准2天波和6.5天波的TIMED/SABER观测研究

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行星波是一种广泛存在于大气中的行星尺度波动现象,纬向波数为1-5,在许多物理量中均能被观测到。行星波活动对大气中的动力学和光化学过程有着重要的影响。行星波的传播特性对整个大气层的能量耦合和输运过程也起着重要的作用。中高层大气是人类生存环境和行星际空间的过渡区域。研究中高层大气中的行星波现象将有助于更全面的认识日地空间内的能量交换过程,因此具有重要的意义。本文利用2002-2011年TIMED (Thermosphere, Ionosphere, Mesosphere, Energetics and Dynamics)卫星上搭载的SABER(Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry)仪器探测得到的全球大气动力学温度数据,2002-2004年UARS (Upper Atmosphere Research Satellite)卫星上搭载的HRDI (High Resolution Doppler Interferometer)仪器测得的全球中高层大气纬向风和经向风数据,2002-2011年NCEP/NCAR (National Center for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research)得到的再分析纬向风数据研究了中高层大气中的准2天波和6.5天波的空间分布(高度、纬度分布)和时间变化(逐日、年际变化)特征,讨论了背景风场对大气行星波传播特性的影响,研究了中高纬中高层大气行星波的年际变化特性与赤道地区准两年振荡(quasi biennial oscilation, QBO)现象的关联。具体的工作概括如下:1.采用2002-2011年SABER全球温度数据得到了中高层大气行星波成分的多年平均归一化频率-波数功率谱。结果表明:南北半球准2天波的主要成分分别是(2.13,W3)和(2.04,W4),并且强的行星波活动主要出现在夏季的中高纬地区。南北半球的(6.5,W1)波成分主要出现在春秋季节(4-5月和8-9月)的中高纬地区。2.在2002-2011年,最强的准2天波活动是出现在2002年12月-2003年2月320S的(2.13,W3)。我们对这次准2天波活动进行了详细的个例分析。结果表明,(2.13,W3)的最大振幅约为16.8K,不同高度上的持续时间为21-72天。W3的等相位面向下传播,说明其能量向上传播,因此我们推测波源可能位于60km以下。在水平方向上W3的传播方向分别是向西和向南。综合分析同时期的水平风场,结果表明背景风在决定行星波的传播特性和波参数中起着重要的作用。3.对2002-2011年准2天波的基本特征进行了统计分析。结果表明:南北半球准2天波的主要参数存在差异。南半球准2天波活动显著强于北半球,垂直波长也略长,而且南半球夏季准2天波的耗散似乎更强,这在以往的研究中并未提到。此外,本文首次采用10年的全球卫星观测数据给出了准2天波的年际变化特征。结果表明,全球的准2天波强度均存在准2年的变化周期。当低纬QBO为东向风时,准2天波的强度更大。这说明低纬纬向风场的QBO对行星波活动的影响会一直蔓延到中高纬地区。而在太阳活动的低年2009年,北半球行星波出现异常增强,而南半球出现异常减弱,因而我们推测可能是太阳活动对南北半球的准2天波强度有着不同程度的影响。4.利用SABER全球温度数据我们还提取了全球6.5波的基本特征,强的6.5天波主要出现在春季和秋季。我们分别研究了春秋季节(6.5,W1)年最大振幅的纬度-高度分布和年际-纬度变化情况。其中,两个季节的纬度-高度分布很类似,峰值振幅通常出现在南北半球中高纬地区的100-110km。但是两个季节的年际-纬度变化表现出了不同的特性。春季年最大振幅在南北半球的年际变化情况基本类似,振幅在2003-2004年达到峰值,而其他年份均比较弱,且北半球大于南半球。秋季年最大振幅的纬度分布也大致关于赤道对称,且在30°N-50°N出现了类似准2年的变化周期。结合NCEP/NCAR赤道地区的月平均纬向风数据,我们发现赤道地区QBO的风向与中高纬地区(6.5,W1)活动的年际变化关系紧密。5.对春秋季节(6.5,W1)在40°N处振幅和相位的逐日变化进行的分析表明波的垂直传播对波振幅的垂直分布有重要的影响。在100km以下能量向上传播可能导致了振幅峰值随高度的增大,相位剖面显示110km以上可能存在行星波的反射层或波源区,导致100-110km能量的向下传播,使得100-110km范围内产生驻波。(6.5,W1)在春秋季节的相位垂直结构类似,这说明波能量在这两个季节的垂直传播特性也是类似的。除此之外,我们还研究了水平风场对(6.5,W1)垂直传播特性的影响。结果表明背景纬向风在2003年4-5月52°S-52°N的85-95km高度上均为东向风,这有利于(6.5,W1)的向上传播。8-9月的背景东向风弱于4-5月份,这使得2003年4-5月(6.5,W1)的振幅大于8-9月。而背景经向风在春季和秋季的差别不大。因此,(6.5,W1)在春秋季节年最大振幅年际变化的差异可能是由于背景纬向风场的差异导致的,也可能是由于它们的源或温度场的年际间变化不同导致的。
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