、8(右)日重力波水平相速變化(上)，考慮背景風(fēng)場(chǎng)的水平相速(中)和波群速(下)的矢量圖

4 結(jié)論和討論

多山的晉西北地區(qū)2013年8月6—8日出現(xiàn)了一次雷陣雨天氣過(guò)程，其中6日前期晴天，后期開(kāi)始出現(xiàn)雷暴和降雨；7日前期有雷暴和降雨，隨后轉(zhuǎn)為陰天；8日前期為陰天，后期天氣開(kāi)始明顯轉(zhuǎn)好。通過(guò)利用Stokes參數(shù)和主成分分析法，并借助Hilbert變換后的歸一化溫度擾動(dòng)和速度擾動(dòng)分量之間的關(guān)系，利用每日08:00垂直高分辨率探空資料獲取此次雷陣雨天氣過(guò)程中的大氣重力波參數(shù)，并對(duì)重力波多種參數(shù)的演變特征進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明：

(1)6—8日大氣重力波橢圓偏振度均>0.6，平均值為0.74，比較接近1，因此與該雷陣雨天氣過(guò)程相伴的擾動(dòng)場(chǎng)可認(rèn)為由單頻波組成；雷陣雨前期(6日)、發(fā)展期(7日)和消亡期(8日)的波能比(Ek/Ep)分別為1.12、1.02和2.81，表明6日、7日的重力波可視為純重力波，而8日為重力慣性波；

(2)雷陣雨生成前期的波周期為1.05 h，隨著對(duì)流活動(dòng)繼續(xù)增強(qiáng)，到發(fā)展全盛期，波周期只有0.22 h，而當(dāng)雷陣雨天氣消亡時(shí)，此時(shí)波周期明顯變長(zhǎng)，達(dá)到9.06 h。說(shuō)明此次雷陣雨天氣由尺度小、周期短的強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)引起，當(dāng)雷陣雨天氣消亡時(shí)，大氣已調(diào)整為準(zhǔn)地轉(zhuǎn)平衡狀態(tài)；

(3)在整個(gè)天氣過(guò)程中，重力波的垂直波長(zhǎng)都較短，且變化不大，介于2.84～3.30 km之間，平均為3.08 km；但重力波的水平波長(zhǎng)變化明顯，8日重力波的水平波長(zhǎng)(268.98 km)比6日與7日的水平波長(zhǎng)之和還要大很多，7日重力波水平波長(zhǎng)最小，為5.67 km，6日重力波水平波長(zhǎng)為26.36 km，進(jìn)一步說(shuō)明此次雷陣雨天氣是由空間尺度小、周期短的強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)引起，當(dāng)小尺度的強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)消亡時(shí)，大氣受大尺度天氣系統(tǒng)控制，重力波的水平波長(zhǎng)會(huì)明顯變長(zhǎng)；

(4)6—8日重力波傳播方向差別較大，6日近似于向西方向(-93.51°)傳播，7日和8日的波傳播方向相反，前者為東北方向(35.05°)，后者為西南方向(-140.10°)；

(5)當(dāng)不考慮背景風(fēng)場(chǎng)影響時(shí)，水平相速方向與水平傳播方向基本相同，相速為5.9～7.1 m·s-1；如果考慮背景風(fēng)場(chǎng)作用，除雷陣雨發(fā)展期(7日)的水平相速大小方向變化不大外，其余的傳播方向、相速大小存在很大變化，雷陣雨前期(6日)相速為18.69 m·s-1，而雷陣雨消亡期相速值只有1.02 m·s-1；

(6)比較考慮背景風(fēng)場(chǎng)后的水平相速和群速，發(fā)現(xiàn)6日、7日的水平相速與群速值大小和方向均非常接近，表明6日、7日重力波可看作純重力內(nèi)波，而且此時(shí)的重力波可視為非頻散波，不利于擾動(dòng)能量的耗散；但8日雖然兩者方向基本相同，但群速大小為2.60 m·s-1，是考慮背景風(fēng)場(chǎng)時(shí)水平相速的2倍多，導(dǎo)致擾動(dòng)能量向下傳播，波群的寬度加寬，擾動(dòng)能量將逐漸被“分散”，大氣由非地轉(zhuǎn)平衡狀態(tài)開(kāi)始調(diào)整為準(zhǔn)地轉(zhuǎn)平衡狀態(tài)。

通過(guò)上述分析，得到晉西北地區(qū)一次雷陣雨天氣過(guò)程中大氣重力波多種波參數(shù)的大小值及其變化特征，后續(xù)將針對(duì)更多雷陣雨天氣過(guò)程進(jìn)行同樣研究，以期加深認(rèn)識(shí)此類天氣過(guò)程中大氣重力波參數(shù)大小范圍及其演變特征，得到具有普遍意義的結(jié)果。

致謝：感謝澳大利亞Adelaide大學(xué)R.Vincent教授提供相關(guān)分析程序

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Evolution Characteristics of Gravity Wave Parameters in the Process of a Thunderstorm in Northwestern Shanxi

CHENG Huhua

(TheMetOfficeofTaiyuanSatelliteLaunchCenter,Kelan036301,China)

The paper was about a thunderstorm process occurring in Northwestern Shanxi area during August 6-8 of 2013. By using the vertical high resolution sounding data, the gravity wave parameters such as the period, horizontal wavelength, vertical wavelength, wave propagation direction and group velocity were obtained firstly, then their evolution characteristics were studied. Results show that during the thunderstorm generation and development period ( 6-7 August), the small period, short horizontal wavelength and faster group velocity of the gravity wave were resulted from the ageostrophic balance in the small-scale strong convective weather system, the period and horizontal wavelength of gravity wave reduced from 1.05 h, 23.36 km to 0.22 h and 5.67 km, and group velocity increased from 5.30 m·s-1to 18.69 m·s-1, the propagation direction changed from -93.51° to 35.05°. While the thunderstorm got into the declining period (August 8), atmosphere was re-adjusted to the quasi-geostrophic balance state, it was under the control of the large scale weather systems, the period and horizontal wavelength of gravity wave increased and group velocity decreased obviously. The period and horizontal wavelength of gravity wave increased rapidly from 0.22 h, 5.67 km to 9.06 h and 268.98 km, and group velocity quickly reduced from 18.69 m·s-1to 2.60 m·s-1, the propagation direction changed from 35.05° to -140.10°. In the process of the thunderstorm, the vertical wavelength had little change. Therefore, the existence of the gravity wave with smaller period, shorter wavelength and faster group velocity was closely associated with the occurrence of thunderstorm.

gravity wave; thunderstorm; sounding data; wave parameters; northwestern Shanxi

10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-05-0811

2015-11-29 ；改回日期：2016-01-17

總裝青年科技基金項(xiàng)目(2014ZBTY4003)和太原衛(wèi)星發(fā)射中心科學(xué)基金項(xiàng)目(2015ZBTY4008)共同資助

程胡華(1983-)，男，工程師，主要從事氣候、中尺度氣象和臨近空間環(huán)境研究. E-mail：chenghongxi2012@qq.com

1006-7639(2016)-05-0811-09 DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-05-0811

P432

A

程胡華.晉西北地區(qū)一次雷陣雨天氣過(guò)程中重力波參數(shù)演變特征[J].干旱氣象，2016，34(5)：811-819, [CHENG Huhua. Evolution Characteristics of Gravity Wave Parameters in the Process of a Thunderstorm in Northwestern Shanxi[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(5):811-819],