臨近空間大氣擾動變化特性的定量研究

肖存英, 胡雄, 王博,2, 楊鈞烽,2

1 中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心， 北京　100190 2 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京　100049

臨近空間大氣擾動變化特性的定量研究

肖存英1, 胡雄1, 王博1,2, 楊鈞烽1,2

1 中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心， 北京100190 2 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京100049

摘要本文利用TIMED/SABER 2002年1月至2013年1月共11年的衛(wèi)星溫度探測數(shù)據(jù)，通過全球網(wǎng)格化及在網(wǎng)格內(nèi)作數(shù)學(xué)統(tǒng)計的方法，得到了20～100 km高度上全球網(wǎng)格點上溫度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，實現(xiàn)了對臨近空間全球大氣擾動進(jìn)行定量刻畫的目的.通過定量分析溫度標(biāo)準(zhǔn)差的分布特性，文中得到了臨近空間大氣擾動的全球分布規(guī)律，并討論了與這些分布規(guī)律相關(guān)的物理過程.結(jié)果表明，在20～70 km高度上，溫度標(biāo)準(zhǔn)差為1～10 K，有顯著的冬季/夏季的差異，冬季的溫度標(biāo)準(zhǔn)差比夏季大；大氣重力波擾動是最主要來源，同時大氣傳播性行星波引起的擾動也是來源之一.在70～100 km高度上，溫度標(biāo)準(zhǔn)差常年較強(qiáng)，量值為10～30 K，冬季/夏季的差異小，低緯地區(qū)的溫度標(biāo)準(zhǔn)差高于中高緯度地區(qū)，呈現(xiàn)許多局地化的小結(jié)構(gòu).大氣重力波是引起該區(qū)域大氣總擾動量的主要擾動來源，大氣潮汐波、傳播性行星波(準(zhǔn)2天、準(zhǔn)6.5天)也有重要貢獻(xiàn).

關(guān)鍵詞臨近空間； 大氣擾動； 行星波； 潮汐波； 重力波； 定量描述

1引言

臨近空間大氣環(huán)境是地球中高層大氣的重要組成部分，既受對流層活動的影響，又受太陽輻射和宇宙射線的影響，各種影響因素相互作用，使得臨近空間大氣環(huán)境要素復(fù)雜多變.臨近空間大氣環(huán)境要素除了隨高度、地理緯度、經(jīng)度和季節(jié)變化的氣候特性以外，還存在其他多種時間、空間尺度上的復(fù)雜變化，這些變化主要來自于幾天～一月內(nèi)的行星波、24 h周期及其高次諧波的潮汐波、幾分鐘～10多個小時的大氣重力波、更短時間尺度的大氣湍流等大氣擾動.Offermann等(2006)指出，大氣擾動振幅很大，溫度擾動幅度可達(dá)25%，即約57 K.

對臨近空間大氣擾動的研究主要基于地基探測、氣球與火箭等原位探測、以及衛(wèi)星探測等.搭載于TIMED(Thermosphere Ionosphere Mesosphere Energetics and Dynamics)衛(wèi)星上SABER(Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry)探測器能夠探測從平流層到低熱層的中性大氣溫度、密度和壓強(qiáng)(Mertens et al., 2001; Remsberg et al., 2008)，已被廣泛用于大氣行星波、潮汐波和重力波等波動的研究.例如，利用TIMED/SABER溫度數(shù)據(jù)，Xiao等(2009)分析得到了全球20～120 km大氣定常行星波在不同季節(jié)的活動規(guī)律；Pancheva等(2010)分析得到了5～6天行星波的全球分布和氣候特征；Huang等(2013)分析得到了準(zhǔn)2天波的全球氣候變化特性；Zhang等(2006)分析了120天平均的溫度潮汐；Xu等(2009)分析了遷移性周日潮汐的季節(jié)和準(zhǔn)兩年變化； Chen和Lü(2009)分析了周日潮DE3的全球結(jié)構(gòu)；Pancheva等(2013)分析了遷移性8 h潮汐(TW3)的氣候特性；Preusse等(2009)以及張云等(2011)基于多年的SABER溫度數(shù)據(jù)得到了大氣重力波的分布特性.

綜合這些研究結(jié)果，我們可以得到關(guān)于臨近空間大氣擾動某類或者是某些波模在一定范圍內(nèi)的定性變化規(guī)律，然而，大氣擾動整體的全球定量特性仍然知道得很少.而且，在這些研究過程中，由于數(shù)據(jù)的分布并不完美，大氣各波動之間的分解、波模的提取技術(shù)要求非常高，信號常有混淆的情況出現(xiàn)(Wu et al., 1995; Xiao et al., 2009)，各種周期的波動或波模之間還可能發(fā)生非線性相互作用(Babu et al., 2011; Forbes and Moudden, 2012).因此，在模式中表征這些擾動的影響具有很大的挑戰(zhàn)性.當(dāng)前常用的大氣模式，如，美國標(biāo)準(zhǔn)大氣未包含任何大氣擾動項，MSIS模式系列和CIRA模式系列等只包含了定常行星波擾動而不包含其他的大氣擾動.此外，大氣擾動也是影響模式預(yù)報及可靠性等問題的最主要的不確定因素之一(Fritts and Alexander, 2003)，至今臨近空間全球大氣擾動的定量描述仍然是個難題.Offermann等(2006, 2009)曾把偏離緯圈平均溫度的標(biāo)準(zhǔn)差用作波活動的標(biāo)志，并分析了波活動的特性及中層大氣波動的相對強(qiáng)度.但仍未解決MSIS和CIRA等模式在全球大氣擾動的表征問題.

本文創(chuàng)新性地提出基于大量衛(wèi)星實測數(shù)據(jù)通過全球網(wǎng)格化及在網(wǎng)格內(nèi)作數(shù)學(xué)統(tǒng)計的方法以實現(xiàn)定量刻畫全球大氣擾動的目的.該方法不立足于某類波動或者是某些波模，而是把這些波動作為擾動的一部分，以整體考慮，從統(tǒng)計的角度對全球大氣擾動進(jìn)行表征.本文數(shù)據(jù)來源于TIMED/SABER 2002年1月至2013年1月共11年的衛(wèi)星溫度探測資料，定量地給出了20～100 km高度范圍內(nèi)臨近空間大氣擾動的全球分布特性，并討論了與這些分布規(guī)律相關(guān)的物理過程.統(tǒng)計結(jié)果可用于填補(bǔ)MSIS模式和CIRA模式對溫度大氣擾動的描述，并且對臨近空間大氣擾動的建模研究以及臨近空間大氣環(huán)境的預(yù)報研究具有非常重要的價值.文章第2節(jié)給出了數(shù)據(jù)來源和數(shù)據(jù)網(wǎng)格化與統(tǒng)計處理方法；第3節(jié)描述了溫度標(biāo)準(zhǔn)差的分布特性；第4節(jié)討論了溫度標(biāo)準(zhǔn)差的精度問題，溫度標(biāo)準(zhǔn)差隨高度變化的分界層問題，以及溫度標(biāo)準(zhǔn)差分布特性的解釋；第5節(jié)是結(jié)論.

2數(shù)據(jù)來源和處理方法

2.1數(shù)據(jù)來源

TIMED衛(wèi)星于2001年12月7日發(fā)射升空，從2002年1月22日開始獲取SABER探測器的觀測數(shù)據(jù).SABER是一個10通道寬帶輻射計，在TIMED衛(wèi)星沿軌道飛行過程中采用臨邊測量CO2的紅外輻射信號，在此基礎(chǔ)上反演生成低平流層到低熱層包括各種大氣參量(溫度、氣壓和密度等)的垂直廓線.TIMED衛(wèi)星軌道高度是625 km，傾角是74.1°，軌道周期為1.6 h.TIMED衛(wèi)星的軌道沿緯圈緩慢進(jìn)動，其地方時每天遷移～12 min.每天的觀測集中在2個地方時上，由衛(wèi)星相位(上升/下降)劃分，在經(jīng)圈方向基本均勻分布.其緯度覆蓋從一個半球的52°到另個半球的83°，大約每60天變換一次.

本文選用SABER版本V1.07溫度數(shù)據(jù).該數(shù)據(jù)在UMLT(Upper Mesosphere and Lower Thermosphere)區(qū)域采用非局部熱動平衡(non-LTE)算法，其溫度數(shù)據(jù)已經(jīng)得到驗證(Remsberg et al., 2008; García-Comas et al., 2008).Remsberg等(2008)指出，與Envisat衛(wèi)星上的MIPAS(Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding)溫度測量、英國氣象局的分析資料、地基Rayleigh雷達(dá)相比，SABER溫度資料在低平流層高1～3 K，在平流層頂附近低～1 K，在中間層的中部低～2 K；在上中間層，SABER溫度大體比Rayleigh雷達(dá)的觀測溫度低，其差異是變化的，但與UARS衛(wèi)星上HALOE(Halogen Occultation Experiment)溫度探測的平均差異接近于0；在UMLT，SABER溫度剖面與從地基測量的OH和O2輻射反演的溫度及Na雷達(dá)的測量結(jié)果一致；SABER數(shù)據(jù)可用于研究中層，尤其是UMLT區(qū)域，大氣的日—年尺度的變化.100 km以下的數(shù)據(jù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大氣科學(xué)研究中(Xiao et al., 2009; Xu et al., 2009; Chen and Lu, 2009; Pancheva et al., 2010)，是可靠的.因此，本文選用SABER 20～100 km高度范圍內(nèi)的大氣溫度數(shù)據(jù)作統(tǒng)計來定量地刻畫大氣溫度擾動，并分析其變化規(guī)律.

2.2數(shù)據(jù)處理方法

TIMED/SABER 2002年1月—2013年1月共11年大氣溫度數(shù)據(jù)在時間上具有非常好的連續(xù)性.根據(jù)該數(shù)據(jù)的特性，數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、網(wǎng)格化、以及月統(tǒng)計計算.其中，TIMED/SABER觀測資料預(yù)處理包括資料檢索、資料格式檢查與錯情訂正、數(shù)據(jù)讀取與環(huán)境要素抽取、資料規(guī)格化存儲等內(nèi)容.數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制主要采用信息范圍檢查、極值檢查、垂直一致性檢查和統(tǒng)計學(xué)檢查進(jìn)行野值的剔除.

(1) 數(shù)據(jù)網(wǎng)格化處理

數(shù)據(jù)網(wǎng)格化包括時間上的劃分、垂直方向以及水平方向網(wǎng)格的劃分.在時間上，以月為單位進(jìn)行劃分.在垂直方向，對于每個探測剖面，在20～100 km高度范圍，溫度參量采用線性插值，緯度、經(jīng)度和地方時采用最近點插值的方法，插值間隔為1 km.在水平方向，通過分析數(shù)據(jù)源在各個月份隨經(jīng)度和緯度的分布特性，為保證每個格點在各個月份都有相對較多統(tǒng)計數(shù)(大于100個)，本研究中統(tǒng)計區(qū)域緯度限定在50°S—50°N，格距為4°，查找半徑為2°，經(jīng)度范圍為0°—360°，格距為5°，查找半徑為2.5°.

(2) 數(shù)學(xué)統(tǒng)計

(1)

σ(φ,θ,h,t)=

(2)

由此，可以得到基于11年衛(wèi)星觀測數(shù)值的隨緯度、經(jīng)度、高度和月份變化的大氣溫度月平均和標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計值，緯度范圍為50°S—50°N，分辨率為4°；經(jīng)度范圍為0°—360°，分辨率為5°；高度限定在20～100 km，分辨率為1 km；時間是1—12月，分辨率為1月.

網(wǎng)格內(nèi)平均值表征大氣溫度的靜態(tài)緩變氣候值，與NRLMSISE-00經(jīng)驗?zāi)Ｊ降谋容^結(jié)果表明，文中統(tǒng)計得到的平均溫度場與模式的總體變化趨勢和規(guī)律一致，但在具體數(shù)值和細(xì)節(jié)上有些差別，其主要原因是統(tǒng)計數(shù)據(jù)源的不同，本文的數(shù)據(jù)來自于近十來年的探測，而且探測精度較高，所得數(shù)據(jù)可用于統(tǒng)計建模.網(wǎng)格內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)差表征動態(tài)瞬變大氣擾動量(不含大氣定常行星波)，是臨近空間復(fù)雜多種波動來源和過程的綜合作用，包括擾動的年際變化等.本文主要分析和討論大氣溫度標(biāo)準(zhǔn)差的全球分布特性.

3結(jié)果

統(tǒng)計分析結(jié)果表明，大氣溫度標(biāo)準(zhǔn)差的全球分布隨高度變化，并且依賴于季節(jié)，還具有兩半球不對稱等特性.圖1給出了115°E大氣溫度標(biāo)準(zhǔn)差在1月份(代表北半球冬季)、4月份(代表北半球春季)、7月份(代表北半球夏季)、10月份(代表北半球秋季)隨緯度和高度的分布，在其他經(jīng)度上，溫度標(biāo)準(zhǔn)差的特性相似.從圖1中可以看到，較低高度上的溫度標(biāo)準(zhǔn)差比較高高度上的溫度標(biāo)準(zhǔn)差小：20～70 km高度范圍的溫度標(biāo)準(zhǔn)差一般為1～10 K，70～100 km高度范圍的溫度標(biāo)準(zhǔn)差一般為10～30 K.等值線在70 km以下較稀疏，表示溫度標(biāo)準(zhǔn)差隨高度緩慢增加；在70～100 km，尤其是94 km以上，等值線非常密集，表示溫度標(biāo)準(zhǔn)差隨高度迅速增加；兩區(qū)域間有個顯著的分界層，在第4.1節(jié)中將給出更詳細(xì)的討論.

在20～70 km的較低高度上，冬季半球的溫度標(biāo)準(zhǔn)差特征與夏季半球的溫度標(biāo)準(zhǔn)差特征有顯著的差異，冬季半球的溫度標(biāo)準(zhǔn)差比夏季半球大，并且南半球冬季比北半球冬季的溫度標(biāo)準(zhǔn)差相對大些.南、北半球在其冬季中高緯地區(qū)溫度標(biāo)準(zhǔn)差都有2個極值，大約位于40 km以及70 km，北半球?qū)?yīng)的數(shù)值為10 K和12 K，南半球?qū)?yīng)的數(shù)值為12 K和15 K，在其他緯度上的溫度標(biāo)準(zhǔn)差較小，處于2～6 K的范圍.在春秋兩季，兩半球溫度標(biāo)準(zhǔn)差關(guān)于赤道對稱，隨高度逐漸增強(qiáng)，變化范圍為2～6 K.

在70～100 km的較高高度上，溫度標(biāo)準(zhǔn)差常年較強(qiáng)，冬季/夏季的差異很小.在70～90 km高度范圍，1月份和7月份各緯度上的溫度標(biāo)準(zhǔn)差相差不大，通常在10～16 K的范圍；但在4月份和10月份，赤道附近的溫度標(biāo)準(zhǔn)差相對比較大，在4月份可高達(dá)20 K.在90 km以上，溫度標(biāo)準(zhǔn)差變得很大，普遍在16 K以上，并且赤道附近的溫度標(biāo)準(zhǔn)差在各季節(jié)都比兩半球的溫度標(biāo)準(zhǔn)差大.

為了更好地展示溫度標(biāo)準(zhǔn)差隨經(jīng)度、緯度的全球分布特性，根據(jù)圖1顯示的特性，圖2和圖3分別給出了30 km和100 km高度上溫度標(biāo)準(zhǔn)差在1月份、4月份、7月份和10月份隨經(jīng)度-緯度的等值線分布圖，用于代表較低層和較高層的分布特性.

圖2顯示，30 km高度上，溫度標(biāo)準(zhǔn)差隨緯度的變化比較突出，隨經(jīng)度有一定的變化，主要集中在40°S—50°S和/或40°N—50°N，沿經(jīng)度方向可看到1個或2個峰值結(jié)構(gòu).

圖1　溫度標(biāo)準(zhǔn)差在115°E隨緯度-高度分布(單位：K)，等值線間隔為2 KFig.1　Latitude-altitude distribution of temperature standard deviations on 115°E longitude (unit: K). Isoline spacing is 2 K

圖2　溫度標(biāo)準(zhǔn)差在30 km高度上隨經(jīng)度-緯度的分布(單位：K)，等值線間隔為1 KFig.2　Longitude-latitude distribution of temperature standard deviations on 30 km altitude (unit: K). Isoline spacing is 1 K

圖3　溫度標(biāo)準(zhǔn)差在100 km高度上隨經(jīng)度-緯度的分布(單位：K)，等值線間隔為4 KFig.3　Longitude-latitude distribution of temperature standard deviations on 100 km altitude (unit: K). Isoline spacing is 4 K

在1月份，溫度標(biāo)準(zhǔn)差的變化范圍為1.3～12.8 K；在50°S—30°N區(qū)域，溫度標(biāo)準(zhǔn)差為4 K以內(nèi)，隨經(jīng)度基本不變化；在30°N—50°N區(qū)域，溫度標(biāo)準(zhǔn)差為4 K以上，隨經(jīng)度有變化，出現(xiàn)2個峰值，分別位于50°N上的65°E和265°E，數(shù)值分別為12.8 K和11.0 K.在4月份，溫度標(biāo)準(zhǔn)差的變化范圍為1.5～5.1 K；相對而言，溫度標(biāo)準(zhǔn)差在赤道帶以及兩半球中高緯地區(qū)數(shù)值較大；在赤道帶，溫度標(biāo)準(zhǔn)差一般為2～3 K；兩半球中高緯地區(qū)，溫度標(biāo)準(zhǔn)差為2～5 K；溫度標(biāo)準(zhǔn)差隨經(jīng)度的變化較小.在7月份，溫度標(biāo)準(zhǔn)差的變化范圍為1.1～11.7 K；在30°S—50°N區(qū)域，溫度標(biāo)準(zhǔn)差為4 K以內(nèi)，隨經(jīng)度變化很小，其中在20°N—50°N區(qū)域，溫度標(biāo)準(zhǔn)差在經(jīng)度方向有2個峰值；在30°S—40°S區(qū)域，溫度標(biāo)準(zhǔn)差為4～8 K，隨經(jīng)度基本不變化；在40°S—50°S區(qū)域，溫度標(biāo)準(zhǔn)差為5～11.7 K以上，隨經(jīng)度有變化，有1個峰值；50°S帶上極小值位于275°E，數(shù)值為5.2 K，極大值位于110°E，數(shù)值為11.7 K.在10月份，溫度標(biāo)準(zhǔn)差的變化范圍為1.5～7.4 K；與4月份的分布特征相似，溫度標(biāo)準(zhǔn)差在赤道帶以及兩半球中高緯地區(qū)數(shù)值相對較大；在40°S—50°S和40°N—50°N區(qū)域，溫度標(biāo)準(zhǔn)差隨經(jīng)度的變化較顯著，有1個峰值結(jié)構(gòu)；50°N上的極小值位于175°E，數(shù)值為2.2 K，極大值位于300°E，數(shù)值為5.1 K；50°S上的極小值位于120°E，數(shù)值為3.4 K，極大值位于340°E，數(shù)值為7.4 K.

圖3顯示，100 km高度上，溫度標(biāo)準(zhǔn)差在各季節(jié)都大于16 K，在緯度和經(jīng)度方向都有顯著的變化，低緯地區(qū)的溫度標(biāo)準(zhǔn)差高于中高緯度地區(qū)，冬/夏季較大溫度標(biāo)準(zhǔn)差的分布較散，春/秋季較大溫度標(biāo)準(zhǔn)差的分布較集中，主要分布在低緯度區(qū)域，圖中結(jié)果顯示溫度標(biāo)準(zhǔn)差隨經(jīng)度-緯度的分布有許多局地化的小結(jié)構(gòu).

在1月份，溫度標(biāo)準(zhǔn)差的變化范圍為17.5～29.3 K；大于22 K的溫度標(biāo)準(zhǔn)差主要分布在35°S—40°N區(qū)域，隨經(jīng)度有細(xì)小結(jié)構(gòu)的變化；赤道附近溫度標(biāo)準(zhǔn)差較大，緯圈平均極值位于2°S，大小為25.2 K；兩半球分布不對稱.在4月份，溫度標(biāo)準(zhǔn)差的變化范圍為15.6～32.2 K；大于22 K的溫度標(biāo)準(zhǔn)差分布較集中，主要分布在15°S—10°N區(qū)域，在其他區(qū)域，溫度標(biāo)準(zhǔn)差普遍為18～22 K；低緯地區(qū)隨經(jīng)度可明顯地看到4個峰值結(jié)構(gòu)；緯圈平均溫度標(biāo)準(zhǔn)差關(guān)于2°S南北半球基本對稱分布，極值為27.1 K，位于2°S.在7月份，溫度標(biāo)準(zhǔn)差的變化范圍為16.8～35.5 K；大于22 K的溫度標(biāo)準(zhǔn)差主要分布在30°S—50°N區(qū)域，在50°S—30°S區(qū)域，溫度標(biāo)準(zhǔn)差普遍為20～22 K；溫度標(biāo)準(zhǔn)差隨經(jīng)度變化復(fù)雜，主要呈現(xiàn)細(xì)小結(jié)構(gòu)的變化；緯圈平均溫度標(biāo)準(zhǔn)差(圖形未給出)在26°S—22°N關(guān)于2°S呈雙峰對稱分布，極值位于10°S和6°N，大小分別為26.0 K和26.2 K，2°S的緯圈平均溫度標(biāo)準(zhǔn)差為25.5 K.在10月份，溫度標(biāo)準(zhǔn)差的變化范圍為15.2～35.2 K；大于22 K的溫度標(biāo)準(zhǔn)差主要分布在15°S—30°N區(qū)域，在其他區(qū)域，溫度標(biāo)準(zhǔn)差普遍為18～22 K；南北半球隨經(jīng)度分布顯著不對稱，局部變化明顯；在位置(2°N，20°E)和(2°S，300°E)可看到兩個極大值，溫度標(biāo)準(zhǔn)差分別為32.2 K和35.2K；緯圈平均極值為25.3 K，位于2°S.

4討論

4.1精度分析

(1) 儀器引起的測量誤差

(3)

因此，

σ2=〈(Ti-〈Ti〉)2〉

(4)

Altitude(km)21(50hPa)32(10hPa)41(3hPa)48(1hPa)55(0.4hPa)64(0.1hPa)80859095100ε(K)0.10.10.10.20.30.51.82.23.65.46.7σ^(K)1.81.72.93.74.75.29.310.916.516.623.3σ(K)1.7971.6972.8983.6954.6905.1769.12410.67616.10315.69722.316偏差(%)-0.154-0.173-0.060-0.146-0.204-0.463-1.891-2.058-2.409-5.439-4.224

Month123456789101112N183161176207205153204228173162167226σ^(K)10.510.88.55.96.96.18.88.25.67.312.013.7δ^σ(K)0.550.600.450.290.340.350.440.380.300.410.660.65

(2)有限觀測點數(shù)引起的抽樣誤差

由于用于統(tǒng)計格點上的觀測點數(shù)是有限的，其統(tǒng)計所得的量，即格點上的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差指的是基于該觀測樣本數(shù)上的統(tǒng)計量，是樣本平均值與樣本標(biāo)準(zhǔn)差，是總體均值的無偏估計，存在抽樣誤差，稱作標(biāo)準(zhǔn)誤差.樣本平均值、樣本標(biāo)準(zhǔn)差的標(biāo)準(zhǔn)誤差分別可由公式(5)和(6)作估計(Evans et al., 1993; Lehmann and Casella, 1998; Ahn and Fessler, 2003).

(5)

(6)

其中，N是網(wǎng)格內(nèi)統(tǒng)計的數(shù)據(jù)點數(shù).

綜合誤差的分析可見，SABER儀器引起的測量誤差比統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)差小很多，有限觀測點數(shù)引起的抽樣誤差也可忽略不計，因此，文中用網(wǎng)格內(nèi)的溫度統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)差來表征大氣總擾動是可行的，所得到的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和結(jié)果是可靠的.

4.2溫度標(biāo)準(zhǔn)差隨高度變化的分層結(jié)構(gòu)特性

從圖1上我們看到，溫度標(biāo)準(zhǔn)差在70 km以下較小，隨高度的增加增大的較緩慢，在90 km以上，溫度標(biāo)準(zhǔn)差隨高度迅速增加.圖4更直觀地給出了4月份， 38°N，115°E溫度標(biāo)準(zhǔn)差隨高度的增加趨勢，隨高度標(biāo)準(zhǔn)差增加的速度可用分段線性擬合表示，采用的數(shù)據(jù)分別為20～70 km和94～100 km.兩條擬合線的交點在85 km附近.

根據(jù)波動線性理論，大氣波(例如，行星波、重力波等)垂直向上傳播，振幅呈指數(shù)增加，如公式(7)所示(Holton and Alexander, 2000)：

(7)

圖4　溫度標(biāo)準(zhǔn)差在4月份，38°N，115°E的垂直廓線(黑實線)黑虛線是擬合線. 灰色虛點線是波動線性理論下振幅隨高度的變化.Fig.4　Temperature standard deviations in April, at 38°N, 115°E (black solid line)Black dash lines are the fitted line. Grey dash-dot lines give the vertical profiles of amplitude under linear wave theory.

其中A為振幅，z為高度，z0為參考高度，A0為參考高度上的振幅，H為標(biāo)高.由于溫度標(biāo)準(zhǔn)差σ可用于表征波動活動，因此在線性理論下σ隨高度的變化形式也如公式(7)所示，圖4中灰色虛點線條給出了幾個示例.與圖中黑色實線相比較，在較低高度范圍(20～70 km)變化趨勢符合得不好，理論情況下較實際σ扁平；但在較高高度范圍(94～100 km)變化趨勢幾乎一致，σ近乎呈指數(shù)增加，兩高度的分界層大約位于85 km(圖4中的正方形框).Offermann等(2006, 2009)把該分界面稱作“wave-turbopause”.其中可能的機(jī)制是，大氣波包在上下兩個高度范圍內(nèi)的傳播/耗散過程不同，還可能具有不同波動參數(shù)(頻率、波長、相位、振幅等)的波模.有觀測和模擬研究表明，對于低層大氣向上傳播的重力波，在80～90 km達(dá)到最大值會飽和破碎衰減，即所謂的臨界層吸收(Yi et al., 1991)，在臨界層之上仍有部分重力波繼續(xù)上傳，同時波包破碎后可能會激發(fā)次級波，由中間層向低熱層傳播的重力波，衰變過程和傳播過程可以同步完成(易帆，1998；劉曉等，2007).4.3溫度標(biāo)準(zhǔn)差變化規(guī)律的解釋

臨近空間大氣中主要的波動過程包括大氣重力波、定常行星波、傳播性行星波、以及大氣潮汐.本文的全球網(wǎng)格化統(tǒng)計的平均溫度中包含了隨經(jīng)度變化的定常行星波特性(Xiao et al., 2009)，網(wǎng)格內(nèi)溫度標(biāo)準(zhǔn)差σ主要由大氣重力波、傳播性行星波、以及大氣潮汐引起的波擾動.SABER儀器采用的是臨邊掃描，沿視線方向積分的方式，可觀測的最小水平波長受限，其受限程度隨垂直波長以及水平波矢量與視線方向的相對情況而變化.Preusse等(2008)分析了臨邊探測儀器的觀測范圍，典型可觀測到的波動的水平尺度是大于100～200 km.因而，小尺度重力波以及湍流等其他小尺度過程對網(wǎng)格內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)差的貢獻(xiàn)非常小.

由于臨邊觀測儀器的局限而不能夠測量的較短波長的擾動不是這個差異的來源，因為本文統(tǒng)計所用的數(shù)據(jù)與Preusse 等(2009)采用的是相同的數(shù)據(jù)，受到相同的觀測限制.張云等(2011)給出的平流層垂直波長為2～10 km的大氣重力波也可引起幾開爾文量級的標(biāo)準(zhǔn)差擾動量，這說明垂直波長5 km以下的大氣重力波可能是引起平流層差異量的一個原因.此外，傳播性行星波也可能是引起平流層擾動的一個重要來源.Chen和Lü(2009)利用SABER/TIMED溫度數(shù)據(jù)考察了20～70 km高度范圍傳播性行星波活動特性，結(jié)果顯示無論在熱帶外地區(qū)或以赤道為中心的熱帶地區(qū)，全年傳播性行星波活動都是相當(dāng)顯著的，在熱帶外地區(qū)，傳播性波動和定常波動表現(xiàn)出相近的季節(jié)活動性.圖2中看到的在冬季以及春秋季中高緯地區(qū)溫度標(biāo)準(zhǔn)差隨經(jīng)度變化的1個或者2個峰值結(jié)構(gòu)可能與大氣傳播性行星波有關(guān).

對于中間層，有研究表明，垂直波長5 km以下的大氣重力波的貢獻(xiàn)很小(Smith et al., 1987; Ern et al., 2006)，表明垂直波長5 km以下的大氣重力波不是引起中間層差異量的主要因素.在各種傳播性行星波成分中，準(zhǔn)2天波和準(zhǔn)6.5天波是其中最強(qiáng)的成分.強(qiáng)的準(zhǔn)2天波通常出現(xiàn)在夏季半球的中高緯地區(qū)，主要位于70 km以上，在溫度擾動中的最大振幅可達(dá)16.8 K，70 km以下冬季中高緯度地區(qū)也有幅度為幾開爾文的波動(Huang et al., 2013).6.5天波的波振幅隨著高度的增加而增大，最大的波振幅可能出現(xiàn)在80～90 km和105～110 km，最大增幅可達(dá)約15 K(Pancheva et al., 2010).對大氣潮汐波的研究結(jié)果表明，在70 km以下振幅很小，對總擾動量的貢獻(xiàn)小；在UMLT振幅比較大，尤其是在赤道附近，典型的數(shù)值是10～15 K(Zhang et al., 2006).這些結(jié)果表明，在UMLT(70～100 km)區(qū)域，除了大氣重力波以外，大氣準(zhǔn)2天波和準(zhǔn)6.5天的傳播性行星波、大氣潮汐波是引起大氣總擾動量的重要來源.假設(shè)各波動是隨機(jī)的，則網(wǎng)格內(nèi)σcal可以表達(dá)成：

(8)

5結(jié)論

針對臨近空間全球大氣擾動的定量描述這一難題，本文創(chuàng)新性地提出基于大量衛(wèi)星實測數(shù)據(jù)通過全球網(wǎng)格化及在網(wǎng)格內(nèi)作數(shù)學(xué)統(tǒng)計的方法，并把該方法應(yīng)用于TIMED/SABER 2002年1月至2013年1月共11年的衛(wèi)星溫度探測數(shù)據(jù)，得到了：緯度50°S—50°N，分辨率為4°；經(jīng)度0°—360°，分辨率為5°；高度20～100 km，分辨率為1 km；時間1—12月，分辨率為1月網(wǎng)格內(nèi)的溫度平均值和標(biāo)準(zhǔn)差.網(wǎng)格內(nèi)平均值表征大氣溫度的靜態(tài)緩變氣候值，標(biāo)準(zhǔn)差表征動態(tài)瞬變大氣擾動量(不含大氣定常行星波).這些統(tǒng)計結(jié)果可用于填補(bǔ)MSIS和CIRA等模式對溫度大氣總擾動的描述，對臨近空間大氣擾動的建模研究以及臨近空間大氣環(huán)境的預(yù)報研究具有非常重要的價值.

通過定量分析和討論溫度標(biāo)準(zhǔn)差的分布規(guī)律，結(jié)果表明：

(1) SABER儀器引起的測量誤差比統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)差小很多，有限觀測點數(shù)引起的抽樣誤差也可忽略不計，文中用網(wǎng)格內(nèi)的溫度統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)差來表征大氣總擾動是可行的，所得到的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和結(jié)果是可靠的.

(2) 溫度標(biāo)準(zhǔn)差隨高度變化有個顯著的分界層，通常位于70～90 km的高度上.大氣波動在上下兩個高度層的傳播/耗散機(jī)制可能不同，大氣總擾動在分界層以下高度呈線性增加，在分界層以上近乎呈指數(shù)增加.

(3) 在20～70 km的較低高度上，溫度標(biāo)準(zhǔn)差一般為1～10 K，有顯著的冬季/夏季的差異，冬季的溫度標(biāo)準(zhǔn)差比夏季大，并且南半球的冬季比北半球的冬季稍大，春秋兩季南北半球溫度標(biāo)準(zhǔn)差關(guān)于赤道對稱，隨高度逐漸增強(qiáng)，變化范圍為2～6 K.溫度標(biāo)準(zhǔn)差隨經(jīng)度有一定的變化，主要集中在40°S—50°S和/或40°N—50°N，呈現(xiàn)1個或者2個峰值結(jié)構(gòu).大氣重力波是該高度范圍溫度標(biāo)準(zhǔn)差的主要擾動來源，同時大氣傳播性行星波也有一定的貢獻(xiàn).

(4) 在UMLT(70～100 km)高度上，溫度標(biāo)準(zhǔn)差常年較強(qiáng)，一般為10～30 K，冬季/夏季的差異小，低緯地區(qū)的溫度標(biāo)準(zhǔn)差高于中高緯地區(qū)，溫度標(biāo)準(zhǔn)差隨經(jīng)度的分布較復(fù)雜，呈現(xiàn)許多局地化的小結(jié)構(gòu).這個特性主要是由大氣重力波擾動引起的，同時，大氣潮汐波、傳播性行星波(準(zhǔn)2天、準(zhǔn)6.5天)也是引起UMLT區(qū)域大氣總擾動量的重要擾動來源.

致謝作者感謝SABER工作組提供的觀測數(shù)據(jù)(http:∥saber.gats-inc.com/data_services.php).

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(本文編輯何燕)

Quantitative studies on the variations of near space atmospheric fluctuation

XIAO Cun-Ying1, HU Xiong1, WANG Bo1,2, YANG Jun-Feng1,2

1NationalSpaceScienceCenter,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

AbstractMethods of global gridding and mathematical statistics in the grids are developed in order to overcome the difficulty of characterizing the near space global atmospheric fluctuation quantitatively. With a total of 11 years of TIMED/SABER temperature data from January 2002 to January 2013, temperature means and standard deviations are obtained, which extend 50°S—50°N latitude (with a resolution of 4°), 0°—360° longitude (with a resolution of 5°), 20～100 km altitude (with a resolution of 1 km) in each month from January to December. Based on the quantitative results of the temperature standard deviations, the global morphology of near space atmospheric fluctuation and their related physical processes are studied in this paper. In the lower altitude between 20 km and 70 km, temperature standard deviations are generally 1～10 K. There are significant differences in the winter/summer. The temperature standard deviations are larger in winter than those in summer and larger in austral winter than in boreal winter. There are some changes with the longitude, mainly concentrated in the 40°S—50°S and/or 40°N—50°N, showing structures of wave 1 or wave 2. These features in 20～70 km altitude are mostly related with atmospheric gravity waves, also the travelling planetary waves. In the upper altitude between 70 km and 100 km, the temperature standard deviations are always strong, with typically values of 10～30 K. There are small differences in the winter/summer. The standard deviations are higher in low-latitude regions than those in high latitudes regions. Moreover, their longitudinal distributions are quite complex, presenting many of small local structures. Atmospheric gravity waves are the main process to disturb the atmosphere, and atmospheric tidal waves, travelling planetary waves (quasi-2-days, quasi-6.5-days) also contribute significantly to the total atmospheric fluctuation.

KeywordsNear space; Atmospheric fluctuation; Planetary waves; Tidal waves; Gravity waves; Quantitative description

基金項目國家自然科學(xué)基金(41104099)資助.

作者簡介肖存英，女，1982年生，博士，副研究員，碩士生導(dǎo)師，主要從事臨近空間大氣環(huán)境研究. E-mail：xiaocy@nssc.ac.cn

doi:10.6038/cjg20160404 中圖分類號P351

收稿日期2015-05-26，2015-09-18收修定稿

肖存英, 胡雄, 王博等. 2016. 臨近空間大氣擾動變化特性的定量研究.地球物理學(xué)報，59(4):1211-1221,doi:10.6038/cjg20160404.

Xiao C Y, Hu X, Wang B, et al. 2016. Quantitative studies on the variations of near space atmospheric fluctuation.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(4):1211-1221,doi:10.6038/cjg20160404.