顶部电离层总离子密度的经度变化

利用DMSP F13卫星1996—2005年共10年的观测数据,研究地磁中低纬地区黄昏时段(18:00LT)顶部电离层总离子密度经度变化的季节、地磁纬度和太阳活动变化特征.结果表明总的经度变化在低纬地区与中纬地区具有明显不同特征.不同经度结构的季节变化均以年变化为主,但纬度分布具有明显差异.一波结构主要集中在中纬地区,且南半球明显强于北半球;二波结构南北半球不对称性非常明显;三波结构和四波结构均为低纬地区明显强于中纬地区.通过分析不同波结构对总经度变化的贡献发现,一波结构在南半球中纬地区贡献最大,二波结构在12月前后的15°N附近贡献较大,三波结构和四波结构仅在低纬地区有较强贡献.在不同太阳活动条件下,不同波结构的贡献率有明显变化.     

顶部电离层总离子密度经度的变化

利用DMSP F13卫星1996-2005年共10年的观测数据,研究地磁中低纬地区黄昏时段(18:00 LT)顶部电离层总离子密度经度变化的季节、地磁纬度和太阳活动变化特征.结果表明总的经度变化在低纬地区与中纬地区具有明显不同特征.不同经度结构的季节变化均以年变化为主,但纬度分布具有明显差异.一波结构主要集中在中纬地区,且南半球明显强于北半球;二波结构南北半球不对称性非常明显;三波结构和四波结构均为低纬地区明显强于中纬地区.通过分析不同波结构对总经度变化的贡献发现,一波结构在南半球中纬地区贡献最大,二波结构在12月前后的15°N附近贡献较大,三波结构和四波结构仅在低纬地区有较强贡献.在不同太阳活动条件下,不同波结构的贡献率有明显变化.      

极光带电急流产生声重波的效率

对大气中声重波的产生源的效率作了分析计算。结果显示,不同源的效率相差很大,而且还随频率、离原的距离和方向,以及不同的波动参量而变。对于极光带电急流产生声重波的源,即洛伦兹力和焦耳加热两个源来说,产生近场声重波的效率以洛伦兹为高、对于沿极光带电急流平面的运场区声重波而言,焦耳加热的效率高得多。但对垂直于极为带电流平面的速度波动则洛伦兹力的产生效率高得多;对于沿极光带电急流平面的法向的远场区内的所有声重波参量而言,洛地兹力的产生效率高得多。      

低热层臭氧含量振荡和温度起伏间的耦合关系

本文求出了声重波传播过程中,低热层臭氧含量振荡和温度场起伏间的耦合关系。首次揭示出其正负相关性的内在原因和判据——动力扰动尺度。在中小尺度声重波扰动范围内,臭氧含量振荡与温度场起伏是正相关的,且相关幅度可达或超过7;而在大尺度或行星尺度波范围内,则一般为负相关。此发现可解释低热层中臭氧含量快速变化及臭氧含量长时间纬圈平均值变化与温度场成负相关的观测事实。本文还在声重波尺度范围内比较了线性和非线性理论的结果,结果表明两者没有太大的差异。     

声重波激发的赤道 Spread—F 不稳定性

本文导出了声重波扰动与赤道电离层扩展F层相互作用的基本方程,并对数值模拟结果进行了讨论。结果表明当声重波扰动与Kavleigh-Taylor不稳定性共同作用于赤道F层时,将导致大尺度波状结构的Spread-F.其特征为以一定速度漂移的准周期不规则性,发展到后期伴有羽柱形状的bubble(电子密度低区)产生。这种现状的bubble可上升至F层顶部并发生倾斜。声重波波矢量的方向决定着羽柱的倾斜方向。这些结果与实验观测特征相符,说明声重波扰动不仅是大尺度Saread-F的触发源,而且对其整个形态发展过程起着重要的作用。      

声重波在垂直切变风场中的传播与演变

本文根据时空变化风场中声重波演变的基本方程,详细讨论了声重波的基本参量在垂直切变风场中的变化方式。结果表明,沿群路径上波长、相速和传播方向的变化取决于风场的垂直结构以及波风之间的相对方位。声重波扰动动能的变化与波空间尺度的变化存在一定的关系。对于上行重力波分支,波包动能的增加伴随着波长变长,波包动能减小伴随着波长变短;对于上行的声波分支,情况则相反。文中还讨论了常定的声重波波列在垂直切变风场中的传播问题,分析表明,声重波能量密度增加伴随着本征频率减小,能量密度减小伴随着本征频率增加。      

低纬地磁Z分量的半年变化

利用武汉、广州、泉州和琼中等4个低纬地磁站连续多年的地磁资料，计算了各月5个磁静日Z分量日均值与中午1100---1300时段平均值之差(Dz)，对每年12个Dz采用多元回归分析方法，得到各年的半年变化幅度和相位．结果表明：4个站的Dz每年都有半年变化现象；半年变化幅度与太阳活动有关，一般来说，太阳活动高年Dz半年变化幅度明显大于太阳活动低年；太阳活动本身的半年变化，对Dz半年变化幅度有显著的调制作用；Dz半年变化的相位在3—4月(或9—10月)，即极大值出现在分季；低纬地区地磁Z分量存在显著的半年变化，能够反映赤道电急流也有明显的半年变化，这再一次证明，赤道电急流幅度的半年变化，通过“喷泉效应”使得电离层，f0F2产生半年变化，其是产生，f0F2半年变化的一个主要因素．     

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.      

极光强扰动对中低纬电离层的影响

本文考查了120°E附近的五个中低纬电离层观测站在极光强扰动下的f₀F₂行为。共考查了从1966—1970年五年资料中AE>1400日及1969年中AE>1000日的f₀F₂行为。研究得出了与印度站链有所不同特征——在极光强扰动下120°E中低纬五站之f₀F₂均有不同程度的减小,而不是增加,并且在中纬较高纬度的满州里站之f₀F₂减小比北京站要显著。扰日后效在中、低纬区不同,低纬之武昌、广州和海南岛三站均呈现扰动过后次日上午段的f₀F₂增加,中纬较高纬度的满洲里站仍呈现f₀F₂减少。我们认为这是由于低纬区主要受赤道喷泉效应改变的影响,而中纬及亚极光纬区主要受极光强扰时产生的环球电场的直接作用结果,它反映了纬向电场耦合传递的影响。当然极光扰动时对中性大气层的能量输入亦对观测到的现象有贡献。      

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。     

背景风场对中尺度受导重力波的影响

采用重力波的大气分层全波解法，计算得出了强逆风场作用下以及无风条件下中尺度重力波受导波模的色散曲线和衰减距离曲线，结果表明，强逆风场可以使得各中尺度受导波模衰减距离明显变长，并导致不同尺度重力波的衰减距离出现峰值分布，通过分析美国MillstoneHill台站和武汉电离层观象中的TID实测结果证实了这些风场支持的远距离传播波模的存在。     

基于激光雷达夜间观测提取重力波方法的定量比较

以激光雷达夜间观测的温度数据的时空范围和时空分辨率作为参考,构造具有已知背景温度(由稳态背景、行星波和潮汐波组成)和重力波频谱分布的合成温度数据,针对合成温度数据,分别采用已有的夜间平均方法和时间滑动平均方法提取重力波.在此基础上,提出了用谐波函数近似表示背景大气变化的谐波拟合方法提取重力波.通过比较提取出的重力波与事...     

背景风场维持的中尺度受导重力波

提出了由上层大气背景风场所维持形成的中尺度重力波受导传播机制,通过一种新的全波解数值方法计算了这种受导波的色散关系和衰减距离。与Ｍｉｌｌｓｔｏｎｅ Ｈｉｌｌ地区 动的观测结果进行了比较,很好地解释了该地区的扰动风场滤波现象。     

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.      

北京地区大气温度及重力波活动的季节变化

利用瑞利激光雷达观测数据,分析了北京地区35~70km高度范围内大气温度和重力波活动的季节变化.发现北京地区30~70km高度范围内的大气温度有明显的年周期变化:平流层顶最高温度出现在6,7月份,大约为270K;中间层70km高度最低温度也出现在6,7月份,大约为200K.以2014年10月14日晚数据为例,分析重力波势能密度,发现50km以下重力波势能存在耗散,而在50km以上重力波近乎无耗散地向上传播.通过对比35~50km高度范围内的平均势能密度,对北京地区重力波活动强弱的季节变化进行了研究.研究结果表明,北京上空重力波活动强度具有明显的年周期变化,冬季平均势能密度为18J·kg-1,夏季为8J·kg-1,且冬季重力波活动强度约为夏季的两倍.此外,还分析了春夏秋冬四个季节重力波势能密度随高度的变化.结果表明,不同季节和不同高度的重力波势能密度不同.      

Aura/MLS与TIMED/SABER观测全球重力波特性

大气重力波是临近空间环境主要大气波动之一,对全球环流具有重要影响。卫星上搭载的临边探测器能够探测临近空间大气温度,可用于临近空间大气重力波研究。利用2012－2014年Aura的微波临边探测器（MLS）和TIMED的红外临边探测器（SABER）的探测数据,对20~50 km高度的大气重力波扰动分布特征开展了分析研究,两种观测重力波活动基本一致,重力波随季节、纬度及高度的变化显著。冬季半球高纬度重力波扰动较强,赤道和夏季半球近赤道地区上空也存在明显重力波活动区域,夏季半球高纬度重力波扰动最弱。重力波扰动强度随高度增加。TIMED/SABER重力波扰动强度数值比 Aura/MLS略强。      

Seasonal variation of gravity wave sources from satellite observation

Recent high-resolution satellite observations of gravity waves in the middle atmosphere have shown correlations with the strength of the stratospheric jet stream, surface topography, and tropical convection. Seasonal variations of wave-induced stratospheric radiance variances are often the manifestations of modulations of these sources and refractive influences. In this paper, we focus on the seasonal climatology of gravity waves observed by the UARS MLS, while also showing some new results from GPS and AMSU instruments. Our analysis is aided by MWFM modeling of mountain waves at high latitudes and CMAP precipitation indices in the subtropics to provide a clearer picture of global gravity wave dynamics.     

The relation of gravity waves and turbulence in the mesosphere

VHF radar observations of the mesosphere generally reveal that the structure of turbulence is intermittent in space and time. Some examples of such turbulence layers and the concurrent gravity wave oscillations, observed in the low latitude mesosphere over the Arecibo Observatory/Puerto Rico are discussed. This turbulence structures which are intermittent on short time scales but persistently recur over periods of many hours at almost the same height are evidently not related to the simultaneously occurring short period gravity waves. These kinds of persistent turbulence structures are assumed to be related to very long period (inertia-) gravity waves, where instability takes place only by the wave induced shear in a narrow critical level. However, the short period gravity waves occasionally break into turbulence by overturning and convective instability. These interpretations offer a way to understand the generation mechanisms of the different kinds of turbulence structures, namely blobs, sheets and layers, which were reported in the early days of mesospheric VHF radar observations.     

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.      

内重力波传播的3维传输函数模式研究

在考虑背景风场及大气耗散的条件下,建立了3维内重力波传输函数数值模式.分析了300 km高度3维传输函数在频率波数域的特性,并以近地面单位脉冲点源为激发源,得到了内重力波在3维空间中的时空分布.讨论了不同时空尺度地面方波源激发的内重力波在电离层高度的能量分布特征.结果表明,(1)对内重力波而言,背景大气相当于一个带通滤波器,只有波动周期和波长分别在15～30 min和200～400 km之间的重力波扰动最容易上传到300km高度;(2)在背景风场的作用下水平面上以同心圆扩散的波阵面以及垂直方向上成漏斗状的波阵面发生了变形,并且逆风方向比顺风方向更有利于声重力波由对流层向电离层高度传播;(3)300km高度对时间尺度和空间尺度分别在20～30 min和150～250 km之间的地面方波源响应的总能量最强.