MLT区域中大风场/风场剪切的观测和模拟研究

Large winds/wind shears in the mesosphere and lower thermosphere (MLT) region have been received much attentions in recent years because of their importance in coupling the lower atmosphere and thermosphere/inonsphere. Firstly, we extract the mean wind and tides from the wind data observed by meteor radar and incoherent scatter radar. The contributions of mean wind and tides on the large winds/wind shears will be studied. Secondly, using the parallel model that solves the nonlinear propagation of gravity waves in two- and three-dimensions, we simulate the nonlinear propagation of gravity waves in the background atmosphere that are composed of mean wind and tides obtianed from empirical model and/or observations. Finally, according to the observations and simulation results, we investigate the relative contributions of mean wind, tides, gravity waves, and their nonlinear interactions to the large winds/wind shears. Moreover, the possible mechanisms, which are responsible for the formation of large winds/wind shears, will also be explored.

中间层和低热层(MLT, Mesosphere and Lower Thermosphere)区域中经常出现的大风场/风场剪切在低层大气与热层和电离层的耦合过程中有重要作用。对大风场/风场剪切的特征和形成机制的研究成为目前大气动力学研究的热点问题。本项目将首先通过分析流星雷达和非相干散射雷达观测的风场资料，提取出背景风场和潮汐分量，研究它们在整个风场/风场剪切中的贡献。然后，我们将利用已经建立的模拟重力波非线性传播过程的二维和三维并行数值模式，分别以经验模式和观测资料给出的背景风场和潮汐作为模式的背景，模拟重力波在不同背景风场和潮汐中的非线性传播情况，研究背景风场、潮汐和重力波以及它们之间的非线性相互作用对大风场/风场剪切的贡献，并探索可能的物理机制。

本项目利用自主建立的并行数值模式模拟研究了大气重力波的非线性传播过程和机制，及其与大气潮汐之间的非线性相互作用过程，揭示了重力波与潮汐之间的非线性相互作用是形成中间层和低热层(MLT)区域大风场/风场剪切的主要机制。同时，也开展了对中高层大气温度、水汽和热层风场等方面观测数据和再分析数据的分析和研究工作。围绕研究内容和预期目标，本项目取得的主要成果总结为如下五个方面：(1) 模拟研究了大气重力波的非线性传播过程和机制，其中包括自加速和超饱和两种在线性理论无法预测的机制，为波流相互作用的深入研究奠定了基础。在此基础上，我们模拟了重力波在潮汐(日潮和半日潮汐)背景中的非线性传播情况及其与大气潮汐之间的非线性相互作用过程，揭示了重力波与潮汐之间的非线性相互作用是形成中间层和低热层区域大风场/风场剪切的主要机制。(2) 在热层风场研究方面，我们分析了子午工程兴隆台站和美国Millstone Hill台站FPI测量的热层风场中表现出来的周期为4-19天的行星尺度类型扰动，揭示了太阳风共转作用区对热层中性风的影响。通过分析美国Millstone Hill台站FPI测量的累计11年的热层风场数据，揭示了热层风场中周期为6-30天的震荡及其对太阳和地磁活动以及太阳风速度的响应特征。(3) 在中高层大气波动的效应研究方面，我们利用AIM卫星对同体积空气柱进行同时测量的大气温度剖面和冰晶质量数据，给出了极区5日波的气候学特征，揭示温度中的5日波对冰晶质量中5日波的调制作用。通过综合分析2007-2014年(共8年)期间AIM/CIPS探测的夜光云数据，Aura/MLS探测的温度和水汽数据，TIMED/SABER探测的温度数据，我们发现在南半球总存在一个夜光云较弱的区域；而北半球夜光云亮度的经度变化较为均匀。通过对温度数据进行分析，我们发现夜光云较弱的区域总有较强的半日非迁移潮汐的暖相位，从而导致夜光云减弱。(4) 从TIMED/SABER探测的14年(2002-2015)的温度数据中提取出重力波的全球分布，研究了重力波气候学特征、长期变化趋势，以及重力波活动对太阳活动、准两年震荡、ENSO的响应。结合对再分析数据资料(MERRA)的比较，我们发现，重力波增强是由于平流层夜间射流的增强引起的。(5) 在指导研究生方面，四年期间共毕业研究生4名，现有2名在读研究生。