武汉上空中层顶大气重力波活动的钠层荧光激光雷达观测研究

从中国科学院武汉物理与数学研究所钠荧光激光雷达自1999年至今的观测数据中选取了分布于全年26天的数据进行重力波活动的分析研究.统计结果表明,武汉中层顶区的重力波活动非常频繁:26天总观测时间累计约为185.5 h,总共观测到124个重力波活动,平均发生频度为每小时0.7个波,且波的出现频度与地方时有一定关系.这些波的垂直波长主要分布在3-7km,垂直相速主要位于0.1-0.5 m/s.与国外报道的结果相比较,波长数值与分布较为一致,但相速明显较低.武汉中层顶区重力波活动的另一特点是多波过程很频繁,多、单波过程的出现比例约为3:2.利用钠层相对密度扰动时空图方法,给出了武汉中层顶区重力波传播和破碎现象的典型结果.还利用单色波模型对部分钠层数据进行了单色波相关参数的提取.      

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。     

子午工程首次火箭探空数据准单色惯性重力波特性分析

利用2010年6月3日子午工程首次气象火箭探测的温度和风场数据,采用矢端曲线法分别从平流层（20~50km）和对流层（0~15km）廓线提取了海南火箭发射场上空准单色惯性重力波参数.火箭探测的平流层和对流层两个准单色惯性重力波分别向上和向下逆风传播,固有周期为20.1h和22.4h,垂直波长为9.5km和4.0km,水平波长为2900km和753km,垂直群速度c_gz为0.0887m·-1和0.0298m·-1,水平群速度c_gh为12.7m·-1和3.65m·-1,λ_h/λ_z为305:1和188:1,c_gh/c_gz为143:1和122:1.      

中纬度地磁暴期间热层垂直风响应机制的模拟

基于TIMEGCM模型,研究了2005年9月10日中纬度地磁暴期间热层(100～650 km)水平风场变化对垂直风的影响.通过连续性方程诊断分析了暴时引起垂直风场变化的机制,结果表明:250 km以上的垂直风场取决于水平风场的变化,而250 km以下的垂直风场由较高高度的垂直风拉动;在地磁暴初相开始时,经向风场相比纬向...     

极区夏季70—100km大气垂直速度扰动功率谱的观测

使用1987年夏季MAC/SINEcampaign期间在挪威北部的Andenes发射的5枚chaff火箭垂直速度数据研究了70—100km高度范围内大气垂直速度扰动垂直波数谱.发现垂直速度垂直波数谱在39×10-4m－1处有1个谱缺口.在大于这个谱缺口的垂直波数范围,垂直速度垂直波数谱与饱和谱模式有好的一致.在小于这个谱缺口的垂直波数范围,垂直速度垂直波数谱有谱斜率－1.87和谱振幅比饱和谱振幅低1个量级,认为在低波数,除重力波外的其它地球物理过程存在于垂直速度扰动中.      

中国中部低层大气行星波无线电探空仪的观测研究

通过分析武汉、宜昌和恩施气象局无线电探空仪2001-2003年的观测数据,研究了中国中部地区对流层和低平流层中行星波的特性.通过Lomb-Scargle(L-S)的周期图方法发现了周期为准16天和周期为准10天的谱分量占据着主导地位.观察发现,较大振幅的行星波振荡主要集中在5-15 km之间.准16天行星波沿纬圈向西传播,对应的纬圈波数大约为2,水平波长约为17 324.8 km,传播相速度约为-12.5 m·s-1(东向为正),通过计算准16天行星波在10 km以下相位随高度的改变可以得到其垂直波长大约为25-30 km,而在对波层顶附近其相位几乎没有发生改变,呈现出静态波特性.准10天行星波沿纬圈向东传播,对应的纬圈波数大约为4,水平波长约为8627.3 km,传播相速度约为10.0 m·s-1,垂直波长约为22-40 km.      

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.      

北京地区重力波活动及其波谱的季节分布特性研究

利用激光雷达对北京地区上空Na层进行持续观测,通过连续三年累积的夜间观测数据对北京地区重力波活动及其波谱进行研究.根据重力波的线性理论计算,得到北京地区上空的大气密度扰动规律、空间功率谱和时间频率谱.通过选择重力波波长在1~8 km,具有特定波长以及特定周期为60,45,25 min的重力波活动辅助研究重力波的季节变化规律,结果表明北京地区重力波大气密度扰动具有夏季大、冬季小的活动规律.结合波源与背景风场的季节性变化规律,分析得出北京上空重力波活动季节性变化的主要原因为青藏高原地形和对流因素与我国北方地区季节性背景风场共同作用的结果.     

重力波对中间层和低热层大气环流的影响

利用β通道准地转近似大气平均运动方程组,采用重力波线性饱和参量化方法,定性地研究大气重力 波对中间层和低热层大气环流的作用.模拟计算得到,大气重力波对平均东西风速可产生100m·s-1／d左右的作 用力和产生120 m2/s的湍流扩散,这些作用平衡了Coriolis扭力,导致大气的平均东西风速大大偏离辐射平衡 风场,中层顶附近的平均东西风速在冬季(夏季)甚至反转为东风(西风).平均东西风速计算结果与冬季和夏季 中频雷达东西风速观测值和大气模式剖面等大致一致.     

Adelaide地区大气重力波的气辉观测

利用澳大利亚Adelaide(34.5°S,138.5°E)地区7年(1995-2001年)的OH和OI气辉观测数据,以及同地区中频雷达所测背景风场数据,通过最大熵谱分析方法,统计分析了该地区大尺度重力波的传播特性.结果表明,(1)在中层顶气辉观测区,利用OH气辉探测到48个重力波事件,利用OI气辉探测到29个重力波事件,这些重力波的周期和水平相速度分别集中在68 min和36 m/s左右,具有东南向的优势传播方向,平均仰角为8°～10°,接近水平方向传播;(2)通过OH气辉和OI气辉观测到了同一个重力波事件,并根据两个高度上观测到的扰动相位差判断该重力波为上行波.      

Wind structure and small-scale wind variability in the stratosphere and mesosphere during the November 1980 energy budget campaign

Between November 6 and December 1, 1980, a series of rocket observations obtained from two sites in northern Scandinavia as part of the Energy Budget Campaign indicated that significant vertical and temporal changes in the wind structure were present and were noted to coincide with different geomagnetic conditions, i.e., quiet and enhanced. This series of observations represents for the first time the largest amount of data ever gathered at high latitudes over such a short interval of time. It is observed that prior to November 16, the meridional wind component above 60 kilometers was found to be positive (southerly) while the magnitude of the zonal wind component increased with altitude. After November 16 the meridional component became negative (northerly) and the magnitude of the zonal wind component was noted to decrease with altitude. Time-sections of the perturbations of the zonal wind show the presence of vertically propagating waves which suggest gravity wave activity. These waves increase in wavelength from 3–4 kilometers near 40 kilometers to over 12 kilometers near 80 kilometers. The observational techniques employed at Andoya, Norway, and ESRANGE in Sweden, consisted of chaff foil, chemical trails, inflatable spheres, and parachutes.     

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.      

Some features of the day-to-day MLT wind variability in winter 2017–2018 as seen with a European/Siberian meteor radar network

We present results of wind measurements near the mesopause carried out with meteor radars (MRs) at Collm (51°N, 13°E), Obninsk (55°N, 37°E), Kazan (56°N, 49°E), Angarsk (52°N, 104°E) and Anadyr (65°N, 178°E) from October 1, 2017 till March 31, 2018. The Collm and Kazan MRs are SKiYMET radars with vertical transmission and radio echo height finding, while the other radars operate with horizontal transmission and without height finding. We paid particular attention to the meridional wind variability with periods of 4–6 days and 9–11 days. The waves with these periods are seen as spots of the wave activity in the wavelet spectra and include oscillations with different periods and different discrete zonal wavenumbers. These wave packets successively propagate as a group of waves from one site to another one in such a way that they are observed at one site and almost disappear at the previous one. The 4–6 wave group includes planetary-scale oscillations (individual spectral components) which have eastward phase velocities and mostly zonal wavenumbers 2 and 3, and the vertical wavelength exceeds 70 km at middle latitudes. The source of the oscillations is the polar jet instability. The wave group itself propagates westward, and the amplitudes of wind oscillations are approximately 5–6 m/s as obtained from the wind data averaged over the meteor zone. The 9–11 day wave set propagates westward as a group and mainly consists of spectral components which have westward phase velocity and zonal wavenumber 1. Amplitudes of these wind perturbations strongly vary from station to station and can reach, approximately, 8 m/s. The vertical wavenumber is 0.014 km⁻¹ as taken from the Kazan and 0.05 km⁻¹ according to the Collm data. We obtained a global view on the waves by using the AURA MLS geopotential data. We found a good correspondence between wave features obtained from the MR wind measurements and the MLS data. To our knowledge, such a wave propagation of planetary wave in the mesosphere/lower thermosphere (MLT) region has so far not obtained much attention.     

卫星观测台风重力波数值模拟与直接对比验证

以ECMWF的T799资料作为WRF-ARW（V3.5）初始场,对卫星高光谱红外大气垂直探测器AIRS观测的2013年超强台风苏力激发平流层重力波过程进行数值模拟,并利用卫星观测对数值模拟结果进行了直接对比验证.数值模拟表明,该台风诱发的重力波在20~40km高度逆着东风背景流向东向上传播,在水平方向呈半圆弧状;大气的垂直扰动随着高度的增加而增强,在40km高度上达到0.5m·s-1.基于三维傅里叶变换的波谱分析表明,平流层重力波水平波长中心值在500km附近,周期为3~5h,垂直波长主要为10~26km.分析表明,在18~40km高度的净纬向动量通量为6.7×10-4~1.89×10-3Pa,背景流强迫计算值为-0.23~1.21m·s-1·d-1,且在18km和40km高度的数值较大.最后,基于辐射传输模式计算的直接对比表明,卫星观测与数值模拟同时揭示了激发的平流层波动可传至40km以上高度及距台风中心2000km以外的区域,且不同资料得到的波动形态、方位以及水平尺度具有较好的一致性.      

Alfvén gravity waves in viscous solar plasma: Effect of the background flow

We study the Propagation and damping properties of Alfvén gravity waves in the presence of the vertical magnetic field in the viscous solar plasma under influence of the background flow by deriving a fourth order dispersion relation in terms of the Doppler shifted frequency. We derive the dispersion relation under WKB and Boussinesq approximation. We study the damping of Alfvén gravity waves for the wave frequencies less than and greater than the Brunt-Väisälä frequency. We find that the Brunt-Väisälä frequency divides the frequency ranges where the weakly or strongly damped oscillations occur. The background flow exhibits a strong effect on weakly damped oscillations and a weak effect on the strongly damped oscillations. We also notice that the damping of both the strong and weakly damped oscillations depend on the Brunt-Väisälä frequency and wave number. The effect of the background flow is also being governed by the Brunt-Väisälä frequency and wave number. We also study the properties of gravity wave mode after filtering the Alfvén wave mode by minimizing the magnetic field and noticed that the background flow shows a very strong effect on the gravity wave mode.