行星尺度波動及其在大氣層耦合中的作用.pdf

1、中性大氣中的行星尺度波動及其在中間層、電離層耦合中的機制，是當前研究的熱點問題。行星波從對流層向上傳播的過程中，不斷的將動量和能量釋放到背景大氣，從而引起大氣背景風場、溫度以及環(huán)流的改變，進而影響到全球的能量平衡，如行星波的破碎可以引起平流層突然增溫等。行星波在中間層頂?shù)暮纳?，能夠引起熱層大氣組成成分的變化，進而影響到熱層的光化學過程。另外，行星波可以借助于電離層E層的風力發(fā)電效應，間接引起F層電離層的擾動。除此之外，行星波也可以通過調(diào)

2、制潮汐波，進一步引起熱層、電離層的變化。因而，行星波作為能夠引起不同大氣層之間耦合的重要媒介，其研究不僅能夠擴展我們對大氣動力學的理論認知，也有助于增加我們對短期空間天氣變化的認識，進而為人類近地空間環(huán)境的探索活動提供保障。本博士論文，將從準兩天波的年際變化特征出發(fā)，研究平流層突然增溫對準兩天波的影響，以及11年太陽活動周期對準兩天波活動的調(diào)制。然后，我們分析并總結了行星波信號在電離層參數(shù)中的形態(tài)，并進一步分別研究了行星波的經(jīng)向風和緯向

3、風分量在電離層E層的風力發(fā)電效應。雖然準兩天波的季節(jié)變化已經(jīng)比較清楚，但其年際變化特征卻復雜多變。美國NASA發(fā)射的TIMED(Thermosphere Ionosphere and Mesosphere ElectricDynamics)衛(wèi)星從2002年2月開始，已經(jīng)在軌運行13年。其上面搭載的SABER(Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry)探測

4、器能夠對～20-110千米高度范圍內(nèi)的中性溫度進行測量，而TIDI探測器則為我們提供了85-105千米高度范圍內(nèi)的中性風場數(shù)據(jù)。衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)的全球覆蓋特性，使我們能夠從周期和緯向波數(shù)兩個基本參數(shù)，對行星波進行準確的分析。
　　本文利TIMED衛(wèi)星2002-2011年觀測的中性大氣溫度和風場數(shù)據(jù)，分析并總結波數(shù)為3(W3)和波數(shù)為4(W4)的準兩天波的年際變化特征。我們發(fā)現(xiàn)在這10年中，W3的波動在2006年1月份達到最大值，其溫度

5、、經(jīng)向風和緯向風幅度分別達到～15 K、～65 m/s和～35 m/s;而其周期卻只有43小時，是這十年當中最短的周期。準兩天波的在2006年1月份的異常活動，與同一時期在北半球高緯度地區(qū)發(fā)生的強烈的平流層突然增溫(SSW)相吻合。另外，我們還發(fā)現(xiàn)1、2月份的W3波動在2008-2009年達到極小值，而7、8月份的W4波動卻在2008-2009年達到極大值，這又與太陽活動的極小年相吻合，并暗示太陽活動周期對W3和W4的調(diào)制存在差異。利用

6、TIME-GCM通過數(shù)值模擬的手段，詳細研究了SSW對準兩天波的影響，其中包括波數(shù)為3的準兩天波(W3)和波數(shù)為2的準兩天波(W2)。研究表明，北半球（冬季）中高緯度地區(qū)中間層頂?shù)谋尘帮L場不穩(wěn)定性，可以為W3提供額外并且顯著的放大，但這種不穩(wěn)定性在SSW期間減弱。在我們的模擬中，SSW期間北半球高緯度地區(qū)由于平流層風場的減弱或反向而產(chǎn)生的不穩(wěn)定性，對于W3的放大作用不明顯。南半球（夏天）的東風風場在SSW期間變強，這導致W3的波導在SS

7、W期間變大，即SSW期間的背景風場更加有利于W3的傳播。在SSW期間，W3的能量能夠通過W3和波數(shù)為1的準靜止波(SPW1)的非線性相互作用傳遞到子波，即W2。W2的EP通量矢量顯示，其可以同時在夏天半球和冬天半球傳播，這就導致了W2的溫度和風場波動結構相對于赤道比W3更對稱。在夏天（南半球）的高緯度地區(qū)，平流層頂部以及中間層的背景風場不穩(wěn)定性，可以通過波與背景的相互作用，對W2進行放大。在冬天（北半球），W3和SPW1在中低緯度地區(qū)5

8、0-100千米高度范圍內(nèi)的非線性相互作用，為W2提供了額外的波源。在強的SSW期間，W2的波動也會更加劇烈。這一方面是因為在此期間SPW1更加活躍，從而傳遞到W2子波的能量也比較多。另一方面，是因為強SSW期間的背景風場比弱SSW期間更加有利于W2的傳播。另外，夏威夷地區(qū)的中頻雷達在1990-2006年連續(xù)工作了16年，其能夠測量80-100千米高度范圍的水平風場，這為我們進一步研究準兩天波對11年太陽活動周期的響應提供了數(shù)據(jù)支持。衛(wèi)星

9、觀測數(shù)據(jù)已經(jīng)表明，W3和W4分別在1月份和7月份的準兩天波活動中占主導地位，因而我們也將對中頻雷達1月份和7月份的準兩天波活動進行單獨分析。分析結果表明:1月份經(jīng)向風和緯向風的準兩天波與太陽活動基本正相關，其相關系數(shù)分別達到0.45和0.6。但1月份的準兩天波在1993和2003年的太陽活動高年達到峰值，這滯后于太陽活動1-2年。7月份的準兩天波與太陽周期活動的關系比較復雜，7月份經(jīng)向風的準兩天波活動基本與太陽周期活動正相關，相關系數(shù)達

10、到0.4;而7月份緯向風的準兩天波活動與太陽周期活動更傾向于負相關，相關系數(shù)高達-0.7。
　　本文從電動力學的角度出發(fā)，以6天波和超快速開爾文波為例，研究了行星波信號在電離層中的響應形態(tài)。地基GPS電子密度總含量(TEC)數(shù)據(jù)以及COSMIC衛(wèi)星群的電子密度垂直廓線數(shù)據(jù)都表明，電離層參數(shù)可以表現(xiàn)出與中間層中性大氣相似的行星波信號，這就證實行星波可以作為一種媒介，引起中間層與熱層和電離層的耦合。進一步的分析表明:電離層對行星波的響

11、應，無論在緯向結構和高度分布上，都與電離層的赤道異常相吻合，即行星波對電離層擾動的最大幅度位于赤道異常的峰值區(qū)域，而極小值位于磁赤道附近。另外，擾動的最大值在一般在1400-1800 LT之間，這也與噴泉效應的形成時間相吻合。這說明，行星波的風場波動很可能通過與E層背景風場的疊加，對噴泉效應進行了調(diào)制，進而通過E×B引起的粒子垂直漂移將行星波信號傳播到F層電離層。最后，我們通過TIME-GCM的控制實驗，以波數(shù)為2和波數(shù)為3的準兩天波為

12、例，分別研究了行星波的經(jīng)向風和緯向風分量的風力發(fā)電效應。我們的研究表明，W2和W3可以直接通過E區(qū)的風力發(fā)電效應，引起相應的離子垂直漂移，但由于W2和W3的風場波動具有不同的緯向結構和相位，這造成W2和W3引起的離子垂直漂移具有顯著的不同特性。W2的緯向風和經(jīng)向風波動引起的離子垂直漂移，在相位上正向相關，這導致了由總風場波動引起的粒子垂直漂移要遠遠大于由單個風場波動引起的離子垂直漂移，并且在赤道地區(qū)形成了極大值。而由W3的經(jīng)向風和緯向風