地形与非地形大气重力波的研究现状与未来展望

doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2025.039

大气重力波对大气水平和垂直结构以及垂直耦合具有显著影响。目前大气重力波的相关研究表明：①卫星适用于中高层大气重力波的观测，雷达在其垂直结构的精细观测方面最具优势，再分析资料则更适合用于全球大气重力波的特征分析。②相较于非地形重力波，地形重力波的垂直波长相对较长，且普遍可以传播至更高高度。③由于激发源相对固定，地形重力波溯源的结果相对准确，而非地形重力波的溯源难度很大，准确率偏低。④采用主流的静力和非静力参数化方案，能在数值模式中比较完整地模拟地形重力波的拖曳作用；采用单波和全局谱技术可以较为准确地模拟非地形重力波东西向的动量通量；但是目前尚不能准确模拟两类大气重力波生成发展的全过程。未来，随着观测技术的提升，会获取更多高质量的观测数据，这将有助于更清晰地了解大气重力波的特征。在此基础上，随着参数化方法的不断优化以及人工智能技术的应用，对两类大气重力波的形成机制将有更深入的认识，从而提升天气和气候模拟预测的准确性。

关键词: 地形重力波, 非地形重力波, 波动识别, 波动溯源, 参数化

Gravity Waves (GWs) significantly influence structure of the entire atmosphere and coupling between atmospheric layers. Research on gravity waves is crucial for deepening our understanding of atmospheric dynamics and for improving the accuracy of atmospheric models. While gravity waves are well-known in the fields of astronomy and physics, they also play a vital role in atmospheric science, particularly in the study of airflow, wave propagation, and climate variability. This review highlights the following key findings: ① Satellites are suitable for observing the middle and upper atmosphere; radar is most effective for detailed observations of vertical wave propagation; and reanalysis data are best suited for analyzing global GW characteristics; ② Compared with non-orographic gravity waves, orographic gravity waves generally have longer vertical wavelengths and can propagate to higher altitudes; ③ Orographic gravity waves are easier to trace due to their relatively fixed sources; and ④ Common parameterization schemes effectively simulate the drag effects of orographic gravity waves, while single-wave and global spectral techniques can predict the east-west momentum flux of non-orographic gravity waves. However, the complete generation and evolution processes of both types of GWs cannot yet be accurately simulated. There is still considerable room for improvement in the observation, identification, feature analysis, and parameterization of gravity waves. In the future, advancements in observational technology are expected to yield higher-quality data, enabling a clearer understanding of GW characteristics. Based on this, progress in parameterization methods and the application of artificial intelligence techniques is anticipated to enhance our understanding of the formation mechanisms of both orographic and non-orographic gravity waves, thereby improving the accuracy of weather and climate simulations.

Key words: Orographic gravity waves, Non-orographic gravity waves, Wave identification, Wave tracing, Parameterization.

中图分类号:

P433

图1 各种大气波动活动示意图

Fig. 1 The movement of the waves in the atmosphere

图2 重力波与行星波相互作用示意图^［8］

Fig. 2 Schematic diagram of the interaction between gravity waves and planetary waves^［8］

图3 部分重力波分类关系图

Fig. 3 Partial gravitational wave classification relationship diagram

图4 重力波谱与探测器
绘制了重力波波的频率与应变（即重力波通过时导致物体间距离变化的分数）之间的关系。图片来源于https：//astrobites.org/2021/01/12/astrobites-at-aas-237-day-1/（本文对图片进行了修改）

Fig. 4 The gravitational wave spectrum and detectors
Frequency of the gravitational waves is plotted against strain （the fractional change in the separation between objects caused by the passage of the gravitational wave）.The image is sourced from https：//astrobites.org/2021/01/12/astrobitesat-aas-237-day-1/（this article has modified the image）

图5 反向射线追踪重力波的结果^［73］

Fig. 5 Results of reverse ray tracing of gravitational waves^［73］

表1 地形重力波和非地形重力波明显特征区别

Table 1 Distinctive features and differences between Orographic Gravity Wave （OGW） and Non-Orographic Gravity Wave （NOGW）

特征	非地形重力波（NOGW）	地形重力波（OGW）
发生区域	海洋上空以及沿岸地区	山地地形区域以及GW传播带
盛行季节	夏冬季节	全年
传播	主要集中在平流层，传播以向上传播为主，可以到达中高层大气，热层甚至电离层	主要集中在对流层和平流层的中下部，向上和向下传播的波数差别不大
动量通量	NOGW对纬向平均动量通量的低纬峰值贡献了1/3；是平流层往上的大气重力波（Gravity Wave，GW）动量通量的主要贡献者；模拟值相对观测值偏小	在高纬度地区，OGW在纬向平均GW动量通量中占主导地位；虽然OGW动量通量的峰值比NOGW大，但越往上传输越小，不稳定性（低值与峰值之间的交替频繁程度）比NOGW大；模拟值相对观测值偏大
主要影响	与激发源相互影响，例如热带气旋、雷暴和极地急流等，主要是正反馈，对大气成分有直接或者间接影响	GW拖曳在大气中造成了阻力，OGW在其中起主要作用；OGW主要在对流层活动，对降水、温度变化以及风向风速有着直接影响
垂直波长（低层大气）	波长较短，2.5~5.0 km	主要集中在5~20 km

表1 地形重力波和非地形重力波明显特征区别

Table 1 Distinctive features and differences between Orographic Gravity Wave （OGW） and Non-Orographic Gravity Wave （NOGW）

特征	非地形重力波（NOGW）	地形重力波（OGW）
发生区域	海洋上空以及沿岸地区	山地地形区域以及GW传播带
盛行季节	夏冬季节	全年
传播	主要集中在平流层，传播以向上传播为主，可以到达中高层大气，热层甚至电离层	主要集中在对流层和平流层的中下部，向上和向下传播的波数差别不大
动量通量	NOGW对纬向平均动量通量的低纬峰值贡献了1/3；是平流层往上的大气重力波（Gravity Wave，GW）动量通量的主要贡献者；模拟值相对观测值偏小	在高纬度地区，OGW在纬向平均GW动量通量中占主导地位；虽然OGW动量通量的峰值比NOGW大，但越往上传输越小，不稳定性（低值与峰值之间的交替频繁程度）比NOGW大；模拟值相对观测值偏大
主要影响	与激发源相互影响，例如热带气旋、雷暴和极地急流等，主要是正反馈，对大气成分有直接或者间接影响	GW拖曳在大气中造成了阻力，OGW在其中起主要作用；OGW主要在对流层活动，对降水、温度变化以及风向风速有着直接影响
垂直波长（低层大气）	波长较短，2.5~5.0 km	主要集中在5~20 km

图6 阻塞（阴影部分）和相应的地形重力波形态^［108］

Fig. 6 Blocking （shaded part） and corresponding Orographic Gravity Wave patterns^［108］

图7 地形重力波和非地形重力波概念图

Fig. 7 Conceptual diagram of Orographic Gravity Wave（OWG） and Non-Orographic Gravity Wave （NOGW）

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