【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鍵作用。這些波動在低層大氣中產生并向上傳播,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)流產生很強的動力學效應。另外,在波的傳播過程中平均流場也會影響波的產生、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)定結構ripple的季節(jié)變化、及其與背景大氣的關系,另一方面研究了北半球極區(qū)中高層大氣對2015/2016年強厄爾尼諾(El Nino,EN)和準兩年振蕩(QBO)異常的響應。綜合這些結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結構被認為是動力不穩(wěn)定或對流不穩(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場數(shù)據(jù),關于ripple的研究仍留有很多疑問,如ripple與重力波的關系、其與背景大氣穩(wěn)定性和風場的關系等。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的窄帶鈉激光雷達和Platteville的中頻雷達的觀測的多年數(shù)據(jù),我們首次對ripple的特性及季節(jié)變化、其與中間層背景風場和大氣穩(wěn)定性的關系進行了詳細的統(tǒng)計研究。結果發(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結構的持續(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。以往研究普遍認為ripple結構是隨著背景風場移動的,當它發(fā)生時大氣是趨于不穩(wěn)定的。然而我們的研究結果發(fā)現(xiàn)ripple結構并不總是隨著背景風場移動,大氣不穩(wěn)定的發(fā)生率也(約17%)遠低于ripple事件的發(fā)生率。多于一半的ripple結構并不隨著背景風場移動,而且這些結構的動態(tài)不穩(wěn)定參數(shù)Richardson數(shù)也相對高于隨著背景風場移動的另一類ripple結構,這與前人對ripple和風場關系的研究結果并不一致。2、在北半球平流層,行星波(Rossby波)主要通過驅動Brewer-Dobson(BD)環(huán)流來影響極區(qū)溫度和風場,進而引起極渦增強或減弱(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雜響應做了較全面的研究�；诒睒O圈內加拿大地區(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,對應的水平波長均為～18km,持續(xù)時間約為35min�；贓ureka臺站的流星雷達、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溫和臭氧的變化進行了統(tǒng)計分析,發(fā)現(xiàn)在平流層,風場提前一個月轉為西向風,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相關。以上結果表明在2015/2016年北極異常冬季情況下,對流層產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一般是向東的,向西的拖曳使得背景大氣緯向東向風場減速,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)風場。同時增強的Brewer-Dobson造成極區(qū)下沉的增強,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)風場減弱很快,提前向西轉向且很迅速;Brewer-Dobson環(huán)流劇烈增強,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。
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：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、太陽風和宇宙射線的損害而保護地球上的生命，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％。“氣溶膠”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地球大氣分層結構示意圖逡逑注：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。我們人類生活在對流層，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