發(fā)布時間：2020-07-05 08:25

【摘要】：大氣波動主要包括行星尺度波、潮汐波、和重力波等,它們在不同空間和時間尺度的大氣耦合中起著關(guān)鍵作用。這些波動在低層大氣中產(chǎn)生并向上傳播,通過波耗散或破碎過程將動量和能量傳輸?shù)奖尘按髿庵?從而對平流層和中間層的大氣環(huán)流產(chǎn)生很強(qiáng)的動力學(xué)效應(yīng)。另外,在波的傳播過程中平均流場也會影響波的產(chǎn)生、傳播和耗散。本論文利用地基和星載儀器長期觀測的數(shù)據(jù),一方面研究了中間層頂不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)ripple的季節(jié)變化、及其與背景大氣的關(guān)系,另一方面研究了北半球極區(qū)中高層大氣對2015/2016年強(qiáng)厄爾尼諾(El Nino,EN)和準(zhǔn)兩年振蕩(QBO)異常的響應(yīng)。綜合這些結(jié)果我們可以更好地了解波動在整個大氣耦合中的作用。1、在中高層大氣區(qū)域,大氣重力波通過耗散和破碎將自身的動量和能量傳輸?shù)狡骄髦?從而在驅(qū)動大氣環(huán)流中起重要作用。對重力波耗散過程影響最大的機(jī)制是動力不穩(wěn)定性和對流不穩(wěn)定性,而OH全天空成像儀觀測的ripple結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是動力不穩(wěn)定或?qū)α鞑环�(wěn)定的一種表征形式,因此研究ripple的特性和變化有著重要意義。然而,由于缺少長期的中間層溫度和風(fēng)場數(shù)據(jù),關(guān)于ripple的研究仍留有很多疑問,如ripple與重力波的關(guān)系、其與背景大氣穩(wěn)定性和風(fēng)場的關(guān)系等。針對以上問題,基于美國科羅拉多州Yucca Ridge Field臺站的(40.7° N,104.9° W)OH全天空氣輝成像儀、附近Fort Collins的窄帶鈉激光雷達(dá)和Platteville的中頻雷達(dá)的觀測的多年數(shù)據(jù),我們首次對ripple的特性及季節(jié)變化、其與中間層背景風(fēng)場和大氣穩(wěn)定性的關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)的統(tǒng)計研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)ripple的發(fā)生頻率呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化和對地方時的依賴性,其秋冬季節(jié)(尤其是秋季)的發(fā)生率要高于其他季節(jié)。ripple結(jié)構(gòu)的持續(xù)時間和空間尺度(水平波長)主要集中在5-20min和5-10km,且移動方向更偏向于南北向。以往研究普遍認(rèn)為ripple結(jié)構(gòu)是隨著背景風(fēng)場移動的,當(dāng)它發(fā)生時大氣是趨于不穩(wěn)定的。然而我們的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)ripple結(jié)構(gòu)并不總是隨著背景風(fēng)場移動,大氣不穩(wěn)定的發(fā)生率也(約17%)遠(yuǎn)低于ripple事件的發(fā)生率。多于一半的ripple結(jié)構(gòu)并不隨著背景風(fēng)場移動,而且這些結(jié)構(gòu)的動態(tài)不穩(wěn)定參數(shù)Richardson數(shù)也相對高于隨著背景風(fēng)場移動的另一類ripple結(jié)構(gòu),這與前人對ripple和風(fēng)場關(guān)系的研究結(jié)果并不一致。2、在北半球平流層,行星波(Rossby波)主要通過驅(qū)動Brewer-Dobson(BD)環(huán)流來影響極區(qū)溫度和風(fēng)場,進(jìn)而引起極渦增強(qiáng)或減弱(比如平流層突然增溫)。而2015/2016年冬季早期發(fā)生了有記錄以來最強(qiáng)的厄爾尼諾事件,持續(xù)時間非常長,并且存在QBO的異常阻斷。已有研究表明厄爾尼諾和QBO異常都會對北半球冬季極區(qū)的中高層大氣產(chǎn)生重要影響。本文對北半球極區(qū)整個冬季(2015年10月-2016年3月)平流層和中間層大氣對低層大氣異常氣候的復(fù)雜響應(yīng)做了較全面的研究�；诒睒O圈內(nèi)加拿大地區(qū)的Resolute Bay觀測站(74.7 °N,265.1 °E)的OH全天空氣輝成像儀、法布里-珀羅干涉儀(Fabry-Perot Interferometer,FPI)、Aura 衛(wèi)星上的微波探測儀(Microwave Limb Sounder,MLS)數(shù)據(jù),我們對2015/2016北極冬季早期(11、12月)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,在北極中間層發(fā)現(xiàn)了多次非常少見的小尺度(水平波長小于20km)重力波事件。其中較為明顯的是2015年11月23日和12月18日的兩個重力波事件,對應(yīng)的水平波長均為～18km,持續(xù)時間約為35min。基于Eureka臺站的流星雷達(dá)、ECMWF再分析數(shù)據(jù)和MLS數(shù)據(jù),我們對2015/2016年冬季北極平流層和中間層的風(fēng)溫和臭氧的變化進(jìn)行了統(tǒng)計分析,發(fā)現(xiàn)在平流層,風(fēng)場提前一個月轉(zhuǎn)為西向風(fēng),溫度提前一個月升高,且這些變化發(fā)生的都非�？�,而3月份之前臭氧含量一直很低(與正常年份相比)。這一年平流層EP通量散度為負(fù)值且比往年低,表明Rossby波在這里破碎的比較多。而在中間層頂(80-95km),3月份之前比較暖,之后開始變冷,這和平流層溫度變化呈負(fù)相關(guān)。以上結(jié)果表明在2015/2016年北極異常冬季情況下,對流層產(chǎn)生異常多的行星波并傳播到平流層,在平流層破碎并釋放動量和能量到背景大氣中,對背景大氣環(huán)流產(chǎn)生一個向西的拖曳(Rossby波的相速度在北半球冬季一般是向西的),由于北極冬季平流層緯向風(fēng)一般是向東的,向西的拖曳使得背景大氣緯向東向風(fēng)場減速,也減弱了極渦和繞極環(huán)流(極渦是向東的),即減速了極區(qū)風(fēng)場。同時增強(qiáng)的Brewer-Dobson造成極區(qū)下沉的增強(qiáng),最終絕熱加熱使得極區(qū)變暖。但是2015/2016年冬季行星波破碎比往年更多,極渦減弱的也更劇烈,即極區(qū)風(fēng)場減弱很快,提前向西轉(zhuǎn)向且很迅速;Brewer-Dobson環(huán)流劇烈增強(qiáng),使得平流層底部變暖較快。這很可能是由2016年3月份發(fā)生的異常平流層突然增溫引起的,而這次突然增溫也與異常厄爾尼諾和QBO現(xiàn)象直接相關(guān)。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：P421;P467
【圖文】：

地球大氣是圍繞著我們的地球家園的氣體混合物，它可以通過減少太陽紫外逡逑輻射、太陽風(fēng)和宇宙射線的損害而保護(hù)地球上的生命，因此它的存在非常重要。逡逑大氣主要由干空氣、水汽、氣溶膠組成。干空氣主要由７８％的氮氣（Ｎ２）和２１％逡逑的氧氣（0２）組成，除此之外還存在很少量的氬氣、二氧化碳（Ｃ０２）和其它氣體，逡逑這些氣體所占比例均不到１％。水汽的量變化很大，但平均約為１％�！皻馊苣z”逡逑則是很多漂浮在大氣中的的小顆粒（固體和液體），包括粉塵、孢子和花粉、海逡逑水噴出的鹽、火山灰和煙霧等。當(dāng)從地球表面向高處移動時，大氣變得越來越稀逡逑薄，在１００－１２０ｋｍ之間的區(qū)域，大氣變得非常薄以至于許多高度可以被認(rèn)為是大逡逑氣和空間之間的邊界。然而，在地球表面以上數(shù)百公里處仍然有非常稀薄但可測逡逑量的大氣氣體痕跡。逡逑由于垂直方向上吸收太陽輻射的能力不同，大氣在垂直方向上呈現(xiàn)明顯的分逡逑層特征，每個大氣層都有它自己的特征溫度、壓力和現(xiàn)象。地球大氣的分層方法逡逑較多，可根據(jù)大氣成分、大氣壓力、大氣溫度和電離程度做不同分層。最常用的逡逑是基于溫度的垂直廓線變化，將大氣分為對流層、平流層、中間層和熱層。逡逑

逡逑圖１．１地球大氣分層結(jié)構(gòu)示意圖逡逑注：圖片來源邋ｈｔｔｐｓ邋：／／ｓｃｉｅｄ．邋ｎｅａｒ，邋ｅｄｕ／ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ－ｌａｙｅｒｓ逡逑對流層從地面向上延伸至海平面以上約ｌ0ｋｍ。我們?nèi)祟惿钤趯α鲗�，幾逡逑乎所有的天氣狀況也發(fā)生在這個層。隨著高度的升高，氣壓下降且溫度降低。對逡逑１逡逑

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本文編號：2742360