中纬度地区中间层及低热层区域大气重力波的传播与特性研究

摘要

中间层和低热层大气是地球大气向太空过渡的关键节点区域，在日地空间环境各圈层耦合机制中起着承上启下的作用。大气重力波是大气层中最主要的动力学过程之一。重力波通过在垂直方向上对热量、成分、动量和能量的输运，引起大气动力学结构、大气环流和大气热力学结构的变化，成为大气不同圈层之间垂直耦合的重要媒介。近年来，我国在子午工程等项目的支持下，建立了大量的地基观测设备，可用于对中高层大气不同科学问题的研究。本论文，将从地基观测出发，研究重力波在中纬度地区中间层和低热层的传播和特性。
　　首先，由重力波色散关系和重力波射线追踪方程出发，我们建立了自主的重力波射线追踪模型。通过观测得到的或者给定的重力波初始参数，选择合适的背景大气模式数据，设定合理的运行步长和终止条件，即可得到重力波前向或是后向的传播路径，并给出重力波的可能源区。从而有助于分析重力波的激发和传播规律。
　　随后，基于北京地区多种观测手段，我们对2011年3月1日夜间一个中尺度重力波进行了个例分析。通过对全天空OH气辉成像仪观测数据的处理发现，北京上空中间层顶区域存在一个约2小时周期，东偏南73°方向传播的重力波活动。同时观测的相近的钠激光雷达获取的钠原子柱密度中发现了同步变化的波动响应。随后，结合流星雷达的水平风场数据和SABER的温度数据，我们计算了该重力波的一些基本参数，如动量通量以及能量通量等。利用射线追踪模型，使用ERA-Interim再分析数据和WACCM模式模拟数据，我们得到了该重力波可能的传播路径。根据射线追踪结果，结合大气模式再分析数据，我们认为，该重力波可能是由西伯利亚贝加尔湖附近对流层上部的急流-锋面系统所激发。
　　另外，本文还基于我国120°E流星雷达观测链对中纬度地区的高频重力波动量通量进行了研究。本文首次展示了北半球中纬度地区沿120°E子午线的四台流星雷达对中间层和低热层区域大气重力波动量通量和扰动方差的多年观测结果，并揭示了中纬度地区重力波动量通量的季节变化和纬度变化。我们发现，纬向风和纬向动量通量在全年都有着明显的耦合作用。各站动量通量季节性变化中的纬度差异主要源于下层风和各地区重力波源的纬度差异。在重力波扰动方差的季节变化和高度变化中，背景大气风场结构和温度结构起到了决定性的作用。其中的纬度差异也同样是主要源于重力波活动的纬度差异。同时，我们还对观测中发现的部分季节异常和年际异常现象进行了分析，并提出了异常现象的可能的物理解释机制。

目录

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摘要

图目录

第1章 引言

1．1 中层大气

1．1．1 大气基本结构

1．1．2 特殊结构

1．1．3 大气背景风场和温度

1．2 大气重力波

1．2．1 重力波线性理论

1．2．2 重力波源

1．2．3 重力波的传播

1．2．4 动量通量

1．2．5 重力波与背景大气的相互作用

1．3 研究现状

1．3．1 观测技术

1．3．2 模式研究

1．3．3 现有研究特点

1．4 本文研究内容和结构

第2章 仪器数据和计算方法

2．1 地基探测

2．1．1 全天空OH气辉成像仪

2．1．2 钠激光雷达

2．1．3 流星雷达

2．2 星载探测

2．2．1 SABER／TIMED

2．2．2 AIRS／Aqua

2．2．3 NOAA系列卫星

2．3．1 EOMWF再分析数据

2．3．2 WACCM

2．4 流星雷达计算动量通量

第3章 重力波射线追踪模型

3．1 射线追踪方程

3．2 射线追踪模型

3．2．1 输入参数

3．2．2 运行设置

3．3 射线追踪模型评估

3．4 本章总结

第4章 中纬度地区中尺度重力波的个例研究

4．1 研究背景

4．2．1 气辉辐射

4．2．2 钠层观测

4．3 讨论

4．3．1 重力波参数计算

4．3．2 重力波的传播路径

4．3．3 重力波源

4．4 本章总结

第5章 中纬度地区MLT区域重力波动量通量的观测

5．1 研究背景

5．2 仪器及数据处理方法

5．3．1 流星数统计

5．3．2 纬向风和纬向动量通量

5．3．3 经向风和经向动量通量

5．3．4 重力波扰动方差

5．4 讨论

5．4．1 可信度分析及数值比较

5．4．2 动量通量季节性变化中的纬度差异

5．4．3 动量通量的年际变化

5．4．4 扰动方差中的特征结构

5．5 本章总结

第6章 总结和展望

附录

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果