中高层大气大尺度行星波及潮汐间非线性相互作用的观测与模拟研究

Although nonlinear interactions among the planetary waves and tides were extensively studied based on data from ground-based and satellite observations and GCM, almost all of previous studies focused on the confirmation of nonlinear interaction by spectral or bispectral analysis. Hence, it keeps unclear for the basic features of nonlinear interactions among these large-scale waves, as Pancheva [2006] pointed out, it is still an open question: which initial wave does the energy of the new wave come from? More importantly, a large number of observational studies showed that the interaction took place, or selectively occurred, or did not happen. These complex phenomena of the interaction cannot be explained. Proposer systemically studied the nonlinear interaction between the middle and small-scale gravity waves, and had an insight into wave-wave interaction. In this study, combining nonlinear dynamical model and GCM and observational data, we will systemically research the properties of nonlinear interactions among the large-scale waves in the middle and upper atmosphere. The transfer direction of wave energy in interactions is clarified. The key factors controlling the effective energy exchange in interaction are revealed. The effects of interactions on the activity of the planetary and tidal waves and the structure of the background atmosphere are investigated. Therefore, this study is helpful for the understanding of dynamical processes of the large-scale waves.

尽管应用地基和卫星观测数据以及GCM模式，广泛开展了行星波-潮汐和行星波-行星波相互作用的研究，但是，几乎所有研究都是利用傅里叶谱或双谱分析来证实相互作用确实发生。而这些大尺度波动相互作用的基本性质却不清楚，正如Pancheva [2006]所说，生成波的能量来源于那支初始波，还是一个"开放问题"；更无法理解的是，大量观测研究表明相互作用或发生、或选择性地发生、或不发生，其原因是什么？申请人系统研究了中小尺度重力波的非线性相互作用，对波波相互作用有深刻的理解。在该申请项目中，我们将结合非线性动力学模式和GCM模式以及实验观测数据，系统研究中高层大气中大尺度波动相互作用的性质。澄清相互作用中波能量传递方向；揭示控制相互作用能否有效发生的关键因素；辨明大尺度波动相互作用对波活动及背景大气的影响。从而深化对大尺度波动的动力学过程的理解。

根据安第斯站流星雷达观测数据，深入研究了大气行星波及大气潮汐间相互作用，揭示出波能量主要是从高频波向新生成波转移，与中小尺度的重力波相互作用中能量转移方向一致。较系统地研究在极区平流层增温期间大气行星波的活动。利用位于南北半球115°E子午圈上的5台流星雷达和1台MST雷达观测，首次展示了在平流层增温（非SSW）期间，准16天行星波的跨半球传播现象，表明平流层升温事件能引起全球大气的响应，导致动量能量在跨半球的不同纬度间耦合。在极区SSW期间，低纬地区对流层和平流层开尔文波的活动增强，其原因是大气经向环流的变化致使低纬大气的抬升和冷却，从而导致对流活动变强，激发出强的开尔文波。在极区SFW期间，在北半球中低纬地区从对流层至中间层低热层大气中，都出现准10天波和准16天波的响应，平流层行星波增幅最强发生在SFW起始时，表明波流相互作用触发了SFW的发生，而中间层低热层波活动比平流层波活动要滞后几天。利用MST雷达的数据，分析了北京地区对流层低平流层大气准10天波和准16天波的活动特征。同时，根据无线电探空仪和激光雷达观测资料，研究大气重力波的活动。研究表明，由于波流相互作用以及源的变化，低纬地区对流层低平流层大气重力波能量出现准11年振荡、准2年振荡和年振荡。在极区，由于低层大气盛行的东向风的滤波效应，低平流层大部分惯性重力波向西传播，平均纬向动量通量为-0.647 mPa，说明当惯性重力波破碎和耗散时，对北极地区中高层大气会产生一个向西的持续拖曳里。根据高时空分辨率的激光雷达观测，证实了在中高层大气中多波叠加导致重力波不稳定发生，考虑到这种多波叠加广泛发生，在重力波参数化格式，有必要进一步参数化多波叠加效应。此外，研究大气中季节内振荡现象，揭示出季节内振荡不仅能在低纬产生，能传播到中高纬地区，同时，也能在高纬产生，传播到中低纬地区，且用折射指数能很好解释其传播特征。