热层大气潮汐波和行星波的非相干散射雷达链研究

Atmospheric tides and planetary waves (ATPWs) are the most important driving force in atmospheric circulation, and energy exchange and coupling. People have a reasonable understanding in propagation processes of tides and planetary waves in the middle and lower thermosphere. However, due to limitations caused by observational techniques, ATPWs are not well understood above 120 km. This project proposes to use global incoherent scatter radar (ISR) chain and thermosphere-ionosphere-mesosphere-electrodynamics general circulation model (TIME-GCM) to study ATPWs in the altitude range from 90 to 350 km. The study will focus on investigating vertical structure, propagation characteristics, and excitation mechanisms of 24, 12, 8, and 6-hr tidal and quasi-2 day waves, and migrating/non-migrating tides; latitudinal and seasonal variations of ATPWs. The proposed study allows us to comprehensively understand the physical mechanisms of ATPWs in the thermosphere, the characteristics of migrating/non-migrating tides, the interaction process of ATPWs and background, and the effects that ATPWs acting on atmospheric energy exchange.

大气潮汐波和行星波是大气能量、动量和耦合的重要驱动源。人们对在中层以及低热层区域内传播的潮汐波和行星波的传播过程有了比较好的了解。然而受观测技术限制，人们对120 km以上高度潮汐波和行星波的理解十分有限。本项目利用全球非相干散射雷达的观测数据并结合美国大气研究中心的TIME-GCM模型数据对在地球大气从90到350公里的高度范围内传播的潮汐波和行星波进行研究。在研究中重点分析潮汐波的各个谐波分量，准两天行星波，以及迁移和非迁移潮汐波的垂直结构，传播特性以及激发机制；潮汐波和行星波的纬度变化以及季节性变化等。该项目的研究有利于我们全面了解潮汐波和行星波在热层中的物理机制、迁移和非迁移潮汐波的特性、热层潮汐波和行星波与背景大气的相互作用过程以及潮汐波和行星波对高层大气能量交换的影响。

项目的背景：.大气潮汐波和行星波是大气能量、动量和耦合的重要驱动源。人们对在中层以及低热层区域内传播的潮汐波和行星波的传播过程有了比较好的了解。然而受观测技术限制，人们对120 km以上高度潮汐波和行星波的理解十分有限。本项目利用全球非相干散射雷达的观测数据并结合美国大气研究中心的TIME-GCM模型数据对在地球大气从90到350公里的高度范围内传播的潮汐波和行星波进行研究。..主要研究内容：.揭示热层高度周期为24, 12, 8和6小时潮汐波的垂直结构和基本参数特征。揭示热层潮汐波的纬度变化和季节性变化特性，以及这种特性对于背景大气的影响。辨明热层潮汐波与背景大气的相互关系；探寻热层潮汐波对于大气能量传输与交换的影响以及热层大气与电离层的耦合过程。..重要结果.1）揭示了低纬度热层周期为24,12,8和6小时潮汐波的垂直结构，以及它们的短时变化，并且讨论了它的激发机制。.2）首次揭示了在低纬度电离层E层和F层活动的潮汐波以及背景经向风对SSW事件的响应。发现了在SSW发生期间，不同纬度间，中高层大气和电离层的耦合过程。.3）通过数值模拟以及观测数据揭示了Arecibo上空偶发E层的形成过程。我们分析并讨论了潮汐波，双极扩散，流星消融注入以及化学复合这几个机制对于电离层E层离子垂直分布的影响。.4）利用Arecibo雷达的观测数据，由离子动量方程出发，我们推导出了一种基于观测数据直接获取E层垂直电场的方法。并用此方法验证了雷达探测电离层领域中广泛应用的一个有关电场的重要假设。.5）我们利用Arecibo雷达观测站的观测数据，分析了电离层离子温度对2010年SSW的响应。研究发现，离子温度的扰动与8小时大气潮汐波有很强的相关性。..关键数据及其科学意义.1）通过课题的研究，揭示了低纬度热层潮汐波的垂直结构和激发机制，对于低纬电离层建模有非常大的帮助。.2）课题通过潮汐波在SSW期间的研究，揭示了低纬潮汐波对高纬平流层突然增温的响应，建立了低纬与高纬耦合的关系。.3）课题将潮汐波动与电离层垂直结构想联系，发现8小时潮汐波动对离子温度的影响，首次证明了模式研究的结论。