冬季中层顶区域重力波谱特性

使用DYANA试验期间19枚Chaff火箭在81—105km高度范围测量的高分辨率水平速度数据，研究标量水平速度垂直波数谱在冬季的谱特性．分析结果显示冬季平均垂直波数谱有-3．02的谱斜率，这与各种饱和理论预测的-3谱斜率很一致，提供了饱和重力波谱在冬季的观测证据．与各种饱和理论比较表明，这个冬季谱的谱振幅与线性饱和理论预测的谱振幅完全一致，但是总是小于非线性饱和理论预期的、激光雷达测量的谱振幅．这个冬季谱与最近得到的夏季饱和重力波谱一道，共同表明我们的观测结果支持了线性饱和理论，而不管季节，地理位置和高度范围的不同．由这个冬季谱估计的盛行垂直波长为15km，它比夏季的12．8km盛行垂直波长稍大．     

北京上空高分辨率气球探空观测的温度垂直波数谱

使用分辨率为10 m的温度剖面检查2.90～8.01 km和14.65～19.76 km高度范围内归一化温度扰动谱的谱特性,并且将它们与模式谱比较.结果表明,在波数9.8×10-4～2.5×10-2m-1范围内,对流层的垂直波数谱有约-1.9的平均谱斜率;低平流层的垂直波数谱有约-2.2的平均谱斜率.这两个平均谱斜率大大偏离了目前饱和谱模式和普适大气谱模式表示的-3.0和-2.4谱斜率,并且认为是目前气球测量中曾经观测到的最平谱斜率.在波数9.8×10-4～2.5×10-2m-1范围内,对流层和低平流层的平均谱振幅比饱和谱模式的谱振幅分别大24倍和5倍,这也与饱和谱模式以及目前文献中的观测结果有很大不同.这些较大平均谱振幅与最平的平均谱斜率一道共同表明,观测的温度谱并不遵循目前的饱和谱模式和普适大气谱模式.      

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.      

82-92km高度范围大气湍流能量耗散率的一个个例研究

使用Chaff和落球火箭测量的垂直速度和温度数据研究湍流结构和它的产生.结果表明湍流存在多层桔构.在强湍流层,动力不稳定,和MST雷达回波功率间有好的相关,认为强湍流层和雷达回波与动力不稳定有关.水平速度垂直波数谱表明,观测谱与他和谱模式有极好的一致,认为强湍流层和雷达回波通过动力不稳定直接与重力波饱和相联系.      

80-100km高度范围高分辨率大气水平速度扰动谱

使用1989/1990年冬季在DYANA试验中从5枚Chaff火箭测量获得的高分辨率水平速度数据,讨论80-100km高度范围内水平速度垂直波数谱与饱和重力波谱的一致性,并决定特征垂直尺度.      

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.     

中纬度冬季低热层潮汐非线性相互作用的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之间的二阶非线性相互作用.经向风场的Lomb-Scargle归一化振幅谱表明,周日、半日和8 h潮汐是中纬冬季中层顶区域占优势的大气扰动;此外6 h潮汐也清晰可见.双相干谱分析揭示大多数显著的双相干谱峰代表潮汐谐振分量之间的相位互相关或单个潮汐分量的自相关.对随时间变化的潮汐垂直波长的比较发现,实际观测的8h潮汐垂直波长与假定的由观测的24 h潮汐和12 h潮汐非线性相互作用产生的8 h潮汐的理论垂直波长具有明显的一致性.在94.0～98.0km高度范围,周日、半日和8h潮汐之间不仅存在明显的相位相关和垂直波数相关,且它们的振幅随时间变化也显示出振荡幅值相近、振荡相位同步或反相的相关性,表明它们之间已经发生了二阶非线性相互作用.但是在94.0 km以下,三个潮汐分量之间的各种相关性随高度的下降变得越来越弱,因此潮汐二阶相互作用更可能是一种局地和暂态的现象.      

80—100km高度范围高分辩率大气水平速度扰动谱

使用１９８９／１９９０年冬季在ＤＹＡＮＡ试验中从５枚Ｃｈａｆｆ火箭测量获得的高分辩率水平速度数据，讨论８０－１００高度范围内水平速度垂直波数谱饱和波谱的一致性，并决定特征垂直尺度。     

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.      

武汉上空(30°N,114°E)潮汐及其相互作用的MF雷达观测

利用武汉(30°N,114°E)MF雷达2000年2月11日至25日,以及2月28日至3月13日的观测数据,研究中层顶(80-98km)区域冬季潮汐振荡及其共振相互作用.水平风场扰动的动态谱显示出在所有的观测高度上都持续存在很强的24 h潮汐波动;偶尔也会出现较强的12 h和弱的8 h潮汐振荡,这说明在中纬地区的冬季,24 h潮汐是中层顶区域主要的潮汐成分.潮汐振幅及其相关动能随时间的变化表明,在24h,12h和8h潮汐之间可能存在强的共振相互作用.另外,24 h潮汐的相位随高度的增加呈现出明显的增加趋势,表明观测到的24h潮汐是向上传播的.由相位剖面计算出24h潮汐纬向和经向风场的垂直波长分别为45km和47km,其向下的相位传播速度分别为1.88km/h和1.97km/h.     

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.      

Reduced meteoric smoke particle density at the summer pole – Implications for mesospheric ice particle nucleation

Noctilucent clouds (NLC) and polar mesospheric summer echoes (PMSE) are phenomena that occur in the summertime polar regions due to the presence of ice particles around the mesopause. That ice particles are able to form in a region with such low water vapour concentration as the mesopause is noteworthy. Even though the summer mesopause is the coldest region on Earth, temperatures are generally not low enough for homogeneous nucleation to occur, which necessitates the presence of pre-existing condensation nuclei. The nature of these nuclei has long puzzled the scientific community and many candidates have been suggested, such as particles of meteoric origin, ion clusters, sodium bi-carbonate, sulfate aerosols and soot particles. Out of these the so-called “smoke particles”, i.e. particles re-condensed from ablated meteoritic material, have long been considered the most likely. Generally, it has been believed that these particles exist in numbers of the order of thousands per cubic centimetre at the mesopause. This belief is based on 1-dimensional studies of meteoric material. A recent 2-dimensional model study, which includes the atmospheric circulation from summer to winter pole however, suggests much lower number densities at the summer mesopause. We here investigate the implications of low number densities for the formation of ice particles. We find that even though resulting ice particle distribution may produce typical NLC brightness, the number density of ice particles is not consistent with what is expected for NLC and PMSE. In particular, it is much lower than the ice particle concentration (>1000 cm⁻³) typically expected to explain the “electron bite-outs” that are frequently observed in the vicinity of PMSE’s. We therefore re-examine the assumptions and parameters that determine the smoke distribution. We show that even though the number of condensation nuclei at the polar summer mesopause can be increased within the uncertainties, the results in most scenarios remain insufficient. We show that charged particles, perhaps in combination with significant deviations from the mean mesospheric state, may be necessary for condensation of ice particles in the polar summer mesosphere. Hence, we raise the question whether the conventional ideas of nucleation on meteoric smoke, which are used in current mesospheric ice models, are correct.     

基于钠激光雷达观测数据的中间层顶大气温度分布特性研究

作为中间层和热层的边界层,中间层顶存在多种能量交换方式,是大气能量耦合的重要区域。本文利用部署于中国科学院廊坊临近空间大气探测站的钠荧光多普勒激光雷达2013年的观测数据,研究了廊坊上空中间层顶区域大气温度的年度和季节分布特性,并分析了影响温度分布的多种因素。年平均温度廓线图显示,中间层顶位于约97.5 km高度处,温度约191.2 K。受放热化学反应的影响,年平均温度廓线91 km高度处出现了一个198 K的相对温度高点。中间层顶区域大气温度的季节分布受太阳辐射和大气动力学因素综合影响,夏季在大气动力学影响下,中间层顶高度较低,位于88 km高度处,温度也较低,约177 K;冬季太阳辐射起主导作用,中间层顶位于99 km高度处,温度为181 K。通过拟合月平均温度分析了中间层顶区域大气温度年变化和半年变化的振幅和相位特征。结果显示,中间层顶区域上部温度分布主要受太阳辐射的影响;在中间层顶区域下部,大气波动主导了温度分布。      

极区中层夏季回波火箭探空观测的个例分析

利用仅发生极区中层夏季回波 (Polar Mesosphere Summer Echoes, PMSE) 现象时的ECT-02 火箭探空数据, 反演出电子数密度和尘埃电荷数密度. 这些典型的极区中层顶的基本参量为研究PMSE提供了良好的数据基础. 通过分析得出了极区中 层顶区域属于弱电离、弱耦合尘埃等离子体的结论. 根据电子数密度数扰动分析PMSE现象发现, 电子数密度的扰动与PMSE有密切的联系, 扰动强烈的地方回波就强, 扰动弱的地方回波就弱, 或者不发生PMSE 现象.      

武昌低电离层LF观测的季节变化

通过分析武昌低电离层LF观测数据,得到了中低纬度低电离层电子密度剖面的季节变化特征及其与太阳天顶角周年变化的关系,给出LF相位周年振荡幅度的年际变化曲线．