中層大氣不穩(wěn)定結構及極區(qū)大氣異常變化的研究.pdf

1、大氣波動主要包括行星尺度波、潮汐波、和重力波等，它們在不同空間和時間尺度的大氣耦合中起著關鍵作用。這些波動在低層大氣中產生并向上傳播，通過波耗散或破碎過程將動量和能量傳輸到背景大氣中，從而對平流層和中間層的大氣環(huán)流產生很強的動力學效應。另外，在波的傳播過程中平均流場也會影響波的產生、傳播和耗散。本論文利用地基和星載儀器長期觀測的數據，一方面研究了中間層頂不穩(wěn)定結構ripple的季節(jié)變化、及其與背景大氣的關系，另一方面研究了北半球極區(qū)中高

2、層大氣對2015/2016年強厄爾尼諾（El Ni(n)o，EN）和準兩年振蕩(QBO)異常的響應。綜合這些結果我們可以更好地了解波動在整個大氣耦合中的作用。
　　1、在中高層大氣區(qū)域，大氣重力波通過耗散和破碎將自身的動量和能量傳輸到平均流中，從而在驅動大氣環(huán)流中起重要作用。對重力波耗散過程影響最大的機制是動力不穩(wěn)定性和對流不穩(wěn)定性，而OH全天空成像儀觀測的ripple結構被認為是動力不穩(wěn)定或對流不穩(wěn)定的一種表征形式，因此研究ri

3、pple的特性和變化有著重要意義。然而，由于缺少長期的中間層溫度和風場數據，關于ripple的研究仍留有很多疑問，如ripple與重力波的關系、其與背景大氣穩(wěn)定性和風場的關系等。針對以上問題，基于美國科羅拉多州Yucca Ridge Field臺站的(40.7°N，104.9°W)OH全天空氣輝成像儀、附近Fort Collins的窄帶鈉激光雷達和Platteville的中頻雷達的觀測的多年數據，我們首次對ripple的特性及季節(jié)變化、

4、其與中間層背景風場和大氣穩(wěn)定性的關系進行了詳細的統(tǒng)計研究。
　　結果發(fā)現ripple的發(fā)生頻率呈現出明顯的季節(jié)變化和對地方時的依賴性，其秋冬季節(jié)（尤其是秋季）的發(fā)生率要高于其他季節(jié)。ripple結構的持續(xù)時間和空間尺度（水平波長）主要集中在5-20min和5-10km，且移動方向更偏向于南北向。以往研究普遍認為ripple結構是隨著背景風場移動的，當它發(fā)生時大氣是趨于不穩(wěn)定的。然而我們的研究結果發(fā)現ripple結構并不總是隨著背景

5、風場移動，大氣不穩(wěn)定的發(fā)生率也（約17％）遠低于ripple事件的發(fā)生率。多于一半的ripple結構并不隨著背景風場移動，而且這些結構的動態(tài)不穩(wěn)定參數Richardson數也相對高于隨著背景風場移動的另一類ripple結構，這與前人對ripple和風場關系的研究結果并不一致。
　　2、在北半球平流層，行星波（Rossby波）主要通過驅動Brewer-Dobson（BD）環(huán)流來影響極區(qū)溫度和風場，進而引起極渦增強或減弱（比如平流層突

6、然增溫）。而2015/2016年冬季早期發(fā)生了有記錄以來最強的厄爾尼諾事件，持續(xù)時間非常長，并且存在QBO的異常阻斷。已有研究表明厄爾尼諾和QBO異常都會對北半球冬季極區(qū)的中高層大氣產生重要影響。本文對北半球極區(qū)整個冬季（2015年10月-2016年3月）平流層和中間層大氣對低層大氣異常氣候的復雜響應做了較全面的研究。
　　基于北極圈內加拿大地區(qū)的Resolute Bay觀測站(74.7°N，265.1°E)的OH全天空氣輝成像儀

7、、法布里-珀羅干涉儀(Fabry-Perot Interferometer,FPI)、Aura衛(wèi)星上的微波探測儀(Microwave Limb Sounder，MLS)數據，我們對2015/2016北極冬季早期(11、12月)的數據進行了分析，在北極中間層發(fā)現了多次非常少見的小尺度(水平波長小于20km)重力波事件。其中較為明顯的是2015年11月23日和12月18日的兩個重力波事件，對應的水平波長均為～18km，持續(xù)時間約為35min

8、。
　　基于Eureka臺站的流星雷達、ECMWF再分析數據和MLS數據，我們對2015/2016年冬季北極平流層和中間層的風溫和臭氧的變化進行了統(tǒng)計分析，發(fā)現在平流層，風場提前一個月轉為西向風，溫度提前一個月升高，且這些變化發(fā)生的都非?？?，而3月份之前臭氧含量一直很低（與正常年份相比）。這一年平流層EP通量散度為負值且比往年低，表明Rossby波在這里破碎的比較多。而在中間層頂（80-95km），3月份之前比較暖，之后開始變冷，

9、這和平流層溫度變化呈負相關。以上結果表明在2015/2016年北極異常冬季情況下，對流層產生異常多的行星波并傳播到平流層，在平流層破碎并釋放動量和能量到背景大氣中，對背景大氣環(huán)流產生一個向西的拖曳（Rossby波的相速度在北半球冬季一般是向西的），由于北極冬季平流層緯向風一般是向東的，向西的拖曳使得背景大氣緯向東向風場減速，也減弱了極渦和繞極環(huán)流（極渦是向東的），即減速了極區(qū)風場。同時增強的Brewer-Dobson造成極區(qū)下沉的增強，