中层顶温度结构的观测和研究

中层顶是大气中温度最低的区域，大气温度的变化直接影响中层顶大气动力学和光化学过程，同时中层顶温度也明显受到来自各种大气波动的扰动。利用气辉光谱温度成像仪(SATI)和流星雷达研究中层顶温度的多尺度变化特征并初步建立经验模型是本申请项目的主要目标。利用成像仪和流星雷达在时间、水平方向和垂直方向的分辨，得到大气重力波在观测地点上空的参数特征及优势传播方向，寻找重要的重力波源。通过对积累数据的分析，阐明中层顶温度潮汐的变化规律，寻找温度潮汐与风场潮汐的关系，说明大气不同参量对潮汐响应的差异。利用温度的季节变化特征和潮汐的研究结果建立中层顶温度经验模型，该模型将在航天等需要中层顶大气温度的领域有较大应用价值。

中层大气是指平流层顶约10km到100km的大气层，中层大气温度的结构和变化都比较复杂，了解中层大气的温度结构对于认识中层大气中的物理和化学过程非常重要。本课题依托地面观测站的观测数据和网上公开的最新卫星观测数据，对中层大气的温度和温度变化进行了研究。首先从OH(6-2)和O2(0-1)气辉谱的年变化可以看到，中层大气约87km和94km高度，夜晚的温度分别在夏天和冬天达到最低和最高值，夏天87km的平均温度为173.9K，低于94km的温度平均值180.1K，但冬天87km的温度平均值201.2K却高于94km的温度平均值194.8K，这说明北京夏季中层顶低于87km，而冬季中层顶高于94km，大约有120-150天中层顶低于87km。对中层顶温度进行谐波分析，结果表明87km和94km高度的温度年振幅分别是17.5K和7.8K，半年变化分别是1.6K和5.3K。我们还利用多年的卫星观测温度，从温度扰动剖面可以计算出重力波的势能，该势能在中高纬地区呈现年变化，而在低纬地区主要是半年变化。在赤道附近，重力波仅在QBO(准两年震荡)向东剪切相时期出现。研究表明，地形和对流是平流层重力波的重要波源，风场QBO也影响重力波的活动。平流层增温(SSW)是与中层大气温度结构相关的重要事件。在2009年1月22至27日的TEC(电子浓度总含量)观测中，我们看到了相位每天向前移的半日扰动，利用北京的流星雷达风场研究中层大气的变化，半日太阳潮汐在SSW之前的就开始增强，并在SSW期间保持16-20天的振荡，而风场和TEC的半日太阴潮汐分别在15日和17日开始增强。虽然北京上空TEC的半日太阴潮汐在2月1日就基本消失了，但在赤道异常区TEC的半日太阴潮只到风场太阴潮很小的2月15日才消失。北京上空96km高度风场的太阴潮汐幅度在2月2日达到15-21m/s. 通过比较电离层TEC和中层大气风场的相位，东西向风场与TEC的相位比较接近，而南北向风场的相位超前2-4小时。根据发电机区半日潮汐主要是对称(2,2)波模，因此SSW期间电离层TEC的变化是风场半日潮引起的，而TEC的每日相位前移是SSW期间增强的风场半日太阴潮引起的。另外我们还利用流星雷达的双击扩散系数初步计算了温度变化和潮汐变化，与已有的模型的初步比较显示温度的变化比较复杂。