大气湍流层顶结构特性和演化规律

The atmosphere of the earth is a special fluid, and the existence of atmospheric turbulence has been well known. The troposphere has a very high Reynolds number. As the altitude gradually increases, the turbulence dissipation gradually weakens. When the turbulence dissipation starts to be less than the atmospheric molecular dissipation, the altitude is called the height of the turbopause. The turbopause is the boundary layer of different physical processes of atmospheric activity. The researches about the turbopause are important to the dynamic process of the whole atmosphere. The distribution of the height of the turbopause is also important for the design and flight of near-space and space vehicle. About the activity of atmospheric turbulence in mesosphere and lower thermosphere, this project joint use of MF radar and Na lidar data at Langfang station (39.4°N, 116°E) and the global TIMED/SABER satellite data by data analysis and theoretical calculation. The generation and evolution of the atmospheric turbulence near the turbopause and its quantitative relationship with the waves' broken will be analyzed and the processes of turbulent energy cascade will be discussed. This project may draw reliable pictures on the distribution of the height of atmospheric turbopause. It is expected to get some innovational conclusions by exploring the relationship between the evolution of atmospheric turbopuse and solar activity. These studies comply with project guidelines of the Major Research Plan "Generation, Evolution and Mechanism of Turbulence Structure".

地球大气是一种特殊的流体，人们已很好的认识到大气湍流的存在。对流层大气的雷诺数极高, 随着高度逐渐升高，湍流耗散逐渐减弱，当湍流耗散开始小于大气分子耗散时，该高度称为大气湍流层顶高度，湍流层顶是大气活动不同物理过程的分界层。关于大气湍流层顶的研究对于整层地球大气的动力学过程有重要影响，对于临近空间飞行器/航天飞行器的设计和飞行也有重要意义。围绕中间层低热层的大气湍流活动，本项目联合利用廊坊固定站（39.4°N，116°E）中频雷达与Na激光雷达数据和TIMED/SABER卫星全球数据，开展数据分析和理论计算，分析大气湍流层顶结构的生成和演化规律以及与波动破碎的量化关系，探索大气湍流层顶的能量级串过程。研究结果将给出大气湍流层顶位置高度时空分布的可靠结论。通过探索大气湍流层顶结构演化与太阳活动的联系，有望得出创新性结论。这些研究符合重大研究计划《湍流结构的生成演化及作用机理》项目指南要求。

地球大气和一般流体的不同之处在于大气始终处于旋转的地球之上，大气的温度、密度、压强、速度等都是非均匀的，由于不稳定因素，大气湍流普遍存在，大气湍流输送会引起能量、动量与物质成分等随空间和时间变化，是影响大气动力学结构的重要过程。大气湍流随高度显著变化，研究中将湍流耗散开始小于大气分子耗散的高度称为大气湍流层顶高度，湍流层顶是大气活动不同物理过程的分界层。本项目联合利用廊坊地基探测、TIMED/SABER卫星探测、大柴旦探空气球与浮空器的原位探测数据，通过数据计算和理论分析，对地球大气湍流尤其是湍流层顶区域的大气湍流结构特性和演化规律开展了研究。具体研究成果包括：（1）优化了基于中频雷达信号的特征衰减时间计算大气湍流能量耗散率（表征大气湍流强度）的方法；阐明了廊坊这一典型地区中间层与低热层大气湍流的演化规律；阐明了大气湍流层顶位置高度的范围及其随时间的变化规律。（2）揭示了大气湍流活动与大气波动的关系；探索了大气湍流层顶结构与太阳活动的联系。（3）提出了一种新的判断线性拟合范围的波动湍流层顶计算方法，得到了全球大气湍流层顶高度数据集，阐明了大气波动湍流层顶高度随纬度、季节的变化规律。（4）阐明了基于探空气球和浮空平台风速计数据的大气湍流分布特征及湍流参数特性，验证了大气湍流惯性区的谱幂律理论，揭示了大气湍流活动与大气重力波的相关性非常高。（5）项目发表了学术论文14篇，其中11篇SCI、2篇EI、1篇中文核心，培养了博士研究生8人、硕士研究生3人。