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.      

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.      

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。     

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。      

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.      

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.      

1980年中层大气温度波空间特征的初步分析

利用1980年Nimbus-7卫星网络点资料(温度场)对中层大气行星波的空间结构进行诊断和分析后发现,行星波扰动主要集中于冬半球,夏半球及赤道地区上空的扰动则相对较弱,但也不可忽视.冬半球行星波扰动中的瞬变波部分可以跨过赤道向夏半球传播,且传播主要集中于20kin和70km两个高度层附近.波数1冬季以准定常行里波为主,夏季瞬变行星波与准定常行星波波幅相当.行星波扰动的波幅从冬到夏的衰减主要表现在波数1和波数2上,波数3变化不大.      

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.      

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.      

太阳F10.7指数准27天振荡的小波分析

利用1956-2003年的F10.7日均值数据,采用Morlet小波变换方法,分析了准27天振荡的特征及与太阳活动11年周期(Schwabe周期)的关系.结果表明,F10.7的准27天振荡的幅度和周期存在明显的短期变化现象,不同年里变化的程度差别很大,有些年里起伏非常剧烈,在几天到几十天的很短时间里,幅度变化达十几倍,周期可变化数天,甚至发生十几天的突变;有些年里,幅度变化很大但起伏很小,周期也比较稳定.准27天振荡的年平均幅度存在明显的逐年变化,与太阳活动显著相关.一般说来,F10.7越高,准27天振荡的幅度就越大,然而在太阳活动19周峰年,F10.7比其他活动周的值都高,但准27天振荡的幅度却比其他活动周低.准27天振荡的周期也有明显的逐年变化,除了个别年(如1987年),年平均周期在24至31天之间变化,与太阳活动周期没有明显的关系.48年的平均周期为27.3天.从总体看,周期有逐渐缩短的趋势,48年里周期大约减少了1.5天.造成准27天振荡起伏的因素非常复杂,有待深入研究.      

Registration of wave disturbances over Yakutia

The results of investigations of wave processes with periods 2 hours on their influence and on the night sky airglow intensity are given. The observations were carried out by multichannel spectrometer for three seasons of 1985–1988 at the optical testing ground Maimaga (γ = 63°N; λ = 129, 5°E). The synchronous detection of two and sometimes of three emissions of night sky airglow yielded the oppotunity to track a vertical travel of waves and to estimate their parameters. In most cases the waves propagate upward, i.e. the sources of waves were below mesosphere. The estimated vertical velocity change within 0,9-3,3 m/s and vertical wave length - within 18–85 km. A horizontal velocity varies from 83 to 330 m/s. The wave activity (the occurence frequency) and their amplitude in winter is higher than in spring. The estimated energies transfered by waves to the upper atmosphere are in winter 3.8·10⁻³ W/m² and in spring 2.7·10⁻³ W/m².     

The day-to-day variability in the mesosphere and lower thermosphere in low latitudes: A study using MF radar

This study presents the analysis of planetary waves (PWs) using daily mean wind velocities for four years (August 2013 to July 2017) of continuous measurements using MF radar over the low latitude Indian region Kolhapur (16.8° N; 74.2° E). The MF radar at Kolhapur was upgraded in 2013. These are the first results of PWs after the upgradation of MF radar. The seasonal and intra-seasonal variabilities of East-West (EW) traveling PWs in the MLT region have been studied. In the present work, the data was analyzed to study the waves with various periodicities (e.g. 3–4, 5–8, 15–17, and 30–60 days). The 3.5 day [Ultra-Fast Kelvin (UFK)] wave shows semiannual variability with burst like wave activity observed during the summer months and December solstice. In addition, it is observed to be stronger in the spring equinoctial period. A strong semiannual oscillation (SAO) has been observed in a 6.5-day wave with peaks near the equinoxes. Similar to SAO over the low latitude MLT region, the wave activity is stronger in April/May than in September/October. The 6.5-day waves are observed to be stronger when the background mean wind is westward. From the analysis, it has been seen that the period before and after the equinoctial period is favorable for the 6.5-day wave propagation. The 16-day wave has no significant seasonal dependence; instead, the waves spread to almost all seasons. The Madden-Julian Oscillations (MJOs) have been observed to be propagating with an average wind speed of ～ 5 m/s when the background mean wind is eastward. The occurrence of MJO is observed during the summer and winter months. These results are the first of their kind in two aspects: first, they show the PWs with enhanced altitude coverage covering up to 110 km, and second, they show the PWs not contaminated due to equatorial electro jet influence.     

重力波波包在三维非等温大气和水平风场中非线性传播的数值研究

采用全隐欧拉格式（FICE）对重力波波包在三维非等温大气、均匀和剪切风场中的非线性传播进行了数值模拟，给出了重力波波包三维非线性传播的全过程，分析了重力波的传播特性及背景温度场、风场对重力波传播的影响。结果表明：波包扰动速度振幅的增长比在WKB条件下振幅的增长要慢；波包非线性传播的路径、能量传输速度不同于WKB近似下的结果，非线性效应导致了重力波的传播特性的改变；温度场的非均匀性会改变重力波传播的路径和速度；剪切风场使扰动速度振幅的增加变得缓慢，使垂直波长减小。     

武汉上空惯性重力波活动

利用武汉中心气象台(30.5°N,114.4°E)无线电探空仪在2001年1月到2003年12月之间的观测数据,研究了武汉上空1-9km和14-25km高度范围内惯性重力波参数的变化特征.数据分析结果表明,重力波活动存在明显的季节变化,冬季较频繁,夏季活动较弱,与急流强度的季节变化一致,这意味着重力波的激发与背景风密切相关.矢端曲线分析显示1-9km范围内能量向上传播和向下传播的波的比例大致相同,而14-25km范围内绝大部分波能量向上传播,这与最大急流强度的高度相对应;进一步分析表明,夏天14-25km范围内波几乎全向上传播,而冬天则有相当一部分波向下传播,这可能是反射引起的.重力波的本征频率集中在1-3倍的惯性频率之间,水平波长约数百公里;1-9 km范围内垂直波长集中在3-3.5 km,14-25 km高度内则集中在4.5-5.5 km.      

Observations of a quasi-90-day oscillation in the MLT winds and tides over an equatorial station using meteor radar winds

An evident signature of a least studied quasi-90-day oscillation is found in the winds and tides in the MLT from an equatorial station, São João do Cariri (7.4°S, 36.5°W). The oscillation is found to appear mainly in certain intervals with small but appreciable seasonal (fourth harmonic of annual oscillation) contribution. The maximum amplitude of the oscillation is found to be around 10 m/s in the zonal wind. The enhancement peak of the oscillation exhibits downward movement indicating a plausible role of upward moving waves/tides in carrying its imprint from below to the MLT. Similar oscillation feature in the tropospheric zonal wind and ozone may imply its lower atmospheric origin as a component of the intraseasonal oscillation (ISO) that moves upward by modulating the tides. Subsequently, the propagating tides (mainly semidiurnal) are enhanced by the ozone in the stratosphere through absorption of solar UV radiation and finally manifest the oscillation in the MLT. Consistency of the present findings with the past investigations are observed in some aspects of the oscillation, whereas existing mismatches in others are believed to be due to geophysical variability depending on space and time among various locations on the globe.     

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．