海口中层大气温度变化特性的Rayleigh激光雷达观测研究

中层大气温度变化的探测与研究是当前气候变化研究课题的一个组成部分,本文基于海南激光雷达2010—2020年间的长期观测,通过对中层大气Rayleigh散射信号的反演,探讨了海口(19.9°N,110.3°E)上空中层大气(32~64 km)温度变化特性.研究结果显示,中层大气温度呈周期性变化趋势,年、半年、季节变化幅度最大值分别为6.0、3.8、1.7 K,平流层顶位于42~51 km高度,日平均温度最高为~262 K.平流层温度主要表现为年变化趋势,半年和季节变化不明显;平流层顶和低中间层温度变化趋势具有年和半年变化特征,季节变化不明显.在太阳活动性发生明显变化的周期里,平流层顶温度的年际变化趋势对辐射通量F10.7指数变化有较明显的响应;而在太阳活动平静的年份里,温度变化趋势与太阳辐射通量变化的相关性不明显.

武汉中层大气中频雷达及其初步探测结果

首先简要地讨论了武汉中频雷达观测原理和设备的组成．该雷达测量６０—１００ ｋｍ高度的大气风场和电子密度．风场采用分布天线测量技术和全相关分析方法得到，电子密度通过微分吸收和微分相位技术获得．初步观测结果表明：（１）武汉上空冬季６０－１００ｋｍ高度的纬向风多为西风，风速为３０－５０ｍ／ｓ。经向风速为１０—２０ ｍ／ｓ． 垂直风速较小，一般在５ ｍ／ｓ以内．（２）６０—１００ ｋｍ高度范围的大气风场和电子密度均有明显的日变化，风场在某些时段和高度区间有较强的风剪切出现．（３）８０ ｋｍ以上高度大气的风场和电子密度存在较明显的扰动现象，它可能与大气波动过程有关．

利用HALOE资料分析中层大气中水汽和甲烷的分布特征

利用1991年12月至2004年5月的HALOE资料,分析了中层大气中微量气体水汽和甲烷的垂直和水平分布特征。垂直分布特征是:水汽混合比在对流层顶和平流层底达到极小值(此极小值区被称为湿层顶),平流层里水汽混合比随高度增加,在平流层上层和中间层低层混合比出现明显的扰动,在中间层顶再次达到极小值,向上混合比又随高度增加。甲烷混合比从100 hPa附近向上混合比一直减少。经向分布特征主要表现为:平流层中下层水汽混合比低值区在热带地区上拱,水汽混合比自低纬向高纬递增;而该气层甲烷混合比则是高值区在热带地区上拱,甲烷混合比自低纬向高纬递减。在低平流层副热带20°S-30°S(20°N-30°N)附近二者混合比水平梯度相对偏大。平流层中上层二者等值线在北半球夏季变成双峰形势,北半球冬季仍是单峰形势。中间层二者都主要表现为冬、夏季分布形势相反。在北半球夏季30°N,平流层中下层水汽和甲烷混合比纬向梯度很小,对流层上层以及中间层二者混合比纬向梯度明显。

青岛上空中层大气密度和温度的激光雷达探测

介绍了中国电波传播研究所瑞利散射激光雷达系统的结构和性能,阐述了激光雷达探测中层大气密度和温度的工作原理,给出了青岛地区中层大气密度和温度的初步探测结果.通过与卫星、探空气球和大气模式数据的结果对比,验证了激光雷达探测大气温度的可靠性.基于2008-2009两年的观测,获得了青岛地区上空中层大气温度的季节变化和平均分布.激光雷达观测结果表明,青岛地区平流层温度比CIRA86模式结果高,且二者偏差呈夏秋季小、冬春季大的特点,中间层温度则正好相反.

中层大气中重力波饱和机制的数值分析

通过对向上传播的重力波波包在中层大气中的非线性传播过程进行数值模拟 ,讨论中层大气中重力波的饱和机制 .数值模拟结果表明 ,向上传播的重力波波包的扰动振幅在接近波包的本征水平相速度之前随高度单调增长 ,而当波振幅接近本征水平相速度时 ,在对流不稳定区域出现等位温面的翻转 ,同时波振幅的增长达到饱和 (波振幅随高度不发生变化 ) .小尺度对流在等位温面的翻转和波饱和发生后产生 ,随后波包开始破碎 ,这些非线性过程的最终结果产生湍流 .表明导致重力波饱和的关键因素是等位温面的翻转而不是诸如波破碎、湍流、波

中层大气重力波的全球分布特征

从2002年1月到2009年12月的SABER温度剖面数据提取了可以反映重力波活动的垂直尺度2～10 km的中尺度温度扰动,分析了全球中层大气重力波的分布.重力波扰动在夏季和冬季明显强于春季和秋季,而冬季与夏季相比,在70 km以下的高度夏季弱于冬季,在70 km以上夏季比冬季要强.从全球重力波分布来看,较大值分布在冬季半球和25°N到25°S的热带范围,其中热带范围重力波的峰值随着高度向北移动,而在南半球高纬度地区重力波扰动较大值位于极区涡流的边缘.热带范围的扰动沿着经度方向有明显的变化,这是由风过滤、地形和波动等因素共同作用的结果.重力波扰动强度随高度变化,在25～30 km处呈现下降趋势,而超过42 km后又逐渐递增.对比8年平均的重力波在不同高度的强弱分布,可以看到,在较低高度,重力波的强弱明显与地形有关,而在较高高度,重力波的分布与地形的关系变得不明显.这说明重力波的形成与地形有显著相关性,但在传播过程中重力波的分布会随高度出现明显的变化.

平流层和中层大气研究的进展

平流层和中层大气研究是20世纪70年代以来持续得到大气科学界和日地物理界共同关注的研究前沿。中国科学界在文化大革命结束后立即抓住这一前沿作为发展重点之一。20多年来,中国科学院大气物理研究所等单位较为系统地开展了这一方向的研究,并在一些方面进行了前沿性的工作。作者着重介绍以下几方面的进展:(1)平流层和中层大气探测设施与探测方法;(2)大气臭氧、平流层气溶胶的监测与分析;(3)行星波在中层大气环流与大气臭氧分布中的作用;(4)重力波在中层大气的传播特征与作用;(5)平流层—对流层交换的动力物理与化学问题。

中层大气Rossby波与惯性重力波的非线性相互作用 （Ⅰ）相互作用方程

从包含Ｒｏｓｓｂｙ波和惯性重力波的大气运动方程组出发，采用弱非线性相互作用近似，推导出耗散大气中这两种尺度相差很大的波动之间的非线性相互作用方程．以此为基础，得到了描述窄角谱Ｒｏｓｓｂｙ波包和惯性重力波包的非线性时空演变规律的三波相互作用方程．数值分析表明，当一个Ｒｏｓｓｂｙ波包与两个惯性重力波包发生相互作用时，两个惯性重力波包之间进行快速的能量交换，同时与Ｒｏｓｓｂｙ波包之间进行缓慢的能量传输．从时间尺度上讲，惯性重力波可以看作Ｒｏｓｓｂｙ波包运动的背景噪声，因此上述非线性相互作用过程可以理解为大尺度Ｒｏｓｓｂｙ波包与背景噪声之间的能量交换过程．

波状扰动激发的重力波波包在中层大气中能量传播和转换特性的数值研究

采用谱配置方法对具有高斯分布的波状扰动激发重力波过程中的能量传播和转换特性进行数值研究.模拟结果表明:初始时刻单一的水平风、垂直风、密度或温度的波状扰动都可以激发出两支重力波波包,其中一支向上传播,而另一支则向下传播;在相同的波参数下,4种波状扰动所激发的重力波波包的能量传播路径几乎完全一致,与线性理论给出的射线路径却有些差异.进一步的数值分析则表明: 4种波状扰动转化为波动的特征时间基本相等,约为2个波动周期,但是在这个转换过程中,不同扰动的能量转换效率却差别很大.

中层大气模式的应用及发展前景

随着空间探测技术和计算机能力的不断提高,近年来中层大气模式得到了快速的发展。简要概述了中层大气模式的现状及其发展中存在的问题和挑战,同时也阐述了中层大气模式在近年来研究中的一些主要应用和未来的发展前景。目前,完备的基于大气环流模式的中层大气模式大多只包括了对流层和平流层大气,少量的模式可达到中间层和热层大气。这些现有的中层大气模式对平流层的化学过程和一些动力过程都具有了一定的模拟能力,如能较好地模拟出南极臭氧空洞及其时间演变以及热带平流层大气中的准两年和准半年振荡信号。但是不同模式模拟结果之间的差异仍然是显著的,现有的中层大气模式还需要进一步的发展和完善。改进模式的辐射传输方案和重力波参数化方案,实现大气化学过程、动力过程和微物理过程的充分耦合,改善平流层以上的大气化学过程和物理过程在模式中的描述是目前正在进行的工作。中层大气模式目前已开始被广泛应用于大气科学研究的各个方面,进一步发展和完善中层大气模式不仅对天气、气候预报具有重要的意义,对空间科学的研究来讲也是需要的。

中国中层大气研究的近期进展

本文评述近１０年来我国在中层大气研究方面的进展主要．这些进展主要包括：中层大气探测仪器和探测方法；中层大气特征的探测与分析；大气上下层耦合与太阳活动影响分析；中层大气的动力学和光化学模式研究．评述的结果表明，我国的中层大气研究已经紧跟国际日地物理和地球科学的研究前沿，形成了一支有一定规模的研究队伍和相应的探测设备，并取得了若干方面较为系统的研究成果．另一方面，我国的研究还存在着一定的局限性，在这方面的研究还需要加强和深入．

重力波包在中层大气温度波导中传播的数值模拟

给出了重力波在中层大气温度波导中的反对称形式导制传播的线性理论模型,并采用二维非线性的数值模型对重力波波包在中层大气温度波导中的传播和演变过程进行了模拟研究.模拟的结果表明,下层大气激发的重力波能量进入波导区域后被俘获形成导制传播.重力波在波导内不停地来回反射,垂直方向的自由传播受到限制,能量在波导内沿着水平方向传输,模拟得到的波参数与理论值相近.重力波包在温度波导中传播时伴随着能量泄漏,且能量泄漏的速率随时间变缓,最终总有部分能量被限制在波导区域.重力波在水平方向上传播几百公里后,依然维持着良好的波结构,同时数值模拟也给出了重力波在波导区域内能量密度的时空分布.

中层大气行星波在臭氧的季节和年际变化中输运作用的数值研究──Ⅰ．常定流的情况

本文构造了一个３４层球坐标原始方程波－流相互耦合谱模式，利用此模式从拉格朗日平均环流的观点研究了在常定流下行星波对臭氧的输运作用。研究结果表明，行星波对臭氧的输运有明显的季节变化，在北半球冬季，由于行星波上传到平流层而大大增强了中高纬地区向极地向下的Ｏ３输运；并且还表明，热带纬向风的ＱＢＯ不仅通过影响东、西风切变而引起热带Ｏ３分布的年际变化，而且通过影响行星波的传播引起了行星波对Ｏ３输运的年际变化，这表现为当热带纬向风处于东风位相时，中高纬地区行星波对Ｏ３的输运比西风位相时强。

中层大气重力波的一种激发机制及其数值模拟──Ⅰ．非地转不稳定和波结构

本文用ＦＧＧＥ资料分析了１９７９年２月－３月一次爆发性增温期间平流层环流的不稳定性，从而说明在平流层爆发性增温期间伴随产生大振幅重力波活动的原因。分析结果表明：在平流层爆发性增温期间，大气中存在着很强的并且是系统性的非地转运动，从而产生非地转不稳定。强烈的地转偏差的存在激发出大振幅重力波。我们还应用一个线性化扰动方程求得了非地转不稳定判据；并且用数值方法分析了这次爆发性增温期间基流的特征谱点和不稳定波结构。计算结果表明基流满足非地转不稳定条件，具有快波性质的波动出现了不稳定。

中层大气Rossby波与惯性重力波的非线性相互作用（Ⅱ）波包之间的相互激发

进一步讨论了大中尺度Ｒｏｓｓｂｙ波与惯性重力波的非线性相互作用问题．从共振相互作用曲线来看，Ｒｏｓｓｂｙ波和惯性重力波可以在相当广泛的角谱范围内发生共振非线性相互作用．在一定条件下，一个大振幅波包可以激发两个小振幅波包不稳定增长而出现参量不稳定现象，这三个波包可以是同种类型或不同类型的波包．当两个大振幅波包发生相互作用时，非线性过程会产生另一个波包并使它增长，并且增长速度大于仅有一个大振幅波包时的增长速度．大尺度Ｒｏｓｓｂｙ波包税发两个较小尺度惯性重力波的过程是一种重要的能量串级（ｃａｓｃａｄｅ）过程．

重力波在中层大气温度波导中的传播模式研究

本文给出了重力波在中层大气温度波导中的导制传播模型,并在此模型的基础上详细讨论了重力波部分导制传播下的对称模式与非对称模式,导出了不同模式下相应的特征函数和色散方程,进一步用离散的方法对两类色散方程进行了求解;同时还利用二维全隐欧拉格式(FICE)对重力波在温度波导中的传播进行了模拟,模拟的结果也成功地展现了对称与非对称两种传播模式.研究表明,下边界的扰动能量在向上传播进入波导区域后被俘获,形成导制传播.不同周期的初始扰动,在波导内均会形成对称与非对称形式两种模式的导制传播,由于两者的行进速度不一致,最终会引起两种不同模式的分离.数值模拟中重力波的水平行进速度与线性模型预测值非常接近.波导中不同模式下重力波的水平波长与初始扰动的水平波长非常一致,然而波导区域内重力波的频率与初始扰动的频率无关,频率不同的初始扰动会激发出相同频率的重力波对称与非对称导制传播模式.这表明在确定的温度波导中,水平波数才是决定重力波传播特性的决定因素.进一步的分析显示,初始扰动的水平波数-频率分布越接近完全导制传播的色散关系时,温度波导中更易于生成以该种模式部分导制传播的重力波.

中层大气的一种特殊振荡现象

通过分析Nimbus7卫星的SAMS温度探测数据，发现叠加在温度季节变化上，存在一种特殊的纬圈平均温度谐波振荡现象，其特征是，在水平方向上是同步振荡，在垂直方向上呈驻波特征．分析认为这种振荡可能是地球大气的一个特征波模，它的纬向波数m＝0，经向波数n=0，相应的特征函数为,表现为大气单纯的垂直运动，在垂直方向上存在反射面，形成驻波．

中层大气受迫 Rossby 波包的非线性相互作用Ⅰ.理论分析

本文研究了中层大气受迫Ｒｏｓｓｂｙ波包非线性三波相互作用问题．理论分析得出，如果仅有最大波长或最小波长的波包受外源作用，系统仅能维持受迫波包的运动，平衡状态下外源能量不向另两个波包传递；仅有中等波长波包受外源作用时，随着外源强度的增加，系统的平衡态会发生分岔，并且在分岔点以后，中等波长波包的波幅不再增大，但大气高度愈高该振幅饱和值愈大，外源增大的能量全部通过非线性相互作用馈送给其他两个波包，从而外源可以维持三个波包的长期等幅运动．本文还给出了系统中有两个受迫Ｒｏｓｓｂｙ波包时系统的平衡态和稳定性条件，这时无论三个波包的尺度关系如何，外源能量均能在三个波包之间传递，因此外源也可以维持三个波包的运动．进一步的结果和波包的演化过程将通过数值计算给出．

中层大气受迫Rossby波包的非线性相互作用 Ⅱ．数值计算

本文对中层大气受迫Ｒｏｓｓｂｙ波包的非线性三波相互作用问题作了进一步的数值分析，结果表明，三个波包随时间演化达到的平衡态与文献川的理论结果完全一致．而且仅当系统中只有中等波长波包不受外源强迫时，系统运动有可能出现两个稳定平衡态，在一定外源强度范围内，平衡态会产生尖点突变，平衡态随外源的变化有滞后分岔的特征．系统运动最终达到的平衡态不仅与外源强度的变化方式有关，而且依赖于初始状态．

夏季极区中层大气运动功率谱分析

本文分析了１９８７年６月２３日至２９日ＭＡＣ／ＳＩＮＥ国际联合观测期间ＳＯＵＳＹＶＨＦ雷达在Ａｎｄφｙａ探测中层大气风场起伏的功率谱．结果显示，垂直速度谱与重力波谱理论有较大差异．引入背景风场Ｄｏｐｐｌｅｒ漂移并不能完全解释垂直运动谱与重力波谱理论的偏差，背景风场的影响明显小于理论预测的结果，说明大气运动功率谱成分中除了重力波外可能还有其它因素．