發(fā)布時(shí)間：2017-12-31 13:32

  本文關(guān)鍵詞：激光雷達(dá)中間層頂重力波垂直輸送觀測研究　出處：《中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心》2017年博士論文　論文類型：學(xué)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(dòng)量、熱量、大氣化學(xué)物質(zhì)交換的重要區(qū)域,大氣的動(dòng)力學(xué)輸送機(jī)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(duì)地球大氣不同圈層之間的耦合過程關(guān)系緊密,可見研究中間層頂區(qū)域的垂直動(dòng)力學(xué)輸送機(jī)制對(duì)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(jī)制,大氣重力波活動(dòng)產(chǎn)生的垂直輸送機(jī)制的研究工作開展很少,但它對(duì)于大氣動(dòng)力學(xué)輸送過程的貢獻(xiàn)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(xué)院國家空間科學(xué)中心廊坊觀測站(39.4°N,116.7°E)的鈉熒光多普勒激光雷達(dá)和流星雷達(dá)觀測數(shù)據(jù),首次對(duì)國內(nèi)乃至東半球重力波引起的垂直風(fēng)擾動(dòng),垂直熱量輸送,垂直鈉原子輸送以及鈉原子的動(dòng)力學(xué)輸送速度分別展開了分析討論,研究結(jié)果可為中間層頂區(qū)域大氣、乃至整個(gè)臨近空間垂直研究和環(huán)境預(yù)報(bào)工作提供觀測支持;為中間層頂大氣動(dòng)力學(xué)~化學(xué)耦合過程研究提供依據(jù),為大氣模式中動(dòng)力學(xué)~化學(xué)過程的參數(shù)化方案提供參考。具體研究內(nèi)容有以下方面:1、激光雷達(dá)和流星雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)首先經(jīng)過質(zhì)量控制流程,并對(duì)激光雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)提取擾動(dòng),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(jì)重力波的擾動(dòng)量。結(jié)果顯示溫度擾動(dòng)、三維風(fēng)速擾動(dòng)、鈉原子數(shù)密度擾動(dòng)都較好的符合零均值的高斯分布,證明激光雷達(dá)的觀測數(shù)據(jù)是可靠的。數(shù)據(jù)處理工作為開展相關(guān)研究工作打好了基礎(chǔ)。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(biāo)準(zhǔn),利用準(zhǔn)單色重力波的極化關(guān)系和色散關(guān)系,分別對(duì)三種頻率重力波產(chǎn)生的垂直風(fēng)擾動(dòng)范圍進(jìn)行仿真。結(jié)果顯示準(zhǔn)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(jí)的垂直風(fēng)擾動(dòng);垂直風(fēng)擾動(dòng)的仿真結(jié)果完全覆蓋鈉激光雷達(dá)垂直風(fēng)觀測數(shù)據(jù),為鈉激光雷達(dá)和其他大氣垂直風(fēng)場探測設(shè)備觀測到10m/s量級(jí)的垂直風(fēng)擾動(dòng)事實(shí)提供了理論支持。3、利用激光雷達(dá)垂直風(fēng)和溫度觀測數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)分析了中間層頂區(qū)域的大氣溫度結(jié)構(gòu)、靜力穩(wěn)定度、重力波耗散活動(dòng)產(chǎn)生的垂直熱量通量和動(dòng)力學(xué)冷卻率。結(jié)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(dòng)產(chǎn)生負(fù)向的垂直熱通量,對(duì)90~99 km大氣產(chǎn)生動(dòng)力學(xué)冷卻效應(yīng),可見重力波耗散產(chǎn)生的垂直熱量輸送過程對(duì)于整個(gè)中間層頂區(qū)域的熱量收支平衡和最低溫度結(jié)構(gòu)的維持起了一定的貢獻(xiàn)作用。4、利用激光雷達(dá)鈉原子數(shù)密度和垂直風(fēng)觀測數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)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(duì)鈉層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。結(jié)果顯示大氣重力波耗散活動(dòng)產(chǎn)生鈉原子垂直通量在90 km以上為正,90 km以下為負(fù),同時(shí)耗散活動(dòng)產(chǎn)生鈉原子堆積效應(yīng),引起鈉原子產(chǎn)生率最大值出現(xiàn)在91 km鈉層質(zhì)心高度處,說明大氣重力波耗散引起的輸送作用對(duì)整個(gè)鈉層高斯和峰值結(jié)構(gòu)的形成有重要影響。5、利用激光雷達(dá)和流星雷達(dá)觀測數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)分析了中間層頂區(qū)域鈉原子的重力波動(dòng)力學(xué)輸送,重力波化學(xué)輸送,湍流混合輸送及背景環(huán)流輸送特征。結(jié)果顯示4種動(dòng)力學(xué)輸送機(jī)制產(chǎn)生的鈉原子輸送速度大小相當(dāng),但隨高度變化不同輸送機(jī)制所占的地位不同。88~95 km四種垂直動(dòng)力學(xué)輸送機(jī)制產(chǎn)生的平均合輸送速度為-1cm/s。鈉原子動(dòng)力學(xué)輸送速度雖然量級(jí)較小,但對(duì)整個(gè)大氣金屬鈉層的“源”“匯”平衡過程十分重要。6、本文研究結(jié)果與美國SOR和Maui地區(qū)的觀測結(jié)果相對(duì)比,發(fā)現(xiàn)重力波引起的垂直熱量通量、動(dòng)力學(xué)冷卻、垂直鈉原子通量、鈉原子產(chǎn)生率、鈉原子動(dòng)力學(xué)輸送速度這些參量大小是相當(dāng)?shù)?峰值的量級(jí)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(duì)比結(jié)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(jìn)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(hào)：1360014