低纬热层和电离层的大气潮汐震荡对高纬SSW事件的响应

A sudden stratospheric warming (SSW) is a large-scale meteorological event occurred in the winter polar region, which plays a significant role in impacting on the low-latitude thermospheric structure and ionospheric dynamics. At present, scientists have general understandings of the generation mechanism of the SSW event and it impacts on the stratospheric structure. However, due to the limitation of the observation studies and insufficient theoretic studies, responses of the low-latitude thermosphere and ionosphere to SSW events are not well understood. This project proposes to use global incoherent scatter radar (ISR) located at Arecibo (18.3°N) and other latitudes, in conjunction with thermosphere-ionosphere-mesosphere-electrodynamics general circulation model (TIME-GCM), GPS TEC data, COSMIC satellite observation and reanalysis data to study the propagation processes of the polar disturbances from the high latitudes to the low latitudes during SSW events; responses of the low-latitude atmospheric tides and ionospheric parameters in the altitude range from 90 to 400 km to SSW events. The proposed study will reveal responding mechanisms of the low-latitude thermosphere and ionosphere to SSW events, and the coupling mechanisms between different latitudes and atmospheric regions, seeking the coupling processes between the low-latitude atmosphere and ionosphere. The proposed project allows us to better understand the coupling mechanisms of different latitudes and between the low-latitude thermosphere and ionosphere.

发生在高纬的平流层突然增温事件(SSW)对低纬热层大气结构和电离层动力学过程有重要影响。科学家们对高纬SSW事件的形成机制以及其对平流层大气结构的影响已经有了很好的了解。然而，由于观测资料的限制以及理论研究的不足，低纬热层和电离层对高纬SSW事件的响应还不是十分清楚。本项目主要利用位于低纬Arecibo以及分布在其它纬度上的多台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，GPS TEC数据，COSMIC卫星观测和再分析资料，详细分析SSW期间，极区扰动向低纬传播的过程，以及低纬90到400公里高度范围内的热层大气潮汐和电离层参数的变化。由此揭示低纬热层和电离层对SSW的响应机制，辨明SSW期间不同纬度，不同大气层区的耦合机制；探寻低纬度热层和电离层的耦合过程。该项目的研究有利于增进我们对大气不同纬度的耦合过程以及低纬热层和电离层耦合机制的理解。

极区平流层大气突然增温（SSW）是冬季极地平流层大气发生的一种突变现象，它主要表现为高纬平流层大气在几天到10多天的时间范围内，出现大幅度的增温。研究表明极区的这一事件会对全球大气能量的再分配起到重要的影响，各大气层区都会对SSW事件做出响应，它会显著的影响大气波动在各个大气层区的活动，甚至引起电离层各个参数的扰动。近年来，随着地基雷达与卫星等探测手段的不断发展以及模拟工作的逐渐深入，热层和电离层对SSW事件的响应研究取得了较大进展，但仍然存在一些不足。本研究利用非相干散射雷达、流星雷达、AURA卫星以及MERRA2再分析观测资料的数据，全面地分析了中低纬中间层和热层背景风场和大尺度波动与SSW事件的相关性，以及大尺度波动与SSW的相互作用过程。研究了极区扰动向低纬传播的过程，以及SSW期间低纬热层和电离层的耦合过程。本课题的研究结果揭示了低纬热层大气潮汐波对SSW事件的响应过程；理清了SSW期间热层潮汐波的垂直结构、传播特性以及激发机制；辨明了SSW期间热层和电离层午夜温度急剧升高的物理机制；揭示了中低纬行星波以及背景风场在SSW期间的变化特性；揭示了高纬准16天行星波与SSW事件的相互作用过程。课题的研究证实了中低纬中间层和热层大气波动的变化与极区平流层增温事件的相关性；揭示了SSW期间低纬热层6小时潮汐波动的激发机制，并且发现6小时潮汐波与普遍受到更多关注的24小时和12小时潮汐波动同等重要；揭示了SSW期间，准2天、5天、16天波的变化特性；揭示了行星尺度波动与极涡的相互作用过程。本课题的研究发现了不同纬度间大气和电离层新的耦合机制；提供了大气在不同纬度和层区间的耦合证据；揭示了特殊空间天气事件下我国多个纬度上的中高层大气的变化规律。研究结果有助于进一步完善电离层和中高层大气模式研究，为提升模式预测的精度和预报能力提供了新的理论依据。