中间层大气结构和波动对高纬SSW事件的响应

High-latitude stratospheric sudden warming(SSW)enents significantly impact the thermal structure and wave activities of middle and upper atmosphere. The cause of SSW and its impact on stratosphere have been extensively investigated, while the reponse of mesosphere to SSW in different latiutude has not been clarified. In this project, we will use satellite obsevational data combined with reanalysis data and ground-based lidar data to study the varibilities of mesospheric structure and waves during SSW. We hope to reveal the coupling mechanism between statosphere and mesosphere.The proceeding of this project is going to help us to comprehensively understand the energy coupling process between different atmosphere layers in different latitudes during SSW events.

高纬SSW事件对中高层大气结构和动力学过程有重要影响。目前，科学家们对SSW事件的形成机制及在SSW事件期间平流层大气结构的变化已有了比较全面的了解。但限于观测资料和理论研究的不足，SSW事件对不同纬度中间层大气的影响还不甚清楚。本项目将使用我们收集整理的多个卫星观测数据和再分析资料，同时结合地基激光雷达观测资料详细研究SSW期间不同纬度中间层大气结构和波动变化与SSW事件的因果关联。辨明SSW期间不同纬度、不同大气层区的耦合机制。本项目的实施将增进我们对大气垂直和水平耦合过程的认知。

在该基金的资助下，我们对研究计划中提出的相关科学问题做了比较全面、系统的科学研究。这些科学问题包括：1）平流层爆发性增温的特性；2）CMAM模拟的大气周日潮汐与全球观测的定性和定量比较；3）中间层准6天波对SSW事件的响应；4）准6天波对电离层／热层的影响；5）中间层大气温度对11-year太阳活动周期的响应。这些工作主要基于卫星（e.g., TIMED）全球观测和全球总环流模式（e.g., TIME-GCM, CMAM）的模拟。主要研究成果可概括如下：1）通过对31-year CMAM模拟的周日潮汐的详细评估，我们认为CMAM很好的再现了周日迁移和非迁移潮汐的垂直和水平结构，季节和年际间变化（如：准2年变化），这说明CMAM模拟出的周日潮汐具有可靠性，可用于进一步研究周日潮汐与不同时间尺度的自然变化的耦合效应（如：SSW，ENSO，MJO 等等）; 2）通过分析多个卫星观测资料和全球总电子浓度资料我们发现，强准6天波活动可引起两种不同性质的电离层／热层变化。其一：在多个电离层／热层的诊断参数（如：TEC）中均发现了与准6天波基本同步的准6天振荡；其二：在准6天波最强的活动期间，全球低纬TEC和O/N2出现整体下降。从观测的角度看，这种整体的下降与准6天波的耗散／破碎引起的背景流变化有着很强的相关性。为进一步说明准6天波向上耦合的物理机制，我们用TIME-GMC模拟了6天波的活动。通过对模拟结果的诊断，我们认为电离层／热层的准6天振荡源于准6天波对E区发电机效应的调制作用。同时，模拟结果没有再现观测中背景TEC和O／N2的整体下降，这可能因为模拟被设置在了春分点（3月21日），而观测的最强准6天波活动在5月份。值得注意的是，模拟结果还反映出了电离层和热层主要参数表现出明显的周日与半日变化。通过对这些参数的傅立叶分析，我们认为这类短期变化主要归因于准6天波和潮汐的非线性相互作用。该相互作用导致了潮汐的变化和子波的产生，从而引起电离层和热层的周日与半日变化。3）基于31年的CMAM模拟数据，我们还定量研究了11年太阳活动周期对中间层温度的影响。研究发现，11年太阳活动可通过热力学和动力学两方面引起中间层温度的变化。其中，后者在SSW期间被放大和加强。