基于秒級(jí)探空資料的中國(guó)地區(qū)浮力頻率分布

李芳芳 陳起英 吳泓錕

1)(成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院， 成都 610225)2)(國(guó)家氣象中心， 北京 100081)

引 言

浮力頻率(也稱為brunt-vaisala頻率)是指在抬升或下降過(guò)程中，空氣塊在自身與環(huán)境空氣之間密度差異作用下，所產(chǎn)生的振蕩運(yùn)動(dòng)的頻率[1-2]，它建立在溫度梯度的基礎(chǔ)上，是用來(lái)描述大氣層結(jié)穩(wěn)定性的直接指標(biāo)[3]，其大小可以直觀反映大氣擾動(dòng)的強(qiáng)弱。在對(duì)流層中浮力頻率的大小影響著大氣波動(dòng)[4]和對(duì)流天氣系統(tǒng)發(fā)展的程度和傳播的深淺[5-6]；在平流層中浮力頻率的大小分布情況對(duì)重力波拖曳也會(huì)產(chǎn)生影響[7-8]，它是重力波頻散關(guān)系[9]和能量估計(jì)的尺度因子[10]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于浮力頻率相關(guān)的研究工作眾多。Juckes[11]分析了伴隨氣旋過(guò)程的對(duì)流潛熱加熱在控制中緯度靜力穩(wěn)定性的作用時(shí)，得到中緯度對(duì)流層增溫將伴隨大氣穩(wěn)定性增強(qiáng)的結(jié)論。劉瑋等[12]和楊婷等[13]用NCEP/NCAR再分析資料和WRF數(shù)值模式結(jié)果分析了浮力頻率大小對(duì)對(duì)流天氣的影響，發(fā)現(xiàn)熱帶地區(qū)深對(duì)流的發(fā)展與對(duì)流層的浮力頻率變化有關(guān)。吳永富等[14-15]分析得到浮力頻率的平方(N2)是決定重力波水平速度和垂直波數(shù)譜的重要因子。

但這些研究工作多集中于對(duì)浮力頻率的重要性的研究，對(duì)于浮力頻率分布特征的研究報(bào)道相對(duì)較少。王麗吉等[3]利用歷史火箭探空資料統(tǒng)計(jì)分析了1962—1991年赤道到北半球中緯度地區(qū)的浮力頻率，發(fā)現(xiàn)對(duì)流層之上(30～60 km)浮力頻率呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。常啟海等[16]利用WIPM瑞利激光雷達(dá)資料分析了武漢上空(30～60 km)的浮力頻率變化，發(fā)現(xiàn)其呈現(xiàn)出近半年振蕩，且全年基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。陳權(quán)亮等[17]利用NCEP/NCAR和HALOE資料分析平流層浮力頻率，發(fā)現(xiàn)陸地上空的浮力頻率大于海洋上空。

以上這些對(duì)浮力頻率分布特征的少量研究工作，大多數(shù)集中在平流層，對(duì)低層大氣(5～30 km)區(qū)域內(nèi)浮力頻率的研究報(bào)道不多，且所用資料有明顯局限性，或者是只在衛(wèi)星經(jīng)過(guò)本地才有觀測(cè)的不連續(xù)的衛(wèi)星資料，或者是再分析資料，未采用可靠、時(shí)間連續(xù)的觀測(cè)資料,尤其缺乏對(duì)整個(gè)中國(guó)地區(qū)對(duì)流層及低平流層浮力頻率時(shí)空分布特征的系統(tǒng)研究。

2010年底我國(guó)探空站的探空系統(tǒng)全部升級(jí)為L(zhǎng)波段探測(cè)系統(tǒng)，它的電子探空儀采用單子感應(yīng)元件，采用可達(dá)到1.2 s的秒級(jí)周期，大大提高了大氣探測(cè)精度，且提供了密集的秒級(jí)資料，為獲取高垂直分辨率的廓線探空信息提供了很好的平臺(tái)[18-19]。秒級(jí)探空資料不僅精度高，且定時(shí)定點(diǎn)，站點(diǎn)分布比較均勻，有很好的代表性，用來(lái)研究中國(guó)地區(qū)對(duì)流層及低平流層浮力頻率分布特征具有很大的優(yōu)勢(shì)。

1 資料與方法

1.1 研究資料

本文所用資料是2014年6月—2017年5月中國(guó)區(qū)域(3°～53°N，73°～135°E)120個(gè)L波段探空站，觀測(cè)頻率為每日4次(00:00，06:00，12:00，18:00 (世界時(shí)，下同))，近30萬(wàn)個(gè)探空樣本組成的資料集。根據(jù)地理分布特征，本文將120個(gè)站分為6個(gè)區(qū)域進(jìn)行研究，站點(diǎn)分布情況如圖1所示，分別是東北、華北、西北、華東、中南、西南。由圖1可見(jiàn)6個(gè)區(qū)域的站點(diǎn)分布比較均勻，站點(diǎn)的代表性較好。圖1中空心點(diǎn)表示海拔高度小于2000 m的站點(diǎn)(以下稱平原站點(diǎn))，黑點(diǎn)表示海拔高度達(dá)到及大于2000 m的站點(diǎn)(以下稱高原站點(diǎn))?？梢?jiàn)低海拔站點(diǎn)覆蓋了我國(guó)大部分區(qū)域，高海拔站點(diǎn)主要分布在青藏高原附近，涉及西北和西南兩個(gè)區(qū)域。

圖1 中國(guó)L波段探空站點(diǎn)分布Fig.1 The distribution of L-band sounding stations in China

L波段高空探測(cè)系統(tǒng)是用來(lái)采集資料的主要設(shè)備，主要由GFE(L)型高空氣象探測(cè)雷達(dá)和GTS1型數(shù)字探空儀組成[20]。氣壓、溫度、風(fēng)速等氣象要素的資料采集由GTS1型數(shù)字探空儀完成。GTS1型探空儀在升空過(guò)程中將環(huán)境溫度、氣壓、風(fēng)速分別對(duì)熱敏電阻、硅壓敏電橋、濕敏電阻產(chǎn)生的電阻或電壓的改變值轉(zhuǎn)換成不同的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，地面GFE(L)型二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)通過(guò)接收探空儀的溫度、氣壓、風(fēng)速無(wú)線電二進(jìn)制代碼和測(cè)距應(yīng)答脈沖完成垂直高度上的溫、壓、濕、風(fēng)向、風(fēng)速的綜合測(cè)量[21]。GTS1型探空儀的測(cè)量周期為1.2±0.1 s，每分鐘采集的頻率為50次，以400 m/min的速度上升，垂直分辨率達(dá)到8 m，具有很高的分辨率和實(shí)時(shí)采集能力[22]。圖2a給出了北京站(54511)在2017年1月1日00:00溫度垂直分布的散點(diǎn)圖，選取了兩種不同的探空資料進(jìn)行對(duì)比，秒級(jí)探空資料和常規(guī)探空資料隨高度的分布趨勢(shì)基本一致，但秒級(jí)探空資料較常規(guī)探空資料密集許多，由此可見(jiàn),秒級(jí)探空資料對(duì)氣象要素的實(shí)時(shí)描述非常精細(xì)。

圖2 2017年1月1日00:00北京站資料對(duì)比(a)兩種探空資料的對(duì)比，(b)秒級(jí)探空資料插值前后對(duì)比Fig.2 Comparison of two kinds of data at Beijing Station at 0000 UTC 1 Jan 2017(a)the comparison of two radiosonde data, (b)the comparison of second-level sounding data before and after interpolation

1.2 研究方法

由于120個(gè)站使用兩種不同的探空氣球，同時(shí)隨著天氣的好壞，氣球爆炸的高度不一致。本文首先對(duì)氣球炸裂的高度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)達(dá)到25 km 高度的樣本占總體的85%，因此，本文研究的高度范圍設(shè)置為2～25 km，剔除爆炸高度低于25 km的樣本和氣球在上升過(guò)程中存在上升高度嚴(yán)重不連續(xù)的樣本。另外，由于青藏高原大地形的影響，青藏高原周圍的站點(diǎn)起始高度高、觀測(cè)范圍相對(duì)較薄，為了更充分地利用平原地形的資料，本文按照氣象站點(diǎn)的海拔高度，將站點(diǎn)分成平原(2000 m以下)和高原(2000 m及以上)兩部分，分別采用不同的分析范圍完成浮力頻率的統(tǒng)計(jì)分析，以充分利用平原地區(qū)的低層資料。平原地區(qū)包括東北、華北、中南、華南4個(gè)區(qū)域和西北、西南區(qū)域中低于2000 m地區(qū)，分析范圍為2～25 km高度；高原地區(qū)包括西北和西南2個(gè)區(qū)域中達(dá)到及超過(guò)2000 m地區(qū)，分析范圍為5～25 km高度。

在計(jì)算浮力頻率之前，為了計(jì)算方便，首先利用三次樣條插值(直接用三次樣條的垂直導(dǎo)數(shù))將原始分辨率為8 m左右的溫度數(shù)據(jù)插值到間隔為50 m的均勻分層上，圖2b為三次樣條插值前后的對(duì)比，插值前后資料的垂直變化特點(diǎn)保持得較好。

計(jì)算浮力頻率(N2)的公式如下[11]:

(1)

式(1)中，θ為位溫(單位：K)，g為重力加速度(單位：m·s-2)，z為高度(單位：m)。重力加速度隨緯度和高度的變化均很小，且其變化對(duì)浮力頻率(N2)產(chǎn)生的影響也很小，因此，本文將重力加速度g取為常數(shù)9.8 m·s-2。N2<0時(shí)，大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)，易產(chǎn)生對(duì)流；N2>0，大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)。浮力頻率值越大，大氣溫度垂直變化越快。

2 浮力頻率的空間分布特征

2.1 浮力頻率的垂直分布

圖3為2014—2017年中國(guó)地區(qū)平均浮力頻率的垂直廓線。圖3中平原地區(qū)和高原地區(qū)浮力頻率的垂直分布在5 km以上總體上基本一致，浮力頻率值由下向上隨高度的變化均呈現(xiàn)10 km以下隨高度的變化很小，10～20 km隨高度的增加而增大，20～25 km隨高度的增加而小幅度減小，因此，20 km 處存在極大值。但平原地區(qū)比高原地區(qū)的浮力頻率廓線更光滑，小擾動(dòng)更少。在12 km處，平原地區(qū)存在一個(gè)極大值，而高原地區(qū)不存在；低平流層20 km處高原地區(qū)的極大值大于平原地區(qū)的極大值。平原地區(qū)5 km以下浮力頻率略大于5～10 km，隨高度變化不明顯。

為了方便后文分析，本文取10 km 以下為對(duì)流層，18～25 km為低平流層，浮力頻率變化較大的區(qū)域10～18 km為對(duì)流層向平流層的過(guò)渡層[5](以下簡(jiǎn)稱過(guò)渡層)。由圖3可以看出，對(duì)流層內(nèi)浮力頻率垂直梯度為正，低平流層內(nèi)浮力頻率梯度為負(fù)，但在各自的區(qū)域內(nèi)浮力頻率隨高度變化的振幅不大，接近于常數(shù)；低平流層穩(wěn)定在約5.5×10-4s-2，對(duì)流層穩(wěn)定在約1×10-4s-2。而在過(guò)渡層，浮力頻率隨高度增加明顯。

圖3 2014—2017年中國(guó)地區(qū)平均浮力頻率的垂直廓線Fig.3 Vertical profile of the average brunt-vaisala frequency in China from 2014 to 2017

2.2 浮力頻率垂直分布的區(qū)域差異

不同地區(qū)的溫度垂直分布存在一定差異，這種差異也會(huì)影響浮力頻率的垂直變化。本文進(jìn)行了中國(guó)不同區(qū)域浮力頻率垂直分布的比較(圖略)。平原地區(qū)浮力頻率的垂直廓線可分為南北兩組，東北、華北、西北等北方地區(qū)為一組，西南、中南、華南等南方地區(qū)為一組。在過(guò)渡層，北方地區(qū)在12 km之下隨高度增加，之上保持不變；南方地區(qū)在15 km之下基本不隨高度變化，之上隨高度增加。在低平流層和對(duì)流層(除2 km之下)，北方地區(qū)幾乎不隨高度變化；南方地區(qū)隨高度的變化振幅大于北方地區(qū)。高原地區(qū)分為西南和西北，其分布情況與平原地區(qū)相似。

2.3 浮力頻率的緯向分布

圖4為中國(guó)地區(qū)浮力頻率沿40°N的緯向平均值，在對(duì)流層中，浮力頻率自西向東增大，東部地區(qū)大于西部地區(qū)。在過(guò)渡層中，青藏高原和中國(guó)東部地區(qū)上空各存在一個(gè)大值中心，而在中國(guó)中部地區(qū)上空為小值中心，低平流層中，與過(guò)渡層正好相反，在中部地區(qū)上空存在閉合的大值中心，青藏高原和中國(guó)東部地區(qū)為相對(duì)小值區(qū)域。

圖4 2014—2017年中國(guó)地區(qū)浮力頻率N2沿40°N的緯向剖面(單位：10-4 s-2)Fig.4 Zonal section of the brunt-vaisala frequency in China from 2014 to 2017(unit:10-4 s-2)

2.4 浮力頻率的經(jīng)向分布

圖5為沿112°E的浮力頻率經(jīng)向平均值，在對(duì)流層中浮力頻率的經(jīng)向分布。在過(guò)渡層中，浮力頻率隨緯度的增大而增大，熱帶地區(qū)為小值中心；在低平流層中，浮力頻率在低緯度地區(qū)為大值中心，中心強(qiáng)度較強(qiáng)，且隨緯度的增大而減小。

圖5 2014—2017年中國(guó)地區(qū)浮力頻率N2沿112°E的經(jīng)向剖面(單位：10-4 s-2)Fig.5 Meridional section of brunt-vaisala frequency in China from 2014 to 2017(unit:10-4 s-2)

2.5 浮力頻率的空間分布

為了分析對(duì)流層和低平流層整層浮力頻率的空間分布情況，對(duì)對(duì)流層(2～10 km)和低平流層(18～25 km)分別進(jìn)行整層平均處理以求得各自整層的均值。圖6a為對(duì)流層浮力頻率年平均的地理分布，可見(jiàn)浮力頻率呈經(jīng)向分布，西部地區(qū)小，東部地區(qū)大。西部和東部地區(qū)的等值線都較稀疏，浮力頻率均勻分布。但在中部西南—東北線上等值線比較密集，浮力頻率的梯度很大，在青藏高原和云貴高原地區(qū)各存在極小值，分別達(dá)到1×10-4s-2和1.2×10-4s-2。由此可以看出，浮力頻率對(duì)中部西南—東北區(qū)域的各種動(dòng)力學(xué)過(guò)程影響會(huì)比較大。圖6b為年平均低平流層浮力頻率的地理分布。在低平流層中，浮力頻率等值線比對(duì)流層明顯密集，因此，在平流層中浮力頻率對(duì)動(dòng)力學(xué)過(guò)程的影響比對(duì)流層大。另外，在平流層中浮力頻率呈明顯的緯向分布，隨緯度的增大而減小，最大值在中國(guó)最南部區(qū)域，最小值在中國(guó)最北部區(qū)域。比較圖6a和圖6b可以發(fā)現(xiàn)，平流層受地形影響小，主要受太陽(yáng)輻射隨緯度變化的影響，而對(duì)流層受地形的影響大。

圖6 2014—2017年中國(guó)地區(qū)浮力頻率N2水平分布(單位：10-4 s-2)(a)對(duì)流層，(b)低平流層Fig.6 Horizontal distribution of brunt-vaisala frequency in China from 2014 to 2017(unit:10-4 s-2)(a)troposphere,(b)low stratosphere

3 浮力頻率的時(shí)間變化特征

3.1 垂直分布的季節(jié)變化

中國(guó)地區(qū)浮力頻率垂直分布具有明顯的季節(jié)變化(圖略)，下平流層的季節(jié)變化較小。在8～12 km和5 km以下冬季與其他季節(jié)的差異比較大，浮力頻率明顯比其他季節(jié)大。平流層的18～20 km冬春季比較一致，夏秋季也較相似，但夏半年與冬半年有較大的差異。過(guò)渡層4個(gè)季節(jié)變化均較大，冬半年的浮力頻率比夏半年更大一些，夏秋季的差異也較大，夏季最不穩(wěn)定。

3.2 水平分布的季節(jié)變化

在對(duì)流層中(圖7)浮力頻率季節(jié)變化明顯，春季、秋季分布比較相似，等值線比較稀疏，東部明顯大于西部；夏季呈東西向分布；冬季梯度明顯比其他季節(jié)大，最大值在東北，最小值在青藏高原附近。東北地區(qū)季節(jié)變化最明顯，夏季最小，冬季遠(yuǎn)較其他季節(jié)大，即非常穩(wěn)定。與對(duì)流層相比，低平流層浮力頻率地理分布(圖8)的季節(jié)差異不大，夏季和秋季的大值區(qū)較其他季節(jié)向北移。低平流層浮力頻率的季節(jié)性變化不大與平流層溫度隨季節(jié)變化較小有關(guān)。

3.3 浮力頻率的年變化

圖9為2014—2017年中國(guó)地區(qū)大氣浮力頻率的月平均變化。圖9a為中國(guó)北方地區(qū)，浮力頻率在5 km 以下隨時(shí)間呈現(xiàn)出較弱的1年周期變化，峰值出現(xiàn)在冬季，峰值中心值為1.5×10-4s-2，在10～18 km等值線密集且隨時(shí)間同樣呈現(xiàn)出1年的周期變化，峰值出現(xiàn)在冬季，峰值中心為4.5×10-4s-2，谷值出現(xiàn)在夏季，其他高度隨時(shí)間變化不明顯；南方地區(qū)浮力頻率在對(duì)流層隨時(shí)間變化不明顯，在10～15 km 的過(guò)渡層中與北方地區(qū)同高度浮力頻率隨時(shí)間的變化類似也存在1年的周期變化，峰值出現(xiàn)在冬季，谷值出現(xiàn)在夏季，但南方地區(qū)過(guò)渡層中心值的大小均較北方地區(qū)中心值小，在其他高度上隨時(shí)間無(wú)明顯變化(圖9b)。南北地區(qū)的平流層均隨時(shí)間變化不明顯，南北地區(qū)的對(duì)流層隨時(shí)間變化較小。

圖7 對(duì)流層大氣浮力頻率N2水平分布的季節(jié)變化(單位：10-4 s-2)Fig.7 Seasonal variation of brunt-vaisala frequency at tropospheric atmospheric(unit:10-4 s-2)

圖8 低平流層大氣浮力頻率N2水平分布的季節(jié)變化(單位：10-4 s-2)Fig.8 Seasonal variation of brunt-vaisala frequency in low stratosphere(unit:10-4 s-2)

圖9 2014—2017年中國(guó)地區(qū)大氣浮力頻率N2的月平均變化(單位:10-4 s-2)(a)北方地區(qū),(b)南方地區(qū)Fig.9 Monthly average variation of atmospheric brunt-vaisala frequency in China from 2014 to 2017(unit:10-4 s-2)(a)the north region,(b)the south region

續(xù)圖9

4 浮力頻率的應(yīng)用

4.1 浮力頻率對(duì)重力波動(dòng)量通量的影響

重力波動(dòng)量通量的垂直分布決定了重力波拖曳應(yīng)力產(chǎn)生的位置，因此，重力波動(dòng)量通量的分布是重力波參數(shù)化方案的核心。在重力波動(dòng)量通量的計(jì)算中，常常假定浮力頻率是常數(shù)值，但在2.1節(jié)的分析中，可以看到浮力頻率在對(duì)流層和平流層變化不大，但在過(guò)渡層浮力頻率隨高度明顯增加，不能作為常數(shù)處理。本節(jié)通過(guò)秒級(jí)探空計(jì)算出的真實(shí)精細(xì)的浮力頻率與采用常數(shù)浮力頻率還算的重力波緯向動(dòng)量通量(經(jīng)向動(dòng)量通量類似)的比較分析其影響。

重力波緯向動(dòng)量通量的計(jì)算公式為[23]

(2)

以2014年6月6日00:00北京站(54511)為例，圖10和圖11分別給出過(guò)渡層和對(duì)流層中浮力頻率分別采用隨高度變化的值和常數(shù)值計(jì)算的重力波動(dòng)量通量的垂直廓線。由圖10可見(jiàn)，在過(guò)渡層當(dāng)浮力頻率取常數(shù)時(shí)，重力波動(dòng)量通量隨高度在零附近呈現(xiàn)小幅度的振蕩變化(圖10c)；而當(dāng)浮力頻率隨高度變化時(shí)，動(dòng)量通量在11 km和17 km存在極小值，尤其是11 km，與浮力頻率取常數(shù)時(shí)差異很大(圖10a)。在對(duì)流層中，浮力頻率隨高度變化(圖11a)和取常數(shù)時(shí)(圖11c)，動(dòng)量通量隨高度變化的曲線基本一致。因此，在計(jì)算動(dòng)量通量時(shí)，對(duì)流層和平流層(圖略)浮力頻率可以取為常數(shù)，過(guò)渡層則不行。

4.2 浮力頻率對(duì)穩(wěn)定度計(jì)算的影響

常用Richardson數(shù)(Ri)判斷對(duì)流是否發(fā)展[24]。Ri通常存在一個(gè)臨界值Ric，當(dāng)RiRic時(shí)，則對(duì)流、湍流發(fā)展受到抑制。Ric通常取值0.25[24]。

圖12以2016年6月22日12:00 和23日00:00徐州站(58027)為例，分別采用目前天氣預(yù)報(bào)中常用的常規(guī)探空和本文采用的秒級(jí)探空兩種資料的Ri的對(duì)比分析浮力頻率對(duì)對(duì)流性天氣穩(wěn)定性的影響。圖12中五角星代表常規(guī)探空資料所計(jì)算的每層的Ri，黑點(diǎn)代表秒級(jí)探空的計(jì)算結(jié)果，由于秒級(jí)探空遠(yuǎn)比常規(guī)探空多，因此，點(diǎn)數(shù)明顯密集?？梢钥吹?，常規(guī)探空的Ri結(jié)果大于0.25，表明兩個(gè)時(shí)刻的大氣均處于穩(wěn)定狀態(tài)；而秒級(jí)探空資料所計(jì)算的很多層Ri均小于0.25，表明該時(shí)刻徐州上空大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)，尤其在1500 m上空的大氣處于極不穩(wěn)定的狀態(tài)，易發(fā)生對(duì)流，這與曹艷察等[25]文中圖6分析2016年6月23日00:00徐州對(duì)流層得到垂直風(fēng)切變較大、對(duì)流有效位能達(dá)到2822.7 J·kg-1，表明大氣處于極不穩(wěn)定狀態(tài)的結(jié)論一致；2016年6月22日和23日由浮力頻率和風(fēng)速切變對(duì)背景大氣不穩(wěn)定的反映，預(yù)示著有對(duì)流天氣發(fā)生，這與徐州在23日出現(xiàn)暴雨天氣的實(shí)際情況相符合。這表明秒級(jí)探空資料計(jì)算的的浮力頻率和風(fēng)速切變更精細(xì)，能更準(zhǔn)確地反映大氣穩(wěn)定度的變化。

圖10 2014年6月6日00:00北京站過(guò)渡層不同浮力頻率狀態(tài)下重力波動(dòng)量通量變化的比較 (a)動(dòng)量通量伴隨浮力頻率改變時(shí)的改變，(b)浮力頻率隨高度變化，(c)動(dòng)量通量伴隨浮力頻率不變時(shí)的改變，(d)浮力頻率不隨高度變化Fig.10 Comparison of gravity flux fluctuations at different brunt-vaisala frequency in transition layer at Beijing Station at 0000 UTC 6 Jun 2014(a)momentum flux changes with brunt-vaisala frequency change,(b)brunt-vaisala frequency changes with height, (c)momentum flux changes with buoyancy frequency as constant,(d)brunt-vaisala frequency is a constant

圖11 2014年6月6日00:00北京站對(duì)流層不同浮力頻率狀態(tài)下重力波動(dòng)量通量變化的比較 (a)動(dòng)量通量伴隨浮力頻率改變時(shí)的改變，(b)浮力頻率隨高度變化，(c)動(dòng)量通量伴隨浮力頻率不變時(shí)的改變，(d)浮力頻率不隨高度變化Fig.11 Comparison of gravity flux fluctuations at different brunt-vaisala frequency in troposphere layer at Beijing Station at 0000 UTC 6 Jun 2014(a)momentum flux changes with brunt-vaisala frequency change,(b)brunt-vaisala frequency changes with height, (c)momentum flux changes with buoyancy frequency as constant,(d)brunt-vaisala frequency is a constant

圖12 徐州站兩種探資料Ri的對(duì)比Fig.12 The comparison of Ri for two types of data at Xuzhou Station

5 結(jié) 論

本文利用2014年6月—2017年5月中國(guó)地區(qū)高垂直分辨率的秒級(jí)探空資料分析了中國(guó)地區(qū)浮力頻率的時(shí)空分布特征。結(jié)果表明：

1) 中國(guó)地區(qū)大氣浮力頻率總體分布特征為隨高度增加而增大，低平流層浮力頻率值整體大于對(duì)流層浮力頻率值，對(duì)流層平均值為1.12×10-4s-2，低平流層平均值為5×10-4s-2。但在對(duì)流層和低平流層內(nèi)浮力頻率隨高度變化較小，在理論分析和一些應(yīng)用中可以假定為常數(shù)。對(duì)流層向平流層的過(guò)渡層浮力頻率變化較大。對(duì)流層中浮力頻率受地形影響較大，高原地區(qū)為小值區(qū)，且自西向東逐漸增大；低平流層中浮力頻率受地形影響較小，隨緯度有明顯變化，自南向北逐漸減小。

2) 在5～10 km高度和低平流層中浮力頻率隨季節(jié)變化不明顯，過(guò)渡層中季節(jié)變化較大；平原地區(qū)的5 km 高度以下，季節(jié)變化明顯，冬季與其他季節(jié)的差異比較大，浮力頻率明顯比其他季節(jié)大。北方地區(qū)在對(duì)流層中5 km高度以下的浮力頻率隨時(shí)間呈現(xiàn)出1年的周期變化，峰值出現(xiàn)在冬季；南北地區(qū)在過(guò)渡層中的浮力頻率隨時(shí)間均呈現(xiàn)出1年的周期變化，峰值出現(xiàn)在冬季，谷值出現(xiàn)在夏季；南北地區(qū)低平流層中浮力頻率隨時(shí)間均無(wú)明顯變化。

3) 浮力頻率的大小變化對(duì)重力波參數(shù)有較大影響，秒級(jí)探空資料計(jì)算的的浮力頻率和風(fēng)速切變更精細(xì)，較常規(guī)探空資料更準(zhǔn)確地反映大氣穩(wěn)定度變化。