本文關鍵詞：激光雷達中間層頂重力波垂直輸送觀測研究　出處：《中國科學院國家空間科學中心》2017年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：中間層頂區(qū)域(85~100 km)是地球低層大氣和高層大氣之間動量、熱量、大氣化學物質交換的重要區(qū)域,大氣的動力學輸送機制例如平流輸送、重力波輸送、大氣潮汐輸送、湍流混合輸送對地球大氣不同圈層之間的耦合過程關系緊密,可見研究中間層頂區(qū)域的垂直動力學輸送機制對于理解上述過程有很大的意義。相比研究工作開展較多的平流輸送和湍流混合輸送機制,大氣重力波活動產(chǎn)生的垂直輸送機制的研究工作開展很少,但它對于大氣動力學輸送過程的貢獻卻十分顯著,不容忽視。在此背景條件下,本文通過利用中國科學院國家空間科學中心廊坊觀測站(39.4°N,116.7°E)的鈉熒光多普勒激光雷達和流星雷達觀測數(shù)據(jù),首次對國內乃至東半球重力波引起的垂直風擾動,垂直熱量輸送,垂直鈉原子輸送以及鈉原子的動力學輸送速度分別展開了分析討論,研究結果可為中間層頂區(qū)域大氣、乃至整個臨近空間垂直研究和環(huán)境預報工作提供觀測支持;為中間層頂大氣動力學~化學耦合過程研究提供依據(jù),為大氣模式中動力學~化學過程的參數(shù)化方案提供參考。具體研究內容有以下方面:1、激光雷達和流星雷達觀測數(shù)據(jù)首先經(jīng)過質量控制流程,并對激光雷達觀測數(shù)據(jù)提取擾動,提取方法是原始數(shù)據(jù)減去線性擬合趨勢的方法統(tǒng)計重力波的擾動量。結果顯示溫度擾動、三維風速擾動、鈉原子數(shù)密度擾動都較好的符合零均值的高斯分布,證明激光雷達的觀測數(shù)據(jù)是可靠的。數(shù)據(jù)處理工作為開展相關研究工作打好了基礎。2、根據(jù)尺度分析條件給出高、中、低三種頻重力波分類量化標準,利用準單色重力波的極化關系和色散關系,分別對三種頻率重力波產(chǎn)生的垂直風擾動范圍進行仿真。結果顯示準單色重力波在未耗散破碎條件下,高頻和中頻重力波在一定條件下能夠產(chǎn)生1~10 m/s量級的垂直風擾動;垂直風擾動的仿真結果完全覆蓋鈉激光雷達垂直風觀測數(shù)據(jù),為鈉激光雷達和其他大氣垂直風場探測設備觀測到10m/s量級的垂直風擾動事實提供了理論支持。3、利用激光雷達垂直風和溫度觀測數(shù)據(jù),統(tǒng)計分析了中間層頂區(qū)域的大氣溫度結構、靜力穩(wěn)定度、重力波耗散活動產(chǎn)生的垂直熱量通量和動力學冷卻率。結果顯示92~96 km大氣溫度較低,大氣浮力頻率也較低,重力波耗散活動產(chǎn)生負向的垂直熱通量,對90~99 km大氣產(chǎn)生動力學冷卻效應,可見重力波耗散產(chǎn)生的垂直熱量輸送過程對于整個中間層頂區(qū)域的熱量收支平衡和最低溫度結構的維持起了一定的貢獻作用。4、利用激光雷達鈉原子數(shù)密度和垂直風觀測數(shù)據(jù),統(tǒng)計并分析了中間層頂重力波耗散引起的鈉原子垂直通量和鈉原子產(chǎn)生率及其對鈉層結構產(chǎn)生的影響。結果顯示大氣重力波耗散活動產(chǎn)生鈉原子垂直通量在90 km以上為正,90 km以下為負,同時耗散活動產(chǎn)生鈉原子堆積效應,引起鈉原子產(chǎn)生率最大值出現(xiàn)在91 km鈉層質心高度處,說明大氣重力波耗散引起的輸送作用對整個鈉層高斯和峰值結構的形成有重要影響。5、利用激光雷達和流星雷達觀測數(shù)據(jù),統(tǒng)計分析了中間層頂區(qū)域鈉原子的重力波動力學輸送,重力波化學輸送,湍流混合輸送及背景環(huán)流輸送特征。結果顯示4種動力學輸送機制產(chǎn)生的鈉原子輸送速度大小相當,但隨高度變化不同輸送機制所占的地位不同。88~95 km四種垂直動力學輸送機制產(chǎn)生的平均合輸送速度為-1cm/s。鈉原子動力學輸送速度雖然量級較小,但對整個大氣金屬鈉層的“源”“匯”平衡過程十分重要。6、本文研究結果與美國SOR和Maui地區(qū)的觀測結果相對比,發(fā)現(xiàn)重力波引起的垂直熱量通量、動力學冷卻、垂直鈉原子通量、鈉原子產(chǎn)生率、鈉原子動力學輸送速度這些參量大小是相當?shù)?峰值的量級也都基本一致,但是平均廓線趨勢不同,峰值高度存在差異。對比結果表明地理位置的不同造成重力波垂直輸送特征產(chǎn)生差異,差異的具體原因和全球普適性特征還有待于進一步的研究。
[Abstract]:The vertical wind disturbance , vertical heat transfer , vertical sodium atom transfer and the kinetic transport speed of the atmospheric gravity wave are discussed . The results show that the quasi - monochromatic gravity waves can produce vertical wind disturbances on the order of 1 锝，

本文編號：1360014