中層大氣不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)及極區(qū)大氣異常變化的研究.pdf

1、大氣波動(dòng)主要包括行星尺度波、潮汐波、和重力波等，它們在不同空間和時(shí)間尺度的大氣耦合中起著關(guān)鍵作用。這些波動(dòng)在低層大氣中產(chǎn)生并向上傳播，通過波耗散或破碎過程將動(dòng)量和能量傳輸?shù)奖尘按髿庵校瑥亩鴮ζ搅鲗雍椭虚g層的大氣環(huán)流產(chǎn)生很強(qiáng)的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。另外，在波的傳播過程中平均流場也會(huì)影響波的產(chǎn)生、傳播和耗散。本論文利用地基和星載儀器長期觀測的數(shù)據(jù)，一方面研究了中間層頂不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)ripple的季節(jié)變化、及其與背景大氣的關(guān)系，另一方面研究了北半球極區(qū)中高

2、層大氣對2015/2016年強(qiáng)厄爾尼諾（El Ni(n)o，EN）和準(zhǔn)兩年振蕩(QBO)異常的響應(yīng)。綜合這些結(jié)果我們可以更好地了解波動(dòng)在整個(gè)大氣耦合中的作用。
　　1、在中高層大氣區(qū)域，大氣重力波通過耗散和破碎將自身的動(dòng)量和能量傳輸?shù)狡骄髦校瑥亩隍?qū)動(dòng)大氣環(huán)流中起重要作用。對重力波耗散過程影響最大的機(jī)制是動(dòng)力不穩(wěn)定性和對流不穩(wěn)定性，而OH全天空成像儀觀測的ripple結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是動(dòng)力不穩(wěn)定或?qū)α鞑环€(wěn)定的一種表征形式，因此研究ri

3、pple的特性和變化有著重要意義。然而，由于缺少長期的中間層溫度和風(fēng)場數(shù)據(jù)，關(guān)于ripple的研究仍留有很多疑問，如ripple與重力波的關(guān)系、其與背景大氣穩(wěn)定性和風(fēng)場的關(guān)系等。針對以上問題，基于美國科羅拉多州Yucca Ridge Field臺站的(40.7°N，104.9°W)OH全天空氣輝成像儀、附近Fort Collins的窄帶鈉激光雷達(dá)和Platteville的中頻雷達(dá)的觀測的多年數(shù)據(jù)，我們首次對ripple的特性及季節(jié)變化、

4、其與中間層背景風(fēng)場和大氣穩(wěn)定性的關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)研究。
　　結(jié)果發(fā)現(xiàn)ripple的發(fā)生頻率呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化和對地方時(shí)的依賴性，其秋冬季節(jié)（尤其是秋季）的發(fā)生率要高于其他季節(jié)。ripple結(jié)構(gòu)的持續(xù)時(shí)間和空間尺度（水平波長）主要集中在5-20min和5-10km，且移動(dòng)方向更偏向于南北向。以往研究普遍認(rèn)為ripple結(jié)構(gòu)是隨著背景風(fēng)場移動(dòng)的，當(dāng)它發(fā)生時(shí)大氣是趨于不穩(wěn)定的。然而我們的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)ripple結(jié)構(gòu)并不總是隨著背景

5、風(fēng)場移動(dòng)，大氣不穩(wěn)定的發(fā)生率也（約17％）遠(yuǎn)低于ripple事件的發(fā)生率。多于一半的ripple結(jié)構(gòu)并不隨著背景風(fēng)場移動(dòng)，而且這些結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定參數(shù)Richardson數(shù)也相對高于隨著背景風(fēng)場移動(dòng)的另一類ripple結(jié)構(gòu)，這與前人對ripple和風(fēng)場關(guān)系的研究結(jié)果并不一致。
　　2、在北半球平流層，行星波（Rossby波）主要通過驅(qū)動(dòng)Brewer-Dobson（BD）環(huán)流來影響極區(qū)溫度和風(fēng)場，進(jìn)而引起極渦增強(qiáng)或減弱（比如平流層突

6、然增溫）。而2015/2016年冬季早期發(fā)生了有記錄以來最強(qiáng)的厄爾尼諾事件，持續(xù)時(shí)間非常長，并且存在QBO的異常阻斷。已有研究表明厄爾尼諾和QBO異常都會(huì)對北半球冬季極區(qū)的中高層大氣產(chǎn)生重要影響。本文對北半球極區(qū)整個(gè)冬季（2015年10月-2016年3月）平流層和中間層大氣對低層大氣異常氣候的復(fù)雜響應(yīng)做了較全面的研究。
　　基于北極圈內(nèi)加拿大地區(qū)的Resolute Bay觀測站(74.7°N，265.1°E)的OH全天空氣輝成像儀

7、、法布里-珀羅干涉儀(Fabry-Perot Interferometer,FPI)、Aura衛(wèi)星上的微波探測儀(Microwave Limb Sounder，MLS)數(shù)據(jù)，我們對2015/2016北極冬季早期(11、12月)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，在北極中間層發(fā)現(xiàn)了多次非常少見的小尺度(水平波長小于20km)重力波事件。其中較為明顯的是2015年11月23日和12月18日的兩個(gè)重力波事件，對應(yīng)的水平波長均為～18km，持續(xù)時(shí)間約為35min

8、。
　　基于Eureka臺站的流星雷達(dá)、ECMWF再分析數(shù)據(jù)和MLS數(shù)據(jù)，我們對2015/2016年冬季北極平流層和中間層的風(fēng)溫和臭氧的變化進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)在平流層，風(fēng)場提前一個(gè)月轉(zhuǎn)為西向風(fēng)，溫度提前一個(gè)月升高，且這些變化發(fā)生的都非常快，而3月份之前臭氧含量一直很低（與正常年份相比）。這一年平流層EP通量散度為負(fù)值且比往年低，表明Rossby波在這里破碎的比較多。而在中間層頂（80-95km），3月份之前比較暖，之后開始變冷，

9、這和平流層溫度變化呈負(fù)相關(guān)。以上結(jié)果表明在2015/2016年北極異常冬季情況下，對流層產(chǎn)生異常多的行星波并傳播到平流層，在平流層破碎并釋放動(dòng)量和能量到背景大氣中，對背景大氣環(huán)流產(chǎn)生一個(gè)向西的拖曳（Rossby波的相速度在北半球冬季一般是向西的），由于北極冬季平流層緯向風(fēng)一般是向東的，向西的拖曳使得背景大氣緯向東向風(fēng)場減速，也減弱了極渦和繞極環(huán)流（極渦是向東的），即減速了極區(qū)風(fēng)場。同時(shí)增強(qiáng)的Brewer-Dobson造成極區(qū)下沉的增強(qiáng)，