MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)是搭载在美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)地球观测系统Terra和Aqua卫星上的中分辨率成像光谱仪。对流层的地形重力波是平流层重力波的源之一。在零风层较弱时, 对流层地形重力波能够传至平流层甚至更高的高度。由于重力波活动能够导致上层干冷层结被破坏, 将干冷空气向下拖曳, 与下层的暖湿空气发生强烈的辐合辐散过程, 因此MODIS水汽通道能够很容易地观测对流层的重力波活动。以往常常使用MODIS 6.7 μ m水汽通道对重力波进行探测成像, 该通道的权重函数主要集中在550 hPa, 星下点分辨率为1 000 m, 而航空灾害往往发生在此高度上^[14]。由于单通道反演水汽的精度较低, 现在一般采用三通道比值法得到更加准确的水汽含量。Lyapustin等^[15]利用该方法反演的水汽通量观测到了阿巴拉契亚山脉西部的重力波, 其水平波长为3~15 km。

AIRS(Atmospheric Infrared Sounder)为搭载在NASA发射的Aqua卫星上的大气高光谱红外探测器, 共有2 378个光谱通道, 在星下点约为13 km, 探测高度可从地面一直到65 km高度^{[16, 17]}。

其中, 在重力波研究中常常采用CO₂ 15 μ m吸收带, 其波数位于665~693 cm^-1, 共有50个通道。Gong等^[17]给出了各通道的权重函数, 主要集中于100~2 hPa。此外, 4.3 μ m CO₂强吸收带通道的权重函数集中于3~10 hPa, 也可用于观测重力波。相对于15 μ m波段, 4.3 μ m波段的权重函数更加集中于中高层大气, 对垂直波长较小(约为15 km)的波动更为敏感^[18]。该波段权重函数的半峰宽约为12 km, 因此垂直波长在12 km以下的波动很难被AIRS探测捕捉。

Hoffmann等^[18]利用AIRS 4.3 μ m通道2003— 2011年的数据分析了全球重力波发生的热点区域, 并配合AIRS 8.1 μ m通道的数据分析了中低纬的深对流云系。结果表明, 几乎全年都存在重力波活动的区域主要有安第山脉、红海和白天的达纳基尔沙漠; 夏季(季节均是指区域所在季节)主要有北美大平原、巴西南部、巴拉圭、阿根廷东北部、孟加拉湾、喜马拉雅山脉北部、中南半岛、澳大利亚北部、夜间的加利福尼亚西南海岸; 冬季主要有格陵兰岛、英国、挪威和瑞典南部以及乌拉尔山脉、阿巴坎山脉、贝加尔湖北部、新西兰、南极半岛和横断山脉, 夜间的纽芬兰岛和阿巴拉契亚山脉北部。

姚志刚等^[19]利用AIRS的 4.3 μ m和15 μ m通道数据, 分析了东亚夏季平流层重力波的特征及其与深对流的关系。结果表明:平流层扰动与对流层深对流之间存在着显著的相关关系, 但是白天深对流发生的频次明显高于夜间, 而AIRS观测到的结果是夜间重力波的强度明显大于白天, 且两者的极值区域并不重叠。此外, 其研究也揭示, 白天在中国西北区域帕米尔高原至天山山脉区域的30~40 km高度范围内存在一个弱的扰动中心。

Sato等^[20]利用S变换提取出了AIRS观测资料中的重力波成分, 发现在南太平洋区域重力波方差的季节性变化与厄尔尼诺事件具有很强的相关性, 并且相关系数在地理位置上的分布与降水的分布相似, 方差的最大值中心位于降水最大值中心略微偏南的位置。相反, 重力波方差的季节性变化与平流层准两年震荡(QBO)相关性不高。他们认为造成该现象可能的原因有3个:一是密集的岛屿分布, 二是对流层的垂直风切变, 三是平流层纬向风沿着纬度的切变。

AMSU(Advanced Microwave Sounding Unit)是搭载在NOAA-15, NOAA-16, NOAA-17, NOAA-18以及Aqua气象卫星上的微波探测仪。其中, AMSU-A的9~14通道权重函数集中于平流层, 探测高度处于80~2.5 hPa, 其资料常用于平流层重力波的研究^{[21, 22]}。根据其系统噪声、权重函数等, 可知AMSU能够探测水平波长大于150 km, 垂直波长大于10 km的波动。

Wu^[23]利用AMSU数据对全球重力波的时空分布进行了分析, 指出AMSU-A观测到的南半球平流层重力波与位于40° ~70° S的平流层急流具有很强的相关性, 该纬度带中包括南乔治亚岛、爱德华王子群岛、凯尔盖朗群岛以及赫德岛在内的亚南极群岛都会有较频繁的重力波活动; 此外, 新西兰、塔斯马尼亚和澳大利亚区域的重力波则与地形更相关。其中重力波发生最多的时段位于6~10月, 最活跃的地带位于安第山脉南部和南极半岛。

Eckermann等^[24]利用上述数据对发生于2003年1月斯堪的纳维亚南部的一次重力波事件进行了分析, 表明该次重力波水平波长为400~500 km, 亮温扰动约为0.9 K, 并且将第9通道的结果和一个数值模式结果进行了对比, 具有很好的一致性。

MLS-UARS为搭载在NASA发射的UARS卫星上的微波临边探测器, 后来NASA又在Aura卫星上搭载了MLS-Aura, 在之前UARS卫星上的MLS的基础上做了相当大的改进, 能够提供更多平流层的大气化学成分探测与动力学跟踪信息, 以及精度和时空分辨率更高的对流层大气参量。辐射传输的拖尾效应和MLS权重函数的半宽峰(约为5 km)决定了MLS捕捉到的重力波水平波长大于50 km, 垂直波长大于5 km^[25]。

Jiang等^[26]利用MLS-UARS 的63, 183和203 GHz波段的资料分析了对流层上层湿度、热带对流层顶云量以及平流层重力波之间的关系, 指出热带的对流云和重力波很大程度上是深对流系统引起的。他们的工作还表明12月至次年3月, 西太平洋暖池、亚洲以及南美是对流常发和云量偏多区域; 而7~8月印度— 南亚次大陆和美国中部是对流和云量强盛地带。而这些区域同样也是重力波活跃的地带。

Wu等^[25]利用MLS-Aura 118 GHz的辐射率资料对不同波长的重力波进行了分析, 指出MLS对于垂直波长大于5 km和水平波长小于300 km的波动更敏感, 并且重力波的活动特征和平流层准两年震荡的频率相当一致。此外, 他们的研究表明, 全球地形重力波主要活跃在冬季, 主要的热点区域有南极半岛、新西兰、阿拉斯加、斯堪的纳维亚、格陵兰岛以及安第山脉、阿尔卑斯山脉、阿巴拉契亚山脉和落基山脉, 而深对流诱发的重力波的区域主要有马里迪莫大陆、南美、南亚以及美国东南部。

VIIRS(Visible-Infrared Imager-Radiometer)是搭载在美国新一代极轨气象卫星SNPP上的可见光— 红外成像仪/辐射计, 其中包含了新一代微光探测模块DNB(Day/Night Band), 其波段为505~890 nm, 星下点分辨率为0.742 km× 0.742 km, 能够观测到强度仅为10^-5 W/(m²· sr)的信号, 是传统可见光探测仪的10⁶倍^[27]。DNB能够观测到一系列人为或自然信号, 比如月光、闪电、薄云、雪盖、火山活动以及城市、游轮灯光等。大气本身通过激发87 km高度附近的羟基(OH)与DNB产生强烈的带通信号, 重力波通过调整大气密度能够影响到这一过程, 因此DNB在其他信号较弱的情况下也能观测到87 km高度附近的重力波活动^[28]。

Miller等^[28]首次利用DNB揭示了位于中间层顶的重力波, 结合VIIRS M15热红外通道, 发现在德克萨斯上空存在深厚的对流系统, 其对流冲顶诱发了此次重力波事件。此次重力波呈现圆环结构, 水平波长为30~35 km。但同时也指出, 由于DNB对微光捕捉能力强, 弱的重力波信号很容易被掩盖, 或者受噪音污染呈现颗粒状。

随后, Miller等^[29]利用DNB资料观测了各种波源产生的在中间层(约90 km)的重力波活动, 这些波源包括地形、深对流、锋面系统、急流、地震、火山爆发等, 其形态特征也不尽相同。其中, 地形重力波发现于喜马拉雅山脊和青藏高原上空, 以西北— 东南方向线性分布, 与喜马拉雅山脊大致平行; 深对流引起的重力波较为复杂, 有的以同心圆环的形态出现, 有的以半同心圆环的形态出现, 这和背景风场以及关键层有关^[30]; 急流诱发的重力波在中间层的形态与对流层的急流约倾斜45° , 并且和云叠加在一起; 火山爆发导致的重力波和深对流诱发的重力波形态较为相近。

GNSS(Global Navigation Satellite System)是全球卫星导航系统。COSMIC(Constellation Observation System for Meteorology, Ionosphere and Climate)即气象电离层气候观测系统, 由美国和中国台湾联合发射, 包括低地球轨道卫星LEO, 地面数据接收与飞行器测控站、数据分析中心和数据通信网络等。GPS掩星事件是指一个LEO卫星相对于GPS卫星完成一次大气扫描过程, 时间约为1 min。根据掩星事件发生的折射率, 能够得到不同高度的大气物理参数^[31]。

梁晨等^[32]从COSMIC数据中提取出垂直波长3~10 km的重力波, 指出赤道地区重力波势能的变化与QBO同时同速向下发展, 这主要与临界层和零风层相关。同时, 他们的工作也表明30 km高度以下的重力波主要集中于低纬度强对流区, 30 km高度以上则不存在这一特征。

Hindley等^[33]利用COSMIC反演的干温度廓线对安第山脉和南极半岛进行了研究, 发现该地向南传播的地形重力波发生期间平流层常常伴有南风急流, 水平波长大于350 km, 垂直波长小于3 km。另外他们观测到在冬季背风一侧较大的重力势能会向外延伸, 甚至覆盖整个南半球的海洋, 他们推测这是地形诱发与非地形诱发的重力波相互作用的结果。

徐晓华等^[34]利用COSMIC干温数据对青藏高原地区的重力波进行了细致的研究分析。他们的工作表明该地区的重力波势能的分布概率服从对数生长分布。在高度上, 重力波在16~18 km以及28~31 km更为活跃, 20~26 km则相对平静。在区域和季节上, 青藏高原大陆边缘在各个季节重力波活动都较为频繁, 而大陆上空仅在冬春季节较为活跃。同时, 他们还指出地形是影响平流层底部重力波活动的主要因素, 而纬向风是高原大气重力波活动的促进因素, 高原辐射则是重力波呈现季节变化的因素。

HIRDLS(High Resolution Dynamic Limb Sounder)是搭载在Aura上的高分辨率临边垂直探测器。其采用6.12~17.76 μ m波段探测8~80 km高度范围内的大气温度、气压、各类气体化学成分比、气溶胶以及云顶气压等信息^{[35, 36]}。HIRDLS具有较高的垂直分辨率, 能够分辨垂直波长大于20 km的波动, 但同时水平分辨率较低, 无法识别水平波长小于200 km的波动^[37]。

Alexander等^[37]利用S变换从HIRDDLS资料中得到重力波振幅、垂直波长以及水平波数, 并计算了重力波的全球动量通量分布。他们的工作表明赤道附近存在动量通量的小值区, 而在南半球的晚秋和北半球副热带的夏季都是动量通量的大值区。更加细致的分析表明安第山脉和南亚是动量通量较为活跃的区域。

Ern等^[38]从2005年1月至2008年6月赤道附近(10° S~10° N)的数据中提取出重力波通量, 然后再计算得到重力波拖曳, 并探讨了重力波与高层大气半年震荡(Semiannual Oscillation, SAO)之间的关系。结果表明, 在半年震荡东风相位向西风相位转换期间, 重力波拖曳起到了至关重要的作用, 在此期间, 重力波拖曳的峰值达到1 m/(s· d)。而在西风相位向东风相位转换期间, 重力波拖曳通常较弱, 行星波拖曳的作用往往更为重要。但是, 和其他卫星资料一样, HIRDLS也只能观测到大气垂直剖面上的部分重力波, 无法得到三维的完整重力波谱。因此, 计算得到的重力波拖曳比实际观测的弱。

SOFIE(the Solar Occultation For Ice Experiment)是搭载于NASA发射的AIM(the Aeronomy of Ice in the Mesosphere)卫星上的冰云探测仪, 共有16个光谱通道, 采用太阳掩星的方式可探测得到极地地区10~102 km高度的温度廓线, 垂直分辨率为1~2 km^[39]。

Liu等^{[40, 41]}利用上述数据从总体特征、季节变化、南北半球对称性、高度变化以及经度变化等方面对极地平流层至中间层的重力波和行星波的性质进行了剖析。其中, 重力波月平均势能在大气标高为13 km的条件下在平流层与中间层中呈现指数型增长。同时重力波在夏季更为活跃, 但在夏季南半球的重力波活动弱于北半球, 在其他季节恰恰相反。而在中间层, 势能随着经度变化的范围很小。此外, 重力波的势能与柱状冰水含量在经度和年际变化上呈现出较好的一致性。