中間層和低熱層大氣是地球大氣向太空過渡的關(guān)鍵節(jié)點區(qū)域,在日地空間環(huán)境各圈層耦合機制中起著承上啟下的作用。大氣重力波是大氣層中最主要的動力學(xué)過程之一。重力波通過在垂直方向上對熱量、成分、動量和能量的輸運,引起大氣動力學(xué)結(jié)構(gòu)、大氣環(huán)流和大氣熱力學(xué)結(jié)構(gòu)的變化,成為大氣不同圈層之間垂直耦合的重要媒介。近年來,我國在子午工程等項目的支持下,建立了大量的地基觀測設(shè)備,可用于對中高層大氣不同科學(xué)問題的研究。本論文,將從地基觀測出發(fā),研究重力波在中緯度地區(qū)中間層和低熱層的傳播和特性。首先,由重力波色散關(guān)系和重力波射線追蹤方程出發(fā),我們建立了自主的重力波射線追蹤模型。通過觀測得到的或者給定的重力波初始參數(shù),選擇合適的背景大氣模式數(shù)據(jù),設(shè)定合理的運行步長和終止條件,即可得到重力波前向或是后向的傳播路徑,并給出重力波的可能源區(qū)。從而有助于分析重力波的激發(fā)和傳播規(guī)律。隨后,基于北京地區(qū)多種觀測手段,我們對2011年3月1日夜間一個中尺度重力波進行了個例分析。通過對全天空OH氣輝成像儀觀測數(shù)據(jù)的處理發(fā)現(xiàn),北京上空中間層頂區(qū)域存在一個約2小時周期,東偏南73°方向傳播的重力波活動。同時觀測的相近的鈉激光雷達獲取的鈉原子柱密度中發(fā)現(xiàn)了同步變化的波動響應(yīng)。隨后,結(jié)合流星雷達的水平風(fēng)場數(shù)據(jù)和SABER的溫度數(shù)據(jù),我們計算了該重力波的一些基本參數(shù),如動量通量以及能量通量等。利用射線追蹤模型,使用ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)和WACCM模式模擬數(shù)據(jù),我們得到了該重力波可能的傳播路徑。根據(jù)射線追蹤結(jié)果,結(jié)合大氣模式再分析數(shù)據(jù),我們認為,該重力波可能是由西伯利亞貝加爾湖附近對流層上部的急流-鋒面系統(tǒng)所激發(fā)。另外,本文還基于我國120° E流星雷達觀測鏈對中緯度地區(qū)的高頻重力波動量通量進行了研究。本文首次展示了北半球中緯度地區(qū)沿120° E子午線的四臺流星雷達對中間層和低熱層區(qū)域大氣重力波動量通量和擾動方差的多年觀測結(jié)果,并揭示了中緯度地區(qū)重力波動量通量的季節(jié)變化和緯度變化。我們發(fā)現(xiàn),緯向風(fēng)和緯向動量通量在全年都有著明顯的耦合作用。各站動量通量季節(jié)性變化中的緯度差異主要源于下層風(fēng)和各地區(qū)重力波源的緯度差異。在重力波擾動方差的季節(jié)變化和高度變化中,背景大氣風(fēng)場結(jié)構(gòu)和溫度結(jié)構(gòu)起到了決定性的作用。其中的緯度差異也同樣是主要源于重力波活動的緯度差異。同時,我們還對觀測中發(fā)現(xiàn)的部分季節(jié)異常和年際異�，F(xiàn)象進行了分析,并提出了異�，F(xiàn)象的可能的物理解釋機制。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：P433
【部分圖文】：

大氣結(jié)構(gòu)分層(TIMEDMissiondia}am,NASA)

該區(qū)域在日地關(guān)系、近地空間環(huán)境和全球氣候變化等方面起著重要的作用。??此外，中層大氣也是各種航天器、高空飛行器等的通過區(qū)和可能駐留區(qū)，其??結(jié)構(gòu)和時空變化對各類飛行器的安全有著重要影響。因而，對該區(qū)域的監(jiān)測和研??究在航天事業(yè)和國防事業(yè)的保障上也起著重要的作用。??１．１．２特殊結(jié)構(gòu)??在中層大氣，有著諸多特有的結(jié)構(gòu)，如氣輝、夜光云、大氣金屬層等。??大氣中位于激發(fā)態(tài)的分子或原子從較高能態(tài)躍遷至較低能態(tài)時，輻射出的特??定波長的光就是氣輝。氣輝在紫外、可見光和紅外波段都有發(fā)射，其中包含有許??多原子、分子和離子的譜線和譜帶。在紫外區(qū)光譜中，有氫、氧、氦和氮的原子??線，還有氧、氮分子和一氧化氮分子的譜帶。在可見光波段中，有波長５５７．７ｎｍ??的氧原子綠線、波長６３０．０ｎｍ和６３６．４ｎｍ的氧原子紅線、波長５８９．３ｎｍ的鈉原??子黃線和氮分子離子的譜帶。在近紅外波段的羥基（ＯＨ）輻射，則是氣輝光譜中最??強的發(fā)射譜段，羥基氣輝也是諸多科學(xué)家研究氣輝活動時最主要的觀測對象。此??

?＇ｉ??＾暴??圖１．２銀河周圍的彩色帶狀氣輝。（拍攝：王笑寒ｈｔｔｐｓ：／／ａｐｏｄ．ｎａｓａ．ｇｏｖ／ａｐｏｄ／ａｐｌ８０３０６．ｈｔｍｌ）??此，該區(qū)域在日地關(guān)系、近地空間環(huán)境和全球氣候變化等方面起著重要的作用。??此外，中層大氣也是各種航天器、高空飛行器等的通過區(qū)和可能駐留區(qū)，其??結(jié)構(gòu)和時空變化對各類飛行器的安全有著重要影響。因而，對該區(qū)域的監(jiān)測和研??究在航天事業(yè)和國防事業(yè)的保障上也起著重要的作用。??１．１．２特殊結(jié)構(gòu)??在中層大氣，有著諸多特有的結(jié)構(gòu)，如氣輝、夜光云、大氣金屬層等。??大氣中位于激發(fā)態(tài)的分子或原子從較高能態(tài)躍遷至較低能態(tài)時，輻射出的特??定波長的光就是氣輝。氣輝在紫外、可見光和紅外波段都有發(fā)射，其中包含有許??多原子、分子和離子的譜線和譜帶。在紫外區(qū)光譜中，有氫、氧、氦和氮的原子??線
【參考文獻】

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1 ZENG XuanYun;XUE XiangHui;DOU XianKang;LIANG Chen;JIA MingJiao;;COSMIC GPS observations of topographic gravity waves in the stratosphere around the Tibetan Plateau[J];Science China(Earth Sciences);2017年01期

2 丁鋒,萬衛(wèi)星;背景風(fēng)場和溫度梯度對重力波傳播的影響[J];電波科學(xué)學(xué)報;1998年02期

本文編號：2856951