中层和低热层大气静力稳定性的全球时空变化特性研究

The atmospheric stabilities, which include static stability and dynamic stability, depend on the structures of atmosphere and have important effects on the generation, propagation and dissipation of atmospheric waves. On the other hand, the propagation and dissipation of the atmospheric waves impact the atmospheric structure. Consequently, the atmospheric stabilities play important roles in the atmospheric dynamics studies. In this project, the temperature data, which were measured by the SABER instrument onboard the TIMED satellite from 2002 to present, are used to he global distributions of atmospheric static stability in the middle atmosphere and lower thermosphere and its seasonal and solar cycle variations. Specifically, after we separate the background temperature and gravity waves from the observed temperature profiles, the global distributions of the atmospheric static stability and their seasonal variations in the middle atmosphere and lower thermosphere will be studied firstly. Then the responses of the global atmospheric static stability to the solar activity will be analyzed. Finally using the advantage of the background temperature and gravity waves, which are dereived concurrently from the same air column observed by the SABER instrument, we will study the relations between the global atmospheric static stability and the gravity waves with the help of our numerical model. The results of this project will provide observational fundament on the spatial-time variations of the atmospheric structures and gravity waves.

大气稳定性包括静力稳定性和动力稳定性。它们依赖于大气结构，并对大气波动的产生、传播和耗散过程均有重要影响，波动的传播和耗散反过来会影响大气结构。因此，大气稳定性对研究大气结构和大气波动具有举足轻重的作用，是中高层大气动力学研究的重要问题之一。本项目利用TIMED/SABER探测器从2002年至今观测的最为系统全面的高分辨率全球中层和低热层大气温度数据，重点研究中层和低热层大气静力稳定性的全球分布和季节变化特征以及太阳周变化特性，研究静力稳定性与重力波活动之间的关系。首先分析静力稳定性的全球分布特征和季节变化特性；然后研究全球中层和低热层大气静力稳定性对太阳活动的响应特征；最后针对背景温度和重力波均来自于SABER探测器同时对同体积空气柱的观测这一特点，结合数值模式，研究全球中层和低热层大气静力稳定性与重力波活动之间的关系。该项研究成果为深入了解大气结构和波动的时空变化特性提供观测依据。

中高层大气静力稳定性是表征大气结构的重要参数，能够显著影响大气波动的传播和耗散，并通过波流相互作用影响大气结构和环流。本项目以中高层大气的静力定性及其效应为研究目标，利用TIMED/SABER观测的中高层大气温度数据，结合平衡风理论、重力波理论、地基流星雷达和激光雷达的长期观测结果、再分析数据等，研究了中高层大气静力稳定性和风场结构的全球分布及其变化特征，以及对中高层大气重力波的传播和耗散特性的影响。完成了预期研究内容和研究目标，研究结果概括如下三方面。(1) 在背景大气结构研究方面：揭示了在风场季节变化较为明显的高纬度地区，较大的静力稳定性能够支撑较大振幅的重力波；构建了2002-2019年期间的平流层至低热层整个高度范围的月平均全球纬向风场的数据集。(2) 在大气波动研究方面：揭示了全球地形产生的重力波及其次级波的全球分布特征和季节变化特征；发现了在中间层上部存在一个持久的重力波耗散层；发现了汤加火山爆发引起的强烈的相对慢速的重力波，丰富了我们对强点源产生的各种声波和重力波的广谱特性和传播特性的了解。(3) 在扰动风场反演方面，提出了通过重力波温度扰动计算风场扰动的方法，并得到了与地基激光雷达和火箭就地观测类似结果。.同时也开展了国内外合作研究、指导研究生和博士后等方面的工作。.在本项目执行过程中，本团队共发表学术论文11篇，其中GRL论文4篇，JGR论文1篇，ACP论文1篇，ESSD论文1篇，EPP论文1篇，中文核心期刊论文3篇[见结题报告的“研究成果”中的论文列表部分]。与其他团队合作发表论文8篇[见结题报告的“国内外学术合作交流等情况”的论文列表]。与其他团队合作获得“子午工程2021年度优秀成果奖”1项。