(資料圖)
我國(guó)地域遼闊，南北方向覆蓋了中低緯度，東西方向橫跨4個(gè)時(shí)區(qū)，并且地形地貌復(fù)雜多樣，擁有世界上最高的高原、丘陵、平原等多種地形地貌，還擁有漫長(zhǎng)海岸線，在世界上呈現(xiàn)出獨(dú)一無(wú)二的地形地貌特征，也造就了我國(guó)上空高層大氣擾動(dòng)受劇烈天氣事件、地形變化強(qiáng)迫、上下大氣層耦合等多重影響的獨(dú)特特性，成為天然的實(shí)驗(yàn)室。全天空氣輝成像儀是探測(cè)和研究大氣波動(dòng)二維分布的有效手段。由于大氣波動(dòng)在中高層大氣中的傳播范圍很大，而單臺(tái)氣輝成像儀由于其有限的觀測(cè)視野很難進(jìn)行大范圍觀測(cè)。對(duì)此，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心太陽(yáng)活動(dòng)與空間天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中高層大氣研究團(tuán)隊(duì)在子午工程、國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以及基金委的多方支持下，在國(guó)際上首次構(gòu)建了用于觀測(cè)峰值高度位于87km高度上的OH氣輝和峰值高度位于250km高度上的氧原子紅光(OI 630nm)氣輝的覆蓋中國(guó)大陸的雙層探測(cè)網(wǎng)（圖 1）。研究低層大氣劇烈事件如何引起大范圍中高層大氣擾動(dòng)的物理機(jī)制是氣輝探測(cè)網(wǎng)的重要科學(xué)目標(biāo)之一。
圖1.雙層氣輝觀測(cè)網(wǎng): (a)OH 氣輝觀測(cè)網(wǎng)，(b)氧原子紅光(OI 630nm)氣輝觀測(cè)網(wǎng)。
研究團(tuán)隊(duì)的李欽增副研究員和徐寄遙研究員等人聯(lián)合美國(guó)國(guó)家大氣研究中心的科研人員，以2016年超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)Chaba作為范例，利用子午工程和雙層氣輝網(wǎng)的探測(cè)，結(jié)合再分析數(shù)據(jù)和射線追蹤理論，對(duì)臺(tái)風(fēng)引起的中高層大氣大范圍強(qiáng)烈擾動(dòng)的物理過(guò)程開(kāi)展了研究。重點(diǎn)研究了臺(tái)風(fēng)激發(fā)的重力波是如何從對(duì)流層向熱層傳播的物理過(guò)程。由于分子粘性隨著高度的上升呈指數(shù)級(jí)增加，重力波在熱層大氣中會(huì)迅速耗散，因此大氣重力波是如何從對(duì)流層傳播到熱層大氣的一直是一個(gè)未解之謎，是中高層大氣研究的重要問(wèn)題之一。圖2給出了該次臺(tái)風(fēng)從對(duì)流層、平流層、中間層、一直到熱層所引起的中高層大氣擾動(dòng)的立體結(jié)構(gòu)分布。觀測(cè)表明該次強(qiáng)臺(tái)風(fēng)導(dǎo)致整個(gè)中高層大氣出現(xiàn)劇烈擾動(dòng)。研究證明中層頂區(qū)域(高度約87公里)的重力波（圖 2b）是由臺(tái)風(fēng)直接激發(fā)產(chǎn)生的，并且發(fā)現(xiàn)中層頂區(qū)域存在強(qiáng)烈的重力波耗散和非線性相互作用。通過(guò)射線追蹤理論，證明熱層（250公里）重力波（圖 2a）不是由臺(tái)風(fēng)直接激發(fā)產(chǎn)生，而是中層頂區(qū)域臺(tái)風(fēng)引起的重力波耗散和非線性相互作用激發(fā)產(chǎn)生的二次波，這一發(fā)現(xiàn)加深了我們對(duì)地面極端事件產(chǎn)生重力波傳播特性以及各大氣圈層相互耦合的認(rèn)識(shí)。
該研究成果于近期發(fā)表在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊Atmospheric Chemistry and Physics上。
圖2.臺(tái)風(fēng)Chaba激發(fā)的重力波的多層結(jié)構(gòu): (a)OI 630nm氣輝（高度約250公里）觀測(cè)網(wǎng)探測(cè)結(jié)果,(b)OH 氣輝（高度約87公里）觀測(cè)網(wǎng)探測(cè)結(jié)果，(c) 平流層40公里再分析溫度擾動(dòng)分布，(d)臺(tái)風(fēng)的對(duì)流層云圖。
文章鏈接: Li, Q., Xu, J., Liu, H., Liu, X., and Yuan, W.: How do gravity waves triggered by a typhoon propagate from the troposphere to the upper atmosphere?, Atmos. Chem. Phys., 22, 12077–12091, https://doi.org/10.5194/acp-22-12077-2022, 2022.
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