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地球中间层顶区域作为中高层大气的过渡区域,受到来自其下层和上层大气的共同影响。大量的能量和动量通过各种尺度波动由低层大气向上传输至该区域,造成大尺度的动力学扰动。为了研究这些波动对中间层顶区域平均结构的影响,需要对该区域温度、风场进行有效地探测。风场对理解中高层大气环流结构、扰动以及化学成分的再分配都很重要。因此,本论文采用覆盖全球80~105 km的TIDI风场观测研究了该区域平均风场特征、季节变化、年际变化以及大气热力潮汐特征(包括迁移性和非迁移性潮汐)。主要结果如下:
1、80~105 km平均风场的卫星观测
采用TIDI仪器2002年~2012年80~105km的矢量风场观测资料,分析了纬向平均风场的典型结构,并在此基础上得到了风场多年月平均气候态分布结构;分析了纬向平均风场白天和夜间的结构差异。卫星观测与以前对中间层顶区域纬向平均风的认识基本一致。观测结果显示纬向风反转高度冬季出现在95 km,夏季出现在90 km。两至点季节经向风在95 km以下表现出从夏季半球到冬季半球的经向环流。
卫星观测与以往结果不同的是,热带地区80~90km纬向风半年振荡中夏冬两至点为弱西风甚至弱东风,无论西风范围还是量值都比以前观测要小。在中高纬地区纬向风发生反转后,夏季半球西风比冬季半球东风强。平均风场在白天和夜间时段表现出明显的差异。
观测与经验模式之间的比较结果与以往结论基本一致。考察120°E平均纬向风的代表性时候发现主要偏差出现在冬季半球的高纬度地区,这可能与冬季行星波活动有关。
2、平均风场的季节变化和年际变化特征
分析2002年至2012年3月平均纬向风的结果表明在平流层QBO西风相位时中间层顶区域热带纬向风增强,在平流层QBO东风相位时减弱。2010年平流层QBO西风推迟出现证明了中间层顶区域纬向风变化与平流层QBO的相关性。但2010年热带纬向风的增强不符合该关系,说明中间层顶区域热带纬向风变化复杂,可能还同时受到其它因素的影响。考察经向风的结果没有发现与平流层QBO相关的变化。
Lomb-Scargle谱分析结果显示平均风场中存在显著的年振荡和半年振荡,通过拟合得到年振荡和半年振荡振幅和相位的全球结构。纬向风年振荡振幅峰值出现在中高纬度,振幅年际变化明显,存在很弱的与平流层QBO相关的变化。热带地区半年振荡振幅在85 km出现峰值,可延伸至两半球20°~30°范围,振幅大值中心出现在南半球10°S~20°S之间;半年振荡振幅中心还出现在中高纬度地区。经向风年振荡振幅峰值出现在中纬度85~90km,南半球出现在20°~40°S,北半球出现在40°~60°N。北半球热带经向风年变化振幅和相位出现2年周期的变化。
3、大气热力潮汐DW1和DE3特征
利用TIDI观测分析了纬向波数在-6至6之间总共39种迁移性和非迁移性潮汐成分,给出了纬向风和经向风中最显著的DW1和DE3振幅的季节变化、年际变化以及振幅和相位的多年平均结构。
风场DW1潮汐的平均结构与以前利用较短时间卫星观测的研究结果基本一致。利用10年数据的结果确认了春分季节大气风场中DW1振幅在平流层QBO西风相位增强,在东风相位振幅减弱,而并非2年周期的变化。经向风DW1振幅比纬向风DW1振幅的QBO变化更显著。值得注意的是,纬向风DW1在夏季100km高度以上出现了30~40 m/s的振幅,可能与局地激发源有关。
纬向风DE3结果显示振幅峰值出现在热带地区100~105 km高度,可达30m/s,大值中心出现在南半球10°S,最大值出现的时间在6~11月之间。经向风DE3振幅要比纬向风小,振幅最大值(~10 m/s)出现在热带地区95~100km高度,峰值主要出现在2~3月和7~9月。与纬向风DE3相比,经向风DE3振幅相对于赤道对称。