地球物理学报  2018, Vol. 61 Issue (2): 449-457   PDF    
廊坊地区中间层顶钠原子垂直动力学输送特征观测分析
巴金1,2,4, 胡雄1, 闫召爱1,3, 郭商勇1, 程永强1, 杨钧烽1     
1. 中国科学院国家空间科学中心, 北京 100190;
2. 中国科学院大学, 地球科学学院, 北京 100049;
3. 中国科学院大学, 北京 100049;
4. 中国科学院空间应用工程与技术中心, 北京 100094
摘要:利用中科院国家空间科学中心廊坊观测站(40.0°N, 116.3°E)钠荧光多普勒激光雷达观测数据对钠原子的重力波输送和湍流输送进行分析, 利用流星雷达观测数据对钠原子的环流输送进行分析, 结果显示重力波动力学输送、重力波化学输送、湍流混合输送及环流输送对钠原子输送贡献的量级相当.其中重力波动力学输送在85~100 km整体为负向, 在90~95 km占主要地位的平均输送速度为-3.1 cm·s-1; 重力波化学输送在85~94 km为正向, 94~100 km基本为负向, 在85~90 km占主要地位的平均输送速度为3.3 cm·s-1; 湍流混合输送在85~95 km为负向, 95~100 km为正向, 在85~90 km占主要地位的平均输送速度为-4.9 cm·s-1; 85~100 km环流输送整体为正向, 平均输送速度为1 cm·s-1.88~95 km四种动力学输送产生的平均合速度为-1 cm·s-1, 负向的垂直输送特征对钠原子"源""汇"平衡十分重要.本文结果可为不同大气圈层之间重力波产生的能量物质交换机制研究和圈层之间的耦合过程研究提供观测事实参考, 为大气化学成分的垂直输送机制建模提供参数化依据.
关键词: 钠原子      重力波      动力学输送      化学输送      湍流混合输送      环流输送     
Observation analysis on the characteristics of vertical dynamical transport of sodium atoms in the mesopause region over the Langfang area
BA Jin1,2,4, HU Xiong1, YAN ZhaoAi1,3, GUO ShangYong1, CHEN YongQiang1, YANG JunFeng1     
1. National Space Science Center, Chinese Academy of Science, Beijing 100190, China;
2. University of Chinese Academy of Science, College of Earth Sciences, Beijing 100049, China;
3. University of Chinese Academy of Science, Beijing 100049, China;
4. Technology and Engineering Center for Space Utilization, Chinese Aacademy of Sciences, Beijing 100094, China
Abstract: Profiles of sodium atoms density, vertical wind and temperature data derived from a sodium fluorescence Doppler Lidar of National Space Science Center at Langfang station (40.0°N, 116.3°E) were used to study the gravity wave-induced dynamical transport, chemical transport and turbulence mixing transport of Na atoms.Meridional wind data derived from a Meteor radar were employed to characterize the advection transport in the mesopause region.The results show that four dynamical transport mechanisms of sodium atoms are roughly comparable between 85 and 100 km, wave-induced dynamical transport is overall downward and the dominated mean velocity is -3.1 cm·s-1 between 90 and 95 km.Wave-induced chemical transport is upward below 94 km and the dominated mean velocity is 3.3 cm·s-1 between 85 and 90 km.Turbulence mixing transport is downward from 85 to 95 km and upward from 95 to 100 km, the dominant mean velocity is -4.9 cm·s-1 between 85 and 90 km.Advective transport is overall upward, the mean velocity is 1 cm·s-1 between 85 and 100 km.These four dynamical transport mechanisms produce a combined velocity of -1 cm·s-1 between 88 and 95 km, and downward dynamical transport mechanisms play a very important role in the balance of sodium layer.These results could provide observation references to the research on exchange mechanism of energy and atmospheric composition induced by gravity waves and the coupling process between different atmospheric layers, and guidance to parameterization of the atmospheric met al model.
Key words: Sodium atom    Gravity wave    Dynamical transport    Chemical transport    Turbulence mixing    Advective transport    
0 引言

大气中间层顶区域的钠层“源”“汇”平衡是一个非常复杂的耦合过程, 钠原子垂直数密度变化特性受到大气动力学、大气化学、太阳辐射等多方面因素影响(Plane, 2003).流星烧蚀产生的钠原子注入效应直接形成钠原子的“源”(Vondrak et al., 2008); 白天太阳辐射电离Na原子形成Na+(McNeil et al., 2002), Na原子和O2+、NO+的离子反应在95 km以上维持Na原子和Na+的平衡(Plane, 2004); 90 km以下Na原子中性化学反应形成NaHCO3造成Na元素的沉降(Plane, 2003); 大气波动在垂直方向上对钠原子产生驱动力, 造成钠原子垂直密度变化(胡雄等, 2003; Gardner et al., 2014); 中间层顶区域的背景环流也会对钠原子产生动力学输送(Fritts and Alexander, 2003; Gardner and Liu, 2010).在这些因素中, 大气波动引起的垂直动力学输送对钠原子数密度的影响作用少为人知, 特别是重力波活动在不同大气圈层之间能量物质交换过程中所起的作用还处在研究阶段.大气波动耗散导致钠原子扰动不能回归平衡位置, 使之在垂直方向上发生净位移(Liu and Gardner, 2004); 波动扰动能直接改变钠原子化学反应中各种化学成分的混合比, 增强或减弱钠原子的化学反应过程, 影响钠原子数密度变化(Hickey and Plane, 1995); 大气波动破碎后产生小尺度湍流和涡旋运动, 对钠层密度梯度产生均匀混合作用(Lindzen, 1981).综上, 对大气波动引起的钠原子垂直动力学输送深入研究有助于了解钠层的“源”“汇”平衡机制, 也能更全面理解低热层与中间层物质和能量交换的耦合关系.

Colegrove等(1966)利用氧原子浓度观测数据研究发现重力波破碎后产生的湍流和涡旋运动会引起均匀混合效应, 降低不同密度区域之间的密度梯度; Walterscheid和Schubert(1989)利用Dynamical-Chemical模式研究发现耗散和非耗散重力波产生的垂直扰动会改变大气中不同化学成分的混合比, 造成大气化学成分在垂直方向上浓度的重新分布, 形成重力波化学输送机制; Alexander和Holton(1997)利用Cloud-Resolving模式研究发现重力波耗散会对大气示踪物产生负向的垂直输送; Liu和Gardner(2004)利用美国Starfire Optical Range观测站(下文均简称SOR, 35°N, 106.5°W)的钠层测风测温激光雷达数据发现重力波产生的动力学输送与涡旋输送二者相当; Gardner和Liu(2010)进一步利用SOR多年观测资料对重力波动力学、化学、湍流混合以及背景环流输送进行系统分析, 发现钠原子动力学输送机制产生的输送速度仅为cm·s-1量级, 且存在一定的季节变化特征.

目前为数不多的高分辨率观测结果不能完全解释和描述钠原子的运动和输送特征, 钠原子垂直输送的全球变化特征还需要更多观测数据的支持(Gardner et al., 2014).巴金等(2017)利用中国科学院国家空间科学中心廊坊观测站(40.0°N, 116.3°E)钠荧光多普勒激光雷达观测数据, 给出了位于东半球重力波耗散引起的钠原子垂直通量输送的观测结果; 在此基础上, 本文将采用钠激光雷达和流星雷达观测数据联合的方法, 对影响中间层顶钠原子数密度变化的垂直动力学输送机制开展观测研究, 描述了东半球中间层顶区域钠原子平均垂直输送特性结果, 与SOR观测结果相比有新的发现, 对比意义重大.

1 观测数据

观测数据采用中科院国家空间科学中心廊坊站(40.0°N, 116.3° E)钠荧光多普勒激光雷达和流星雷达的观测数据, 激光雷达数据用来分析重力波和湍流输送, 流星雷达数据用于分析背景环流输送.

廊坊站钠激光雷达能够同时发射三束激光, 分别指向天顶方向、天顶偏东20°、天顶偏北20°, 采用3个直径1 m的望远镜分别接收以上三个方向的大气回波信号, 以同时探测80~105 km大气三维风廓线、温度廓线和钠原子数密度廓线(Hu et al., 2011), 并开展了相应的稳频(Yan et al., 2009)、反演算法和误差分析的研究(徐丽等, 2009, 2010).数据采用2010—2013年共82 h的钠原子数密度、温度、垂直风观测数据, 如表 1所示.数据有效时间分辨率为15 min, 垂直分辨率1 km, 平均每晚观测时长为4.5 h.由于观测时长因素, 本文研究只讨论重力波的影响, 不讨论大气潮汐的影响.该激光雷达获得的温度廓线、三维风廓线和钠原子密度廓线数据已用于中间层顶温度结构(Hu et al., 2011)、准单色大气重力波活动特性(王博, 2016), 突发钠层观测分析(程永强等, 2016)以及大气模型验证等研究工作.

表 1 钠荧光多普勒激光雷达观测数据分布 Table 1 Observation data distribution of sodium fluorescence Doppler lidar

廊坊站流星雷达是一个全天空干涉流星雷达系统, 其探测原理是接收流星尾迹反射回来的甚高频回波信号, 根据信号的多普勒频移, 反演得到大气风场的速度和方向(Hocking et al., 2001), 流星雷达观测数据采用2012-03-31—2013-04-01共计279天水平风场观测数据(每天观测时间不少于18 h), 时间分辨率1 h, 垂直分辨率2 km.该流星雷达风场观测数据已用于大气潮汐特性的研究(杨钧烽, 2016).

2 研究方法

根据钠原子垂直动力学输送机制原理的不同, 可以把钠原子垂直动力学输送分为三大类(Gardner and Liu, 2010; Gardner et al., 2014):第一类是大气波动扰动直接引起的输送机制, 包括大气波动动力学输送(Wave-Induced Dynamical Transport)和大气波动化学输送(Wave-Induced Chemical Transport); 第二类是大气波动破碎后形成的湍流混合输送(Turbulence Mixing Transport).大气重力波引起的以上输送机制采用钠激光雷达数据进行分析; 第三类是背景环流输送(Advective Transport).这里采用流星雷达观测数据进行分析.

2.1 数据处理方法

所有观测数据首先以廓线为单位, 通过3倍标准差法检验剔除异常值.激光雷达观测数据扰动的提取方法为:对每晚每个高度观测数据的时间序列进行线性拟合, 然后通过求残差的方法获得扰动量, 如公式(1)所示, w′为提取的扰动, wob为观测到的垂直风, linear trend为该高度上时间序列的线性拟合趋势.相比减去时间序列的平均值, 减去线性趋势能更好地消除潮汐等长波对重力波扰动量的影响(Gardner and Yang, 1998; Gardner and Liu, 2007).流星雷达数据用于背景环流统计, 不用提取扰动.公式(1)为

(1)

激光雷达观测数据统计得到的三维风速扰动u′v′w′、温度扰动T′、钠原子数密度扰动ρ′Na是由重力波扰动引起, 属于大气的随机过程, 由中心极限定理(Central Limit Theorem)可知扰动量的分布属于零均值的高斯分布.扰动量分别的测量误差Δu、Δv、Δw、ΔT、ΔρNa主要由光子噪声产生, 虽然光子噪声属于泊松分布, 但是在大量样本条件下泊松分布趋于高斯分布, 因此测量误差的分布也属于零均值的高斯分布(巴金等, 2017).

2.2 重力波垂直输送机制

重力波产生的钠原子垂直输送包括动力学输送和化学输送, 要分别对这两种输送进行研究, 首先要统计重力波产生的总垂直输送通量.

重力波产生的钠原子垂直通量(Gravity Flux)表示为垂直风扰动和钠原子数密度扰动的乘积, 如公式(2)所示(Liu and Gardner, 2004).通过上节的分析可得, 利用观测数据统计得到的钠原子数密度扰动ρNa、温度扰动T′、垂直风扰动w′和其分别的测量误差ΔρNa、ΔT、Δw都属于零均值的高斯分布特征, 即ρ′Na=0、T′=0、w′=0、ΔρNa=0、Δw=0、ΔT=0 (巴金等, 2017), 因此公式(3)表示平均钠原子垂直通量不受测量误差影响.公式(4)表示重力波产生的垂直输送速度wNa为平均钠原子垂直通量与平均钠原子数密度的比值.根据每晚观测数据提取到的垂直风扰动和钠原子数密度扰动, 利用公式(3)可统计得到82 h平均钠原子垂直通量.根据公式(3)的统计结果和每晚上钠原子平均数密度数据, 利用公式(4)可统计得到82 h平均重力波产生的钠原子输送速度.公式(2)—(4)为

(2)

(3)

(4)

2.2.1 重力波动力学输送机制

重力波动力学输送是指在钠原子稳定的化学生命周期内, 把钠原子看作惰性物质不考虑其化学反应过程; 当耗散的重力波通过大气, 受扰动的钠原子不能回归其平衡位置, 在垂直方向发生净位移, 产生垂直输送效应.中间层顶区域钠原子的化学生命周期为10-1~100 h(Plane et al., 1998), 与该区域耗散活动显著的中小尺度重力波周期相当(Li et al., 2011), 重力波耗散产生的动力学输送过程就可利用重力波耗散产生的垂直热量输送过程来表示(Walterscheid, 2001; Liu and Gardner, 2004, 2005).

首先统计重力波耗散产生的垂直热通量(Heat Flux).重力波耗散产生的垂直热通量是垂直风扰动和温度扰动的乘积, 如公式(5)所示(Weinstock, 1983), 其统计方法与2.2节中钠原子平均垂直通量统计方法相同.公式(6)表示平均垂直热通量的统计结果不受测量误差影响.公式(7)为平均重力波动力学输送通量(Dynamical Flux)表达式, 重力波动力学输送与背景大气温度和垂直热量输送相关.公式(8)为重力波动力学输送速度, 公式(7)和公式(8)的推导过程请详见Gardner和Liu(2010).公式中Γa=9.8 K·km-1为干绝热减温率, R为比气体常数.根据每晚观测数据提取到的垂直风扰动和温度扰动数据, 利用公式(5)可以统计得到82 h平均垂直热通量; 根据每晚公式(6)的统计结果和钠原子数密度平均值和温度平均值, 利用公式(7)可统计得到82 h平均重力波动力学输送通量; 根据每晚公式(7)的统计结果和钠原子数密度平均值, 利用公式(8)可以统计得到82 h重力波产生的钠原子动力学输送速度.公式(5)—(8)为

(5)

(6)

(7)

(8)

2.2.2 重力波化学输送机制

重力波化学输送是大气活性物质垂直输送机制中非常重要的组成部分.重力波化学输送是指不论重力波是否耗散, 当它通过大气引起钠原子的垂直扰动, 会直接改变原本化学平衡状态下钠原子和各反应物之间的混合比, 受扰动发生位移的钠原子又会参与新的化学反应过程, 重新建立反应平衡, 这一系列过程表现为垂直方向上钠原子数密度变化, 产生输送效应(Walterscheid and Schubert, 1989).钠原子化学平衡过程是一个包含了离子、辐射、中性化学反应的复杂体系(Plane, 2003), 以目前的观测水平还远不够精确描述钠原子化学变化过程, 且化学输送特性与重力波本身的传播特性也存在耦合关系, 因此本文研究的重力波化学输送是一个统计概念.

重力波化学输送速度通过反向计算法可获得(Gardner and Liu, 2010), 因为重力波产生的钠原子总输送通量是重力波动力学输送和重力波化学输送的, 即Gravity Flux=Chemical Flux+Dynamical Flux, 因此重力波产生的钠原子化学输送可表示为重力波产生的钠原子总输送减去动力学输送部分, 公式(9)为化学输送通量的表达式, 公式(10)为化学输送通量速度表达式, 其中CF为平均重力波化学输送通量, GF为平均重力波产生的总钠原子输送通量, DF为平均重力波动力学输送通量, wChem为平均钠原子化学输送速度, wNa为平均总钠原子输送速度, wDyn为平均钠原子动力学输送速度.根据每晚上公式(3)、公式(7)的统计结果, 利用公式(10)可统计得到82 h平均重力波化学输送速度.公式(9)和(10)为

(9)

(10)

2.3 湍流混合垂直输送机制

中间层顶区域普遍认为是中小尺度重力波的破碎高度, 所以重力波破碎后产生的湍流混合输送是中间层顶非常显著的垂直输送机制(Fritts and Alexander, 2003).重力波传播至中间层顶, 由于大气密度降低和对流不稳定性使振幅逐渐饱和, 波动结构不能维持进而发生破碎, 破碎后重力波能量通过小尺度的湍流和涡旋运动注入背景大气, 对大气成分的垂直输送产生驱动力(Lübken, 1997).湍流混合输送产生均匀混合效应, 使钠原子从高密度区向低密度区输送, 减小了高低密度区域之间的密度梯度(Garcia and Solomon, 1985).

公式(11)为钠原子湍流输送通量(Tubulence Flux)表达式(Liu and Gardner, 2004), 其中TF表示湍流混合输送通量, ρNa(z)是平均钠原子数密度, Dzz为垂直涡旋扩散系数.值得注意的是Dzz瞬时变化范围非常大, 一般取平均值Dzz=200 m2·s-1来表示中间层顶背景大气平均涡旋扩散特征(Liu, 2009).公式(12)是钠原子数密度标高表达式.公式(13)为平均湍流混合输送速度.根据每晚观测的钠原子数密度平均值和温度数据, 利用公式(11)可统计得到82 h平均钠原子湍流混合输送通量.根据每晚公式(11)的统计结果和钠原子数密度平均值, 利用公式(13)可统计得到82 h平均钠原子湍流混合输送速度.公式(11)—(13)为

(11)

(12)

(13)

2.4 环流垂直输送机制

钠原子的环流输送代表背景大气的平均输送情况.中间层顶的钠原子作为大气示踪物与背景大气混合, 因此大气的径圈环流速度就可表征钠原子在环流作用下的垂直输送速度(Bowman et al., 1969), 环流输送也称为背景垂直风输送.在北半球中纬度的中间层区域, 背景垂直风存在夏季上升, 冬季下沉的季节变化特性(胡雄等, 2005; Xiao et al., 2007), 因此利用流星雷达长期观测数据能统计得到平均背景大气的运动特征.激光雷达观测数据由于观测时间较短、只是夜间数据, 可用于统计重力波活动特性, 难于用来统计背景大气的运动特性.

平均背景垂直风的统计方法原理是中高层大气行星尺度的径圈循环(Holton and Alexander, 2000; Gardner and Liu, 2007), 它是由南北极区中间层区域大气的垂直运动和径向运动组成, 平均背景垂直风速可利用质量连续方程统计得到.公式(14)为球坐标系不可压方程, 其中u为纬向水平风、v是径向水平风、w是垂直风、re是地球半径、λ是经度、φ是纬度.首先对公式(14)进行纬圈平均得到公式(15).中高层大气径圈环流在高纬度地区垂直运动强烈, 低纬地区垂直运动不显著, 中间层顶区域的垂直风存在从赤道到极区增加的特点, 因此垂直风可表示为w0(φ, z)=wP(z)sinφ, wP表示为极区的垂直风, 带入公式(15)积分得到公式(16), 对公式(16)进行高度积分可得公式(17), 其中z=85 km, z0=100 km, 廊坊地区φ=40.0°.一般认为中间层顶区域, 径圈环流的上升或下沉运动已较弱, 径向的水平运动开始显著, 100 km高度上大气基本是水平的方式运动, 因此设定w0(100 km)=0 cm·s-1(Gardner and Liu, 2010).根据流星雷达一整年观测数据每个高度上的径向风平均值, 利用公式(17)可以统计钠原子的环流输送速度.公式(14)—(17)为

(14)

(15)

(16)

(17)

3 研究结果 3.1 重力波垂直输送速度

图 1为重力波产生的钠原子总垂直输送速度廓线, 廓线经过FWHM5 km汉明窗平滑.从图可得85~90 km重力波产生的钠原子输送速度为正向, 速度在90 km附近接近0 cm·s-1; 90 km以上, 钠原子输送速度为负向, 最大输送速度为-3.4 cm·s-1出现在93 km处.90 km附近重力波产生的钠原子输送方向转变会造成钠原子堆积, 对钠层准高斯分布的结构产生贡献(巴金等, 2017).

图 1 廊坊站重力波产生的平均钠原子垂直输送速度廓线 Fig. 1 Mean profile of Na transport velocity induced by gravity waved at Langfang station
3.1.1 重力波动力学输送速度

重力波耗散产生的钠原子动力学输送速度廓线如图 2所示, 廓线经过FWHM 5 km汉明窗平滑.整体上, 动力学输送速度为热量输送速度的3倍左右.这一比值与SOR长期观测的结果相一致(Gardner and Liu, 2010).85~100 km重力波动力学输送速度几乎全部为负向, 表明重力波耗散产生的动力学输送驱动钠原子从高层向低层运动.90~93 km动力学输送速度显著增大, 最大输送速度为-3.5 cm·s-1出现在93 km处, 重力波产生的动力学输送速度以及热量输送速度较大说明此高度范围内重力波耗散活动较为显著, 大气稳定度降低(Gardner et al., 2002).

图 2 廊坊站重力波产生的平均动力学输送速度廓线 Fig. 2 Mean profile of wave-induced dynamical transport velocity at Langfang station
3.1.2 重力波化学输送速度

图 3所示重力波化学输送与图 1重力波产生的总输送速度廓线趋势相似, 廓线经过FWHM 5 km汉明窗平滑.85~94 km化学输送方向为正向, 但是输送速度随高度增加而降低; 94 km处输送速度降至0 cm·s-1附近; 94~100 km, 化学输送方向变为负向.与图 2相比, 重力波化学输送速度廓线与动力学输送速度廓线趋势差别较大, 动力学输送速度在85~100 km高度范围内基本全部为负向, 而化学输送在94 km以上为负向.

图 3 廊坊站重力波产生的平均化学输送速度廓线 Fig. 3 Mean profile of wave-induced chemical transport velocity at Langfang station

值得注意的是不论重力波是耗散还是非耗散状态都会产生化学输送.Hickey和Plane(1995)Xu等(2003)对重力波传播与大气化学成分之间的影响关系进行了分析, 结果显示相比大气惰性成分, 重力波在垂直方向上能够显著影响大气活性成分的混合比及化学反应速率, 并且这种影响的耦合关系与重力波周期、高度和季节密切相关.对比图 2图 1, wNawDyn廓线存在显著的差异的原因就是重力波产生的化学输送造成的.

3.2 湍流混合垂直输送速度

湍流混合输送速度廓线如图 4所示, 廓线经过FWHM 5 km汉明窗平滑.85~95 km湍流输送为负向, 输送速度在95 km附近减小至0 cm·s-1左右; 95~100 km湍流输送为正向, 输送速度随高度增加而缓慢增大.湍流输送使钠原子从91 km附近钠层峰值区域向低数密度区域输送, 对钠层准高斯分布结构起负作用.比较图 4图 2可得湍流混合输送整体与重力波输送速度大小相当, 但85~90 km湍流输送速度明显大于重力波动力学输送速度, 且与重力波化学输送速度相反.

图 4 重力波破碎产生的平均湍流混合输送速度 Fig. 4 Mean profile of turbulence mixing velocity induced by wave broken at Langfang station
3.3 环流垂直输送速度

图 5是背景环流产生的钠原子输送速度廓线, 廓线经过FWHM 5 km汉明窗平滑.背景环流是利用流星雷达的观测数据统计, 这里展示了80~100 km的平均垂直风廓线.与重力波动力学输送速度, 重力波化学输送速度以及湍流混合速度相比, 环流输送速度略小, 输送速度随高度变化也较小.从图可得80~100 km平均背景环流速度为正向, 84 km处输送速度达到约2 cm·s-1, 环流速度随高度增加至100 km时垂直运动很弱, 此时环流运动特性转变为水平运动.利用流星雷达统计得到廊坊地区中间层顶区域背景垂直环流速度与国外观测和模拟的结果量级相同, 平均环流速度都在5 cm·s-1左右(McIntyre, 1989; Fritts and Luo, 1995; Gardner and Liu, 2010).

图 5 廊坊站平均环流输送速度 Fig. 5 Mean profile of advective transport velocity at Langfang station
4 总结与讨论

根据上文的研究结果, 对平均钠原子重力波动力学输送速度、平均重力波化学输送速度、平均湍流混合输送速度以及背景环流输送速度进行算数平均统计, 得到平均钠原子的动力学输送合速度廓线, 如图 6所示.红色廓线所示的合输送速度在88~95 km产生平均速度为-1 cm·s-1垂直运动, 在仅考虑重力波和湍流输送条件下, 88~95 km的平均垂直输送速度约-2 cm·s-1, 通过对比可以看到四种垂直动力学输送速度量级相同, 是可以相互比较的.在85~90 km湍流和混合输送和重力波化学输送略占主导地位, 90~95 km重力波动力学输送略占主导地位, 95 km以上四中输送速度差别较小.虽然钠原子的动力学输送速度仅仅为cm·s-1量级, 但它与钠原子沉积过程一起对钠层的平衡过程起非常大的作用, 是大气不同圈层之间的物质交换过程的重要组成部分.同时, 观测结果很好的说明了在以往研究中容易被忽略的重力波直接输送机制对大气化学成分产生的输送效应非常显著, 强调了重力波活动在大气垂直输送过程中的重要性.

图 6 廊坊站钠原子平均垂直动力学输送合速度 Fig. 6 Mean profile of combined vertical dynamical transport velocity at Langfang station

本文观测结果与SOR(Gardner and Liu, 2010)观测结果相比, 重力波动力学、湍流混合以及环流输送差异较小, 而重力波化学输送差异较大.90 km以下, SOR的重力波化学输送速度较小且为负向, 而廊坊地区重力波化学输送速度较大且为正向, 差异产生的原因很可能是90 km以下廊坊地区存在重力波动量通量方向发转产生的大尺度水平堆积效应, 使得钠原子在堆积作用下产生垂直方向上的膨胀现象, 形成了正向的化学输送特性(与John Plane讨论结果).90 km以上, SOR化学输送开始占主要地位而廊坊站四种垂直输送速度差别较小.目前全球利用激光雷达和流星观测钠原子垂直输送的研究结果非常少, 仅有的观测站点地理位置差异也非常大, 钠原子的局地垂直输送特征与全球变化特征需要更多站点的观测数据来分析.廊坊观测到的90 km以下显著的正向钠原子化学输送速度在西半球的观测结果中还未曾见到, 造成差异的具体原因需要结合高精度的风场观测数据进行联合分析, 将来我们会这部分内容做进一步的分析研究.

5 结论

本文采用中科院空间中心廊坊站(40.0° N, 116.3° E)钠荧光多普勒激光雷达和流星雷达观测数据, 分析了中间层顶区域钠原子的重力波动力学输送, 重力波化学输送, 湍流混合输送及背景环流输送特征, 并对其产生的影响结果进行了讨论.在85~100 km四种垂直动力学输送速度量级相当, 其中重力波动力学输送在85~100 km整体为负向, 在90~95 km占主要地位的平均输送速度为-3.1 cm·s-1; 重力波化学输送在85~94 km为正向, 94~100 km基本为负向, 在85~90 km占主要地位的平均输送速度为3.3 cm·s-1; 湍流输送在85~95 km为负向, 95~100 km为正向, 在85~90 km占主要地位的平均输送速度为4.9 cm·s-1; 环流输送整体为正向, 输送速度和变化相对较小, 平均输送速度为1 cm·s-1.88~95 km四种垂直动力学输送机制产生的平均合输送速度为-1 cm·s-1.钠原子动力学输送速度虽然量级较小, 但对整个大气金属钠层的“源”“汇”平衡过程十分重要.本文采用理论和观测数据相结合的方法描述了钠原子在大气垂直动力学输送机制下的平均运动特性, 本文结果可为不同大气圈层之间重力波产生的能量物质交换机制研究和圈层之间的耦合过程研究提供观测事实参考, 为大气化学成分的垂直输送机制建模提供参数化依据.

致谢

感谢University of Leeds的John Plane教授对本文研究内容和结果提出了宝贵的意见.

参考文献
Alexander M J, Holton J R. 1997. A model study of zonal forcing in the equatorial stratosphere by convectively induced gravity waves. J.Atmos.Sci., 54(3): 408-419. DOI:10.1175/1520-0469(1997)054〈0408:AMSOZF〉2.0.CO;2
Ba J, Hu X, Yan Z A, et al. 2017. Lidar observations of atmospheric gravity wave dissipation induced Na atoms transportations in the mesopause region at Langfang, China. Chinese J.Geophys.(in Chinese), 60(2): 499-506. DOI:10.6038/cjg20170205
Bowman M R, Gibson A J, Sandford M C W. 1969. Atmospheric Sodium measured by a Tuned Laser Radar. Nature, 221(5179): 456-458. DOI:10.1038/221456a0
Cheng Y Q, Hu X, Yan Z A, et al. 2016. Study of sporadic sodium layers guided by gravity waves. Infrared and Laser Engineering (in Chinese), 45(10): 93-98. DOI:10.3788/IRLA201645.1030004
Colegrove F D, Johnson F S, Hanson W B. 1966. Atmospheric composition in the lower thermosphere. J.Geophys.Res., 71(9): 2227-2236. DOI:10.1029/JZ071i009p02227
Fritts D C, Alexander M J. 2003. Gravity wave dynamics and effects in the middle atmosphere. Rev.Geophys., 41(1): 1003. DOI:10.1029/2001RG000106
Fritts D C, Luo Z G. 1995. Dynamical and radiative forcing of the summer mesopause circulation and thermal structure:1.Mean solstice conditions. J.Geophys.Res, 100(D2): 3119-3128. DOI:10.1029/94JD02613
Garcia R R, Solomon S. 1985. The effect of breaking gravity waves on the dynamics and chemical composition of the mesosphere and lower thermosphere. J.Geophys.Res., 90(D2): 3850-3868. DOI:10.1029/JD090iD02p03850
Gardner C S, Liu A Z. 2007. Seasonal variations of the vertical fluxes of heat and horizontal momentum in the mesopause region at Starfire Optical Range, New Mexico. J.Geophys.Res., 112(D9): D09113. DOI:10.1029/2005JD006179
Gardner C S, Liu A Z. 2010. Wave-induced transport of atmospheric constituents and its effect on the mesospheric Na layer. J.Geophys.Res., 115(D20): D20302. DOI:10.1029/2010JD014140
Gardner C S, Liu A Z, Marsh D R, et al. 2014. Inferring the global cosmic dust influx to the Earth's atmosphere from lidar observations of the vertical flux of mesospheric Na. J.Geophys.Res., 119(9): 7870-7879. DOI:10.1002/2014JA020383
Gardner C S, Yang W M. 1998. Measurements of the dynamical cooling rate associated with the vertical transport of heat by dissipating gravity waves in the mesopause region at the Starfire Optical Range, New Mexico. J.Geophys.Res., 103(D14): 16909-16926. DOI:10.1029/98JD00683
Gardner C S, Zhao Y C, Liu A Z. 2002. Atmospheric stability and gravity wave dissipation in the mesopause region. J.Atmos.Sol.-Terr.Phys, 64(8-11): 923-929. DOI:10.1016/S1364-6826(02)00047-0
Hickey M P, Plane J M C. 1995. A chemical-dynamical model of wave-driven sodium fluctuations. Geophys.Res.Lett., 22(20): 2861-2864. DOI:10.1029/95GL02784
Hocking WK, Fuller B, Vandepeer B. 2001. Real-time determination of meteor-related parameters utilizing modem digital technology. J.Atmos.Sol.-Terr.Phys, 63(2-3): 155-169. DOI:10.1016/S1364-6826(00)00138-3
Holton J R, Alexander M J.2000.The role of waves in the transport circulation of the middle atmosphere.//Atmospheric Science across the Stratopause.Washington DC:American Geophysical Union, 21-35,doi:10.1029/GM123p0021.
Hu X, Gardner C S, Liu A L. 2003. Seasonal and nocturnal variations of the mesospheric sodium layer at Starfire Optical Range, New Mexico. Chinese J.Geophys.(in Chinese), 46(3): 304-308.
Hu X, Yan Z A, Guo S Y, et al. 2011. Sodium fluorescence Doppler lidar to measure atmospheric temperature in the mesopause region. Chinese Sci.Bull., 56(4-5): 417-423. DOI:10.1007/s11434-010-4306-x
Hu X, Zhang X X, Zhang D Y. 2005. Effects of atmospheric gravity waves on the mesosphere and lower thermosphere circulations. Chinese J.Space Sci.(in Chinese), 25(2): 111-117. DOI:10.3969/j.issn.0254-6124.2005.02.006
Li Z H, Liu A Z, Lu X, et al. 2011. Gravity wave characteristics from OH airglow imager over Maui. J.Geophys.Res., 116(D22): D22115. DOI:10.1029/2011JD015870
Lindzen R S. 1981. Turbulence and stress owing to gravity wave and tidal breakdown. J.Geophys.Res., 86(C10): 9707-9714. DOI:10.1029/JC086iC10p09707
Liu A Z. 2009. Estimate eddy diffusion coefficients from gravity wave vertical momentum and heat fluxes. Geophys.Res.Lett., 36(8): L08806. DOI:10.1029/2009GL037495
Liu A Z, Gardner C S. 2004. Vertical dynamical transport of mesospheric constituents by dissipating gravity waves. J.Atmos.Sol.-Terr.Phys, 66(3-4): 267-275. DOI:10.1016/j.jastp.2003.11.002
Liu A Z, Gardner C S. 2005. Vertical heat and constituent transport in the mesopause region by dissipating gravity waves at Maui, Hawaii (20.7°N), and Starfire Optical Range, New Mexico (35°N). J.Geophys.Res., 110(D9): D09S13. DOI:10.1029/2004JD004965
Lübken F J. 1997. Seasonal variation of turbulent energy dissipation rates at high latitudes as determined by in situ measurements of neutral density fluctuations. J.Geophys.Res., 102(D12): 13441-13456. DOI:10.1029/97JD00853
McIntyre M E. 1989. On dynamics and transport near the polar mesopause in summer. J.Geophys.Res., 94(D12): 14617-14628. DOI:10.1029/JD094iD12p14617
McNeil W J, Murad E, Plane A J M C. 2002. Models of meteoric met als in the atmosphere. //Meteors in the Earth's Atmosphere. Cambridge: Cambridge University Press, 265.
Plane J M C. 2003. Atmospheric chemistry of meteoric met als. Chem.Rev., 103(12): 4963-4984. DOI:10.1021/cr0205309
Plane J M C. 2004. A time-resolved model of the mesospheric Na layer:constraints on the meteor input function. Atmos.Chem.Phys., 4(3): 627-638. DOI:10.5194/acp-4-627-2004
Plane J M C, Cox R M, Qian J, et al. 1998. Mesospheric Na layer at extreme high latitudes in summer. J.Geophys.Res., 103(D6): 6381-6389. DOI:10.1029/96JD03709
Vondrak T, Plane J M C, Broadley S, et al. 2008. A chemical model of meteoric ablation. Atmos.Chem.Phys., 8(23): 7015-7031. DOI:10.5194/acp-8-7015-2008
Walterscheid R L. 2001. Gravity wave transports and their effects on the large-scale circulation of the upper mesosphere and lower thermosphere. Adv.Space Res., 27(10): 1713-1721. DOI:10.1016/S0273-1177(01)00298-8
Walterscheid R L, Schubert G. 1989. Gravity wave fluxes of O3 and OH at the night side mesopause. Geophys.Res.Lett., 16(7): 719-722. DOI:10.1029/GL016i007p00719
Wang B. 2016. Observational study on the quasi-monochromatic inertia gravity waves in near space[Ph.D.thesis] (in Chinese). Beijing: Nation Space Science Center, CAS.
Weinstock J. 1983. Heat flux induced by gravity waves. Geophys.Res.Lett., 10(2): 165-167. DOI:10.1029/GL010i002p00165
Xiao C Y, Hu X, Zhang X X, et al. 2007. Interpretation of the mesospheric and lower thermospheric mean winds observed by MF radar at about 30°N with the 2D-SOCRATES model. Adv.Space Res., 39(8): 1267-1277. DOI:10.1016/j.asr.2006.12.035
Xu J Y, Smith A K, Ma R P. 2003. A numerical study of the effect of gravity-wave propagation on minor species distributions in the mesopause region. J.Geophys.Res., 108(D3): 4119. DOI:10.1029/2001JD001570
Xu L, Hu X, Cheng Y Q, et al. 2010. Simulation of echo-photon counts of a Sodium Doppler Lidar and retrievals of atmospheric parameters. Chinese J.Geophys.(in Chinese), 53(7): 1520-1528. DOI:10.3969/j.issn.0001-5733.2010.07.003
Xu L, Hu X, Yan Z A, et al. 2009. Retrieval method of atmospheric parameters for a sodium Doppler lidar. Infrared and Laser Engineering, 38(1): 140-143. DOI:10.3969/j.issn.1007-2276.2009.01.031
Yan Z A, Hu X, Guo S Y, et al. 2009. Long-term laser frequency stabilization for application in sodium resonance fluorescence Doppler lidar. //Proceedings Volume 7382, International Symposium on Photoelectronic Detection and Imaging 2009: Laser Sensing and Imaging. Beijing, China: SPE, doi: 10.1117/12.836539.
Yang J F. 2016. Researches on the variations of atmospheric winds in Near Space at mid-latitude[Ph.D.thesis] (in Chinese). Beijing: Nation Space Science Center, CAS.
巴金, 胡雄, 闫召爱, 等. 2017. 中间层顶重力波耗散引起钠原子输送的激光雷达观测研究. 地球物理学报, 60(2): 499–506. DOI:10.6038/cjg20170205
程永强, 胡雄, 闫召爱, 等. 2016. 大气重力波引起的偶发钠层研究. 红外与激光工程, 45(10): 93–98. DOI:10.3788/IRLA201645.1030004
胡雄, GardnerC S, LiuA L. 2003. 新墨西哥州SOR中间层钠层结构的季节和夜间变化. 地球物理学报, 46(3): 304–308.
胡雄, 张训械, 张冬娅. 2005. 重力波对中间层和低热层大气环流的影响. 空间科学学报, 25(2): 111–117. DOI:10.3969/j.issn.0254-6124.2005.02.006
王博. 2016. 临近空间大气准单色惯性重力波观测研究[博士论文]. 北京: 中国科学院国家空间科学中心.
徐丽, 胡雄, 程永强, 等. 2010. 钠多普勒激光雷达回波光子数仿真及大气参数反演. 地球物理学报, 53(7): 1520–1528. DOI:10.3969/j.issn.0001-5733.2010.07.003
徐丽, 胡雄, 闫召爱, 等. 2009. 钠多普勒激光雷达大气参数反演方法. 红外与激光工程, 38(1): 140–143. DOI:10.3969/j.issn.1007-2276.2009.01.031
杨钧烽. 2016. 中纬度临近空间大气风场变化特性研究[博士论文]. 北京: 中国科学院国家空间科学中心.