低层大气中包含重力波、行星波在内的各种尺度的波动，受对流层波源激发后可向上传播到平流层及以上大气。各种尺度的波动通过沉积动量和能量的方式改变背景风场，波破碎产生的湍流也会带来物质和能量的交换。基于此，厘清大气波动影响环流结构的物理过程和作用机制，是有待解决的关键科学问题之一。本书首先介绍了大气科学领域中与波动相关的基础知识，然后基于观测资料、模式结果和再分析数据，分别重点讨论了湍流、小尺度重力波、惯性重力波、天气尺度行星波以及准静止行星波与背景大气的相互作用过程。本书旨在提升对热点区域大气环流及物质能量交换规律的认知水平，深化对大气波动现象的认识，分析评估对流层和平流层中的关键物理过程，进而有效提升大气环流模式精度，为保障航空航天活动提供大气环境的理论和结果参考。
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目录
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第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 大气湍流 3
1.2.1 大气湍流简介 3
1.2.2 大气湍流时空分布以及相关因子 4
1.3 大气重力波 5
1.3.1 大气重力波简介 5
1.3.2 重力波线性理论 7
1.4 大气行星波 11
1.4.1 大气行星波简介 11
1.4.2 行星波传播机制 12
1.5 波流相互作用 14
1.5.1 临界层滤波 15
1.5.2 平流层爆发性增温 17
1.5.3 平流层准两年振荡 17
1.5.4 大气阻塞 19
1.5.5 波导遥相关 20
1.6 本书内容结构 21
1.6.1 本书内容 21
1.6.2 章节结构 22
第二章 资料和方法介绍 24
2.1 数据资料 24
2.1.1 往返式平飘探空数据 24
2.1.2 无线电探空数据 26
2.1.3 再分析数据 28
2.1.4 Aura／Mls卫星数据 30
2.1.5 CMIP6模式数据 32
2.2 理论与方法 34
2.2.1 湍流的识别与计算 34
2.2.2 小尺度重力波的识别与量化 36
2.2.3 惯性重力波参数的提取 38
2.2.4 准共振放大理论及计算 43
2.2.5 行星波参数计算 45
第三章 湍流活动特征及其与降水的关系 48
3.1 引言 48
3.2 探测数据介绍 49
3.3 西北地区湍流参数结果 50
3.3.1 背景场分布特征 50
3.3.2 湍流参数的计算和分析 52
3.4 平流层异常湍流分析 56
3.4.1 背景大气稳定性分析 56
3.4.2 湍流影响要素分析 58
3.5 湍流统计特征分析 61
3.5.1 背景场分布特征 61
3.5.2 湍流参数的计算和分析 64
3.6 湍流与降水的关系 65
3.6.1 湍流与降水的分布趋势分析 65
3.6.2 对流层中上层湍流与降水的相关系数分析 69
3.7 本章小结 75
第四章 平流层小尺度重力波的识别与诊断分析 77
4.1 引言 77
4.2 探测试验介绍 78
4.3 小尺度重力波的波数谱分析 81
4.3.1 谱分析方法 81
4.3.2 谱分析结果 83
4.4 小尺度重力波的扰动特征分析 88
4.4.1 三阶结构函数分析 88
4.4.2 多阶结构函数分析和Hust指数 90
4.4.3 重力波的演化特征及奇异测度 93
4.4.4 小尺度重力波的识别 96
4.4.5 相关数据处理的补充说明 98
4.5 统计结果及其在物质交换和能量传输中的响应 98
4.5.1 扰动参数的统计结果 98
4.5.2 多尺度波动之间的潜在联系 109
4.5.3 参数空间和臭氧传输的关系 110
4.5.4 单物理流区结果的计算 113
4.6 扰动参数的准拉格朗日测量 116
4.6.1 测量方法改进 116
4.6.2 测量结果分析 119
4.7 本章小结 122
第五章 惯性重力波活动分析及其在QBO中断中的特征 125
5.1 引言 125
5.2 测站介绍和背景场介绍 126
5.2.1 探空站点简介 126
5.2.2 背景场分析 127
5.3 速度图分析 129
5.3.1 准单色惯性重力波特征 129
5.3.2 垂直波数谱分析 133
5.4 斯托克斯参数法 135
5.4.1 速度图分析和斯托克斯参数法计算结果的对比 135
5.4.2 IGW参数的箱线图分析 136
5.4.3 IGW温度扰动的谱分析 138
5.4.4 IGW的能量和动量通量分析 139
5.4.5 IGW的频率、波长和传播特性分析 143
5.5 惯性重力波对背景风场的强迫 147
5.5.1 动量通量的水平相速度谱 147
5.5.2 15／16D期间的背景场特征 149
5.5.3 15／16D期间的IGP活动特征 151
5.6 本章小结 154
第六章 天气尺度行星波的准共振放大与极端高温 157
6.1 引言 157
6.2 近年来准共振放大事件与极端高温的关系 158
6.2.1 2022 年夏季的准共振放大事件 158
6.2.2 重叠波导 159
6.2.3 近几年的共振波事件及其背景流的配置 161
6.3 共振波在极端高温中的作用 164
6.3.1 对不同类型高振幅波的地表温度响应 164
6.3.2 中纬度极端天气指数 167
6.3.3 波流相互作用的机理分析 171
6.4 共振波的趋势分析 173
6.4.1 再分析资料中共振波的趋势分析 173
6.4.2 CMIP6 模式中共振波的趋势分析 175
6.5 本章小结 180
第七章 准静止行星波的赤道向传播与QPO中断 181
7.1 引言 181
7.2 两次QPO中断期间的异常行星波活动 182
7.2.1 行星波的气候态特征 182
7.2.2 异常的波活动特征 184
7.3 异常行星波的传播和耗散 188
7.3.1 不同时段的波强迫和传播 188
7.3.2 东移行星波的破碎 190
7.4 波动力配置与平流层爆发性增温 195
7.5 再分析资料的验证 200
7.6 本章小结 209
第八章 后记 211
8.1 主要工作和结论 211
8.2 主要创新点 213
8.3 未来工作展望 214
参考文献 216
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