冬季平流层增温期间中层大气和电离层的半日潮汐变化

The stratospheric sudden warmings (SSW) are common phenomenon in the stratosphere in winter in North Hemisphere. A major SSW would make troposphere, middle atmosphere and ionosphere change a lot. In recent years, an enhancement in the semidiurnal variation in the ionsophere is found during SSW, which maybe related to the variation of semidiurnal tides in the middle atmosphere. Based on the middle atmosphere and ionosphere observational data in four stations around the east longitude 120 degree in China, the variation of semidiurnal solar and lunar tides in the middle atmosphere and ionosphere during SSW will be studied. The vaiation of semidiurnal tides at different altitude and latitude during recent SSW will be analyzed to supply evidence of coupling between middle atmosphere and ionosphere. Ozone in the stratosphere is an important source of semidiurnal solar tide. We will discuss the variation of ozone during SSW and find the source of enhanced semidiurnal tides, based on the data analysis on the satellite data and stratospheric assimilation data. Then the effects of tidal enhancement in the atmosphere and electrodynamics in the ionosphere can be distinguished. That will make us to reach our aim, i.e., understanding the coupling between middel atmosphere and ionosphere, and finding the mechanism of semidiurnal variation in the ionosphere during SSW.

北半球冬季平流层爆发性增温(在项目名称和申请书中简称为平流层增温或SSW)是平流层经常出现的现象，强的平流层增温会对对流层、中层大气、电离层等产生明显的影响。近年来人们发现平流层增温期间，电离层会出现显著的半日增强，并与中层大气的潮汐变化有密切关系。本课题基于东经120度子午线附近从北到南的四个台站的中层大气和电离层观测数据，结合卫星观测数据，研究SSW期间太阳热辐射和月球引力半日潮汐随纬度和高度变化，阐明中层大气和电离层半日潮汐传播特征，为中层大气与电离层耦合的研究提供可靠依据。平流层臭氧是热辐射半日潮的重要产生源，本课题还将通过分析长期的卫星观测数据和平流层背景的同化数据，讨论平流层增温期间臭氧的变化，寻找半日潮变化的根源。由此我们将辨明SSW期间大气潮汐增强过程以及电离层电动力学过程在电离层变化中的作用，达到深入理解中层大气和电离层耦合过程、阐明电离层半日增强现象物理机制的目标。

平流层增温(SSW)是冬季低层大气较强的行星波上行到中层大气后，与中层大气环流发生相互作用，使得平流层温度迅速上升的现象，对平流层、中高层大气以及电离层都有显著影响，由于北半球冬季行星波较强，SSW主要发生在北半球冬季。对2002年至2014年发生的SSW进行分析，在这12年中，除了2004年无增温现象，其他年份都有增温现象，其中8年有纬向平均风场从西风转为东风，也就是出现强增温(或称主增温，major SSW). 在平流层增温前，通常有行星波的增强现象，SSW期间电离层参数比如TEC会受到半日潮汐显著影响，在8个强SSW年份，有4个年份可以看到TEC在低纬有显著增强的半日太阴潮汐分量，新月和满月期间的SSW有助于大气潮汐传播到电离层引起TEC的变化。在SSW的恢复期，平流层顶会抬升，平流层顶抬升伴随着重力波势能的增强。2013年强SSW期间，东亚扇区平流层温度上升非常显著，而且转向的风场在漠河上空延伸到100km的高度，半日潮汐的增强也很显著，TEC中由于太阴潮汐效应现象并不显著，但三亚上空的效应显著，说明增强的潮汐通过磁力线影响电离层而不是垂直上传到电离层。2016年1月SSW期间伴随着SPW1的增强，EP垂直分量也增强后，在北纬54度的漠河上空纬向风发生转向，但北京上空没有风转向现象，流星雷达的平均温度也显示此时大气温度是下降的。这个年份的半日潮汐变化不太显著，电离层F层临界频率在下午晚上最大上升超过50%. 该年份SSW期间，分析ECWMF的平流层数据，在10hPa位置2天波主要集中在高纬地区，基本与SPW1的位置重合，在更高1hPa位置，西行的2天波会向北半球低纬延伸，在北纬20度有较大幅度，在110km高度不均匀体的漂移速度呈现明显的2天波震荡，从而引起TEC和电离层其他参数的2天扰动。2017年1月SSW期间，2天波明显增强，分析发现2天波的W1成分与SPW2有强的相关性，说明平流层增温期间确实可能使得2天波增强，并且首次指出了W1的源可能是SPW2与2天波W3成分的相互作用产生的。