武汉地区中间层和低热层大气风场的潮汐观测研究

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中间层-低热层(MLT区)是从底层大气到电离层的过渡区域,随着高度的上升,底层大气不断向上传输并和中高层大气产生耦合,增加了中高层大气层的复杂性。大气潮汐是大气各区域进行能量传输的重要途经,它的研究一直推动着空间物理研究的进步。水平风场模型在大气潮汐预报中发挥着重要作用,其中,HWM14是最新版本的水平风场模型。本文利用在武汉地区的全天空流星雷达风场观测数据与HWM14、HWM07模型进行了比较分析,此外利用中国不同纬度地区的模型预报数据,把武汉地区的预报数据与北京、三亚地区的预报数据进行了对比研究,为HWM14模型在武汉地区的修正提供了第一手资料。首先,介绍了MLT区以及其探测方法,阐述了大气水平背景风场和大气潮汐的发展过程以及目前的研究现状,并介绍了获取观测数据的重要设备:全天空流星雷达。大气潮汐通常可通过提取流星雷达采集到的大气水平风场数据而得到,通过谐波拟合函数提取出大气水平风场的周日潮汐振幅和相位。对2014-2016年在北京(40.3°N,116.2°E)、武汉(30.5°N,114.6°E)和三亚(18.3°N,109.6°E)三年期间的全天空流星雷达风场观测数据和数据分析方法进行阐述。其次,对比分析了武汉地区的水平风场和HWM14、HWM07模型风场的变化情况。对比发现,月平均纬向风东向环流较多,武汉月平均经向风北向环流较多,纬向风在实际观测时,HWM14、HWM07模型都给出了较好的预测,但是HWM14、HWM07模型的峰值高度要高于实际观测值高度。同时纬向风的预测要好于经向风的预测,HWM14模型要优于HWM07模型。对于周日潮汐,比较发现HWM14、HWM07预测值振幅小于实际观测值,HWM14、HWM07模型预测值的振幅要比实际观测值要小,相位变化趋势一致性较好。对于半日潮汐,振幅峰值呈现出周期性的年变化,模型预测和实际观测的变化趋势有较好的一致性。相比较于纬向风,经向风的模型预测值和实际观测值的相位差异过大。最后,将不同纬度地区的观测数据与HWM07模型的预测结果进行了比较。实际观测数据和HWM07模型预报数据对比,发现三亚台站实际观测数据和模式预报数据差异较大,在所有的台站对比中,纬向风周日潮汐模式预测要好于经向风周日潮汐,在半日潮汐的对比中,北京站、武汉站在半日潮汐变化趋势上和模式预测有较好的一致性。三亚流星雷达观测台站的经向风半日潮汐在潮汐振幅强度和时间持续范围上都略差于北京台站和武汉台站。此外将不同纬度地区的观测数据与HWM14模型的预报结果进行了比较,在夏季和冬季,纬向风模型预报结果与中纬度流星雷达的观测结果有较大的差异,低纬度地区雷达测量结果与HWM14模型预报结果的差异大于中纬度地区。所有经向风分量,在模型预测的周日潮汐、半日潮汐都略小于实际观测,并且三亚台站HWM14模型的预报数据比武汉台站、北京台站的预报数据差异更大,在不同纬度地区实际观测和模型预报之间存在差异。总之,本文对武汉地区MLT区域实际观测的大气潮汐和不同的HWM模型进行了系统地比较,并且把中国地区不同纬度的HWM07、HWM14模型预报的大气潮汐与实际观测数据进行了对比分析,为研究武汉上空中间层-低热层大气潮汐变化状况提供了一种新思路,同时对HWM14模型预报提供了对比和参照,有助于修正模型。对于武汉地区中间层和低热层大气风场的潮汐观测,为探索中高层大气的变化研究奠定了基础,对空间物理研究具有重要意义。
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