地磁暴恢复相中间层低热层高纬温度响应

利用TIMEGCM模拟了2005年9月10日至20日由日冕物质抛射引起的地磁暴事件，研究了此地磁暴恢复相高纬度中间层低热层（MLT）区域温度的变化，揭示了磁暴恢复相时温度、垂直风、总加热项和NO辐射冷却的内在联系.结果表明:地磁暴恢复相刚开始时，温度对磁暴的响应在晨侧为负扰动（降温），在其他地区都为正扰动（增温）；随着磁暴的恢复，整个北半球都变为正的温度扰动（增温）.这种高纬MLT区域的温度响应主要与垂直风密切相关.当垂直风为正时，总加热为负，增温减弱；当垂直风为负时，总加热为正，增温变强.辐射冷却特别是NO辐射冷却作用在热层被称为恒温器，降低了磁暴期间80%的热层增温.但是，在MLT区域NO辐射冷却作用不明显，一般比总加热项小一个量级，对温度响应造成的影响较小.      

基于激光雷达实测和动力学仿真方法研究中间层顶垂直风扰动特性

利用中国廊坊台站钠荧光多普勒激光雷达82h垂直风和水平风观测数据,统计得到中间层顶区域中存在10m·-1量级的垂直风扰动和纬向风扰动,其中垂直风扰动远远超过平均风速为-0.015m·-1的背景垂直风速.根据三维准单色重力波的极化关系和色散关系,对高中低三种频率重力波产生的垂直风扰动进行仿真,结果显示在满足短周期、大纬向风扰动条件下,高频重力波能够产生最大10m·-1量级的垂直风扰动,中频重力波能够产生10m·-1以内的垂直风扰动,低频重力波能产生1m·-1以内的垂直风扰动.理论条件下准单色重力波能够产生10m·-1量级的垂直风扰动,钠激光雷达观测到的最大10m·-1量级的垂直风扰动真实存在.研究结果可对高层大气垂直风场探测、垂直风场模拟和重力波参数化提供依据.      

基于中国岢岚地区法布里-珀罗干涉仪的风场及行星波观测特征

利用中国岢岚站（38.7°N,111.6°W）法布里-珀罗干涉仪2013年7月至2014年11月的水平风场数据,对87,97,250km风场长期变化和行星波特征进行了研究.通过分析年振荡（AO）和半年振荡（SAO）振幅相位,将午夜风场与HWM07数据对比发现:87km和97km处FPI纬向风变化趋势与HWM07相近,而经向风相位落后于HWM07,从振幅上看,HWM07振幅偏大;250km处风场月变化大,FPI与HWM07差异大,HWM07模式的准确性需进一步考虑太阳活动和行星际磁场的影响.利用Lomb-Scargle功率谱以及最小二乘谐波拟合提取了三个高度的行星波振幅,其特征表明87km和97km处纬向风16日波秋季及冬春季活动强,而6.5日波最强振幅出现在春季和秋季,在中间层顶附近两种行星波活动均较弱;250km处经向行星波活动略强于纬向,经向风不同周期带的行星波最强振幅主要出现在5-9月,与电离层f₀F₂振荡特性的研究结果一致.      

中国山西地区法布里-珀罗干涉仪测风能力及数据质量检验

介绍了中国气象局山西岢岚大气观测站(39°N, 112°E) 法 布里-珀罗干涉仪(FPI) 的基本 构造、测风能力、程序处理流程、数据质量控制方法以及检验情况. 岢 岚观测站FPI可以观测892.0 (OH)nm, 557.7 (OI)nm和630.0 (OI)nm 波 长处气辉谱线的多普勒移动, 分别计算对应87km, 97km和250km高度处 的大气风速和大气温度, 可给出中间层顶区域及热层风的大气潮汐和扰动 情况. 采用水平风模型(HWM)输出结果进行交叉检验, 对FPI测风数据质量进行验证. 结果显示, 岢岚大气观测站FPI仪器的测风数据 在长期趋势上与HWM模式的输出数据一致, 风速变化幅度有季节性差异, 数据质 量控制方法有效, 测风误差在87km高度处为5.7m·s-1, 97km处 为1.3m·s-1, 250km处为4.1m·s-1, 测风数据 通过了可靠性检验.      

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.      

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60-100km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10-20m/s，垂直风速较小，一般在5m/s以内，（2）60-100km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）80km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。     

临近空间风切变特性及其对飞行器的影响

基于MERRA再分析资料的风场数据,根据数理统计理论,对酒泉（39.1°N,98.5°E）上空临近空间的20~78 km的大气风场进行了风切变特征分析,并分析了临近空间风切变对飞行器的影响。研究表明,临近空间最多风向在1月和10月为西风,7月为东风,4月在50 km以下为西风,以上为东风;99%概率最大风速在1月最大;最大风引起的风切变存在一定的高度范围。根据最大风和最小风给出了综合矢量风。此外发现临近空间风切变对飞行器产生的风攻角显著,对马赫数为3、5和8的飞行器产生风攻角在69 km最大,分别为8.5°、5.1°和3.2°。      

武汉突发E层的季节变化及其与中层风的关系

通过对2018年武汉站（114.61°E,30.53°N）数字测高仪记录的数据统计分析,研究武汉地区突发E层的特征。研究发现:2018年武汉地区电离层突发E层的临界频率在夏季最高,在冬季有一个次增强现象,在春秋季较低;在正午前最大,在日落后出现小幅度提升,在日出前最低。利用指定动态全球大气气候扩展模型SD-WACCM-X模拟出2018年武汉上空90～140 km高度的平均风场,探讨突发E层与背景风之间的关系,揭示突发E层的形成机制。结果表明,半日潮汐分量可能诱导突发E层临界频率的半日变化,周日潮汐分量诱导突发E层临界频率的周日变化;突发E层的强度可能与纬向风场120 km高度处的风剪切有关。      

中国地区20──80km高空风的一些特征

利用Nimbus-7卫星1979-1981年的平流层和中间层大气温度探测数据(SAMS)和热成风原理,计算了高空风场,得到中国上空20──80km高度范围风场的一些特征。结果表明,用地转一热成风公式从卫星温度探测数据计算的高空风与当日中国气象火箭探测的高空风基本一致,说明利用卫星温度数据是获得中国20-80k高空风气候特征的一种有效的方法;从计算出的风场看,中国上空20──80km的纬向风与COSPAR国际参考大气CIRA-1986的纬圈平均纬向风有显着差别,文中还给出了经向风的分布和风场的变化情况。      

利用HRDI/UARS资料分析东亚区域中层大气纬向风气候特征

利用美国高层大气研究卫星(UARS)搭载的高分辨率多普勒测风仪(HRDI)获得的中层大气风场观测资料,对东亚区域中层大气纬向风的垂直分布与变化特征进行了分析研究.多年平均结果显示东亚区域中层大气纬向风具有显著的区域特征,与当前普遍使用的参考大气CIRA-86相比存在显著的不同.在冬季,东亚区域中间层西风急流中心位于25°-35°N之间的75 km高度,与CIRA-86相比,该中心纬度偏南5°,高度偏高10 km;在秋季,东亚区域低热层高度存在一个显著的从赤道到高纬度的东风带,而CIRA-86不存在.分析结果还表明,除了夏季中纬度地区,在东亚区域上空中高层大气各高度上均存在相当显著的区域尺度扰动结构.在热带,低热层高度纬向风无论冬夏,沿纬圈方向都表现出相当显著的不均匀性,夏季这种不均匀性进一步向下扩展到55 km高度.与上述热带扰动特征相比,中纬度地区夏季的纬向风在各个高度沿纬圈相当均匀,但是在冬季,中间层和低热层高度都存在沿纬圈方向显著的纬向风扰动结构.      

Horizontal winds in the mesosphere at high latitudes

A total of 146 meteorological rocket flights applying the ‘falling sphere’ technique are used to obtain horizontal winds in the mesosphere at polar latitudes, namely at the Andøya Rocket Range (69°N, 125 flights), at Spitsbergen (78°N, 10 flights), and at Rothera (68°S, 11 January flights only). Nearly all flights took place around noon or midnight, i.e., in the same phase of the semidiurnal tide. Meridional winds at 69°N show a clear diurnal tidal variation which is not observed in the zonal winds. The zonal wind climatology shows a transition from summer to winter conditions with the zero wind line propagating upward from 40 km (end of August) to 80 km (end of September). Zonal winds are smaller at Spitsbergen compared to Andøya which is in line with a common angular velocity at both stations. Meridional winds at noon are of similar magnitude at all three stations and are directed towards the north and south pole, respectively. Horizontal and meridional winds generally agree with empirical models, except for the zonal winds at Antarctica which are similar to the NH, whereas there is a significant SH/NH difference in CIRA-1986.     

电离层水平电场与风场的耦合模拟研究

设计了一个将电离层水平电场与风场耦合的模拟方案,研究了电流函数和风场在耦合前后的变化与差异. 研究发现,水平电场与风场相互反馈后,风场的变化比电流函数小. 经向风在白天有较明显的差异,夜晚的差异比白天小,主要出现在中高纬地区,并随高度的增加而增大,300km左右达到最大值,其后几乎保持不变. 纬向风有与经向风相似的变化,但纬向风耦合前后的差异比经向风小. 电流函数在耦合后有较大改变,两个涡旋强度都有较强增加,并且北半球的增强大于南半球,而夜晚差异较小. 结果表明,在研究的高度范围内,风场对电场的控制作用大于电场对风场的影响.      

Mesosphere/lower thermosphere wind regime parameters using a newly installed SKiYMET meteor radar at Kazan (56°N, 49°E)

New meteor radar (MR) horizontal wind data obtained during 2015–2018 at Kazan (56°N, 49°E) are presented. The measurements were carried out with a state-of-the-art SKiYMET meteor radar. Monthly mean vertical profiles of zonal and meridional components of the prevailing wind speeds, also amplitudes and phases of the components of diurnal (DT) and semidiurnal tide (SDT) winds are displayed as contour plots for a mean calendar year over the four recent years and compared with distributions of these parameters provided by the previous multiyear (1986–2002) meteor radar (MR) measurements at Kazan and by the recent HWM07 empirical model. The analysis shows that the SKiYMET zonal and meridional prevailing wind speeds are generally in good agreement, sharing the same seasonal features, with the earlier MR seasonal winds. Comparisons with the HWM07 model are not favourable: eastward solstitial cells as modelled are significantly larger, >30?m/s compared to 15–20?m/s. Also, reversal lines are too variable with height, and the positions of modelled cells (positive and negative) are unlike those of either MRs at Kazan or other MLT radars. Both MR systems provide the large SDT amplitudes, approximately 30?m/s and vertical wavelengths, approximately 55?km, for both components at middle latitudes in winter. They also show the well known strong SDT September feature (heights 85–100?km, the vertical wavelength ～55–60?km), and the weak summer SDT for 80–91?km. HWM07 shows unrealistic amplitudes and phases above 90?km by height and month: minimal amplitudes in equinoxes and no September feature.The weak DT of middle to high latitudes provide similar amplitude and phase structures from both MRs, 1986–2002 and 2015–2017: largest amplitudes (10–12 or 8–10?m/s) for the evanescent meridional tide in summer, peaking in late July; weakest (0–2, 2–4?m/s) at 80 to 92–96?km, when the tide is vertically propagating (January, February, November, December) with a vertical wavelength near 40?km. Again, HWM07 differs in amplitude and phase structures: showing peak amplitudes in equinoxes: April, 15?m/s at 88?km; October, 21?m/s at 89?km.Coupling of the MR wind parameters with the ERA5 wind parameters is studied for a case in 2016. It is shown that the prevailing winds and DT amplitudes and phases of both datasets can be simply linked together, but that the ERA5 SDT amplitudes are significantly underestimated at the top model levels of the ERA5 reanalysis project.     

中国廊坊中间层和低热层大气平均风观测模拟

利用中国廊坊站（39.4°N,116.7°E）流星雷达在2012年4月1日至2013年3月31日的水平风场观测数据,分析廊坊上空80~100km的中间层与低热层（Mesosphere and Lower Thermosphere,MLT）大气平均纬向风和经向风的季节变化特征.结果表明平均纬向风和经向风都表现出明显的季节变化特征.平均纬向风在冬季MLT盛行西风,极大值位于中间层顶,随高度增加西风减弱;在夏季中间层为东风,低热层为强西风,风向转换高度约为82km.平均经向风在冬季以南风为主,在夏季盛行北风.纬向风和经向风在春秋两季主要表现为过渡阶段.流星雷达观测结果与WACCM4模式和HWM93模式模拟的气候变化特点基本一致,但WACCM4模式纬向风和经向风风速偏大,而HWM93模式纬向风和经向风风速偏小.      

武汉上空中层顶区域潮汐的MF雷达观测

利用武汉中频雷达观测数据进行分析,研究2至3月份武汉上空中层顶潮汐结构及其随高度和时间变化的特性.用Lomb-Scargle周期图方法计算的水平风场动态功率谱表明,武汉上空存在持续的周日潮汐,是中层顶区域风场结构的主要成分.周日潮的平均振幅随高度的增加呈先增后减的趋势.大多数情况下,潮汐谱峰对应的频率与定义值有一定的偏移.周日潮水平扰动速度矢量随时问和高度变化的轨迹表明,经向分量的相位比纬向分量的相位超前,潮汐能量向上传播,对应于向下的相位传播速度.计算得出的经向分量和纬向分量的垂直相速度分别为1.10和1.15 km/h.      

中纬度冬季低热层潮汐水平风分量相位关系的MF雷达观测

采用武汉(30°N,114°E)MF雷达在2001年冬季的风场观测数据研究中纬度低热层大气潮汐水平风分量之间的相位关系.统一用弧度定义的各潮汐经纬向分量的拟合初相位在三个连续的高度上分别显示出相同的时间变化倾向和相近的相位差,但是在绝大多数观测时间△ψ24和△ψ12准正交,而△ψ8出乎意料地准同相.周日、半日和8 h潮汐经纬向分量的二次相位耦合(QPC)方程被分别估计出来,利用它们相减还得到一个潮汐相位差相关方程.推测的8 h潮汐相位和相位差与相应的观测值很好地符合.在第14个时间窗内,三个潮汐一般表现为椭圆偏振而不是圆偏振或线偏振,但是△ψ24和△ψ12在三个连续的高度上准正交,而△ψ8在92.0和94.0 km上准同相.因此估计的潮汐QPC方程、推导的潮汐相位差相关方程、观测的8 h潮汐准同相相位差以及典型的潮汐偏振图都是观测的周日、半日和8 h潮汐之间真实QPC的反映.      

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.      

Development of wind observational models for the upper atmosphere of the earth based on the joint analysis of direct and indirect sounding data

Earlier latitudinal distribution models of zonal winds were developed mainly along the 80°W meridian [1, 2]. In this paper an attempt is made to take into account longitudinal differences in zonal and meridional wind distributions. These are considerable in winter prediods.