風(fēng)場是表征大氣環(huán)流和動力學(xué)結(jié)構(gòu)的直接參數(shù)，能夠通過波流相互作用影響大氣波動的傳播，通過中性成分與帶電粒子之間的碰撞而影響電離層等。然而，目前對全球中高層大氣風(fēng)場的探測還面臨巨大挑戰(zhàn)，地基和衛(wèi)星的風(fēng)場探測還局限于某些高度范圍，無法得到平流層至低熱層整個高度范圍的完整風(fēng)場。因此，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心（以下簡稱“空間中心”）太陽活動與空間天氣重點實驗室科研人員結(jié)合TIME/SABER衛(wèi)星和子午工程以及其它地基觀測，結(jié)合平衡風(fēng)理論，自主重構(gòu)了具有長期連續(xù)時空分布的中高層大氣風(fēng)場，在一定程度上解決大氣動力學(xué)和電動力學(xué)的研究和應(yīng)用對風(fēng)場數(shù)據(jù)的緊迫需求。
近日，空間中心徐寄遙研究員和劉曉教授等人，基于自主重構(gòu)的中高層大氣風(fēng)場，利用其長期連續(xù)時空分布優(yōu)勢，研究了中高層大氣風(fēng)場的季節(jié)變化和長期變化特性、及其對太陽活動、準(zhǔn)兩年震蕩(Quasi-biennial oscillation, QBO)和厄爾尼諾與南方濤動(El Ni？o-Southern Oscillation, ENSO)的響應(yīng)。并利用再分析數(shù)據(jù)MERRA-2 (Modern-Era Retrospective analysis for Research and Applications, version 2)對70 km高度以下的結(jié)果進行了比較。
早期的研究表明，中高層大氣風(fēng)場的變化特性和響應(yīng)與地理位置和時間跨度密切相關(guān)，在不同位置和不同時間段甚至得到相反的結(jié)果。潛在原因是動力學(xué)過程具有區(qū)域依賴性，不同時間段的太陽活動和ENSO的強度也不同，從而導(dǎo)致不同的變化特性和響應(yīng)。
劉曉等利用長期連續(xù)(2002–2019)的具有全球覆蓋(18–100 km, 50°S–50°N)的風(fēng)場數(shù)據(jù)，通過區(qū)分不同的時間跨度(對應(yīng)于不同的太陽活動和ENSO的度)，對這一問題進行系統(tǒng)研究。結(jié)果表明：(1) 在平流層，重構(gòu)風(fēng)場和MERRA-2風(fēng)場的季節(jié)變化和長期變化有著類似的緯度–高度分布；(2) 緯向風(fēng)對QBO的響應(yīng)具有南北半球不對稱性，且隨著高度增加由正響應(yīng)變?yōu)樨撓鄳?yīng)并向高緯地區(qū)擴展；(3) 緯向風(fēng)對太陽活動和ENSO的響應(yīng)在南半球極區(qū)平流層射流附近最強；(4) 時間跨度長短對季節(jié)變化和對QBO的響應(yīng)影響很小，對ENSO的響應(yīng)次之，而對太陽活動和長期變化趨勢的影響最大。北半球經(jīng)常發(fā)生的平流層爆發(fā)增溫能夠影響這些變化和響應(yīng)的強度，而不影響其形態(tài)結(jié)構(gòu)。
依據(jù)觀測數(shù)據(jù)重構(gòu)的全球緯向風(fēng)場及其各種尺度的變化特性為模式研究和地基觀測提供了有益的補充。該研究成果于近期發(fā)表在國際著名期刊Atmospheric Chemistry and Physics上。
圖 季節(jié)變化(1–3列分別對應(yīng)于年變化、半年變化和1/3年變化)的振幅(等值線)和相位(顏色)以及擬合優(yōu)度R2 (第4列)。上下兩行分別表示重構(gòu)風(fēng)場和MERRA-2風(fēng)場的結(jié)果。
中高層大氣風(fēng)場數(shù)據(jù)鏈接：
Liu, X., Xu, J., Yue, J., Yu, Y., Batista, P. P., Andrioli, V. F., Liu, Z., Yuan, T., Wang, C., Zou, Z., Li, G., and Russell III, J. M.: Global Balanced Wind Derived from SABER Temperature and Pressure Observations and its Validations, V1, sadr [data set], https://doi.org/10.12176/01.99.00574
論文鏈接：
Liu, X., Xu, J., Yue, J., Yu, Y., Batista, P. P., Andrioli, V. F., Liu, Z., Yuan, T., Wang, C., Zou, Z., Li, G., & Russell, J. M. (2021). Global balanced wind derived from SABER temperature and pressure observations and its validations. Earth System Science Data, 13(12), 5643–5661. https://doi.org/10.5194/essd-13-5643-2021
Liu, X., Xu, J., Yue, J., & Andrioli, V. F. (2023). Variations in global zonal wind from 18 to 100 km due to solar activity and the quasi-biennial oscillation and El Ni？o–Southern Oscillation during 2002–2019. Atmospheric Chemistry and Physics, 23(11), 6145–6167. https://doi.org/10.5194/acp-23-6145-2023.
（供稿：天氣室）
