行星尺度波動(dòng)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(dòng)及其在中間層、電離層耦合中的機(jī)制，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題。行星波從對(duì)流層向上傳播的過程中，不斷的將動(dòng)量和能量釋放到背景大氣，從而引起大氣背景風(fēng)場(chǎng)、溫度以及環(huán)流的改變，進(jìn)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ⅲ軌蛞馃釋哟髿饨M成成分的變化，進(jìn)而影響到熱層的光化學(xué)過程。另外，行星波可以借助于電離層E層的風(fēng)力發(fā)電效應(yīng)，間接引起F層電離層的擾動(dòng)。除此之外，行星波也可以通過調(diào)

2、制潮汐波，進(jìn)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(kuò)展我們對(duì)大氣動(dòng)力學(xué)的理論認(rèn)知，也有助于增加我們對(duì)短期空間天氣變化的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而為人類近地空間環(huán)境的探索活動(dòng)提供保障。本博士論文，將從準(zhǔn)兩天波的年際變化特征出發(fā)，研究平流層突然增溫對(duì)準(zhǔn)兩天波的影響，以及11年太陽活動(dòng)周期對(duì)準(zhǔn)兩天波活動(dòng)的調(diào)制。然后，我們分析并總結(jié)了行星波信號(hào)在電離層參數(shù)中的形態(tài)，并進(jìn)一步分別研究了行星波的經(jīng)向風(fēng)和緯向

3、風(fēng)分量在電離層E層的風(fēng)力發(fā)電效應(yīng)。雖然準(zhǔn)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(fù)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(yùn)行13年。其上面搭載的SABER(Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry)探測(cè)

4、器能夠?qū)Α?0-110千米高度范圍內(nèi)的中性溫度進(jìn)行測(cè)量，而TIDI探測(cè)器則為我們提供了85-105千米高度范圍內(nèi)的中性風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)。衛(wèi)星探測(cè)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(gè)基本參數(shù)，對(duì)行星波進(jìn)行準(zhǔn)確的分析。
　　本文利TIMED衛(wèi)星2002-2011年觀測(cè)的中性大氣溫度和風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，分析并總結(jié)波數(shù)為3(W3)和波數(shù)為4(W4)的準(zhǔn)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(dòng)在2006年1月份達(dá)到最大值，其溫度

5、、經(jīng)向風(fēng)和緯向風(fēng)幅度分別達(dá)到～15 K、～65 m/s和～35 m/s;而其周期卻只有43小時(shí)，是這十年當(dāng)中最短的周期。準(zhǔn)兩天波的在2006年1月份的異常活動(dòng)，與同一時(shí)期在北半球高緯度地區(qū)發(fā)生的強(qiáng)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(dòng)在2008-2009年達(dá)到極小值，而7、8月份的W4波動(dòng)卻在2008-2009年達(dá)到極大值，這又與太陽活動(dòng)的極小年相吻合，并暗示太陽活動(dòng)周期對(duì)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(xì)研究了SSW對(duì)準(zhǔn)兩天波的影響，其中包括波數(shù)為3的準(zhǔn)兩天波(W3)和波數(shù)為2的準(zhǔn)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(fēng)場(chǎng)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(fēng)場(chǎng)的減弱或反向而產(chǎn)生的不穩(wěn)定性，對(duì)于W3的放大作用不明顯。南半球（夏天）的東風(fēng)風(fēng)場(chǎng)在SSW期間變強(qiáng)，這導(dǎo)致W3的波導(dǎo)在SS

7、W期間變大，即SSW期間的背景風(fēng)場(chǎng)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(zhǔn)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(shí)在夏天半球和冬天半球傳播，這就導(dǎo)致了W2的溫度和風(fēng)場(chǎng)波動(dòng)結(jié)構(gòu)相對(duì)于赤道比W3更對(duì)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(fēng)場(chǎng)不穩(wěn)定性，可以通過波與背景的相互作用，對(duì)W2進(jìn)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(qiáng)的SSW期間，W2的波動(dòng)也會(huì)更加劇烈。這一方面是因?yàn)樵诖似陂gSPW1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?yàn)閺?qiáng)SSW期間的背景風(fēng)場(chǎng)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(dá)在1990-2006年連續(xù)工作了16年，其能夠測(cè)量80-100千米高度范圍的水平風(fēng)場(chǎng)，這為我們進(jìn)一步研究準(zhǔn)兩天波對(duì)11年太陽活動(dòng)周期的響應(yīng)提供了數(shù)據(jù)支持。衛(wèi)星

9、觀測(cè)數(shù)據(jù)已經(jīng)表明，W3和W4分別在1月份和7月份的準(zhǔn)兩天波活動(dòng)中占主導(dǎo)地位，因而我們也將對(duì)中頻雷達(dá)1月份和7月份的準(zhǔn)兩天波活動(dòng)進(jìn)行單獨(dú)分析。分析結(jié)果表明:1月份經(jīng)向風(fēng)和緯向風(fēng)的準(zhǔn)兩天波與太陽活動(dòng)基本正相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.45和0.6。但1月份的準(zhǔn)兩天波在1993和2003年的太陽活動(dòng)高年達(dá)到峰值，這滯后于太陽活動(dòng)1-2年。7月份的準(zhǔn)兩天波與太陽周期活動(dòng)的關(guān)系比較復(fù)雜，7月份經(jīng)向風(fēng)的準(zhǔn)兩天波活動(dòng)基本與太陽周期活動(dòng)正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)

10、到0.4;而7月份緯向風(fēng)的準(zhǔn)兩天波活動(dòng)與太陽周期活動(dòng)更傾向于負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)高達(dá)-0.7。
　　本文從電動(dòng)力學(xué)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(hào)在電離層中的響應(yīng)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(hào)，這就證實(shí)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(jìn)一步的分析表明:電離層對(duì)行星波的響

11、應(yīng)，無論在緯向結(jié)構(gòu)和高度分布上，都與電離層的赤道異常相吻合，即行星波對(duì)電離層擾動(dòng)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(dòng)的最大值在一般在1400-1800 LT之間，這也與噴泉效應(yīng)的形成時(shí)間相吻合。這說明，行星波的風(fēng)場(chǎng)波動(dòng)很可能通過與E層背景風(fēng)場(chǎng)的疊加，對(duì)噴泉效應(yīng)進(jìn)行了調(diào)制，進(jìn)而通過E×B引起的粒子垂直漂移將行星波信號(hào)傳播到F層電離層。最后，我們通過TIME-GCM的控制實(shí)驗(yàn)，以波數(shù)為2和波數(shù)為3的準(zhǔn)兩天波為

12、例，分別研究了行星波的經(jīng)向風(fēng)和緯向風(fēng)分量的風(fēng)力發(fā)電效應(yīng)。我們的研究表明，W2和W3可以直接通過E區(qū)的風(fēng)力發(fā)電效應(yīng)，引起相應(yīng)的離子垂直漂移，但由于W2和W3的風(fēng)場(chǎng)波動(dòng)具有不同的緯向結(jié)構(gòu)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(fēng)和經(jīng)向風(fēng)波動(dòng)引起的離子垂直漂移，在相位上正向相關(guān)，這導(dǎo)致了由總風(fēng)場(chǎng)波動(dòng)引起的粒子垂直漂移要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于由單個(gè)風(fēng)場(chǎng)波動(dòng)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(fēng)和緯向風(fēng)