基于流星雷达的中间层-低热层天气与气候现象的研究

摘要

中间层-低热层（Mesosphere and Low Thermosphere，MLT）是地球中性大气到电离大气的过渡区域。低层大气产生的各种大气波动可以上传至中间层-低热层区域，并且将动量和能量释放到该区域，造成中间层-低热层大气背景风场、温度和密度等的变化。同时，太阳活动产生的能量也可以通过地球磁层-热层-电离层系统传递到中间层-低热层大气中，引起有趣的日地耦合现象。通过对中间层-低热层大气风场、温度、压力和密度以及气辉等进行观测，对深入了解地球不同大气层之间的耦合起着至关重要的作用。长期以来对中间层-低热层大气的探测一直是大气探测技术中的难题，由于探测数据的缺乏，使得对该区域了解仍然较少。在此背景下，本文先利用流星雷达观测数据反演了中间层-低热层大气温度和密度，然后通过反演的大气密度和温度，研究了中间层-低热层大气中短期的天气现象和长期的气候现象。本论文主要研究内容可以概括为以下五个方面:
　　利用低纬度昆明流星雷达观测数据反演了中间层顶90千米处的大气密度。流星雷达大气密度与SABER(Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry)卫星观测的大气密度吻合较好。同时，与MSIS(Mass Spectrometer and Incoherent Scatter)模式大气密度表现出相似的季节变化。低纬度地区中间层顶大气密度主要表现为周年振荡，在冬季达到最大值，夏季出现最小值。通过流星雷达反演大气密度与流星峰值高度密度方法对比发现，流星峰值高度除了受大气密度影响外，还受流星速度的影响。因此，我们通过线性模型得到了流星峰值高度变化中的大气密度分量和流星速度分量。发现1千米/秒的流星速度变化可以造成约0.42千米的流星峰值高度变化。此外，也发现流星速度修正后的流星峰值高度与流星雷达大气密度存在很高的相关性，一方面表明流星速度修正后的流星峰值高度可以更加有效指示中间层顶大气密度季节变化，另一方面也证明了流星雷达反演的大气密度的准确性。另外，为了计算流星雷达反演大气密度的误差，我们利用昆明两台流星雷达共同观测的流星，通过对比统计两台流星雷达观测双极扩散系数和流星峰值高度，首次实现了对流星雷达双极扩散系数和流星峰值高度的误差估计，其中流星双极扩散系数的相对误差低于5％，而流星峰值高度的绝对误差小于0.2千米，相对误差小于6％。
　　利用昆明流星雷达观测数据反演了低纬度中间层顶大气温度。流星雷达大气温度与SABER卫星观测的大气温度吻合较好。低纬度地区中间层项大气温度在冬季出现最大值，夏季出现最小值，并且在每年春季4月份出现明显的增温。通过谱分析发现低纬度地区大气温度主要表现为周年振荡、半年振荡、准90天和120天振荡。通过昆明流星雷达温度和SABER卫星温度对比发现，昆明流星雷达温度误差不超过±4K。另外，利用Lee et al.(2016)提出的流星半宽度(full width at half maximum，FWHM)方法得到低纬度中间层顶大气温度，与温度梯度方法得到的大气温度以及SABER温度都存在较为明显的差异，表明流星半宽度方法存在纬度差异。最后，我们利用南极Davis站和北极Svalbard和Troms(o)站流星雷达超过一个11年太阳活动周观测数据，通过温度梯度方法反演了中间层顶大气温度，并与Aura/MLS卫星大气温度吻合的很好，表明流星雷达反演大气温度方法拥有较高的精确度和时间分辨率，进一步验证了流星雷达反演大气温度技术的适用性。
　　利用全球低中高纬度的共9台流星雷达的观测数据，分别是南极地区Davis站(68.6°S，77.9°E)以及北极地区的Svalbard站(78.3°N，16°E)和Troms(o)站(69.6°N，19.2°E)流星雷达，北半球中纬度地区漠河站(53.5°N，122.3°E)、北京站(40.3°N，116.2°E)和武汉站(30.6°N，114.4°E)流星雷达，以及低纬度地区昆明(25.6°N，108.3°E)、富克站(19.5°N，109.1°E)和Darwin站(12.3°S,130.5°E)流星雷达多年的观测数据，反演了全球低中高纬度中间层顶90千米处的中性大气密度。对比发现流星雷达大气密度与MLS卫星大气密度吻合较好。通过分析了全球多纬度地区中间层顶大气密度的季节变化，我们发现南极地区中间层顶大气密度主要表现为周年振荡，在春末的11月达到最大值，冬季7月份达到最小值。北极地区中间层顶大气密度主要表现为周年振荡和较弱的半年振荡，在春季达到最大值，夏季达到最小值。南北两极大气密度季节变化表现出较为明显的季节不对称性。此外，北半球中间层项大气密度的季节变化存在明显的纬度特征。高纬度地区主要表现为周年振荡，随着纬度降低到中纬度，半年振荡逐渐增强，而周年振荡减弱。由中纬度向低纬度变化，大气密度半年振荡逐渐减弱，到低纬度表现为周年振荡，低纬度地区中间层大气密度也存在较弱的季节内振荡，但是大气密度整体季节变化幅度较小。流星雷达大气密度和MSIS模式大气密度对比发现，MSIS模式大气密度在南极地区与流星雷达观测较为接近。而在北半球高纬度和中纬度地区则存在较为明显的差异。在低纬度地区MSIS大气密度的年变化基本能够接近观测结果，但是MSIS模式不能反映出低纬度中间层大气中的较为丰富的季节内振荡。
　　利用南极地区Davis站(68.6°S，77.9°E)流星雷达2004年8月～2016年的观测数据，反演的南极地区中间层中性大气密度，并且首次发现了南极地区中间层项大气密度在第23和24太阳活动周衰弱期中存在明显的9、6.75和13.5天的周期变化。同时，相似的周期变化也存在于同时期的太阳风速度和地磁活动中。通过周期谱分析发现大气密度中的这些周期变化与太阳风高速流和重现性地磁活动都存在明显的关系。在我们研究工作之前，中间层大气温度和密度中的这些周期性变化通常被认为是由低层大气行星波（周期为2～20天）上传而引起的。然而我们的发现则为极区中间层大气中的类似大气行星波周期变化提供了一种新的解释，同时也揭示了一种新的地球中间层大气和太阳高层大气耦合的新现象。进一步研究发现，中间层大气密度的变化与地磁活动极光电急流指数(Auroral Electrojet index，AE)存在很强的负相关，即地磁活动增强或者高能粒子沉降时，极区中间层大气密度是下降的，而地磁活动平静期，极区中间层大气密度相对地磁活动活跃期是增加的。
　　利用南极地区Davis站(68.6°S，77.9°E)和北极地区Svalbard站(78.3°N，16°E)和Troms(o)站(69.6°N，19.2°E)，北半球中纬度地区漠河站(53.5°N，122.3°E)和北京站(40.3°N，116.2°E)流星雷达观测数据反演的极区和中纬度地区中间层大气密度。首次发现了极区和中纬度地区中间层大气密度对地磁活动的响应。我们通过观测发现，磁暴期间南北极地区的中间层大气密度都出现了明显的降低，而且中间层大气密度变化还可以从极区延伸至较高纬度的中纬度地区。通过统计分析发现磁暴期间极区中间层大气密度降低超过了10％，而较高纬度的中纬度中间层大气密度降低也超过5％。磁暴期间，极区中间层大气密度出现如此大降低，并且可以影响到中纬度地区，表明磁暴期间的高能粒子沉降到中间层区域，可以有效改变中间层中性大气，进而可能改变极区中间层大气环流和中间层大气动力学变化。另外，我们通过对比流星雷达观测和MSIS模式大气密度在磁暴期间的变化，发现观测和模式存在较为明显的差异，表明极区中间层对磁暴的响应机理仍不清楚，这些新的观测发现都对目前中间层-低热层大气模式的提出了新的挑战。
　　在本论文中，我们先从流星雷达的大气密度和温度反演技术出发，利用多台流星雷达系统观测数据成功的反演了中间层-低热层大气密度和温度。在发展流星雷达探测技术的同时，也丰富了中间层-低热层大气的观测手段。另外，利用流星雷达反演的大气密度和温度，发现并研究了中间层-低热层存在一些新的天气和气候现象，这进一步加深了地球不同大气层之间耦合的了解。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 地球大气分层特性

1．2 中间层-低热层大气背景温度和密度

1．3 中间层-低热层大气对太阳活动的响应

1．4 本文主要解决的问题

1．5 本文的主要结构

第二章 流星雷达和卫星数据简介

2．1 流星雷达探测技术及应用

2．1．1 流星现象简介

2．1．2 流星佘迹的形成

2．1．3 流星雷达观测欠密流星余迹回波

2．1．4 流星回波到达角和距离估算

2．1．5 流星雷达探测水平风场、大气温度和密度

2．2 Aura／MLS卫星数据

2．2．1 Aura卫星简介

2．2．2 Aura／MLS数据处理方法

2．3 TIMED／SABER卫星

2．3．1 TIMED／SABER卫星简介

2．3．2 SABER数据处理方法

第三章 流星雷达反演中间层大气密度

3．1 研究背景

3．2 昆明流星雷达数据简介

3．3 原理简介和数据处理

3．4 昆明流星雷达反演的大气密度

3．5 大气密度和流星峰值高度的季节变化

3．6 流星雷达密度和流星峰值高度的误差分析

3．7 小章总结

第四章 流星雷达反演中间层大气温度

4．1 研究背景

4．2 原理简介和数据处理

4．2．1 估计大气温度梯度

4．2．2 估计斜率S

4．3 结果和讨论

4．4 温度梯度方法和流星半宽度方法对比

4．5 流星雷达反演南北极中间层顶大气温度

4．6 本章小结

第五章 中间层大气密度的气候学变化

5．1 研究背景

5．2 观测数据和处理方法

5．3 全球中间层顶大气密度的季节变化

5．3．1 南北极中间层顶大气密度季节变化

5．3．2 中纬度中间层顶大气密度季节变化

5．3．3 低纬度中间层顶大气密度季节变化

5．3．4 中间层顶大气密度季节变化的纬度特征

5．4 本章小结

第六章 中间层大气密度对重现性地磁活动的响应

6．2 数据介绍和处理

6．3 第23太阳活动周中间层大气密度的6.75天和9天周期变化

6．3．1 中间层大气密度的6.75天和9天周期变化

6．3．2 中间层大气风场和温度的9天和6.75天周期变化

6．4 第24太阳活动周中间层大气密度的13.5天周期变化

6．4．1 数据处理

6．4．2 大气密度13.5天周期变化

6．4．3 地磁活动影响中间层大气密度的机理讨论

6．5 本章总结

第七章 极区和中纬度中间层大气密度对磁暴的响应

7．1 研究背景

7．2 数据处理

7．2．1 极区-中纬度地区流星雷达

7．2．2 NOAA POES／MEPED卫星数据

7．3 中间层大气密度对磁暴响应的事例分析

7．4 中间层大气密度对磁暴响应的统计分析

7．5 原理探究

7．6 本章小结

第八章 工作总结与展望

8．1 工作总结

8．2 工作展望

参考文献

致谢

博士期间参与发表的论文及研究成果