中层大气迁移潮汐与纬向平均温度场的观测研究

发布时间：2017-05-18 17:03

  本文关键词：中层大气迁移潮汐与纬向平均温度场的观测研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：作为中间层和低热层(Mesosphere and Lower Thermosphere,MLT)最重要的波动之一,迁移潮汐包含24小时、12小时、8小时和6小时等谐波分量,并存在于MLT区域的温度、中性风场、气压、密度等许多气象要素中。它在大气能量平衡、动量交换、以及高低层大气耦合过程中起着十分重要的作用。因此研究迁移潮汐的时空变化对我们了解MLT区域大气动力学过程具有非常重要的意义。本文基于SABER/TIMED探测的温度数据,分析了平流层到低热层区域中6小时迁移潮的空间分布特征以及时间变化规律,同时讨论了激发6小时迁移潮以及影响其季节变化的可能机制。此外,我们利用SABER探测的气压和密度数据计算了纬向平均风场的经向梯度(以下简称风场梯度),并讨论了其对24小时迁移潮汐的周期变化可能的调制作用。除对迁移潮汐的研究外,我们还利用MERRA再分析资料对平流层和中间层纬向平均温度的南北半球不对称特征进行了初步讨论。主要的分析结果如下:(1)、6小时迁移潮以往对于6小时潮汐的研究只是从单站观测资料或模式出发来进行分析,本项工作使用SABER温度观测数据,首次提取了6小时迁移潮并分析了它的全球空间分布和时间变化规律。虽然6小时迁移潮的强度较弱,但了解其时空分布对我们理解中高层大气中非线性相互作用(如波-波非线性相互作用)具有很重要的意义,也可为今后建模提供依据。总的来说,6小时迁移潮的强度随高度增加。在70 km以下,6小时潮主要发生在35°N/S附近的中纬度地区。在70 km以上的中间层和低热层中,(4,6)模是最主要的Hough模,表现为6小时潮的振幅在赤道和中纬度分别存在一个极大值区域:①.在70~90 km之间的中间层上部和中间层顶附近,中纬度峰值位于35°N/S,其强度略小于其赤道处的峰值,因此该区域内可能同时存在较弱的(4,4)模。②.在90 km以上的低热层,6小时迁移潮在中纬度的峰值位于30°N/S,其中30°S处最强,赤道次之,30°N处的最弱。除了最主要的(4,6)模外,低热层中还有其他更高阶的Hough模存在,表现为6小时潮振幅在大于40°N/S的更高纬度处再次增强。6小时迁移潮有年(AO)、半年(SAO)、4个月和3个月的变化周期,没有明显的准两年振荡(QBO)信号,并在不同的高度上显示出不同的季节变化特征。在讨论激发6小时迁移潮的可能机制时我们发现,除平流层中的臭氧加热以及背景大气对6小时迁移潮垂直传播的调制作用外,不同潮汐分量之间的非线性相互作用也可能激发6小时迁移潮,其中平流层中主要是24小时和8小时迁移潮之间的非线性相互作用,在低热层中则主要是12小时迁移潮本身的非线性相互作用。(2)、风场梯度对MLT区域迁移日潮(DW1)时间变化特征的可能调制之前的模式研究发现,纬向平均风场的经向梯度很可能调制了DW1的SAO变化,但其结果缺乏观测资料的验证。本项工作利用SABER观测数据,检验了潮汐方程中重要的一项——纬向平均风场的经向梯度——对DW1周期振荡的可能调制作用。由于目前对赤道MLT区域的DW1的显著的季节和年际变化的产生机制还没有定论,因此我们的工作对理解中高层大气动力过程、改进现有模式具有重要意义。风场梯度对MLT区域的DW1有两种不同的可能调制:①.风场梯度的局地调制。在MLT区域的低纬度地区(20°S~20°N),SAO、AO和QBO是风场梯度和DW1的三个最主要的周期振荡。风场梯度和DW1均在分点(春分和秋分)时增强,在至点(夏至和冬至)时减弱,其中3~4月的峰值要强于9月份的峰值。除SAO、AO外,风场梯度和DW1的QBO变化也非常同步,且在2006年时均出现了QBO信号的减弱。风场梯度和DW1相似的空间分布和同步的时间变化说明,热带MLT区域的风场梯度很可能在潮汐方程起到非常重要的作用,并调制了相同纬度/高度处DW1的SAO、AO和QBO变化。风场梯度的局地调制作用在本文中首次发现。②.风场梯度对DW1传播过程的调制。除以上可能调制之外,中间层的风场梯度具有很强的年变化,夏季强而冬季弱。中间层的风场梯度可能会影响DW1垂直传播,并因此产生低热层DW1的SAO变化。因此,低热层中DW1的半年变化除了受到同高度上风场梯度的SAO的调制外,还可能受到中间层风场梯度年变化的影响。(3)、平流层和中间层大气纬向平均温度场的南北半球差异由于观测资料的限制,我们对平流层和中间层南北半球背景大气的不对称特征还没有比较全面的认识。在本项工作中,我们利用MERRA再分析资料讨论了南北半球的平流层和中间层背景大气温度的半球不对称特征。分析两个半球的背景状态的差异有助于我们深入了解控制大气的主要动力过程,也是我们进一步研究各种波动的基础。我们首先定义不对称指数TNH-SH为等压面上,北半球的纬向平均温度减去对应纬度上相同季节的南半球的温度值。结果表明:夏季时,在整个平流层和低中间层大于40°的高纬度地区,南半球温度均高于北半球;在低纬度地区,与南半球相比,北半球夏季平流层暖而中间层冷。冬季时,背景温度场的半球差异要大于夏季,其中平流层中南半球温度低于北半球,TNH-SH最大约20 K,发生在极区附近;在中间层情况相反,TNH-SH的极值位于60°,0.3 hpa附近,约为-15 K。平流层中TNH-SH主要表现为AO变化,高纬地区的TNH-SH在1月份为正而7月份为负,中低纬度的变化则刚好相反。在中间层,AO依然是TNH-SH最显著的周期。在高纬度地区,SAO开始出现。TNH-SH还存在着QBO的年际变化,主要发生在低纬度和高纬度地区,中纬度QBO的强度则较弱。
【关键词】：中间层-低热层 大气动力学 迁移日潮 6小时迁移潮 波-波非线性相互作用 全球分布 时间变化 纬向平均温度 南北半球不对称
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P433;P412
【目录】：

• 摘要6-9
• Abstract9-14
• 第一章 绪论14-28
• 1.1 地球大气简介14-17
• 1.2 中层大气17-21
• 1.2.1 中层大气探测17-18
• 1.2.2 中层大气模式18
• 1.2.3 中层大气环流18-20
• 1.2.4 中层大气波动20-21
• 1.3 大气潮汐波21-26
• 1.3.1 大气潮汐波分类22
• 1.3.2 MLT区域的迁移潮汐22-26
• 1.4 本文主要研究工作26-28
• 第二章 数据与方法28-44
• 2.1 SABER/TIMED探测器及其温度数据28-31
• 2.1.1 TIMED卫星及其载荷28-30
• 2.1.2 SABER探测器及其温度数据30-31
• 2.2 MERRA再分析数据31-33
• 2.3 数据分析方法33-44
• 2.3.1 迁移潮汐的提取33-35
• 2.3.2 经验正交函数分解35-38
• 2.3.3 功率谱38-40
• 2.3.4 谐波拟合40
• 2.3.5 双谱分析40-41
• 2.3.6 相关系数41-42
• 2.3.7 带通滤波42-43
• 2.3.8 奇异值分解43-44
• 第三章 基于SABER/TIMED观测的6小时迁移潮的全球分布与季节变化研究44-66
• 3.1 数据和分析方法47-49
• 3.2 结果49-58
• 3.2.1 6小时迁移潮的空间分布特征49-50
• 3.2.2 6小时迁移潮的季节变化50-58
• 3.3 讨论58-63
• 3.3.1 平流层臭氧加热58
• 3.3.2 背景温度场和风场的调制58-59
• 3.3.3 不同潮汐分量之间的非线性相互作用59-63
• 3.4 小结63-66
• 第四章 纬向平均风场梯度对迁移日潮周期变化的可能调制66-86
• 4.1 数据和分析方法68-75
• 4.1.1 数据68-69
• 4.1.2 DW1 的提取与风场梯度的计算69-74
• 4.1.3 场相关分析74-75
• 4.2 结果与讨论75-83
• 4.2.1 风场梯度的时间变化75-77
• 4.2.2 风场梯度与DW1 的场相关分析77-83
• 4.3 小结83-86
• 第五章 平流层和中间层纬向平均温度的南北半球不对称86-96
• 5.1 数据86-87
• 5.2 结果87-93
• 5.3 小结与展望93-96
• 第六章 工作总结与展望96-100
• 6.1 工作总结96-98
• 6.2 工作展望98-100
• 参考文献100-112
• 发表文章及会议报告112-114
• 致谢114

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 马瑞平;副热带急流强度和赤道QBO对平流层突然增温的影响[J];地球物理学报;1996年01期

2 徐寄遥,王咏梅,王英鉴;重力波对中层顶区光化加热的影响[J];空间科学学报;1999年03期

  本文关键词：中层大气迁移潮汐与纬向平均温度场的观测研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：376608