平流层爆发性增温期间中高层大气行星波研究进展

极区平流层爆发性增温(SSW)是冬季半球最剧烈的大气扰动现象之一.SSW期间温度和风场的剧烈变化被认为是冬季半球中高层大气波动能量异常增强的主要原因.流星雷达是能够稳定连续探测中间层和低热层风场的重要地基探测设备.主要依托国家重大科技基础设施建设项目:“子午工程”,我国已建设了多个流星雷达观测台站,对中间层和低热层风场进行了长期稳定连续的监测,为揭示SSW期间中间层和低热层波动异常变化的物理机制提供了重要的观测资料.本文简述了近年来以我国“子午工程”流星雷达监测数据为核心,SSW期间中高层大气行星波的研究进展和成果;深入讨论了冬季半球中高层大气行星波发生异常变化的主要激发机制.随着“子午工程”二期十个流星雷达台站即将建成,本文对利用“子午工程”流星雷达监测台网进一步研究SSW期间中高层大气波动的变化特性进行了展望.

2021年北极典型平流层爆发性增温事件研究与预报

本文选取了对我国2021年冬季寒潮事件可能有重要影响的2021年1月北半球平流层爆发性增温(SSW)事件为例,利用观测资料、再分析资料和预报模式,探讨了2021年1月的SSW事件的特征和机制并对其进行了预报研究。此次SSW事件(简称为“事件”)发生期间,北极平流层温度几天内上升近30°C,绕极西风环流减弱甚至在此次事件中出现了三次逆转为东风环流的现象。事件发生前期,太平洋海温和巴伦支—喀拉海(BK)海冰的出现异常的降低和减少现象;使用Eliassen-Palm通量(E-P通量)研究发现,这导致更多的对流层异常行星波活动上传到平流层;海温和海冰所导致的行星波活动的异常增多可能是导致此次SSW事件的主要因素。除此之外还发现,事件期间平流层位势高度正异常下传到对流层,与2021年1月中旬亚欧大陆出现的极端低温事件,存在显著的联系。最后,本文使用基于WACCM6模式和DART同化工具建立的平流层预报模型对此次事件进行了回报研究。该模型成功的预报了2021年1月发生的这次SSW事件,预报的温度大小和纬向风强度基本和观测结果一致。对回报试验的进一步研究发现,同化平流层温度、臭氧和水汽,减少预报初始场中平流层环流和温度误差,对准确预报这次SSW事件有重要的作用。初始场中没有同化平流层温度、臭氧和水汽的预报试验结果,与观测结果之间存在很大差异,甚至结果完全相反。

2013年极区平流层爆发性增温期间我国昆明地区临近空间大气波动特性研究

利用2012-12-01—2013-02-28期间昆明站与120°E子午链附近5个台站流星雷达观测的大气风场数据,分析了2013年极区平流层爆发性增温(stratospheric sudden warming,SSW)事件对昆明地区临近空间平均风场、大气潮汐波的影响.结果表明2013年SSW期间,昆明站纬向东向风快速减弱并转向,北向风异常增强,周日潮汐和半日潮汐振幅均出现明显下降.结合小波分析结果发现:2013年SSW期间行星波有幅度增强现象,但主导准周期在不同纬度和不同时间表现不一致;昆明站垂测仪的foF2数据表现出明显的潮汐波状变化结构;行星波和半日潮汐的相互作用可能是临近空间调制电离层的主要机制,其耦合机制有待进一步研究.

平流层爆发性增温对中国天气气候的影响及其在ENSO影响中的作用

本文通过分析1957～2002年平流层爆发性增温(SSW)的环流特征,研究平流层爆发性增温可能对我国天气气候的影响.平流层爆发性增温发生后平流层高纬地区有异常的环流变化,但是这种变化并不仅局限于平流层内部,其产生的环流异常能够向下传播,并对对流层的天气和气候产生影响.研究发现,平流层出现强爆发性增温后,平流层异常温度场和位势高度场在中、高纬度形成AO型振荡并向下传播,使得对流层低层西伯利亚高压增强、阿留申低压加深,500 hPa东亚大槽加深且偏西,导致东亚冬季风增强,我国北部大部分地区气温偏低.而在爆发性增温前,强行星波扰动使得东亚大槽加深,西伯利亚高压和阿留申低压同时增强,也可能导致东亚冬季风偏强.El Nino可能激发出强行星波,有利于强SSW事件的发生.通过上述的两个过程可能造成东亚冬季风的加强,这将会对"ElNino事件通过对流层过程而引起东亚冬季风减弱"的结论有一定影响.因此,ENSO事件影响东亚冬季风及中国的天气气候存在不止一种途径,具体影响情况应该是几种途径的综合结果.

平流层爆发性增温期间行星波的活动

利用逐日的NCEP再分析资料分析了1978-2004年期间发生的18次强爆发性增温时平流层中下层行星波1波和2波的异常以及极涡崩溃的形式。分析表明，爆发性增温前期1波都异常增幅，波振幅达到峰值之后的一段时间内发生爆发性增温，然而在增温过程中行星波2波的变化却有明显不同，可分为三种情况：（1）在增温前期，行星波2波很弱；在增温期间，行星波2波异常发展，伴随着极涡崩溃的形式是由偏心型向偶极型过渡。（2）在增温前期，行星波2波较强；在增温期间，行星波2波明显减弱，极涡的变化形式是远离极地，在极地外围活动，但不发生分裂。（3）在增温前期，行星波2波不太强；在增温期间，行星波2波有所发展，但始终强不过1波，极涡的变化是先偏离极地，然后发生不对称的变形。作者还计算和分析了EP通量及其散度，利用波流相互作用理论对这三种行星波的异常变化及其与爆发性增温的关系进行解释。

平流层爆发性增温过程中臭氧的垂直分布特征

利用ECMWF资料分析了平流层爆发性增温(SSW)过程中臭氧体积混合比的垂直分布的变化,结果表明:平流层爆发性增温过程中臭氧体积混合比增大,而其极大值大多数形成在增温盛期。同时臭氧体积混合比的高值区在爆发性增温过程中随高度发生一定的变化,据此对其变化分为两类:(1)下传型:在增温初期臭氧体积混合的高值区随高度下传至一定高度,在增温盛期形成极大值然后随高度抬升到大致增温前的高度。(2)增厚型:在增温过程中臭氧体积混合比的高值区厚度增加,同时附近区域的臭氧体积混合比也增大,而且在增温前臭氧体积混合比高值区在高度上没有多大变化,增温开始后有所抬升。平流层爆发性增温过程中臭氧高值区随高度变化的这两种类型,是由于平流层爆发性增温期间剩余环流对臭氧输送的结果。臭氧变化的下传型是由于在爆发性增温前剩余环流存在着中纬度向极地的明显输送,并且伴随着极地强烈的下沉运动,这就使得中纬度输送来的臭氧向下输送,因此出现了臭氧高值区的下传;而臭氧变化的增厚型是由于在爆发性增温期间剩余环流不但有中纬度向极地的输送,而且在极地附近5 hPa高度处出现了上下两支输送气流,向上的输送气流使中纬度输送来的臭氧向上输送,而向下的输送气流使中纬度输送来的臭氧向下输送,进而使增温期间极地附近的臭氧的高值区增厚。同时分析还表明:平流层爆发性增温过程中中纬度臭氧体积混合比减少。

2003～2004年冬季平流层爆发性增温动力诊断分析

利用逐日的欧洲中尺度天气预报中心(ECMWF)60层模式资料,对2003年12月～2004年2月期间发生的一次非典型的爆发性增温中平流层结构的变化过程进行动力学诊断分析。充分利用资料层次高(最高层为0.1hPa)和垂直分辨率高(垂直方向共60层)的优势,通过对不同高度等熵面位涡分布的分析,研究了极涡在平流层爆发性增温(SSW)发生前后的变化发展;通过对EP通量及其散度的分析,研究了SSW过程中行星波的变化特点;通过对剩余环流的分析,研究了在SSW过程中经圈环流的变化及其对动力过程的影响。得出:(1)2003/2004年SSW增温过程持续时间长、强度大;(2)增温最早发生在平流层上层并向下传播,在10hPa形成较强东风带后,上层西风环流迅速恢复,极涡再度形成,下层则增温持续;(3)SSW前后行星波活动频繁,有长时间多次的上传,且以1波作用为主,2波对其进行了补充;(4)在SSW过程前后,平流层中的剩余环流发生反转,影响了平流层中、高纬地区和低纬地区的物质交换以及上下层物质的重新分配。这一系列的工作为今后进一步研究平流层、对流层交换,发展完善气候模式打下基础。

平流层爆发性增温中平流层环流及化学成分变化过程研究

利用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）气象分析场、欧洲空间局ENVISAT／MIPAS卫星观测资料以及平／对流层大气化学输送模式MOZART-3综合分析了2003-2004年冬季北半球爆发性增温事件对于平流层大气环流、物质输送以及对流层顶附近臭氧通量等多方面的影响。结果表明：①本次增温过程持续时间长、强度大，平流层极涡从高层向下逐层分裂，增温效应作用到大气较低层，当纬向东风形成并维持后极涡又自上向下逐层恢复；②SSW过程前后行星波活动频繁，有长时间多次的上传，且以1波作用为主，2波对其进行补充；⑧在θ-PVLAT坐标中分析发现SSW扰动过程中平流层中存在一对向极、向下的传播模态，相应的对流层中有一向赤道的传播模态，不同符号的纬向风、温度异常信号沿这两个模态传播，且上、下层传播模态在时间上存在着一定的联系；④增温过程中行星波活动引起的向极输送以及极区垂直运动的变化，共同影响了平流层的物质输送过程，从而导致北半球平流层N2O、O3、CH4、H2O等微量气体成分的垂直、水平分布发生显著变化；⑤增温过程中活跃的行星波可以造成平流层Brewer-Dobson环流增强，同时导致高纬度地区（60～90°N）穿越对流层顸的臭氧通量（Cross-Tropopause Ozone Flux，CTOF）显著增强，与行星波相联系的等熵物质运动引起“middleworld”区域内向赤道的臭氧通量也有所增强。

平流层爆发性增温及其影响研究进展

平流层爆发性增温(stratospheric sudden warming,SSW)是冬季平流层大气环流结构的一种突变现象,在短时间内平流层中高纬度的温度、风和极涡都会发生剧烈变化。因此,SSW也就成为平流层大气环流及其变化研究的重要方面之一。在强SSW期间,高纬地区温度急剧升高,西风被东风取代,极涡几乎全部崩溃。SSW极大地影响着北半球对流层大气,甚至整个中高层大气,包括对平流层乃至中层大气微量气体分布的重要影响。随着临近空间飞行平台的研究应用,以及由此而提出的临近空间环境条件的保障问题,作为临近空间重要组成部分的平流层环流变化将更加引起人们的关注。本文就SSW的特征、发生机制、对上下层相互作用的重要影响,以及SSW与准两年振荡、ENSO等的密切关系和SSW的数值模拟等方面的研究工作,进行了回顾和总结。

平流层爆发性增温的时空分布特征

利用1950～2003年逐日平均NCEP资料,对平流层爆发性增温（SSW）的特征进行了统计分析,得到如下结果：北半球SSW具有多发性,在这53年里共发现了69次增温事件,平均每年一次以上,有些年份甚至出现2～3次;SSW中心位置随高度变化,在较低层（16 km附近）中心位置大部分偏于西半球的北美北部到北极地区,高层（30 km附近）附近其中心多偏于东半球欧亚大陆的北边到北极地区;北半球SSW最先发生在30 km附近的欧亚大陆以北地区,然后由上向下延伸和传递,同时中心位置也逐渐转到西半球的北美大陆北端;在北半球发生SSW期间,平流层温度场和环流场的变化也会影响到对流层,引起对流层温度场和环流场的变化.对2002年9月发生在南半球平流层的一次强爆发性增温进行分析表明,南半球的这次SSW发生时表现出的特征与北半球稍有不同,在较低层（16 km附近）SSW中心出现在东半球的南端,在较高层（25～30 km）SSW中心位于西半球的南端.

近50a平流层强爆发性增温事件及其变化规律分析

按WMO提供的标准,提出了划分强爆发性增温(SuddenStratosphericWar ming,简称SSW)事件的指标,用NCEP/NCAR30hPa层逐日温度、高度资料,确定了1950—2002年1—3月期间的35次强SSW事件。在此基础上,给出了强SSW事件发生的气候及异常特征,并从北半球中高纬臭氧及日照年际变化及其年际异常出发,给出了这些特征的部分成因。

2003—2004年冬季北半球爆发性增温期间极地平流层甲烷、水汽的演变特征

利用欧洲空间局(ESA)提供的ENVISAT/MIPAS(Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding)卫星观测数据以及ECMWF业务分析场,综合分析了2003—2004年冬季北半球爆发性增温(SSW)事件中极地平流层大气甲烷和水汽的演变特征.结果表明:(1)增温出现时,平流层高、中层极涡先后发生分裂,对应的甲烷、水汽极值中心也同时发生分裂;(2)增温下传过程中,平流层中上层甲烷、水汽同时具有"向上输送"的特征,这主要是由极地平流层的上升运动造成;增温过程中行星波活动引起的向极输送造成这种"向上输送"特征在高层具有一定的超前性;(3)增温后期,高层极涡迅速恢复,极涡内的下沉运动将中间层低层的空气(甲烷、水汽浓度极低)输送进入平流层,造成平流层高层极涡(52km附近)内出现甲烷、水汽浓度的异常低值.

平流层爆发性增温与黄河洮渭接壤区旱涝关系

利用洮河、渭河接壤区1951～2000年各月降水量、林家村和红旗站1956～2000年径流量资料,以及同期平流层位势高度场和温度资料,采用Z指数方法对该区旱涝进行等级划分,对平流层爆发性增温与洮渭接壤区旱涝的关系进行了统计分析.结果表明:①平流层爆发性增温与洮渭接壤区的多雨年存在有较好的对应关系;②平流层中层在隆冬期间是否发生强爆发性增温,对于洮渭接壤区洪涝和水量偏丰与否具有较好的指示性.

平流层爆发性增温期间大气变化特性的COSMIC掩星观测

利用高精度和高垂直分辨率的COSMIC掩星观测资料,详细深入分析了2007年冬—2008年春平流层爆发性增温(SSW)期间10～60 km高度范围内大气的变化特性,尤其是上平流层和低中间层大气的变化特性.结果表明,在SSW过程中,温度场、风场和剩余环流都发生了明显的变化.根据温度在主增温前和主增温盛期的变化特性,在水平方向,大约以55°N为界,在垂直方向,大约以42 km为界,可以将温度场在纬度-高度的分布分为4个区域:高纬下层增温区,增温幅度约高达25 K;高纬上层降温区,降温幅度约达30 K;中纬下层降温区,降温幅度约为几K;中纬上层增温区,增温也约为几K.SSW期间上下层大气纬向风场的变化规律基本相同.在纬度方向以45°N为界,45°N以北地区的西风减弱东风增强,风场变化高达50 m/s;45°N以南地区西风增强东风减弱,变化幅度比较小,约10m/s.在2008年1月下旬到2月底,大气温度和纬向风有明显的振荡现象,周期约为12天.剩余环流的环流圈在SSW期间会发生反转,由此也表明,SSW期间大气中物质的输运方向也会发生改变.

平流层爆发性增温事件中大气准16日行星波

2014年1月上中旬高纬平流层发生弱增温事件,增温幅度约25 K,纬向西风减弱并于2月初转向.行星波在平流层爆发性增温(SSW)事件产生中具有重要作用.利用北半球近东经120°链上中低纬5个流星雷达探测的风场数据,研究了此SSW事件发生前和发生期间中间层和低热层区(MLT)大气风场的行星波状况.结果显示,极区平流层增温前MLT区大气呈现出明显增强的准16日波动,增温达到最大时,16日波也最强,表明中低纬MLT区的行星波变化与SSW事件存在耦合关系.进一步利用欧洲中心平流层再分析资料数据,分析SSW期间北半球平流层的波动和零风线状况,发现平流层准16日波和零风线随时间由低纬向高纬移动,反映出16日波与SSW之间存在某种动力学联系.

应用MIPAS/ENVISAT卫星遥感资料研究平流层爆发性增温过程中大气化学成分变化特征

2002年12月～2003年1月北半球高纬地区平流层发生了一次爆发性增温过程（SSW），使该地区的动力、热力场和大气化学成分的分布发生剧烈变化。选取了搭栽在欧洲环境探测卫星EN—VISAT上的对地遥感观测仪器麦克耳逊干涉被动大气探测仪（MIPAS）的观测数据，首先利用臭氧探空资料和再分析气象资料对MIPAS观测的臭氧和温度廓线资料进行了对比验证；其次使用该资料对此次SSW过程进行了研究。对比结果显示，MIPAS资料与NCEP和臭氧探空资料都有较好的一致性。在这次平流层爆发性增温事件中，增温过程随时间向下传播影响到平流层下层。N2O和CH4的水平和垂直浓度分布与位涡反映的极涡始终都有很好的一致性。O3和H2O的浓度分布也受到极涡的限制，O3体积混合比随增温而增大，有极涡外的O3进入极涡。NO2并未受到极涡分布的严格限制，在极区维持低浓度区。HNO3浓度场在极区显示为极大值，但并不与极涡对应。

2009年冬季北半球平流层爆发性增温的个例分析

利用1979-2015年的NCEP/NCAR逐日再分析资料,分析了2009年冬季北半球平流层强爆发性增温事件(Stratospheric Sudden Worming,SSW)爆发期间的环流演变、动力特征以及增温事件爆发前对流层的前期信号。结果表明,平流层极夜急流于1月中旬开始快速减弱,同时,平流层极区温度快速上升,10 h Pa极夜急流核心纬度带(60°N-70°N)纬向平均纬向风于1月24日转变为东风,标志着此次强SSW的爆发。对行星波活动异常的诊断表明,从增温事件爆发前10天开始,中高纬度10 h Pa平流层2波分量快速增强,同时1波分量出现减少;Eliassen-Palm(EP)通量2波分量在SSW爆发前5天达到最强,表明此次SSW是典型的2波主导的极涡分裂型增温事件。此次强事件引起2009年冬季平均2波EP通量异常,此异常几乎是37年来最强的。对对流层500 h Pa环流的分析表明,增温事件爆发前,位于东北太平洋-北美大陆西部的正位势高度异常与气候态定常波的阿拉斯加高压脊呈同位相叠加,从而有效加强了对流层行星波2波向平流层中高纬地区的传播,成为指示此次增温事件爆发的最强的对流层前期信号。

一次典型的平流层爆发性增温中的局地多尺度洛伦兹循环

利用一种新的工具,多尺度子空间变换(MWT),以及基于MWT的局地多尺度能量与涡度分析(MS-EVA)与Lorenz循环诊断方法,对2009年1月中下旬平流层发生的一次强爆发性增温(SSW)事件的内在动力学过程进行了研究。首先用MWT将各个场重构于三个尺度子空间,即平均尺度、爆发性增温尺度(或SSW尺度)和天气尺度子空间上。结果表明,极地迅速增长的温度主要是由于SSW尺度子空间上极区内的斜压不稳定引起的正则传输(有效位能从平均尺度子空间传输到SSW尺度子空间)造成的,显著增加的有效位能(APE)转换到了SSW尺度子空间的动能(KE)中,加之快速增温前极区内正压不稳定引起的正则传输(动能从平均尺度子空间传输到SSW尺度子空间)的作用,共同导致了极夜急流的反转。

2013年平流层爆发性增温期间高纬电离层半日潮汐波研究

基于Sondrestrom站(67°N,51°W)非相干散射雷达观测数据,研究了2013年平流层爆发性增温(SSW)事件发生后高纬地区电离层F层和E层半日潮汐波.同时,对1月非SSW发生期间和不同太阳活动期间高纬电离层中的半日潮汐波进行了统计分析,并和2013年SSW事件发生后的结果进行了比较.研究发现,SSW发生后F层经向风中的半日潮汐波有显著增强,其振幅大于80 m·s^(-1)的时间持续了至少60 h,最大值达到109 m·s^(-1).在180~330 km范围内,半日潮汐波振幅平均大了24 m·s^(-1).在E层高度上,经向风中的半日潮汐波也在SSW发生后迅速增强,最大值达到109 m·s^(-1),在108~117 km范围内,其振幅平均大了33 m·s^(-1).在E层纬向风中,半日潮汐波振幅在120 km处连续超过36 h的时间内大于70 m·s^(-1),最大值达到92 m·s^(-1).不同太阳活动期间的半日潮汐波统计结果显示,和低太阳活动期间相比,高太阳活动期间半日潮汐波在F层和E层平均增强14 m·s^(-1).这明显小于SSW期间24和33 m·s^(-1)的增幅,表明高太阳活动不是2013年SSW期间高纬电离层半日潮汐波增强的主要原因.我们的研究表明2013年高纬电离层半日潮汐波的增强很可能是受到SSW事件的影响.

平流层爆发性增温期间赤道电集流中太阴潮汐的经度变化统计学研究

本文利用地磁台站和卫星磁场数据,对平流层爆发性增温(Sudden Stratospheric Warming,SSW)期间赤道电集流(Equatorial Electrojet,EEJ)中太阴半日潮汐的经度变化进行了统计学分析.结果显示,SSW期间秘鲁和印度扇区的EEJ中太阴半日潮汐明显增强,且存在显著的经度差异.秘鲁扇区的EEJ中太阴半日潮汐达到峰值的时间要早于印度扇区,进一步分析发现峰值时间的经度差异与太阳活动和准两年振荡相位有关.此外,SSW期间秘鲁扇区EEJ的太阴半日潮汐峰值强度比印度扇区高.对比不同经度带背景磁场的强度与太阴半日潮汐的峰值幅度的关系,可以看出SSW期间EEJ太阴半日潮汐峰值幅度的经度差异与背景磁场强度有关,但也存在其他物理过程的影响.