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25K,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.      

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55oN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45oN为界, 45oN以北地区的西风减弱东风增强, 风场变化高达50 m/s; 45oN以南地区西风增强东风减弱, 变化幅度比较小, 约10 m/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.      

用全球原始方程半谱模式研究QBO对行星波传播的影响

本文建立了一个全球原始方程半谱模式,模拟了赤道上空风场准两年振荡(QBO)及其相应的副热带急流大小对冬季半球行星波向上传播及平流层突然增温的影响。结果表明,波数1的行星波在QBO东风相比西风相更易向上传播,平流层增温更快更强。波数2则相反。QBO对低纬对流层里的行星波上传的影响限制在低纬低平流层,对中高纬影响不大。     

中国上空平流层准零风层的特征分析

利用ECMWF提供的ERA-40再分析风场资料首次分析了中国上空平流层准零风层的特点及其随季节和地理位置的变化特征.结果表明,准零风层一般处于18～25 km高度范围内,零风线所在的高度随时间和地理位置的不同稍有变化.根据准零风层随纬度的变化特征,中国上空可以分成三个区域:低纬地区(5°N～20°N)、中低纬过渡区域(20°N～32.5°N)和中高纬地区(32.5°N～55°N).低纬地区一般在冬季和初春有准零风层结构存在;中高纬地区一般在春末和夏季存在准零风层结构;而中低纬过渡区域是否有准零风层结构存在还与准两年震荡(QBO)有关,在QBO东风相位时,过渡区域呈现的特性偏向于中纬特性,在QBO西风相位时,过渡区域呈现的特性偏向于低纬特性.准零风层随经度变化非常小,零风线所在高度随经度的变化幅度一般不超过2 km,过渡区域的变化幅度相对大些.      

我国中低纬地区上空低电离层中的行星波

本文通过5年的电离层吸收观测资料与平流层增温事件对比及吸收资料的谱分析,得出以下几点初步结论:1)极区平流层增温事件的影响可能通过子午环流和行星波传播,经过5—9天后到达中低纬地区,从而引起那里的电离层吸收变化;2)冬季行星波沿子午方向的平均速度大约在10m/s到15m/s之间变化;3)全年均有周期为32天、18天、10天、8天和2天的行星波出现,它对大气湍流系数有明显影响。计算得出行星波扰动引起中层的NO浓度偏离未扰值可高达40%。      

大气行星波对LF和VLF无线电波传播的影响

本文采用最大熵谱估计方法,对1985-1987年三个冬天,在东半球(20°S—65°N、13°E—141°E)白天观测的LF和VLF电波相位、幅度、卫星观测的Ly-α射线通量及高纬上空的行星波活动等大量资料,进行了熵谱分析。观测及分析结果表明:(1)LF和VLF电波的相位具有2—2.2天、3—4天、6—12天、12—20天、20—32天周期范围的行星尺度扰动.Ly-α射线辐射通量主要具有20—32天周期范围内的波动.(2)发现在中纬地区冬天观测的LF电波幅度大的扰动与高纬60°N上空观测的行星波H_1的变化规律非常一致. 波形结构的主要峰和谷几乎完全对应,仅在时间上前者约滞后3—4天.计算给出两者的相关系数在0.65—0.85之间.根据观测事实和谱分析结果对比,作者认为LF和VLF电波相位、幅度周期在20天以上的扰动主要受太阳Ly-α辐射通量变化的控制.冬天其周期在2—20天范围内的扰动,主要受来自对流层和下平流层中激发的大气行星波的影响.     

基于MST雷达数据的中纬对流层和低平流层大气行星波研究

通过分析中国河北香河站MST (Mesosphere-Stratosphere-Troposphere)雷达 2012-2014年的水平风场数据, 研究了北半球中纬地区对流层和低平流层 (Troposphere and Lower Stratosphere, TLS)区域大气行星波的特性. 谱分 析发现, 在这一区域准16天波和准10天波占据主导地位, 准16天波更为显著. 在 对流层区域, 行星波具有丰富的频谱成分, 活动具有间断性, 持续时间一般不 超过三个月, 并没有明显的季节性变化特征, 其中纬向分量的振幅大于经向分量. 在 平流层区域(高度17km以上), 行星波一般出现在冬季, 并且主要在纬向分量中. 通常平流层区域的振幅要小于对流层区域. 结合MERRA再分析资料分 析了强行星波传播特性, 结果表明: 2014年2-3月纬向分量中的准16天波垂 直向上传播, 垂直波长约为64km, 纬圈波数约为2, 纬向传播方向自西向东, 水平波长约为15324.7km, 对应的相速度为11.1m·s-1 (向东为正); 2014年5月纬向分量中的准10天波在10~18km高度范围内向下传播, 垂直波长约为50km, 纬圈波数约为1, 传播方向自西向东, 水平波长约为 30649.4km, 对应相速为35.5m·s-1.      

大尺度行星波跨赤道传播的E—P通量诊断

利用Nimbus－7卫星温度探测资料，计算了平流层和中间层的风场、位势高度扰动场，进行了行星波E－P通量分析．结果表明，中层大气中的准定常行星波，其定常分量不能跨过赤道上空的零风线，由于其幅度的起伏和相位的变化，激发的瞬变行星波分量不受赤道零风线的限制，可以从冬半球向夏半球传播，也可以从夏半球向冬半球传播．这种跨赤道传播为夏半球行星波的能量来源提供了一种解释．     

2009年冬季平流层爆发性增温期间行星波活动特征

利用2008年12月至2009年4月的MERRA再分析数据资料，对2009年1月下旬北半球高纬平流层发生的强增温事件以及与之相关的行星波活动进行了研究.谱分析发现，SSW发生前后极区平流层内准16天行星波活动显著.利用二维谐波拟合法分别拟合温度场准16天波4个波模（W1，W2，E1，E2）的振幅和相位，结果表明:背景西风减弱时四个波模的振幅均有不同程度的增大，且都在50°-80°N范围内的平流层中上层达到最大值；准16天W2波的增幅最大且辐合最强烈，其引起的背景流最大西风减速超过4m·-1·d-1，说明准16天W2波在该次增温事件中占主导地位；行星波传播与零风线移动关系密切，准16天W2波在中高纬地区垂直向上传播并近似呈现经向驻波结构，然后分别向极点和赤道两个方向传播，这表明中高纬地区可能是行星波的一个源区.      

北京地区大气温度及重力波活动的季节变化

利用瑞利激光雷达观测数据,分析了北京地区35~70km高度范围内大气温度和重力波活动的季节变化.发现北京地区30~70km高度范围内的大气温度有明显的年周期变化:平流层顶最高温度出现在6,7月份,大约为270K;中间层70km高度最低温度也出现在6,7月份,大约为200K.以2014年10月14日晚数据为例,分析重力波势能密度,发现50km以下重力波势能存在耗散,而在50km以上重力波近乎无耗散地向上传播.通过对比35~50km高度范围内的平均势能密度,对北京地区重力波活动强弱的季节变化进行了研究.研究结果表明,北京上空重力波活动强度具有明显的年周期变化,冬季平均势能密度为18J·kg-1,夏季为8J·kg-1,且冬季重力波活动强度约为夏季的两倍.此外,还分析了春夏秋冬四个季节重力波势能密度随高度的变化.结果表明,不同季节和不同高度的重力波势能密度不同.      

地形对低平流层突然增温的可能影响

本文用Nimbus7 SAM卫星观测的温度资料,分析了突然增温事例中地面地形不同的四个子午圈剖面内的温度分布及变化过程。结果表明,高山地区、平原和海面上空的行星波加热和低平流层突然增温有很大的差别。地形的影响是明显的。      

On the quasi-biennial oscillation in equatorial stratospheric temperatures and total ozone

The results of a cross-spectral analysis between monthly mean temperatures at 100 mb, 50 mb and 30 mb over the equator and the corresponding monthly mean BUV total ozone at different latitude zones are presented for the period 1970–1977. Significant squared coherences between total ozone and 50 mb equatorial temperatures at 26 months are only found between 5 degrees on each side of the equator, between 45 deg N and 55 deg N and at 45 deg S. At latitudes were the QBO in stratospheric temperature diminishes so does the QBO in total ozone (i.e. close to 35 deg N and 15 deg S). Over subtropical latitudes there is a tendency towards a more biennial oscillation in total ozone (not correlated with the equatorial QBO in stratospheric temperatures) and at 65 deg N and 65 deg S total ozone oscillates at periods greater than the equatorial QBO.     

顶部电离层总离子密度经度的变化

利用DMSP F13卫星1996-2005年共10年的观测数据,研究地磁中低纬地区黄昏时段(18:00 LT)顶部电离层总离子密度经度变化的季节、地磁纬度和太阳活动变化特征.结果表明总的经度变化在低纬地区与中纬地区具有明显不同特征.不同经度结构的季节变化均以年变化为主,但纬度分布具有明显差异.一波结构主要集中在中纬地区,且南半球明显强于北半球;二波结构南北半球不对称性非常明显;三波结构和四波结构均为低纬地区明显强于中纬地区.通过分析不同波结构对总经度变化的贡献发现,一波结构在南半球中纬地区贡献最大,二波结构在12月前后的15°N附近贡献较大,三波结构和四波结构仅在低纬地区有较强贡献.在不同太阳活动条件下,不同波结构的贡献率有明显变化.      

AIRS观测资料研究全球平流层重力波特性

利用2012—2014年1月和7月AIRS（Atmospheric Infrared Sounder）第79通道的观测数据,分析了平流层重力波活动强弱的全球分布以及重力波发生频率的全球分布;分析了重力波活动随纬度和经度的变化特征,给出了重力波活动在全球范围内的热点区域及其活动强度;对比了白天与夜间的重力波活动强度及发生频率.研究表明重力波活动强度呈现出随纬度变化的特征,在低纬度地区（0°—30°）,冬季半球重力波活动强度低,夏季半球重力波活动高;在中高纬度地区,冬季半球重力波活动强度高而夏季半球重力波活动强度低.在1月,全球重力波活动有4个突出的热点区域,分别为50°N附近欧洲大陆与大西洋交接地带、北美洲与大西洋交接地,20°S附近南美洲与大西洋交接地区、非洲与印度洋交接地区.在7月,重力波活动突出的地方为巴塔哥尼亚至南极半岛地区,以及50°S和75°E附近的印度洋区域.重力波活动强度在夜间大于白天,但是夜间的强重力波活动区域小于白天.      

Comparison of ozone data derived from SBUV and SAGE with emphasis on longitudinal variations

Stratospheric ozone observations by the SAGE and SBUV satellite instruments in March and April, 1979 have been analyzed. All SAGE profiles have been smoothed vertically over 8 km to provide some compatibility with the SBUV vertical resolution. Comparing the zonal mean ozone mixing ratios against smoothed LIMS profiles, it is inferred that SAGE is systematically overestimating ozone by approximately 20% at tropical latitudes at pressures lower than 5 mb and that SBUV is underestimating ozone by approximately 15% at 50–70° latitude at 10 mb. A comparison of the longitudinal variations of ozone by SBUV and SAGE is made and the detectability of planetary waves in ozone is emphasized. The uncorrelated portion of the SAGE variances are found to be approximately consistent with the SAGE noise model. Based on the correlated variances, the amplitudes of the smoothed SAGE planetary waves in ozone are found to be the same, on average, as in the SBUV experiment at mid-latitudes between 1 and 10 mb. Planetary wave detectability is illustrated during two several day periods at mid-latitudes and a persistent and theoretically-consistent relationship between ozone and temperature is noted. These examples, however, indicate that differences between ozone planetary wave amplitudes derived from the two sensors may occur when there is a strong vertical gradient in wave amplitude.     

Temperature variability in the tropical mesosphere during the northern hemisphere winter

Temperature observations at 20–90 km height and 5°N–15°N during the period of December 1992–March 1993 from the WINDII and MLS experiments on the UARS satellite are analysed together with MF radar winds and UKMO assimilated fields of temperature and zonal and meridional winds. The correlation between the different datasets at the tropics and zonal mean wind data at mid latitudes is examined for period February–March 1993, when series of stratospheric warming events were observed at middle and high latitudes. Wavelet analysis is applied to investigate coupling between stationary and travelling planetary waves in the stratosphere and the upper mesosphere. Planetary waves m = 1 with periods of 4–7 days, 8–12 days and 13–18 days are found to dominate the period. Westward 7- and 16–18 day waves at the tropics appear enhanced by stationary planetary waves during sudden stratospheric warming events.     

Response of quasi-10-day waves in the MLT region to the sudden stratospheric warming in March 2020

We present an analysis of the response of quasi-10-day waves (Q10DWs) to the sudden stratospheric warming (SSW) event which occurred on March 23, 2020. The Q10DWs are observed in the mesosphere and lower thermosphere (MLT) region by three meteor radars, which are located at middle latitudes along the 120°E meridian from Mohe (MH, 53.5°N, 122.3°E), Beijing (BJ, 40.3°N, 116.2°E), to Wuhan (WH, 30.5°N, 114.6°E). The Q10DWs reveal similar temporal and altitudinal variations during the SSW in the MLT region at the three stations. The activities of Q10DWs are also captured in the temperature measurements from the Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry (SABER) on the Thermosphere Ionosphere Mesosphere Energetics and Dynamics satellite in the MLT region. Further analysis of the Q10DW phases indicates that the Q10DWs might be in situ generated due to mesospheric instabilities at higher latitudes around MH and then propagate southward to lower latitudes at BJ and WH. The atmospheric instabilities are not directly responsible for the excitations of Q10DWs at lower latitudes, while the observed equatorward propagation of the Q10DWs is important. Our result provides the observational evidence for latitudinal couplings in the MLT region after the SSW onset, which is achieved by southward propagating planetary waves in the MLT region.     

Main Science Results from Chinese Meridian Project(2014—2015)

The Chinese Meridian Space Weather Monitoring Project (Meridian Project for short) is a ground-based geospace monitoring chain in China. It consists of a chain of 15 ground-based observatories located roughly along 120°E longitude and 30°N latitude. Each observatory is equipped with multiple instruments to measure key parameters such as the baseline and time-varying geomagnetic field, the middle and upper atmosphere and ionosphere from about 20 to 1000km. This project started collecting data in 2012. Here a brief overview of the Chinese Meridian Project is given, and most recent science results mainly in the ionospheric and atmospheric studies are presented.      

Importance of electric field measurement over low latitudes at stratospheric heights by balloons

The vertical field in the stratosphere around 35 km is predominantly of atmospheric origin whereas the horizontal electric field at these altitude is mainly of ionospheric origin. The electrical coupling between ionosphere and atmosphere is not known for low latitudes. Balloon borne electric field measurements are planned from Hyderabad, India (geographic latitude 17.5° N) to understand this coupling. Measurement of stratospheric electric fields are also important from the point of view of the sun-weather relationship. It si suggested that the balloon borne electric field measurements are important to understand the electrodynamics of the middle atmosphere.