热层大气夜间温度增强及其受八小时潮汐影响研究

摘要

热层大气温度在无太阳辐射加热的夜间出现升高的现象称为热层大气的夜间温度增强，而且类似的夜间增强也在热层大气密度中被观测到。由于热层密度夜间增强反映了温度夜间增强，本文统称热层温度和密度的夜间增强为热层大气夜间增强现象。自上世纪70年代以来，通过卫星和地基的观测，热层温度（密度）夜间增强现象被发现并得以研究。以往研究表明，热层大气的夜间增强一般发生在地方时0点至4点之间的赤道地区，其特征幅度在40K至150K之间。在本论文中，我们进一步深入研究了中高纬度地区的热层大气夜间增强现象，包括全球热层大气夜间增强现象随季节和纬度变化特性等，并探索了低层大气八小时迁移潮汐波的上传特性以及其对热层大气夜间温度/密度增强的影响。以下为本论文的主要结果:
　　1.首先，通过分析美国磨石山Millstone Hill观测站(42.5°N，71.5°W)的非相干散射雷达以及法布里珀罗气辉干涉仪观测数据，研究了2011年8月1日至11日以及2012年1月12日至23日期间中纬度夜间的离子和中性气体温度变化情况。研究结果表明:在冬季夜间，离子和中性气体温度的夜间变化中存在后半夜增温现象，其发生在凌晨3-4点，且增温幅度为30-90 K。而在夏季，只有中性气体出现后半夜增温，而离子温度没有明显的夜间增温现象。我们的研究表明，中高纬地区热层中性气体后半夜增温由中低纬地区夜间增温现象向较高纬扩展导致。
　　2.其次，利用2002年至2009年期间CHAMP卫星的热层大气密度数据，研究了不同季节以及不同太阳活动条件下的热层大气夜间密度随纬度和地方时的变化情况。结果表明，作为夜间温度增强现象在热层大气密度中的反映，夜间密度增强现象在各个季节以及不同太阳活动条件下都有发生，且其发生特征包括时间和强度等显著地随季节以及太阳活动的改变而改变。在太阳活动低年的条件下，赤道地区夜间密度增强现象的峰值时间在凌晨1点附近，而在太阳活动高年，赤道地区夜间密度增强现象峰值时间要早1至2个小时。此外，统计结果还表明，夜间密度增强现象表现出由赤道地区向南半球扩展趋势，且在太阳活动低年的条件下更加明显。
　　3.再者，基于美国国家大气研究中心电离层热层电动力学耦合模式和加拿大中间层大气扩展模式，利用数值模拟的方法，研究热层大气温度（密度）夜间增强现象的形成机制。为了分析不同低层大气潮汐波对热层大气夜间热层大气温度（密度）夜间增强现象的贡献，我们研究在不同潮汐组合作为电离层热层电动力学耦合模式底边界条件下的热层大气温度、密度夜间的变化特性。模拟结果表明，周日、半日以及八小时潮汐的相互作用是形成热层大气夜间增强的主要原因，且低层大气的八小时潮汐显著地影响着热层大气夜间增强的纬度分布。此外，我们进一步揭示了热层大气八小时潮汐分量的来源，并得出热层大气的八小时潮汐受多种影响，包括:昼夜太阳辐射加热变化产生的谐波震荡，低层大气上传的八小时潮汐分量，以及半日潮汐与背景大气非线性相互作用结果。
　　4.最后，为了揭示热层大气夜间增强的季节变化，我们通过数值模拟的方法，研究了八小时潮汐向上传播并影响热层大气的季节变化特性。我们发现:1）背景纬向风以及径向风可以显著的影响八小时潮汐的向上传播过程;2）低层大气的八小时潮汐不仅影响着热层大气八小时潮汐分量的幅度和纬度分布，同时也影响背景风对八小时潮汐上传过程;3）背景平均温度和温度梯度的半球差异同样影响着八小时潮汐的上传过程。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 地球电离层热层概况

1．1．1 大气垂直结构

1．1．2 电离层结构

1．1．3 热层大气变化的驱动源

1．1．4 热层大气温度变化

1．1．5 大气潮汐

1．2 热层大气夜间增强现象的观测研究

1．3 热层大气夜间增强现象的理论研究

1．4 本文的研究目的

第二章 中纬度地区热层夜间温度增强个例研究

2．1 用于研究夜间增温现象的数据介绍

2．1．1 太阳辐射和地磁活动条件

2．1．2 非相干散射雷达

2．1．3 气辉及法布里-珀罗气辉干涉仪

2．2 中性成分和离子成分温度变化对比

2．3 夜间温度增强的可能机制讨论

2．3．1 冬季夜间增温分析

2．3．2 夏季夜间增温分析

2．3．3 夜间增强现象的纬度扩展

2．4 本章总结

第三章 热层大气密度夜间增强的统计研究

3．1 CHAMP卫星及加速度计反演大气密度原理介绍

3．2 热层大气密度数据处理

3．2．1 季节及卫星高度影响因素消除

3．2．2 太阳活动指数定标

3．2．3 热层大气密度与太阳活动相关性分析

3．3 热层大气密度夜间变化统计结果

3．3．1 太阳活动低年夜间增强的季节变化

3．3．2 太阳活动高年夜间增强的季节变化

3．3．3 与前人研究结果对比

3．4 本章总结

第四章 低层大气八小时潮汐对热层的影响

4．1 理论模式介绍

4．1．1 电离层热层电动力学耦合模式

4．1．2 中间层大气扩展模式

4．2 八小时潮汐的引入及模拟实验设置

4．2．1 中间层大气扩展模式八小时迁移潮汐温度分量

4．2．2 控制模拟实验设置

4．3 热层大气夜间增强现象模拟结果

4．3．1 模拟结果对比

4．3．2 不同底边界条件下模拟的夜间增强现象

4．4 热层大气夜间增强现象理论分析

4．4．1 热层大气中半日、八小时潮汐分量对夜间增强的影响

4．4．2 热层大气半日潮汐分量的影响

4．4．3 热层大气八小时潮汐分量的影响

4．4．4 热层大气夜间增强与大气潮汐相位的关系

4．5 本章总结

第五章 八小时潮汐在热层大气中传播的季节依赖

5．1 低层八小时潮汐传播季节变化

5．1．1 对称的底边界八小时潮汐

5．1．2 八小时潮汐温度分量的季节差异

5．2 背景纬向风对潮汐向上传播影响

5．2．1 无背景纬向风条件下的潮汐分量

5．2．2 六月份南北半球背景纬向风差异

5．2．3 有无背景纬向风条件下南北半球潮汐差异

5．3 背景纬向风影响的能量方程项分析

5．3．1 中性大气能量方程及其分解

5．3．2 项分析方法

5．3．3 背景纬向风对能量收支的影响

5．4 背景温度对八小时潮汐向上传播季节变化的影响

5．5 低层大气潮汐纬度分布对传播过程季节变化的影响

5．6 背景经向风对潮汐向上传播的影响

5．7 本章结论

第六章 总结与展望

参考文献

博士期间发表及完成论文

致谢