基于COSMIC无线电掩星观测的中高层大气重力波特性研究

摘要

大气重力波在中高层大气中起着重要的作用，重力波的参数化是研究重力波的一个重要问题。大气重力波不仅作用于中高层大气较低的区域（例如平流层），甚至在某些情况下会对电离层造成一定的影响。例如作为电离层天气的重要组成部分的电离层行波扰动主要是由大气重力波引起的。虽然已经有很多针对特定事件研究电离层行波扰动的传播和可能的波源的研究。但由于观测数据在时间和空间覆盖范围的有限，导致如何使用卫星数据来提取和参数化重力波，以及从全球范围内提取电离层行扰变得很困难。
　　我们使用了the Constellation Observing System for Meteorology,Ionosphere and Climate(COSMIC)系统的GPS卫星的掩星观测技术提供的温度廓线研究了青藏高原上空平流层中18-30公里高度上的重力波的势能从2007年至2015年八年的变化。我们发现，随着高度的增加，由对流引起的平流层重力波的势能会下降。该地区可能存在明显的地形激发产生的重力波。在以往被认为缺乏强的地形重力波活动的青藏高原地区，所有研究年份的春季和冬季都存在明显的重力波活动。在青藏高原所处的纬度带，重力波势能的大小与各个高海拔地区的地形高度有一定的对应关系。并且随着重力波向上传播到零风层区域，地形重力波的活动被风场迅速过滤。分析表明，在青藏高原地区存在明显的地形重力波的激发，并在向上传播至平流层顶部的过程中受到风场较大的影响。
　　利用掩星观测数据可以很容易取得重力波的垂直参数，然而要获取更多重力波的信息，水平参数的提取是个非常大的难题。我们利用在COSMIC的卫星群发射后2006年至2007年间六颗卫星结伴飞行的有利条件，将the multichannel maximum entropy method(MMEM)分析方法应用于平流层温度数据，成功获得了比以前研究更加真实的水平波长。我们成功地提取了重力波的一系列参数，为平流层重力波的全球空间分布和季节变化提供了各种有价值的结果。我们与以前的研究结果比较表明，重力波参数的特征可能不太受数据和提取的模式方法的差异的影响。重力波的振幅，势能和动量通量表现出明显的季节变化特征，尤其在夏季的亚热带和冬半球的高纬度地区最大。重力波参数与北半球山地区域海拔高度的比较表明，除了已被大量研究的地形重力波的热点地区如安第斯山脉外，地形重力波在北半球的中高纬度地区表现也很活跃。
　　在此基础上，我们将MMEM方法用于提取电离层电子浓度的波动信息，成功统计了电离层波动的全球空间分布和季节变化。据我们所知，这是该方法首次被应用于COSMIC掩星的TEC廓线研究电离层的波动。结果表明，低纬和高纬地区的电离层波动振幅增大，中纬度减小。电离层波动的垂直和水平波长在中纬度增加，在低纬度和高纬度减少。此外，北半球中纬度地区的电离层波动的振幅和垂直波长在冬季增加，在夏季减少，并且在海拔较高的区域其幅度也增加。

目录

声明

摘要

引言

第1章 绪论

1．1 中高层大气

1．2 重力波理论

1．2．1 动力学方程

1．2．2 线性理论

1．2．3 动量通量的计算

1．3 重力波的波源和传播

1．3．1 重力波波源

1．3．2 地形的激发

1．3．3 对流的激发

1．4 大气重力波研究现状

1．3 大气重力波对电离层的影响

1．4 本文工作目的和内容

第2章 气象电离层气候观测系统(COSMIC)简介

2．1 系统简介

2．2 无线电掩星探测技术的应用

2．2．1．气象应用

2．2．2．电离层研究和空间天气

2．3 大气中无线电掩星探测观测的准确度和精度

第3章 青藏高原地区平流层重力波活动特征

3．1 利用掩星观测数据提取重力波垂直扰动的方法

3．2 重力波势能的估算

3．3 重力波势能的分布特征

3．3．1 重力波势能的月平均分布和风场的关系

3．3．2 重力波势能的空间分布与地形的关系

3．3．3 重力波势能与经度以及地形的关系

3．3．4 重力波势能的纬度带分布与地形的关系

3．3．5 青藏高原地区的地形重力波活动分析

第4章 基于MMEM方法的全球平流层重力波特征

4．1 平流层重力波水平参数的估算

4．1．1 MEM方法

4．1．2 S变换法

4．1．3 基于COSMIC估算重力波水平参量的探究

4．2 重力波动量通量的估算

4．2．1．数据库

4．2．2．去除温度背景

4．2．3．空间和时间采样范围选取

4．2．4．振幅和垂直波长的提取

4．2．5．水平波长和动量通量的计算

4．3 基于MMEM方法的重力波参数的分布特征

4．3．1 重力波参数的纬度分布特征

4．3．2 重力波参数的全球分布特征

4．3．3 重力波参数与地形的关系

4．3．4 不同的重力波观测技术和提取方法的结果对比

第5章 基于MMEM方法的全球电离层波动特征

5．1 电离层波动参数的获取

5．2 电离层波动参数的估算

5．2．1．数据库

5．2．2．电离层扰动的提取

5．2．3．空间和时间采样范围选取

5．2．4．振幅和垂直波长的获取

5．2．5．水平波长的估算

5．3 电离层波动的分布和变化特征

5．4 电离层波动与重力波的关系讨论

第6章 总结与展望

6．1 本文工作总结

6．1．1．青藏高原地区平流层重力波活动特征

6．1．2．全球平流层重力波参数特征

6．1．3．全球电离层波动特征

6．2 展望

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