“平流层顶抬升”(ES)是一种异常的大气现象，一般发生在北半球高纬的冬季(Waugh and R and el， 1999; Manney et al., 2008; Manney et al., 2009; France et al., 2012a).在中、低纬，由于大气中的臭氧直接吸收太阳短波辐射，在50 km左右出现温度极大值，此处对应着平流层顶.而在极区，由于太阳辐射远远少于中、低纬的，而且还受到各种动力驱动的影响，比如极区的气旋、反气旋和各种大气波动(Hitchman et al., 1989; Kanzawa，1989; Harvey and Hitchman， 1996; Thayer et al., 2010)，使得不能仅仅通过大气温度判定平流层顶.特别是在极区的冬季常有平流层突然增温(SSW)事件发生，10 hPa(～30 km)高度处的大气温度会突然增加几十开尔文，由此可能在更高的高度上(比如80 km左右)出现平流层顶，即ES(Waugh and R and el， 1999; Manney et al., 2008; Manney et al., 2009; De la Torre et al., 2012; France and Harvey， 2013).

在过去的10年里，对于北半球ES事件的观测研究大部分基于卫星数据.Manney 等(2008，2009)利用MLS(Microwave Limb Sounder)数据发现，在2006年的北半球极区发生了强SSW不久后就出现了ES事件，他们认为这次ES事件与极涡有关.France 等(2012a)利用同样卫星的数据研究2006年和2009年发生的ES事件，发现这两次事件都被限制在涡旋中心并且与斜压不稳定性所引起的非地转活动有关，从而进一步证明了ES事件与极涡有关.通过SMR(Sub-Millimeter Radiometer)数据，Orsolini 等(2010)分别在2004年、2006年和2009年极区冬季的～80 km高度处观测到ES，直到1.5～2个月后恢复到正常位置，而且他们同样认为ES的产生与极涡有关.除了分析ES与极涡的关系外，也有不少关于ES期间重力波活动变化的研究.由于极区冬季的平流层顶易受各种驱动影响(Hitchman et al., 1989; Harvey and Hitchman， 1996)，重力波活动的任何变化都会对大气的温度结构产生重要影响(Zhang et al., 2001)，这意味着极区冬季的平流层顶对重力波驱动十分敏感，比如在2006年和2009年重力波活动异常引起极区冬季平流层顶的抬升(Siskind et al., 2007; Thurairajah et al., 2010a; Wright et al., 2010; Yamashita et al., 2013).本文利用2003—2011年的SABER/TIMED温度数据，分别在2006年、2009年和2010年的高纬冬季观测到ES，其中2010年的ES事件是第一次被观测研究，并且这3次事件都发生在伴随着极涡分裂的强SSW之后.本文同时给出了长达9年的高纬冬季的重力波活动的气候学观测结 果，比较分析重力波活动在ES事件发生前后的变化.

本文第2节简单介绍SABER的1.07版本的温度数据以及从中提取重力波的方法.利用2003—2011年北半球高纬(70°N)冬季(1—3月)的25～85 km高度范围内的SABER/TIMED 温度数据，第3节详细研究2006年、2009年和2010年发生的ES事件.相应的重力波活动的变化将在第4节分析研究，其中还包括重力波活动与ES事件的相关性分析.最后是结论.

SABER(Sounding of the Atmosphere using Broadb and Emission Radiometry)仪器搭载在TIMED(Thermosphere Ionosphere Mesosphere Energetics and Dynamics)卫星上，于2002年1月底开始工作，利用波长从1.27 μm到17 μm的10个通道临边探测20～120 km高度范围内的大气温度.当SABER向北观测时纬度覆盖范围是50°S—82°N，60天后交换观测方向，即SABER向南观测，此时纬度覆盖范围是82°S—50°N，所以观测数据在纬度50°N/S以上的时间覆盖上不连续.

本文利用SABER的level2A索引中的1.07版本温度数据分析研究，这主要是因为其系统误差比之前版本的要小些.由于1.07版本的数据考虑了非局地热平衡，Garcia等(2008)认为其系统误差在95 km以下不超过±1.5 K.

因为ES事件发生在北半球高纬冬季的中间层顶以下(Waugh and R and el， 1999; Manney et al., 2008; Manney et al., 2009; Orsolini et al., 2010; France et al., 2012b; Yamashita et al., 2013)，所以我们主要分析2003—2011年1—3月从平流层到中间层(25～85 km)的SABER温度数据，其垂直分辨率是2 km(Mertens et al., 2004)，并将数据在70°N上划分4°的纬度带.同时考虑到ES事件的持续时间(Orsolini et al., 2010)，将纬向日平均值作为70°N的大气温度.

2003—2011年70°N的大气纬向日平均温度随时间(1—3月)、高度(25～85 km)的变化如图 1所示.冬季平流层顶(定义为25～85 km高度范围内温度极大值所对应的高度)一般出现在50 km左右(40～60 km)，这与之前的观测结果相一致(France et al., 2012a; France and Harvey， 2013).然而，在2006年、2009年和2010年的1月末—2月初，大气温度结构出现异常，即在更高的高度上(75 km以上)出现一个温度极大值.De la Torre 等(2012)将平流层顶突然上升15 km以上的现象定义为一次ES事件.我们采用同样的标准，将2006年、2009年和2010年冬季的平流层温度结构异常的现象认为是ES事件，其中2006年和2009年的ES事件已被多次观测报道(Manney et al., 2008; Manney et al., 2009; Orsolini et al., 2010; Thurairajah et al., 2010a; France et al., 2012a; Yamazaki et al., 2012)，而2010年的ES事件是第一次被观测到.

图 1

Fig. 1

图 1 2003—2011年的大气纬向日平均温度在70°N 随时间(1—3月)、高度(25～85 km)的变化 用“Ss”和“Se”标记的虚线分别表示伴随着极涡分裂的强SSW的开始和结束时间，用“Ds”和“De”标记的虚线分别表示伴随着极涡位移的强SSW的开始和结束时间.图中空白部分表示无数据. Fig. 1 Daily zonal average atmospheric temperature at height 25~85 km at 70° N in winter months(January—March) between 2003 and 2011 Dashed lines marked with “Ss” and “Se” denote，respectivley，the start and end times of major SSW accompanying with the vortex splitting in corresponding year. Dashed lines marked with “Ds” and “De” denote，respectively，the start and end times of major SSW accompanying with the vortex displacement in corresponding year. Blank means no data.

在2010年观测到一次明显的ES事件.在2月份之前，平流层顶的高度和温度分别是～50 km和～260 K.在2月9日的79 km高度处突然出现一个温度极大值221 K，即为ES；此时，在25～85 km高度范围内出现了两个温度极大值，分别是50 km附近的温度极大值～260 K和80 km附近的温度极大值～220 K.随着时间的推移，较低的平流层顶的高度以～1 km/day的平均速度逐渐下降，直至2月15日完全消失.与此同时，ES的高度也随时间逐渐下降，但是其温度逐渐升高；到3月11日的时候，平流层顶的高度恢复到52 km、温度上升至263.0 K；通过计算得知，在此期间，ES高度的平均下降速度是 0.7 km/day，ES温度的平均上升速度是0.6 K/day.

除了2010年，图 1中的结果还显示在2006年和2009年的冬季北半球极区也发生了ES事件，这 与以前的观测结果一致(Siskind et al., 2007; Manney et al., 2008; Manney et al., 2009; Thurairajah et al., 2010a; Wright et al., 2010; France et al., 2012a; Yamashita et al., 2013).在这两次事件中，在1月末—2月初的～50 km和～80 km高度处分别出现了温度极大值～260 K和～230 K，即平流层顶突然由原来的50 km左右上升至80 km左右，其中较小的温度极大值所对应的较高高度就是ES；在ES事 件发生后的一个月左右(大约在3月份)，ES的高度和温度都恢复至ES事件发生前的水平.因此在ES事件的恢复期，ES高度的平均下降速度在2006年和2009年分别是 0.6 km/day和0.5 km/day，ES温度 的平均上 升速度在2006年和2009年分别是0.8 K/day和0.5 K/day. 除了ES的高度和温度的恢复速度在3次 ES事件中不同外，平流层顶的高度和温度变化范围(正 常的平流层顶与抬升后的平流层顶的高度/温度差)也不同，其中2010年的高度变化最小、而温度变化最大.

此外，2006年、2009年和2010年的ES事件均发生在伴随着极涡分裂的强SSW之后，其发生和结束时间分别在图 1中用带有字母“S_s”和“S_e”的 虚线标记出来(Yamazaki et al., 2012; Goncharenko et al., 2013). 然而在其他年份，如发生了伴随着极涡位移的强SSW的2008年以及没有发生强SSW的正常年份2003年，都没有出现ES事件.因此，换句话说，在伴随着极涡分裂的强SSW事件发生后都出现了ES.

虽然Orsolini 等(2010)利用Orid探测卫星在70°N的2004年12月发生的伴随着极涡分裂的强SSW之后观测到ES事件，而SABER在此期间没有观测数据，故图 1中没有标注出这次强SSW的开始和结束时间.但是除此之外，2003—2011年的其他ES和强SSW事件都发生在1—3月(Manney et al., 2008; Manney et al., 2009; Orsolini et al., 2010; Thurairajah et al., 2010a; Thurairajah et al., 2010b; France et al., 2012a; France et al., 2012b; Yamazaki et al., 2012)，且此期间SABER有连续的观测数据.因此，由于SABER/TIMED观测的不连续性造成高纬冬季的1月之前和3月之后的数据缺失不会影响ES事件的结论.

在2006年、2009年和2010年冬季的北半球高纬地区，ES事件发生在伴随着极涡分裂的强SSW之后(Yamazaki et al., 2012; Goncharenko et al., 2013).当极区发生强SSW时，平流层(～10 hPa)的温度在几天内突然增加几十开尔文，同时绕极环流明显减弱甚至崩溃而出现东风气流.然后向东传播的重力波可以上传至中间层，在80 km左右破碎并释放能量，从而可能改变该区域的大气温度结构(Waugh and R and el， 1999; Manney et al., 2008; Manney et al., 2009; Orsolini et al., 2010; Siskind et al., 2010; Thurairajah et al., 2010a; Thurairajah et al., 2010c; Ch and ran et al., 2011; Ren et al., 2011；De la Torre et al., 2012; France and Harvey， 2013). 因此在ES期间的各种大气波动中，我们主要研究重力波活动的变化.

利用卫星观测得到的温度剖面中包含背景温度和各种大气扰动(比如行星波、潮汐和重力波等)，所以从中正确提取重力波成分(纬向波数大于6)是十分必要的(Preusse et al., 2002).我们利用Shuai 等(2014)提出的方法从SABER温度数据中提取重力波：首先，从每个温度剖面中减去纬向日平均值，其中包括背景温度和迁移潮；然后，再从中一一减去拟合得到的所有可能的行星尺度(纬向波数小于6)波动；最后得到的残余量即认为是重力波成分，并将其平方量作为重力波活动强度.由此我们得到70°N的重力波活动随时间(1—3月)、高度(25～85 km)的变化，如图 2所示.

图 2

Fig. 2

图 2 2003—2011年的纬向日平均重力波活动在70°N 随时间(1—3月)、高度(25～85 km)的变化 用“Ss”和“Se”标记的虚线分别表示伴随着极涡分裂的强SSW的开始和结束时间，用“Ds”和“De”标记的虚线 分别表示伴随着极涡位移的强SSW的开始和结束时间.图中空白部分表示无数据. Fig. 2 Daily zonal average gravity wave activity at height 25~85 km at 70° N in winter months(January—March) between 2003 and 2011 Dashed lines marked with “Ss” and “Se” denote，respectivley，the start and end times of major SSW accompanying with the vortex splitting in corresponding year. Dashed lines marked with “Ds” and “De” denote，respectivley，the start and end times of major SSW accompanying with the vortex displacement in corresponding year. Blank denotes no data.

在2010年的ES事件发生前，中间层的重力波活动强度是平流层的2倍左右，比如在1月28日，重力波活动在50 km是15.6 K²、在80 km是32.1 K²，但是在正常年份里(没有强SSW和ES事件)中间层的重力波活动强度几乎是平流层的10倍左右(Ern et al., 2011).在ES事件发生前后(1月31日—2月15日)，75 km以上的重力波活动明显增强，最大值25.6 K²出现在2月8日的81 km处，正好对应着ES的出现时间和高度；而75 km以下的重力波活动强度突然减小.随后，重力波活动在75 km以上逐渐减弱、在75 km以下逐渐增强，比如从2月8日到3月10日，重力波活动强度在81 km高度处由25.6 K²减弱至18.0 K²、在50 km高度处由4.5 K²增强至10.9 K²；在此期间，ES随时间逐渐下降.因此，平流层顶随时间的变化与重力波活动的变化相关联；特别是在2月初的80 km左右，重力波活动的增强正好对应着ES事件的发生.

在2006年和2009年的ES事件中(Yamazaki et al., 2012; Goncharenko et al., 2013)，重力波活动随时间的变化与2010的比较一致.比如，重力波活动在ES事件发生前夕，其强度在中间层比在平流层大一倍左右；到1月末—2月初，重力波活动在80 km附近突然增强，此处对应着ES的出现，而75 km以下的重力波活动急剧减弱；在2月份之后，75 km以上的重力波活动逐渐减弱而75 km以下的重力波活动逐渐增强，同时ES随时间下降直至回到原来的位置.

通过对比图 2中不同年份的重力波活动随时间的变化规律可以很明显地看到，重力波活动在没有发生ES事件的年份里和在发生了ES事件的年份里是完全不一样的.在2003年、2005年、2007年和2011年(正常年份)，重力波活动只随高度变化而几乎不随时间变化；其中2011年的重力波活动比其他年份的相同高度、相同时间的重力波活动强些，这可能是因为太阳活动强度与重力波活动呈现反相关(Goncharenko et al., 2013).在2008年的1月末虽然发生了伴随着极涡位移的强SSW事件(Wang and Alex and er， 2009)，但是不同高度的重力波活动在1—2月几乎没有变化、到2月份之后整体减弱.

为了研究ES事件和重力波活动的关联，我们计算70°N的大气温度和重力波活动的相关系数.考虑到ES出现在伴随着极涡分裂的强SSW之后且其高度、温度均随时间变化，所以我们将每个高度上从SSW发生到ES发生的时间段内的大气温度与重力波活动进行相关性分析，得到25～85 km高度范围内相关系数，如图 3a所示.从图中很明显地看到，2006年、2009年和2010年的相关系数随高度的变化比较一致.在30～60 km高度范围内，相关 系数大于0.5，其中2006年的最大相关系数0.9出 现在45 km、2009年的最大相关系数0.7出现在51 km、 2010年的最大相关系数0.9出现在47 km，这说明重力波可能对ES的形成有重要影响.在70 km左右，相关系数达到极小值.在更高的高度上(75 km以上)，相关系数随高度逐渐增大且均为正值，说明在ES出现的高度范围内大气温度与重力波活动呈 正相关.总体而言，重力波活动与ES事件呈正相关.

根据重力波活动随时间的变化情况以及是否发生特殊事件(如强SSW)的年份类型，将2003—2012年(除2006年、2009年、2010年和2012年)的相关系数再分为两组讨论，其结果分别如图 3b和3c所示.在2008年的冬季发生了伴随着极涡位移的强SSW事件但没有发生ES事件，计算得到的相关系数在大部分高度上小于0.5(图 3b)，其中与发生ES年份里的相关系数最大的不同是30～60 km高度范围内的相关系数几乎为0.在其他的正常年份(没有发生SSW和ES事件)2003年、2005年、2007年和2011年里，相关系数在40～70 km高度范围内几乎为0(图 3c).

图 3

Fig. 3

图 3 大气温度和重力波活动的相关系数分别在(a)2006年(实线)、2009年(点线)、2010年(虚线)，(b)2008年(实线)， (c)2003年(实线)、2005年(点线)、2007年(虚线)和2011年(虚/点线)的冬季(1—3月)随高度(25～85 km)的变化 Fig. 3 Correlation coefficients between the atmospheric temperature and GW activity versus height(25~85 km)in the winter(January—March)of(a)2006(solid curve)，2009(dotted curve) and 2010(dashed curve)，in(b)2008(solid curve)，in(c)2003(solid curve)，2005(dotted curve)，2007(dashed curve) and 2011(dashed dot curve)

在图 3中，没有2004年的大气温度与重力波活动的相关系数，这主要是因为2004年的强SSW发生在12月份(Pancheva et al., 2008；France et al., 2012a)，而此时SABER没有观测数据，故没有计算大气温度与重力波活动的相关系数.然而，在长达9年的统计分析中，仅1年(2004年)的数据缺少不会影响重力波活动与ES事件相关性的结论.

本文利用1.07版本的SABER/TIMED温度数据统计研究2003—2011年北半球高纬(70°N)冬季(1—3月)的25～85 km高度范围内发生的ES事件.根据将平流层顶上升高度大于15 km的现象定义为ES事件的标准，我们分别在2006年、2009年和2010年冬季观测到ES.

这3次ES事件都发生在1月末—2月初，平流层顶的高度由～50 km突然上升到～80 km，而对应的平流层顶温度由260 K左右下降至230 K左右，其中较小的温度极大值对应的较高高度即为ES.随着时间的推移，ES的高度逐渐下降而温度逐渐上升.直到ES发生的一个月后(3月份左右)，平流层顶的高度和温度都恢复到ES事件发生前的水平.然而，在这3次ES事件中也存在一些差异，比如，通过计算ES的恢复速度，得到ES高度的平均下降 速度在2006年、2009年和2010年分别是0.6 km/day、 0.5 km/day和0.7 km/day，ES温度的平均上升速度在2006年、2009年和2010年分别是0.8 K/day、0.5 K/day和0.6 K/day；平流层顶的温度和高度变化(即正常的平流层顶和抬升后的平流层顶之间的差值)在2010年分别最小和最大.

值得注意的是，所观测到的ES事件均发生在伴随着极涡分裂的强SSW事件之后，反之亦然，即在伴随着极涡分裂的强SSW事件之后都发生了ES；而在发生了伴随着极涡位移的强SSW的2008年里，没有观测到ES事件.此外，在2006年、2009 年和2010年的1月末—2月初，重力波活动在～80 km 高度处增强，正好对应着ES的出现时间和高度；而75 km以下的重力波活动强度突然减小.这可能是因为西风突然减弱甚至发生反转，使得向东传播的重力波能上传至中间层并饱和破碎(Manney et al., 2008; Manney et al., 2009; Orsolini et al., 2010; Ch and ran et al., 2011; Ren et al., 2011; De la Torre et al., 2012; France and Harvey， 2013).在ES事件的恢复期，重力波活动在75 km以上逐渐减弱、在75 km以下逐渐增强，此时ES随时间下降直至恢复到原来位置.因此，平流层顶随时间的变化与重力波活动有关.

为了研究重力波活动与ES事件的关联，我们计算了2006年、2009年和2010年的重力波活动与大气温度在25～85 km高度范围内的相关系数.在40～60 km高度范围内，相关系数大于0.5，这说明重力波活动可能对ES的产生有重要影响.然而，在其他没有发生ES事件的年份里，重力波活动与大气温度的相关系数都较小.