中高层大气准2天波和6.5天波全球传播特性的观测研究

Propagations of planetary waves (PWs) in the middle and upper atmosphere (MUA), accompanied by a series of wave-mean flow and wave-wave interactions, are important dynamical processes for material exchange and energy coupling in troposphere-lower thermosphere system. It has been discovered that quasi-two-day wave (QTDW) and 6.5-day wave (6.5DW) are the most prominent planetary waves in the MUA, and they can propagate both vertically from lower to upper atmosphere and horizontally across the equator. But the existing observational studies have not yet given a complete global wave propagation processes, their temporal variation characteristics, and generating mechanisms of the wave propagation characteristics are also no uniform interpretation. The project intends utilize TIMED/SABER, UARS/HRDI, COSMIC and NCAR/NCEP global data of atmospheric temperature, density, pressure and horizontal wind in 5-110 km, calculate the spatial distribution of the PW parameters; analyze global PWs propagation characteristics in the MUA and the multi-time scale temporal variations; identify atmospheric dynamics and thermodynamics influences of the MUA on propagation characteristics of PWs. The results will help to deepen our understanding of PWs propagation characteristics in the world; influences of background atmospheric structures on wave propagation processes; obtain forming mechanisms of wave propagation characteristics; thus further reveal coupling processes between the lower and the upper atmosphere, and between atmospheres in both hemispheres.

行星波在中高层大气中的传播伴随着一系列的波-波和波-流相互作用，是实现对流层-低热层物质交换和能量耦合的重要动力学过程。已有的研究表明准2天波和6.5天波是中高层大气中最为显著的行星波，而且会从低层向高层大气沿经度跨半球传播。但现有的观测研究尚未给出完整的波全球传播过程及其随时间的变化特征，波的传播机制也尚无统一解释。本项目拟根据TIMED/SABER、UARS/HRDI、COSMIC以及NCAR/NCEP的全球5-110 km大气温度、密度、压强和水平风数据，计算得到波参数的空间分布；分析行星波在中高层大气中的全球传播及其多时间尺度变化特性；研究中高层大气动力学和热力学结构对行星波传播特性的影响。研究结果有助于加深我们认识行星波在全球的传播特性；大气结构对波传播过程的影响；由此得出波传播特性的产生机制；从而进一步揭示低层与高层大气之间以及南北半球大气之间的耦合过程。

中高层大气行星波沿垂直方向和沿经圈的传播是实现能量和物质在低层大气与高层大气之间、不同纬度之间，甚至是南北半球之间耦合的重要形式。研究行星波在从高对流层至低热层之间，以及南北半球之间的传播特性及其形成机制，有助于进一步揭示能量和物质在这一大气圈层中的传播和变化特性，对实现中高层大气参量的模式预报具有重要意义。本项目首先采用SABER/TIMED观测得到的2002-2018年，30-110 km，南北纬52°之间的温度数据，主要分析了6.5天行星波振幅和相位的全球分布、逐日变化、季节变化和年际变化特性；并在此基础上研究了波动的垂直传播、沿经圈的传播特性，结合ERA-Interim的再分析数据，研究了赤道平流层的准两年振荡对中高纬行星波年际变化的影响；通过分析行星波在传播过程中的波-流相互作用机制，给出了一种导致行星波年际变化的可能原因。研究结果表明，温度场中的6.5天波主要出现在中高纬度的平流层（40-50 km）、中间层（80-90 km）和低热层（100-110 km）。在这三个高度范围内，6.5天波呈现不同的年变化特性。在平流层，表现为年变化，年最大振幅主要出现在南北半球的冬季；在中间层，表现为半年变化，在上下半年的春秋季节分别出现一次峰值；在低热层（100-110 km），除了在春秋季节会出现峰值之外，还在冬季月份出现一个较弱的峰值。通过将每年中间层（~85 km）6.5天波的峰值振幅与赤道平流层QBO的相位进行比较，发现了QBO相位与6.5天波峰值振幅的强弱有明显的对应关系。这一发现，为进一步揭示行星波沿经度，甚至是在南北半球间的传播过程提供了新的观测依据。