激光雷达中间层顶重力波垂直输送观测研究

发布时间：2017-12-31 13:32

  本文关键词：激光雷达中间层顶重力波垂直输送观测研究　出处：《中国科学院国家空间科学中心》2017年博士论文　论文类型：学位论文

  更多相关文章： 钠荧光多普勒激光雷达 中间层顶 钠层 大气重力波 垂直风 垂直热量输送 垂直钠原子输送

【摘要】：中间层顶区域(85~100 km)是地球低层大气和高层大气之间动量、热量、大气化学物质交换的重要区域,大气的动力学输送机制例如平流输送、重力波输送、大气潮汐输送、湍流混合输送对地球大气不同圈层之间的耦合过程关系紧密,可见研究中间层顶区域的垂直动力学输送机制对于理解上述过程有很大的意义。相比研究工作开展较多的平流输送和湍流混合输送机制,大气重力波活动产生的垂直输送机制的研究工作开展很少,但它对于大气动力学输送过程的贡献却十分显著,不容忽视。在此背景条件下,本文通过利用中国科学院国家空间科学中心廊坊观测站(39.4°N,116.7°E)的钠荧光多普勒激光雷达和流星雷达观测数据,首次对国内乃至东半球重力波引起的垂直风扰动,垂直热量输送,垂直钠原子输送以及钠原子的动力学输送速度分别展开了分析讨论,研究结果可为中间层顶区域大气、乃至整个临近空间垂直研究和环境预报工作提供观测支持;为中间层顶大气动力学~化学耦合过程研究提供依据,为大气模式中动力学~化学过程的参数化方案提供参考。具体研究内容有以下方面:1、激光雷达和流星雷达观测数据首先经过质量控制流程,并对激光雷达观测数据提取扰动,提取方法是原始数据减去线性拟合趋势的方法统计重力波的扰动量。结果显示温度扰动、三维风速扰动、钠原子数密度扰动都较好的符合零均值的高斯分布,证明激光雷达的观测数据是可靠的。数据处理工作为开展相关研究工作打好了基础。2、根据尺度分析条件给出高、中、低三种频重力波分类量化标准,利用准单色重力波的极化关系和色散关系,分别对三种频率重力波产生的垂直风扰动范围进行仿真。结果显示准单色重力波在未耗散破碎条件下,高频和中频重力波在一定条件下能够产生1~10 m/s量级的垂直风扰动;垂直风扰动的仿真结果完全覆盖钠激光雷达垂直风观测数据,为钠激光雷达和其他大气垂直风场探测设备观测到10m/s量级的垂直风扰动事实提供了理论支持。3、利用激光雷达垂直风和温度观测数据,统计分析了中间层顶区域的大气温度结构、静力稳定度、重力波耗散活动产生的垂直热量通量和动力学冷却率。结果显示92~96 km大气温度较低,大气浮力频率也较低,重力波耗散活动产生负向的垂直热通量,对90~99 km大气产生动力学冷却效应,可见重力波耗散产生的垂直热量输送过程对于整个中间层顶区域的热量收支平衡和最低温度结构的维持起了一定的贡献作用。4、利用激光雷达钠原子数密度和垂直风观测数据,统计并分析了中间层顶重力波耗散引起的钠原子垂直通量和钠原子产生率及其对钠层结构产生的影响。结果显示大气重力波耗散活动产生钠原子垂直通量在90 km以上为正,90 km以下为负,同时耗散活动产生钠原子堆积效应,引起钠原子产生率最大值出现在91 km钠层质心高度处,说明大气重力波耗散引起的输送作用对整个钠层高斯和峰值结构的形成有重要影响。5、利用激光雷达和流星雷达观测数据,统计分析了中间层顶区域钠原子的重力波动力学输送,重力波化学输送,湍流混合输送及背景环流输送特征。结果显示4种动力学输送机制产生的钠原子输送速度大小相当,但随高度变化不同输送机制所占的地位不同。88~95 km四种垂直动力学输送机制产生的平均合输送速度为-1cm/s。钠原子动力学输送速度虽然量级较小,但对整个大气金属钠层的“源”“汇”平衡过程十分重要。6、本文研究结果与美国SOR和Maui地区的观测结果相对比,发现重力波引起的垂直热量通量、动力学冷却、垂直钠原子通量、钠原子产生率、钠原子动力学输送速度这些参量大小是相当的,峰值的量级也都基本一致,但是平均廓线趋势不同,峰值高度存在差异。对比结果表明地理位置的不同造成重力波垂直输送特征产生差异,差异的具体原因和全球普适性特征还有待于进一步的研究。
[Abstract]:The vertical wind disturbance , vertical heat transfer , vertical sodium atom transfer and the kinetic transport speed of the atmospheric gravity wave are discussed . The results show that the quasi - monochromatic gravity waves can produce vertical wind disturbances on the order of 1 锝，

本文编号：1360014