夜光云及其对极区中高层大气波动响应的研究

Polar mesospheric cloud (PMC) is a thin ice layer, which is formed by the combined effects of water vapor, nucleation cores, and cold temperature in the summer polar mesosphere. Influenced by the polar jet and polar atmospheric environment, the planetary waves (PWs) and tides in the polar middle and upper atmosphere have unique features, which are different from those in the lower and middle latitudes. The PWs and tides in the polar region have important influences on the occurrence frequency and longitudinal structures of PMCs. Using the temperature, water content, and PMCs derived from several instruments onboard satellites (AIM/SOFIE, AIM/CIPS, TIMED/SABER, Aura/MLS) and Retrospective Analysis data, the climatologies, longitudinal variations, vertical structure, hemispheric asymmetry of PWs, tides and PMCs in the polar middle and upper atmosphere will be studied firstly. Secondly, the responses of PMCs and the waves therein to PWs and tides in the polar middle and upper atmosphere will be investigated. Finally, we try to illustrate the mechanisms, which are responsible for the variations of the PWs and tides, and the responses of PMCs to PWs and tides in the polar middle and upper atmosphere.

夜光云是受夏季极区中间层特殊温度结构、水汽和凝结核等条件的影响而形成的一层冰晶。受极区射流和大气环境的影响，极区中高层大气行星波和潮汐波与低纬和中纬地区的行星波和潮汐波相比具有独特的特征，并对夜光云的出现频率和经度结构有重要影响。本项目将利用多个卫星(AIM/SOFIE, AIM/CIPS, TIMED/SABER, Aura/MLS)对极区中高层大气的温度、水汽、夜光云参数等物理量的观测资料，结合再分析数据，研究夜光云的特征及其对极区中高层大气行星波和潮汐的响应特征。首先分析夜光云的季节变化和年变化等气候学特征、经度变化、南北半球不对称性等；然后分析极区中高层大气行星波和潮汐波的气候学特征和南北半球不对称性；最后，通过对比夜光云和大气波动的气候学特征，重点研究揭示夜光云及其中的波动对极区中高层大气行星波和潮汐波的响应特征和物理机制。

夜光云对温度和水汽的变化极为敏感，因此它可以作为全球温度和水汽变化的示踪剂。本项目利用多个卫星(AIM/SOFIE, AIM/CIPS, TIMED/SABER, Aura/MLS)对中高层大气的温度、水汽、夜光云参数等物理量的观测资料，结合再分析数据，研究了夜光云及其对极区中高层大气波动响应，揭示了夜光云及其中的波动对极区中高层大气行星波和潮汐波的响应特征和物理机制，达到预期研究目标。在此项目研究过程中，我们发现大气波动和背景大气温度也有一些独特特征。本项目取得的主要成果总结为如下五个方面：(1)利用AIM/CIPS在2007-2014年期间观测的光云反照率数据，对极区夜光云的结果表明：在80°S–85°S和60°W–150°W之间总存在一个夜光云较弱的区域(大约是周围区域亮度的65%)；而在北半球，夜光云亮度的经度变化较为均匀。针对这一发现，我们通过分析Aura/MLS和TIMED/SABER测量的温度和水汽数据，发现南半球稳定的非迁移潮汐是导致夜光云亮度较弱的主要原因之一。(2)利用TIMED/SABER测量的温度剖面，对全球重力波的有效位能的结果表明：重力波有效扰动位能在60km以下40°S-50°S附近出现峰值(每10年增加12-15%)。重力波有效位能对太阳活动的响应是负的，集中在中低纬地区；对准两年震荡的响应是负的，集中在热带上平流层；对ENSO的响应是正的，集中在热带上平流层。(3)通过对TIMED/SABER和AIM/SOFIE测量的温度数据以及磁暴数据进行逐段扫描之后，发现磁暴期间，背景温度在某些时间段内会升高~15-25K，而在某些时间段内会降低~15K。这种情况在南北半球均有发生，而且随着纬度和高度的增加，温度变化量的峰值会增加，时间延迟~0.5-1.5天。(4)利用TIMED/SABER在2002-2017年期间测量的温度数据，对地形产生的重力波及其次级波的研究结果表明：在安第斯山，青藏高原、非洲大陆、美洲大陆上方，均有明显的峰值。这种紧密关系在这16年的观测中一直存在。这一成果提供了地形产生的重力波，尤其是次级波的全球分布的观测依据。(5) 在指导研究生方面，四年期间共毕业研究生4名，现有2名在读研究生。与其他团队合作在GRL、JGR等上发表论文21篇。