大气能谱结构的综合实验观测和数值模拟研究

The atmospheric power spectral structure and its formation mechanism is one of the open basic geophysical questions in the earth atmosphere dynamics. Investigation on this open question could further our understanding of the essences of gravity wave fields and turbulence as well as the energy transfer among different gravity wave components and turbulence. In this project, by using the data from multi ground based instruments (lidars and MST radars) supported by the meridian project, global radiosonde sounding and COSMIC satellite observation, and combining with the high accuracy numerical model, we plan to characterize the power spectral structures of difference atmospheric fluctuation components (three-dimensional wind velocity, temperature and relative density). And, by analyzing these spectral characters, we are going to reveal the origins for the universality and systematic departure of the spectra, the frequency dependence of the spectral separability. Furthermore, by comparing with the gravity wave and turbulence observations and simulations, we would like to distinguish the relative contribution of gravity wave field and turbulence to the formation of atmospheric power spectra, elucidate the influences of the energy transfer due to the gravity wave and turbulence interaction on the spectra. Especially, we will, for the first time, apply the high resolution radiosonde observations to statistically study the vertical wind fluctuation spectra, which might be the key hint in revealing the essences of atmospheric power spectra and assess the existing gravity wave spectral theories and parameterization models.

大气能谱结构及其形成机制是地球大气动力学中最基础的地球物理问题之一，对这一问题的研究将有利于我们理解重力波场和湍流的基本特征，揭示大气中小尺度扰动的能量传输机制。本项目我们将利用子午工程建设的激光雷达，VHF雷达，全球高分辨率探空资料，COSMIC掩星数据，并采用自主建立的局地非线性数值模式，分析不同大气参量（三维风场，温度和相对密度）能谱结构的基本特性。通过这些谱特性分析揭示大气能谱结构的普适性与系统偏差及其产生机制；不同频率扰动能谱结构的可分离性；结合重力波与湍流观测和模拟研究辨明重力波和湍流对大气能谱结构的贡献，以及重力波和湍流之间的相互作用和能量传输对大气能谱结构的影响。特别的，我们将利用探空数据对垂直风扰动的能谱首次进行系统的统计分析，这将有可能是揭示大气能谱形成机制，甄别现有谱理论和重力波参数化模式的关键。

大气能谱结构及其形成机制是地球大气动力学中最基础的地球物理问题之一，对这一问题的研究将有利于我们理解大气中不同尺度扰动的能量传输和耦合机制。本项目中我们利用多种地基和卫星观测资料，结合再分析数据和高精度非线性数值模式，分析了不同尺度（湍流，重力波，行星尺度）谱特性和能量传输机制。主要研究成果包括：.一、在重力波能谱结构方面取得了系列的结论性的结果：1）波传播过程中的动力学过程可能是普适性的关键因素；2）水平风场和温度场垂直波数谱的谱指数都系统大于-3的理论预言；3）首次利用不同观测数据证实在不同纬度垂直风场都具有与水平风场和温度场以及重力波饱和谱理论完全的谱特性，垂直风谱更平坦；4）重力波功率谱在很大程度上是不可分离的。我们的观测事实并不支持现有普适谱模式和可分离的谱理论。.二、在波动相关的能量传输过程研究中我们揭示了湍流—重力波—大气结构之间的物理关联，为揭示不同尺度间能量传输机制提供了观测基础。发现并阐述了重力波，行星波等大气波动导致对流层顶和急流的变化机制；行星波导致的中高层大气和电离层的耦合机制。.三、我们在气候学尺度上研究了大气结构、重力波和行星波的变化特征及其形成原因。发现太阳活动对低纬大气重力波活动的影响，并发现重力波的QBO调制与对太阳活动的响应能耦合产生35.2月的重力波振荡。这些研究为我们在气候学尺度上理解大气能量传输和变化有重要价值。.四、在SSW相关能量传输过程研究方面我们发现了SSW演化的新特征；指出SSW会显著影响不同波模的行星波，继而影响更广泛区域的能量耦合与传输，并且阐述了对行星波影响的动力学机制；发现SSW会影响中低纬度电离层的基本特性和潮汐波。这些工作证实了SSW会导致不同纬度和层区大气的能量耦合，说明SSW对全球大气能量传输过程的重要影响。