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全球中层大气背景风场的计算与研究

刘三军  
【摘要】: 中层大气风场随时间以及空间的变化,对于研究大气动力学尤其是大气中各种波动,以及大气中粒子成份组成是非常重要的。以往人们主要利用流星雷达、中频雷达、MST雷达等无线电雷达技术和激光雷达、FPI等光学技术,观测平流层以及中层大气风场,这些设备可以对固定地点的风场进行连续的观测,通常具有较好的时间分辩率和观测精度。但是利用这些仪器观测中层大气风场也有很多缺陷,比如观测的高度范围通常有较大限制,而且观测站点的分布也非常不均匀;因此,基于这些地面观测站点获得的风场数据建立的大气模式,在观测站点比较少的区域,通常会出现较大的差异。为了较为准确的得到全球中层大气的背景风场,了解中层大气风场随时间和空间变化的特点,也为了方便给大气波动的研究提供准确的背景风场,本文尝试利用Aura卫星上微波临边探测器(MLS)的数据,即中层大气的温度、密度、压强等数据来推算出中层大气风场,包括时间精度为一天的全球背景风场和纬向平均纬向风。 首先,根据中层大气风场的特点,由大气动力学的基本方程出发,经过合理的假设和简化,推导出中层大气背景风场满足的微分方程。该微分方程类似于通常的地转风方程(即只是气压梯度力和科里奥利力平衡的方程),但是比通常的地转风方程增加了曲率加速度项,这样做就使得风场的准确性尤其是靠近极区的高纬度地区的风场的准确性得到提高。选取适当的窗口矩形尺寸和权重函数,可以滤除非迁移潮汐的影响。 其次,为了检验所推算出来的中层大气风场是否准确,将Aura风场与武汉流星雷达和澳大利亚Adelaide台站数据结果进行比较。比较结果显示,Aura风值与两个台站的观测值是基本符合的,风向随高度变化的情况与观测结果是完全一致的,纬向风与观测值的最大偏差为十几m/s,风速的相对偏差小于18%。经向风的量级与观测值保持一致,一般不超过20m/s,偏差小于10m/s。同时比较结果还显示,Aura风值在80km以下高度与观测值吻合得相对较好些,而在80km以上存在较大偏差,这主要是受到非局地热平衡效应(NLTE)的影响(Oberheide J.,et al.,2002;Kaufmann M.,et al.,2002),本文对这一效应作了专门的讨论。 最后,文章利用Aura数据推算出来的中层大气风场,分析了全球中层大气风场随时间和空间变化的情况。结果发现1、2、11、12月份北半球以西风为主,南半球以东风为主; 5、6、7、8月份北半球主要为东风,南半球主要为西风;3、4、9、10月份风速很小,一般不会超过30m/s,属于风速方向发生转变的过渡性季节。总的来说Aura风场显示出明显的随季节变化的特点,冬季半球以西风为主,夏季半球以东风为主,春季和秋季风向发生改变。这些结果基本符合以前的观测结果和一些流行的风场模式(比如CIRA-86、HWM-93)。 在对风场随高度变化特点的分析中发现,在比对流层顶略低的高度上(约12km附近),南北半球都是速度较低的西风,且风速从12km到20km越来越小。但是随着高度的增加,南北半球风方向的差异逐渐明显起来,风速也越变越大。冬季半球的西风从20km到60km附近风速越来越大,最大值可以达到60至70多m/s;夏季半球则从20km开始逐渐由西风转变为东风,最大风值也是在60km附近达到60至70m/s,最大风速均出现在中纬度附近。所有这些风场随高度变化的特点也都符合以往的观测结果和流行的风场模式。 总之,本文探索了利用卫星的温度、压强等数据推算全球背景风场的方法。不论是从直接与台站观测数据的比较还是对全球大气风场特点的分析结论都可以看出该方法的可靠性。这就为中层大气风场提供了一种新的研究方法,同时也提供了较为可靠和丰富的中层大气风场数据,给人们往后对中层大气风场的研究带来了帮助。


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