平流层冬季增温及大气中的行星波

本文利用NIMBUS-7SAMS资料分析了东经100度子午线上的两个站点(67.5°N和42.5°N)在10mb和0.0827mb高度上从1978年底至1982年间的大气温度,获得几年的平流层冬季增温结果.在1978/1979年和1981年初的冬季,高纬站点几天内出现的平流层增温最大幅度可达65K.对平流层增温的谱分析结果指出,在高纬冬季平流层有很强的16天、32夭、21天周期的行星波。中纬冬季平流层增温幅度较小,约为20K.中纬的中间层高度上整年存在有5天、8天和16天的行星波。分析研究、南、北半球不同纬度的温度随经度的分布,得出高纬冬季平流层、中间层大气温度随经度有明显的变化。波数1和波数2的波有大的幅度(主要是波数1),从高纬到低纬,波幅逐渐减小在冬季的平流层和中间层大气中,波数1和波数2的行星波在短期内可强烈增强,引起平流层冬季增温。     

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...     

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.     

2009年1月平流层爆发性增温期间全球电离层响应的研究

2009年1月平流层爆发性增温(Stratospheric Sudden Warming, SSW)事件是有记录以来最强、持续时间最长的一次主增温事件(Major Warming Event, MWE), 期间太阳活动和地磁活动均处于较低的水平, 因此非常有利于研究电离层对平流层增温事件的响应情况. 本文利用COSMIC (Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere, and Climate)系统提供的掩星数据, 使用Kriging方法分别构建了此次SSW期间及平静期的电离层N_mF₂, h_mF₂和110～750km高度范围的垂直积分TEC (简称VTEC)地图, 同时从全球定位导航卫星系统服务组织(International GNSS Service, IGS)发布的全球电离层TEC地图(Global Ionospheric Maps, GIMs)中提取了日固坐标系(Sun-fixed, 地磁纬度和地方时)下全球TEC地图. 通过对比发现, SSW期间与平静期相比, 地磁纬度中低纬电离层参数存在早晨上升, 下午和夜间下降的现象. 利用OSTM/JASON-2卫星高度计观测值进行验证后的结果显示, 此前研究均未有提及的夜间时段电离层参数N_mF₂, h_mF₂和TEC (VTEC和IGS TEC)的下降现象的确存在.     

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.     

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.     

2018－2019年平流层顶抬升事件期间的准定常行星波

2018－2019年北半球高纬地区的冬季发生了平流层顶抬升事件, 各种大气波动在该事件中所扮演的角色尚不完全清楚. 利用卫星和再分析数据, 给出了在这次ES事件发生前后平流层顶和背景大气的变化, 深入研究了准定常行星波在平流层和中间层下部的活动. 结果显示, 纬向波数为1的准定常行星1波在12月初开始增强, 在12月中旬达到最大值. 在整个12月, 即原平流层顶的下降与增温阶段, 都呈现出对背景大气强烈的西向波强迫. 在平流层顶抬升事件发生后, 该波活动减弱, 对背景大气的拽力很弱, 可能没有参与平流层顶抬升事件的后续阶段. 纬向波数为2的准定常行星在ES事件发生前活动较弱, 而在1月中旬开始增强, 在1月中旬到2月末, 即高平流层顶形成阶段以及之后的下降与增温阶段, 呈现出对背景大气的西向波强迫, 强迫中心随高度的下降与高平流层顶的下降一致, 说明该波主要在这一阶段发挥作用.     

低平流层温度对银河系宇宙线强度变化的响应

选用芬兰中子堆监测站从lop年7月至1989年3月的宇宙线强度月平均曲线数据,和在相对应期间我国境内海拉尔等4个高空气象观测站的30hPa和100hPa等位势高度上常规气温观测月平均资料,经统计分析,取得初步结果：低平流层气温与银河系宇宙线辐射强度之间呈现负相关的特性;与银河系宇宙线辐射强度峰区和谷区相对应会在低平流层中引起幅值为2-3℃的温度变化;不同纬度观测站所得观测数据表明,上述增温幅值随纬度降低而减少。     

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.     

基于COSMIC的平流层重力波参数分析

基于COSMIC卫星观测的2006年12月29日到2008年1月3日30°-40°N纬度内的温度剖面,分别利用垂直滑动窗、双滤波器和单滤波器三种方法计算低平流层重力波的扰动和势能,获得重力波扰动和势能随高度、经度的分布以及多时间尺度变化特性,分析重力波扰动势能与背景温度及风场的变化趋势和特点.比较三种方法得到的结果发现：垂直滑动窗方法只能去除大垂直尺度的背景,无法抑制小尺度的扰动,其得到的结果误差较大;双滤波器法对温度剖面中的大尺度背景和小尺度扰动都能很好地抑制;单滤波器法得到的重力波扰动中基本不包含垂直方向的大尺度背景,但是包含一些小垂直尺度的扰动.因此,对于垂直波长为10km左右的重力波,采用双滤波器法合适;如果需要得到小尺度重力波的变化特性,采用单滤波器法合适.采用双滤波器法无法得到势能随高度的变化,而采用单滤波器法能够给出每月势能随高度的分布.对30°-40°N纬度内的重力波参数进行统计分析得到重力波扰动、势能与背景温度和水平风场的关系.     

Response of the extratropical middle atmosphere to the September 2002 major stratospheric sudden warming

The effects of a major stratospheric sudden warming (SSW) at extratropical latitudes have been investigated with wind and temperature observations over a Brazilian station, Cachoeira Paulista (22.7°S, 45°W) during September–October 2002. In response to the warming at polar latitudes a corresponding cooling at tropical and extratropical latitudes is prominent in the stratosphere. A conspicuous signature of latitudinal propagation of a planetary wave of zonal wavenumbers 1 and 2 from polar to low latitude has been observed during the warming period. The polar vortex which split into two parts of different size is found to travel considerably low latitude. Significant air mass mixing between low and high latitudes is caused by planetary wave breaking. The meridional wind exhibits oscillations of period 2–4 days during the warming period in the stratosphere. No wave feature is evident in the mesosphere during the warming period, although a 12–14 day periodicity is observed after 2 weeks of the warming event, indicating close resemblance to the results of other simultaneous investigations carried out from high latitude Antarctic stations. Convective activity over the present extratropical station diminishes remarkably during the warming period. This behavior is possibly due to destabilization and shift of equatorial convective active regions towards the opposite hemisphere in response to changes in the mean meridional circulation in concert with the SSW.     

Signatures of the Sudden Stratospheric Warming events of January–February 2008 in Seoul,S. Korea

The period January–February 2008 was characterized by four Sudden Stratospheric Warmings (SSWs) in the Northern Hemisphere, of which the last warming, at the end of February 2008, was a major warming. A significant decrease in mesospheric water vapour (H₂O) of more than 2 ppmv (∼40%) was observed by the ground-based microwave (GBMW) radiometer in Seoul, S. Korea [37.3°N, 126.3°E] during the major SSW. A comparison with ground-based mesospheric H₂O observations from the mid-latitude station in Bern [46.9°N, 7°E] revealed an anticorrelation in the mesospheric H₂O data during the major SSW. In addition, prior to the major warming, strong periodic fluctuations were recorded in the Aura MLS vertical temperature distribution between 15 and 0.05 hPa at Seoul. The mesospheric temperature oscillation was found to have a period of ∼10–14 days with a persistency of 3–4 cycles.     

Stratosphere-mesosphere coupling during stratospheric sudden warming events

In this review article we summarize recent results in the coupling of the stratosphere–mesosphere during stratospheric sudden warming (SSW) events. We focus on the role of planetary and gravity waves in driving the middle atmosphere circulation and illustrate the stratosphere–mesosphere coupling during undisturbed wintertime circulation, during an SSW event, and after an SSW event during the formation of an elevated stratopause using simulations of past Arctic and Antarctic winters from the Specified Dynamics version of the Whole Atmosphere Community Climate Model (SD-WACCM). We illustrate the transition of the polar stratopause from being a gravity wave driven phenomena to a planetary wave driven phenomena during SSW events and its subsequent reestablishment and control by gravity waves. We also examine the synoptic structure of the stratosphere, mesosphere, and lower thermosphere using SD-WACCM data fields that show the structure of the vortex during specific dynamical events in both hemispheres. We illustrate the longitudinal asymmetry in the thermal structure in the stratosphere and mesosphere driven by differences in circulation over the polar cap regions during an SSW event. We complement this analysis of the middle atmosphere circulation with a classification of both the Arctic and Antarctic winters since 1979 into major, minor, elevated stratopause or quiet winters based on the level of disturbance using the Modern Era-Retrospective Analysis for Research and Applications (MERRA) reanalysis data. From the MERRA data we find that the combined occurrences of both major and minor warmings in the Arctic have remained constant over the past three decades while we find a minor increase in their occurrences in the Antarctic.     

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．     

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.     

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.     

大气温度剖面的行星波驻波结构

利用Ｎ８ｍｂｕｓ－７卫星上角度扫描红外辐射计（ＳＡＭＳ）的资料，分析出大气温度剖面具有行星波垂直结构的驻波结构；讨论了波长、振幅随高度的分布，驻波结构随经度、纬度的变化，以及可能的形成机制。