火山活动对北半球平流层气候异常变化的影响

文中利用逐次滤波法滤除北半球平流层70 hPa约15~22 km高空大气温度异常变化中太阳活动的影响之后,进一步分析了火山活动的气候效应,分析结果表明,火山活动能引起平流层较大幅度增温,对于北半球70hPa高空气候异常变化的影响超过了总方差的30%;火山活动影响最显著的高度是平流层70 hPa约15~22 km高空,由此高度向上或向下,火山活动的影响都逐渐减小;火山活动引起平流层大气升温的同时还将引起对流层大气降温,其分界线大致位于对流层顶300 hPa附近;强火山爆发如皮纳图博火山爆发、阿贡火山爆发和堪察加北楮缅奴等火山爆发是引起未来两年左右平流层中下层温度异常变化最重要的因素,其方差贡献率超过百分之五十三！;火山喷发高度越高,引起平流层增温效应的层次也越高;北半球大气温度异常变化对南半球火山活动响应的滞后时间比北半球火山活动长. 平流层高空气候异常变化还具有显著的22年变化周期,分析认为是大气温度场对太阳磁场磁性周期22年异常变化的响应,其方差贡献率超过9%.     

平流层爆发性增温期间中高层大气行星波研究进展

极区平流层爆发性增温（SSW）是冬季半球最剧烈的大气扰动现象之一. SSW期间温度和风场的剧烈变化被认为是冬季半球中高层大气波动能量异常增强的主要原因.流星雷达是能够稳定连续探测中间层和低热层风场的重要地基探测设备.主要依托国家重大科技基础设施建设项目：“子午工程”,我国已建设了多个流星雷达观测台站,对中间层和低热层风场进行了长期稳定连续的监测,为揭示SSW期间中间层和低热层波动异常变化的物理机制提供了重要的观测资料.本文简述了近年来以我国“子午工程”流星雷达监测数据为核心,SSW期间中高层大气行星波的研究进展和成果;深入讨论了冬季半球中高层大气行星波发生异常变化的主要激发机制.随着“子午工程”二期十个流星雷达台站即将建成,本文对利用“子午工程”流星雷达监测台网进一步研究SSW期间中高层大气波动的变化特性进行了展望.     

冬季太阳11年周期活动对大气环流的影响

利用气象场的再分析资料和太阳辐射活动资料,对太阳11年周期活动影响北半球冬季(11月~3月)大气环流的过程进行了统计分析和动力学诊断.根据赤道平流层纬向风准两年振荡(QBO)的东、西风状态对太阳活动效应进行了分类讨论,结果表明：东风态QBO时,太阳活动效应主要集中在赤道平流层中、高层和南半球平流层,强太阳活动时增强的紫外辐射加热了赤道地区的臭氧层,造成平流层低纬明显增温,同时加强了南半球的Brewer-Dobson(B-D)环流,引起南极高纬平流层温度增加;而北半球中高纬的环流主要受行星波的影响,太阳活动影响很小.西风态QBO时,太阳活动效应在北半球更为重要,初冬时强太阳活动除了加热赤道地区臭氧层外,还抑制了北半球的B-D环流,造成赤道平流层温度增加和纬向风梯度在垂直方向的变化,从而改变了对流层两支行星波波导的强度;冬末时在太阳活动调制下,行星波向极波导增强,B-D环流逐渐恢复,造成北半球极地平流层明显增温,同时伴随着赤道区域温度的下降.     

纬向风与赤道异常的行星波同步振荡及其谱分析

本文利用最大熵谱分析方法处理了电离层赤道异常北峰Okinawa站的f₀F₂行星波周期的振荡.比较同一期间相近经度链上的南北半球观测到的低热层中性大气运动,发现较短周期的2-5日波,尤其是在南北半球的夏季期间（北半球7-8月前后,南半球1-2月前后）,其纬向风与赤道异常振荡强弱及周期变化具有良好的同步对应性.对于较长周期的中性风振荡,只要其幅度相当大,也会在赤道异常的振荡中有所对应.从而提供证据说明中性风的行星波振荡是赤道异常的行星波振荡的驱动源.     

我国中高层大气观测研究的新进展

中高层大气是与人类生存环境关系极为密切、又易受太阳活动影响的层次，它的研究在日地物理研究中占有特殊的地位．近年来，我国在中高层大气行星波、重力波、光化过程和太阳活动与人类活动影响等方面取得了可喜的进展，获得一系列重要成果；在观测方面，VHF雷达、钠荧光激光雷达、中间层大气毫米波探测和倾斜滤光片光度计等一批新型观测设备投入使用，增强了对中高层大气的探测能力.本文重点介绍了近年来我国在高平流层、中间层和低热层大气方面的主要研究情况．     

临近空间大气扰动变化特性的定量研究

本文利用TIMED/SABER 2002年1月至2013年1月共11年的卫星温度探测数据,通过全球网格化及在网格内作数学统计的方法,得到了20~100km高度上全球网格点上温度的平均值和标准差,实现了对临近空间全球大气扰动进行定量刻画的目的.通过定量分析温度标准差的分布特性,文中得到了临近空间大气扰动的全球分布规律,并讨论了与这些分布规律相关的物理过程.结果表明,在20~70km高度上,温度标准差为1~10K,有显著的冬季/夏季的差异,冬季的温度标准差比夏季大;大气重力波扰动是最主要来源,同时大气传播性行星波引起的扰动也是来源之一.在70~100km高度上,温度标准差常年较强,量值为10~30K,冬季/夏季的差异小,低纬地区的温度标准差高于中高纬度地区,呈现许多局地化的小结构.大气重力波是引起该区域大气总扰动量的主要扰动来源,大气潮汐波、传播性行星波(准2天、准6.5天)也有重要贡献.     

中性风与等离子体行星波的同步振荡

本文是“赤道异常的行星波振荡”的续篇。提供新的事实以说明:由于中层大气的行星波振荡会调制到潮汐风上面,潮汐风上升到E层发电机区域,通过发电机效应产生电场及S_q电流体系的行星波振荡。电场沿磁力线传到F_2层,通过“喷泉效应”引起电离层赤道异常的行星波振荡。所有这些振荡来源相同,所以是同步的。     

大气准两年振荡的电离层效应

本文研究赤道异常逐日起伏程度的年变化规律,发现它与太阳活动及地磁活动呈微弱的负相关,但却受到QBO的明显调制,QBO东风相起伏加大,QBO西风相起伏减小.这一事实似乎表明,太阳爆发或磁暴不是产生赤道异常逐日起伏的主要原因;而上行行星波的扰动有可能是引起赤道异常逐日起伏的主要原因.     

OH气辉对重力波响应的模式研究

重力波是中间层大气的重要能量来源,气辉观测为研究中间层重力波特性提供了极好的方法。本文利用最新的 OH 气辉激发机制,建立了一个较完整的光化、动力模式来分析重力波传播对 OH 气辉的影响。结果表明,化学反应速率系数不定性对 Krassovsky 比振幅的影响较小,但淬灭过程的影响必须考虑。Krassovsky 比的振幅和相位均依赖于波周期,其振幅在2.1和10.3之间变化;这表明 OH 气辉亮度的相对变化大于温度的相对变化。一般情况下,重力波引起的温度扰动超前于气辉亮度的变化。与实测资料比较发现,两者变化趋势基本一致,在短周期波时吻合较好。     

空间尘埃等离子体中的重力波特性

建立尘埃等离子体中重力波的基本方程,推导尘埃等离子体中重力波的色散关系,分析地球极区中间层顶处尘埃等离子体层中的重力波特性,研究了重力波在电子密度垂直分层的尘埃等离子体中的反射. 结果表明尘埃等离子体改变了通常大气中的重力内波的色散关系,限制了小水平波数重力内波的传播,改变了波的能量特性,减小了重力波在不均匀大气中垂直向上传播时振幅的增长;在尘埃等离子体中传播时重力波可被电子密度垂直分层的结构反射而导致波能量的集中, 它产生的湍动所导致的空间电子密度的不均匀性分布是极区上空PMSEs的可能机制.     

不同分布型El Ni?o期间MJO活动的差异

利用Hadley中心的月平均海温资料、NCEP/NCAR和ERA-Interim逐日再分析大气环流数据等,详细对比了赤道大气季节内振荡(MJO)活动在东部型El Ni?o与中部型El Ni?o发展期间的异同点.结果表明,与传统的东部型El Ni?o发展前MJO明显偏强的特征相似,在中部型El Ni?o迅速发展前的春夏季,MJO动能亦较强且持续东传特征显著.这说明无论是东部型El Ni?o还是中部型El Ni?o,与MJO能量的突然增长相联系的低频纬向西风和低频对流活动的增强及其持续东传是激发El Ni?o的重要因素.但是,在中部型El Ni?o发展成熟的冬季至次年春季,热带中西太平洋MJO动能的强度突然再次增强,所占大气总扰动动能的比重也再次增大,热带MJO动能的逐日演变达到第二次峰值,且较第一次峰值更强;MJO从热带印度洋向赤道中东太平洋持续东传的特征也更为显著.这与在传统东部型El Ni?o盛期MJO能量和东传都明显减弱的特征表现出显著的差异.进一步分析指出,中部型El Ni?o成熟期海温正距平中心位置的西移以及由中部型El Ni?o激发的范围偏小、位置偏西的菲律宾附近异常反气旋环流可能是导致中部型El Ni?o盛期MJO活动显著增强的主要原因.     

北半球大气遥相关型与区域尺度大气扰动

北极涛动(AO)、北大西洋涛动(NAO)和太平洋-北美型(PNA)等北半球大气遥相关型,可以用大气位势高度的物理分解扰动分量解释.结果发现,AO反映的是北极地区行星尺度纬圈平均扰动分量的变化,PNA与持续性天气尺度扰动分量相联系,NAO是行星尺度纬圈平均扰动与天气尺度扰动共同作用的结果.对行星尺度纬圈平均扰动分量和天气尺度扰动分量用旋转经验正交函数(REOF)展开,不但可以证实人们已经命名的区域性大气涛动,还新发现了北极地区的两对偶极涛动、欧亚涛动(EAO)和"大西洋-欧亚型"(AEA)波列.这些涛动连接了相邻地区的异常天气和异常气候.     

基于OH全天空气辉成像仪观测的中国低纬地区的重力波传播统计特征

利用位于海南富克(19.5°N,109.1°E)和广西桂平(23.4°N,110.1°E)两个台站两年多的OH全天空气辉成像仪观测数据,对中国低纬地区的重力波传播统计特征进行了研究.从富克和桂平的气辉成像观测中, 分别提取了65和86个重力波事件.研究结果表明,观测水平波长,观测周期和水平相速度分别集中分布在10~35 km, 4~14 min和20~90 m·s^-1范围.重力波传播方向,在夏季表现出很强的东北方向传播.然而,在冬季主要沿东南和西南方向传播. 同时,结合流星雷达风场观测和TIMED/SABER卫星的温度数据,也发现在中层-低热层中传播的大多数重力波表现为耗散传播.且低层-中层大气中背景风场的滤波作用和多普勒频移可能对纬向方向传播的重力波产生的各向异性起到重要的调制作用.然而,经向方向传播的重力波产生的各向异性可能同时被低层大气中波源的非均匀分布以及潮汐变化所影响.     

赤道MJO活动对南海夏季风爆发的影响

利用1979—2013年NCEP/DOE再分析资料的大气多要素日平均资料、美国NOAA日平均向外长波辐射资料和ERSST月平均海温资料,分析赤道大气季节内振荡(简称MJO)活动对南海夏季风爆发的影响及其与热带海温信号等的协同作用.结果表明,赤道MJO活动与南海夏季风爆发密切联系,MJO的湿位相(即对流活跃位相)处于西太平洋位相时,有利于南海夏季风爆发,而MJO湿位相处于印度洋位相时,则不利于南海夏季风爆发.赤道MJO活动影响南海夏季风爆发的物理过程主要是大气对热源响应的结果,当MJO湿位相处于西太平洋位相时,一方面热带西太平洋对流加强使潜热释放增加,导致处于热源西北侧的南海—西北太平洋地区对流层低层由于Rossby响应产生气旋性环流异常,气旋性环流异常则有利于西太平洋副热带高压的东退,另一方面菲律宾附近热源促进对流层高层南亚高压在中南半岛和南海北部的建立,使南海地区高层为偏东风,从而有利于南海夏季风建立;当湿位相MJO处于印度洋位相时,热带西太平洋对流减弱转为大气冷源,情况基本相反,不利于南海夏季风建立.MJO活动、孟加拉湾气旋性环流与年际尺度海温变化协同作用,共同对南海夏季风爆发迟早产生影响,近35年南海夏季风爆发时间与海温信号不一致的年份,基本上是由于季节转换期间的MJO活动特征及孟加拉湾气旋性环流是否形成而造成,因此三者综合考虑对于提高季风爆发时间预测水平具有重要意义.     

高纬地区低层大气行星波的无线电探空仪观测研究

本文通过分析美国阿拉斯加地区三个站点(Nome,64.50°N,165.43°W;McGrath,62.97°N,155.62°W;Fairbanks,64.82°N,147.87°W)无线电探空仪1998～2006年观测数据,研究了北半球高纬地区低层大气行星波特性.通过分析发现行星波主要存在于两个区域,一个在对流层顶附近,一个在冬季极夜急流附近,两个区域的行星波都具有明显的间断性,持续时间一般不超过2个月;三个分量中,温度扰动量的振幅最小,经向风扰动量的振幅最大.对流层顶附近的行星波没有明显的季节变化且谱成分较为复杂,5天波的振幅最小,10天波的振幅略强于16天波.极夜急流附近的行星波主要出现在冬季,波振幅比对流层顶附近小,主要为10天波和16天波,且16天波的振幅强于10天波.由折射指数可以看出,夏季在对流层上方有明显反射层,冬季则较弱甚至消失,很好地解释了平流层行星波主要在冬季出现的原因.对2003/2004年冬季三个站点行星波的细致分析发现对流层区域和极夜急流区域出现明显的准10天波和准16天波,准10天在垂直方向为驻波,温度分量垂直波长约为12km,经向风分量垂直波长大于26km,波自东向西传,纬向...     

电离层赤道异常两日振荡的数值模拟

近20年来,国外学者对电离层赤道异常问题的数值模拟研究未考虑到大气行星波对潮汐发电机电场的调制效应,因而不能解释赤道异常峰值的逐日变化.本文结果表明二日波对F_2区电子浓度的输运有很大影响.这一方法可以推广到赤道异常各种长周期行星波振荡的数值研究. 本文从非定常等离子体连续方程出发,建立包含行星波振荡对E×B漂移的调制效应的方程,并给出数值模拟的方法以及可与实际观测进行比较的结果.文中取二日波漂移振幅为U_p=0 m/s、5m/s、10m/s,而初位相分别为φ=0°、90°共四种情形进行了模拟,结果表明,二日波的调制可使赤道异常的时空分布以及异常峰值产生明显的逐日变化.在所选取的模型中,取U_p=5m/s,φ=0°所得到的f_0F_2t的二日分布特征与观测较吻合.而u_p约5m/s的变化能引起异常峰值f_0F_2约1-2MHz的起伏,而二天之内f_0F_2的二个峰值表现出约2-4MHz的起伏.     

基于多台站OH全天空气辉成像仪观测的中国中纬地区重力波传播特性

利用位于中国中纬地区6个OH气辉成像仪2012年1月至2013年12月两年的观测数据,我们研究分析了重力波传播特征.结果表明重力波的水平波长、观测周期和水平相速度分别主要分布于10~35km,4~12min和30~100m·s-1范围.夏季,重力波主要沿极向方向传播.然而,冬季,他们有向赤道方向和平行于赤道方向的传播趋势.同时,我们结合TRMM卫星和ECMWF数据,发现在夏季重力波的北向传播趋势可能主要由观测台站南方的对流活动导致.然而,对流层顶附近的急流可能在冬季重力波的主要传播方向方面做出较大贡献.分析结果也表明,低层-中层大气背景风的滤波效应仅在夏季与中国中纬地区重力波纬向传播方向各向异性吻合较好.     

北极地区低平流层惯性重力波的观测研究

南极地区重力波活动有大量报道,相对而言,北极地区重力波的研究还很少.本文利用极区Ny-Alesund站点（78.9°N,11.9°E）无线电探空仪从2012年4月1日到2017年3月31日共5年的观测数据,统计分析了北极地区低平流层惯性重力波的特征.观测显示,月平均纬向风在20 km以下盛行东向风,再随着高度增加,逐渐呈现出半年振荡现象.对流层顶高度在5~13 km范围内变化,其月平均高度显示出年循环,最高出现在夏季,约为10 km,最低出现在冬季,约为8.5 km.对流层和低平流层月平均温度都显示出明显的年周期变化,这与中低纬度观测结果有所不同.结合Lomb-Scargle谱分析和矢端曲线方法,估算了准单色惯性重力波参数.个例研究表明,低平流层惯性重力波呈现出远离源区的自由传播性质.统计结果显示,惯性重力波的水平和垂直波长分别集中在50~450 km和1~4 km范围内,本征频率集中在1~2.5倍惯性频率间,这些值都比中低纬度观测值稍小.垂直方向本征相速度主要集中在-0.3~0 m·s^-1,而纬向和经向本征相速度集中在-40~40 m·s^-1之间.在5年的观测中,大约91.5%的惯性重力波向上传播.在冬季和早春,由于极地平流层极涡活动,激发出向下传播的惯性重力波,因此,向下传播的比例上升到相应月份的20%左右.由于低层大气盛行的东向风的滤波效应,低平流层大部分惯性重力波向西传播.波能量呈现出明显的年周期变化,最大值在冬季、最小值在夏季,与北半球中低纬度观测结果一致,表明北半球重力波活动普遍冬季强、夏季弱.     

青藏高原地形对5、6月北半球环流影响数值模拟

利用NCAR CAM3.1模式进行了有无青藏高原地形的试验,通过两组试验结果的比较,研究了青藏高原地形对5、6月北半球500 hPa环流的影响。结论如下:春末夏初在北半球存在类似Rossby波列状的距平中心,5月波列产生于高原北侧的蒙古附近,途经鄂霍次克海、阿留申地区,到达北美西海岸;6月,由于西风急流北移、减弱及高原上空的非绝热加大,波列的产生地移至高原西北侧的巴尔喀什湖附近,强度减弱,造成该波下游的鄂霍次克海、勘察加半岛、阿拉斯加海域的强度相应减弱。另外,5月在鄂霍次克海和日本以东洋面附近的异常中心类似于负位相的OKJ波列,可以视为对正位相OKJ波列东段形成抑制作用;6月由于鄂霍次克海附近的负异常强度很弱,对OKJ波列东段的抑制作用很弱。     

南亚高压区Rossby波能量向上穿越对流层顶传播的特征与机制

夏季平流层盛行强东风,Rossby波能量难以从对流层向上传播至平流层,而冬季平流层盛行西风,Rossby波能量容易上传,因此以往对Rossby波能量向平流层传播的研究多考虑冬季的情况.而事实上,因为夏季高原上空南亚高压反气旋环流,并非只有强东风存在,所以Rossby波能量也可能在南亚高压区向上传播,从而影响平流层的温度、风场及大气成分等.因此,本文利用ERA-interim逐日再分析资料,分析了1979—2015年夏季南亚高压区Rossby波能量穿越对流层顶传播的特征与机制.结果表明:Rossby波能量可以从南亚高压西北部的窗口区上传至平流层,最高可到达平流层顶,而在南亚高压的其他部分,Rossby波能量均不能穿越对流层顶上传或穿越对流层顶后无法继续上传.南亚高压西北区Rossby波能量可以穿越对流层顶传播的原因是盛行西风,且西风急流出现的频率很小,同时涡动热量通量异常引起的垂直分量的第一项对其上传有很大贡献.南亚高压东北区也盛行西风,然而Rossby波能量不能向上穿越对流层顶的原因是强西风出现频率较高,且温度脊与高度脊位相相近,不利于上传.南亚高压南部均盛行东风,在平流层中下层均为稳定层结,因此Rossby波能量很难上传.南亚高压西南区在对流层位于青藏高原环流的伊朗高原下沉区附近,层结稳定,并且温度脊超前于高度脊,所以Rossby波能量很难上传.而南亚高压东南区在对流层位于南海-西太平洋热带幅合带,层结不稳定,存在Rossby波能量较弱的上传,达到对流层顶后无法继续上传,该区域温度脊落后于高度脊的温压场配置也为Rossby波能量在对流层内的传播提供了条件.