中层大气不稳定结构及极区大气异常变化的研究

发布时间：2020-07-05 08:25

【摘要】：大气波动主要包括行星尺度波、潮汐波、和重力波等,它们在不同空间和时间尺度的大气耦合中起着关键作用。这些波动在低层大气中产生并向上传播,通过波耗散或破碎过程将动量和能量传输到背景大气中,从而对平流层和中间层的大气环流产生很强的动力学效应。另外,在波的传播过程中平均流场也会影响波的产生、传播和耗散。本论文利用地基和星载仪器长期观测的数据,一方面研究了中间层顶不稳定结构ripple的季节变化、及其与背景大气的关系,另一方面研究了北半球极区中高层大气对2015/2016年强厄尔尼诺(El Nino,EN)和准两年振荡(QBO)异常的响应。综合这些结果我们可以更好地了解波动在整个大气耦合中的作用。1、在中高层大气区域,大气重力波通过耗散和破碎将自身的动量和能量传输到平均流中,从而在驱动大气环流中起重要作用。对重力波耗散过程影响最大的机制是动力不稳定性和对流不稳定性,而OH全天空成像仪观测的ripple结构被认为是动力不稳定或对流不稳定的一种表征形式,因此研究ripple的特性和变化有着重要意义。然而,由于缺少长期的中间层温度和风场数据,关于ripple的研究仍留有很多疑问,如ripple与重力波的关系、其与背景大气稳定性和风场的关系等。针对以上问题,基于美国科罗拉多州Yucca Ridge Field台站的(40.7° N,104.9° W)OH全天空气辉成像仪、附近Fort Collins的窄带钠激光雷达和Platteville的中频雷达的观测的多年数据,我们首次对ripple的特性及季节变化、其与中间层背景风场和大气稳定性的关系进行了详细的统计研究。结果发现ripple的发生频率呈现出明显的季节变化和对地方时的依赖性,其秋冬季节(尤其是秋季)的发生率要高于其他季节。ripple结构的持续时间和空间尺度(水平波长)主要集中在5-20min和5-10km,且移动方向更偏向于南北向。以往研究普遍认为ripple结构是随着背景风场移动的,当它发生时大气是趋于不稳定的。然而我们的研究结果发现ripple结构并不总是随着背景风场移动,大气不稳定的发生率也(约17%)远低于ripple事件的发生率。多于一半的ripple结构并不随着背景风场移动,而且这些结构的动态不稳定参数Richardson数也相对高于随着背景风场移动的另一类ripple结构,这与前人对ripple和风场关系的研究结果并不一致。2、在北半球平流层,行星波(Rossby波)主要通过驱动Brewer-Dobson(BD)环流来影响极区温度和风场,进而引起极涡增强或减弱(比如平流层突然增温)。而2015/2016年冬季早期发生了有记录以来最强的厄尔尼诺事件,持续时间非常长,并且存在QBO的异常阻断。已有研究表明厄尔尼诺和QBO异常都会对北半球冬季极区的中高层大气产生重要影响。本文对北半球极区整个冬季(2015年10月-2016年3月)平流层和中间层大气对低层大气异常气候的复杂响应做了较全面的研究。基于北极圈内加拿大地区的Resolute Bay观测站(74.7 °N,265.1 °E)的OH全天空气辉成像仪、法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Perot Interferometer,FPI)、Aura 卫星上的微波探测仪(Microwave Limb Sounder,MLS)数据,我们对2015/2016北极冬季早期(11、12月)的数据进行了分析,在北极中间层发现了多次非常少见的小尺度(水平波长小于20km)重力波事件。其中较为明显的是2015年11月23日和12月18日的两个重力波事件,对应的水平波长均为～18km,持续时间约为35min。基于Eureka台站的流星雷达、ECMWF再分析数据和MLS数据,我们对2015/2016年冬季北极平流层和中间层的风温和臭氧的变化进行了统计分析,发现在平流层,风场提前一个月转为西向风,温度提前一个月升高,且这些变化发生的都非常快,而3月份之前臭氧含量一直很低(与正常年份相比)。这一年平流层EP通量散度为负值且比往年低,表明Rossby波在这里破碎的比较多。而在中间层顶(80-95km),3月份之前比较暖,之后开始变冷,这和平流层温度变化呈负相关。以上结果表明在2015/2016年北极异常冬季情况下,对流层产生异常多的行星波并传播到平流层,在平流层破碎并释放动量和能量到背景大气中,对背景大气环流产生一个向西的拖曳(Rossby波的相速度在北半球冬季一般是向西的),由于北极冬季平流层纬向风一般是向东的,向西的拖曳使得背景大气纬向东向风场减速,也减弱了极涡和绕极环流(极涡是向东的),即减速了极区风场。同时增强的Brewer-Dobson造成极区下沉的增强,最终绝热加热使得极区变暖。但是2015/2016年冬季行星波破碎比往年更多,极涡减弱的也更剧烈,即极区风场减弱很快,提前向西转向且很迅速;Brewer-Dobson环流剧烈增强,使得平流层底部变暖较快。这很可能是由2016年3月份发生的异常平流层突然增温引起的,而这次突然增温也与异常厄尔尼诺和QBO现象直接相关。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P421;P467
【图文】：

地球大气,分层结构,来源,图片

地球大气是围绕着我们的地球家园的气体混合物，它可以通过减少太阳紫外逡逑辐射、太阳风和宇宙射线的损害而保护地球上的生命，因此它的存在非常重要。逡逑大气主要由干空气、水汽、气溶胶组成。干空气主要由７８％的氮气（Ｎ２）和２１％逡逑的氧气（0２）组成，除此之外还存在很少量的氩气、二氧化碳（Ｃ０２）和其它气体，逡逑这些气体所占比例均不到１％。水汽的量变化很大，但平均约为１％。“气溶胶”逡逑则是很多漂浮在大气中的的小颗粒（固体和液体），包括粉尘、孢子和花粉、海逡逑水喷出的盐、火山灰和烟雾等。当从地球表面向高处移动时，大气变得越来越稀逡逑薄，在１００－１２０ｋｍ之间的区域，大气变得非常薄以至于许多高度可以被认为是大逡逑气和空间之间的边界。然而，在地球表面以上数百公里处仍然有非常稀薄但可测逡逑量的大气气体痕迹。逡逑由于垂直方向上吸收太阳辐射的能力不同，大气在垂直方向上呈现明显的分逡逑层特征，每个大气层都有它自己的特征温度、压力和现象。地球大气的分层方法逡逑较多，可根据大气成分、大气压力、大气温度和电离程度做不同分层。最常用的逡逑是基于温度的垂直廓线变化，将大气分为对流层、平流层、中间层和热层。逡逑

示意图,图片,来源,大气环流

逡逑图１．１地球大气分层结构示意图逡逑注：图片来源邋ｈｔｔｐｓ邋：／／ｓｃｉｅｄ．邋ｎｅａｒ，邋ｅｄｕ／ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ－ｌａｙｅｒｓ逡逑对流层从地面向上延伸至海平面以上约ｌ0ｋｍ。我们人类生活在对流层，几逡逑乎所有的天气状况也发生在这个层。随着高度的升高，气压下降且温度降低。对逡逑１逡逑

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