周旭, 樂新安,2,3*, 陳桂萬, 余優(yōu),2,3, 胡連歡,3

1 中國科學院地質與地球物理研究所中國科學院地球與行星物理重點實驗室, 北京 1000292 中國科學院大學地球與行星科學學院, 北京 1000493 中國科學院地質與地球物理研究所, 北京空間環(huán)境國家野外科學觀測研究站, 北京 1000294 中國科學院大氣物理研究所大氣科學和地球流體力學數(shù)值模擬國家重點實驗室, 北京 100029

0 引言

Madden-Julian振蕩(Madden-Julian Oscillation,MJO;Madden and Julian, 1971, 1972)是熱帶地區(qū)對流層大氣季節(jié)內振蕩的主導模態(tài)之一,表現(xiàn)為周期30～90天緩慢東傳的對流-環(huán)流耦合系統(tǒng)(李崇銀等, 2013).MJO作為大氣環(huán)流系統(tǒng)中的重要組成部分,國內外學者自20世紀80年代以來便對其開展了廣泛研究.目前對其結構特征與基本規(guī)律已有較為清楚的了解,可概括為以下幾點:東傳速度約為5 m·s-1、無嚴格周期的寬頻帶振蕩周期、主要的緯向波數(shù)為1～3波的行星尺度空間結構、冬春季較強而夏秋季較弱的季節(jié)變化(Zhang, 2005).作為銜接天氣與氣候時空尺度的大氣低頻振蕩現(xiàn)象,MJO也被認為與其他尺度的大氣過程有一定關聯(lián),包括熱帶氣旋的生成和傳播路徑(Maloney and Hartmann, 2000)、北大西洋濤動(Cassou, 2008; Zhou et al., 2020)、厄爾尼諾與南方濤動(李崇銀和周亞萍, 1994;李崇銀和龍振夏, 2001)等.

較高高度的中間層-低熱層(Mesosphere and Lower Thermosphere,MLT;大約50～140 km)大氣參量也存在季節(jié)內變化性,并被認為可能來自于對流層MJO.早期,Eckermann和Vincent (1994)基于地基中頻雷達觀測報道了MLT高度赤道區(qū)緯向平均風存在季節(jié)內變化規(guī)律.之后,Eckermann等(1997)進一步詳細地闡述了風場季節(jié)內時間尺度的周期變化頻譜特征,并發(fā)現(xiàn)緯向風比經向風更為顯著.隨后,不同地區(qū)的地基雷達多次觀測到這類中高層大氣的季節(jié)內變化(Lieberman, 1998; Pancheva et al., 2003; Yi et al., 2019).例如,Gong等(2022)基于我國漠河流星雷達發(fā)現(xiàn)2015/2016冬季有強烈的季節(jié)內振蕩信號,在90 km高空幅值可達16 m·s-1.由于所報道的中高層大氣季節(jié)內變化與對流層MJO存在相似的周期振蕩特征,許多學者開始深入研究兩者之間可能存在的關聯(lián)(Isoda et al., 2004; Kumar et al., 2007; Koshin et al., 2022),并提出主要作用機制為:與MJO活動相關的對流活動可通過潛熱釋放從而調制一系列大氣動力學過程,其中包括赤道區(qū)東向傳播的Kelvin波(Wheeler and Kiladis, 1999).

隨著衛(wèi)星探測技術與數(shù)值模式的發(fā)展,空基觀測結合模式模擬研究進一步揭示了MJO與中高層大氣全球尺度波動的可能性關聯(lián).Liu等(2018)通過Aura衛(wèi)星溫度觀測數(shù)據發(fā)現(xiàn)中層頂高度(約97 km)全球尺度緯向波數(shù)為3或4的波動結構存在明顯的季節(jié)內變化特征,而且當這些波動較強時通常伴隨著較強的MJO活動.基于SABER(Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry)衛(wèi)星溫度觀測數(shù)據和GOCE(Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer)衛(wèi)星風場觀測,Gasperini等(2020)發(fā)現(xiàn)低熱層及熱層的兩種大氣波動(DE3和準3天Kelvin波)具有明顯的季節(jié)內變化,且這兩種波動均可能和對流層熱帶深對流激發(fā)相關.進一步地,借由SD-WACCM-X(Specified Dynamics version of the Whole Atmosphere Community Climate Model with thermosphere and ionosphere eXtension)模式的模擬結果提出了大氣波動季節(jié)內變化與MJO位相變化可能存在的密切聯(lián)系.Kumari等(2020, 2021)基于SABER觀測數(shù)據也發(fā)現(xiàn)MLT高度的大氣溫度潮汐DW1與DE3受MJO的顯著調制,且非遷移潮汐DE3對MJO的響應(～25%)大約兩倍于遷移潮汐DW1(～10%).該研究同時揭示大氣潮汐波對MJO的響應存在明顯的季節(jié)依賴.此外,Yang等(2018)基于WACCM模式發(fā)現(xiàn)在MJO第2、3位相時會產生更強的DW1潮汐強迫;而在第8位相則較弱.北半球冬季,MJO不同位相下DW1潮汐振幅差異可達季節(jié)平均態(tài)的15%～20%.

綜上,對MLT區(qū)域大氣季節(jié)內變化的研究主要集中在風場時頻振蕩與溫度潮汐,而關于大氣風場潮汐研究較為匱乏.因而,目前關于MJO與MLT區(qū)域大氣風場非遷移潮汐之間聯(lián)系的研究仍不充分.本文將基于空基TIMED-TIDI(Thermosphere-Ionosphere-Mesosphere Energetic and Dynamics-TIMED Doppler Interferometer)與中國科學院地質與地球物理研究所地基流星雷達子午鏈觀測,結合經驗大氣潮汐模分析方法(Zhou et al., 2018),試圖揭示MLT區(qū)域風場非遷移潮汐DE3季節(jié)內變化特征并討論其與MJO間的可能聯(lián)系.

1 數(shù)據說明與處理方法

1.1 TIMED-TIDI與流星雷達子午鏈

熱層-電離層-中層能量與動力學衛(wèi)星(Thermosphere-Ionosphere-Mesosphere Energetic and Dynamics,TIMED)在準太陽同步軌道上運行.因此,在任意一天中會有兩個不同地方時觀測,分別對應于上升軌道與下降軌道.兩個地方時之間的間隔通常約為10～12 h.衛(wèi)星每天繞地球飛行約14～15圈,從而可提供經度間隔約為25°的全球覆蓋觀測.由于軌道的緩慢進動,衛(wèi)星觀測每60天左右可以覆蓋完整的24小時地方時.衛(wèi)星上所搭載的多普勒干涉儀(The TIMED Doppler Interferometer, TIDI)是一種法布里-珀羅干涉儀,通過臨邊掃描550～900 nm譜段不同譜線輻射的微弱多普勒頻移從而測量出中高層大氣風場(Niciejewski et al., 2006).數(shù)據產品中矢量風場覆蓋的高度范圍為MLT區(qū)域70～115 km,垂直分辨率為2.5 km.探測精度在中間層約為3 m·s-1,在熱層約為15 m·s-1(Killeen et al., 2006;http:∥tidi.engin.umich.edu/).

中國科學院地質與地球物理研究所流星雷達臺鏈位于北半球120°E子午圈附近,包含四個觀測臺站,分別位于漠河(52.5°N,122.3°E)、北京(40.3°N,116.2°E)、武漢(30.5°N,114.6°E)和三亞(18.3°N,109.6°E).漠河與北京站分別于2011、2008年開始觀測.武漢站2002—2004年有短暫的觀測,之后于2010年重啟運行.三亞站于2009—2016年執(zhí)行風場探測任務,之后于2018年在臨近的樂東(18.4°N, 109.0°E)建立新站.通過對流星尾跡回波多普勒頻移的探測,流星雷達可全天候不間斷獲取MLT區(qū)域大氣風場視線速度.基于大量視線速度及相應到達角信息,可通過最小二乘擬合出該時間與高度窗口的水平風場速度.數(shù)據產品中水平矢量風場探測高度范圍為80～100 km、時間分辨率1 h、高度分辨率2 km.詳細的流星雷達工作原理參見余優(yōu)(2013).

1.2 經驗大氣潮汐模

基于經驗正交函數(shù)方法,Zhou等(2018)分析全球尺度波動模式(Global Scale Wave Model, GSWM-09),得出了一組經驗大氣潮汐模(Empirical Tidal Modes,ETMs).GSWM-09模式是線性波動模型,考慮了大氣潮汐多種激發(fā)機制與耗散機制,描述了大氣參量周日與半日潮汐的空間結構(Zhang et al., 2010a,b).其水平分辨率分別為5°×3°(經度×緯度),垂直分辨率在MLT區(qū)域約為4.2 km.我們可以選擇不同的高度-緯度區(qū)域對GSWM-09模式開展分析從而得到該區(qū)域的ETMs.本文中選擇的高度范圍為DE3潮汐的核心高度80～140 km.詳細的ETM介紹及其與傳統(tǒng)Hough模對比可參見周旭(2021).

圖1示例給出了MLT區(qū)域DE3大氣風場潮汐ETM第一階對稱模幅值與相位隨高度與緯度變化的情況.與Oberheide和Forbes(2008)給出的擴展Hough模(Hough Mode Extension, HME)第一階對稱模和反對稱模(即HME1和HME2)相比,ETM的第一階對稱模和反對稱模(即ETM1和ETM2)具有類似的高度與緯度結構,同時也有一定差異性.緯向風ETM1在約112 km處有一個峰值,垂直波長約為44 km.而HME1的峰值在約106 km處,略低于ETM1,其垂直波長與之相似,約為42 km.緯向風ETM2在±10°和107 km的高度處有兩個對稱的峰值.而HME2的峰值在±18°的緯度處,稍寬于ETM2;其峰值高度稍低,約102 km.ETM2和HME2在其峰值周圍的波長分別約為24和28 km.對于經向風中的ETM和HME,第一階對稱模式在105～110 km左右都有雙峰,并延伸到熱層中.第一階反對稱模式均被捕獲在赤道區(qū)域.這里需要注意的是,每階ETM的最大值已分別做歸一化操作.因此,圖1沒有顯示類似于HME所示的緯向風和經向風的相對大小.

1.3 數(shù)據處理方法簡介

TIMED-TIDI與流星雷達風場數(shù)據分別在空間與時間域中有良好的覆蓋.這兩種數(shù)據源具有較好的一致性,具體的比較結果可參見Zhou等(2018).本工作中,我們將TIMED-TIDI和流星雷達的觀測結果一并置于以ETM作為基函數(shù)的方程中進行最小二乘擬合.擬合過程中兩種數(shù)據源在空間和時間覆蓋性上的優(yōu)勢將相互補充,從而能夠提取出時變的MLT大氣潮汐.本文基函數(shù)ETM高度范圍為80～140 km,故相比實際觀測范圍,擬合結果可外推得到更高高度的潮汐變化情況.在此高度范圍內,ETM給出了DE3潮汐的幅值與相位信息,以此作為向數(shù)據未覆蓋高度外推的物理依據.這與Oberheide等(2009)基于HME將SABER觀測數(shù)據外推至熱層高度大氣潮汐的過程相類似.基于上述處理流程,Zhou等(2022)分析了大氣潮汐的逐日變化性,并論證了由該方法在有限觀測點上提取的潮汐變化與傳統(tǒng)二維FFT方法的一致性.本研究關注季節(jié)內變化特征,因而取11天為滑動平均窗口長度以獲得時間窗口內更穩(wěn)定的潮汐譜特征,而忽略其10日周期以下的逐日變化性.接著逐日滑動以提取出每日的風場潮汐DE3.之后,采用與Yang等(2018)類似的方法分析潮汐的季節(jié)內變化規(guī)律:應用30～100天的帶通濾波從逐日變化的DE3振幅數(shù)據中提取出其季節(jié)內變化振幅;分別計算12—2月、3—5月、6—8月、9—11月的平均值作為該季節(jié)平均參考值;季節(jié)內變化水平進一步被確定為帶通過濾后的每日振幅與季節(jié)平均值的比值,以百分比表示.后文將該結果稱為季節(jié)內變化異常值(Anomalies),其中“常”即對應季節(jié)平均.該處理方法將每年不同季節(jié)的平均狀態(tài)扣除,從而一定程度上可以降低年際間變化帶來的影響.

1.4 MJO指數(shù)

本文采用Wheeler和Hendon(2004)所提出的RMM指數(shù)(Real-Time Multivariate MJO Index)以表征MJO對流活動強度與位置.該指數(shù)基于近赤道區(qū)域(15°N—15°S)平均的850 hPa緯向風、200 hPa緯向風和衛(wèi)星觀測的向外長波輻射(Outgoing Longwave Radiation,OLR)數(shù)據的組合經驗正交函數(shù),將每天觀測到的數(shù)據投影到基函數(shù)上,并去掉年周期和年際變化,得出在MJO的季節(jié)內時間尺度上變化的主成分時間序列.RMM指數(shù)幅度和位相序列由前兩階正交基的時RMM1和RMM2所構成.通常定義八個不同的MJO位相,即MJO對流所處經度扇區(qū)的位置,編號分別為1到8(8和1為西半球和非洲,2和3為印度洋,4和5為海洋性大陸,6和7為西太平洋).

2 主要結果

2.1 DE3潮汐季節(jié)內變化特征

基于空地基觀測數(shù)據與ETMs,可以計算出MLT區(qū)域不同高度和緯度處逐日變化的緯向風與經向風DE3潮汐.圖2給出2012—2020年間120 km高度處緯向風與經向風DE3潮汐的時變規(guī)律.其中2016年底至2017年初TIDI數(shù)據非可用,故圖中顯示為空.這里選取展示120 km處的結果是因為該高度為DE3-U潮汐的核心區(qū)域,其幅值通常達到極大值.可以看出,兩者均顯示出較強的季節(jié)內變化性.進一步地,由Lomb-Scargle周期圖譜得出,赤道區(qū)緯向風DE3(DE3-U)幅值變化存在50～90天寬頻帶的季節(jié)內變化信號,而經向風DE3(DE3-V)季節(jié)內變化同樣為寬頻帶并在40～60天有兩個顯著的峰值.在對季節(jié)內變化信號中DE3-V與DE3-U不甚一致,可能原因為不同模態(tài)在不同高度與緯度的季節(jié)內變化的強弱不一致所導致.Kumari等(2021)指出DE3潮汐對稱模與反對稱模的季節(jié)內變化強度存在不一致的季節(jié)依賴性.由于DE3-U潮汐幅值(峰值可達40 m·s-1)顯著大于DE3-V(幅度小于25 m·s-1),且在與高空電離層耦合中更為主導(Wan et al., 2010),本文后續(xù)將主要以DE3-U為例來分析其季節(jié)內變化規(guī)律.

基于1.3小節(jié)所述的處理方法,圖3示例展示了120 km赤道處DE3-U的逐日變化、季節(jié)平均、以及帶通濾波后的季節(jié)內變化.可以看出,在年變化(秋季強而春季弱)背景上,DE3-U存在顯著的季節(jié)內變化.在120 km高度赤道處,其季節(jié)內變化幅值在±10 m·s-1以內.在2013、2015年一月,最大可達～9 m·s-1.相較于其他季節(jié),DE3-U在北半球冬季的季節(jié)內變化信號通常較強.

圖3 赤道處緯向風DE3幅值逐日變化(黑虛線)、季節(jié)平均值(灰點線)與季節(jié)內變化(黑實線)

圖4進一步展示相對季節(jié)平均背景的DE3-U季節(jié)內變化異常值的時變規(guī)律.可以清楚看出,通常季節(jié)內變化異常值在北半球冬季較強,而在春秋季較弱.在2015年1月,季節(jié)內變化信號可以達到其季節(jié)平均背景的2倍左右.而在其他季節(jié),DE3-U的季節(jié)內變化異常值通常在±20%以內.季節(jié)內變化異常值緯度結構表明,北半球冬季DE3-U潮汐對稱模響應通常更占主導.而通常非對稱模主導該季節(jié)的季節(jié)平均(Oberheide and Forbes, 2008).高度變化上,低緯赤道區(qū)DE3-U季節(jié)內變化信號在MLT區(qū)域無顯著高度依賴,偶有在105 km處減小.

圖4 帶通濾波后緯向風DE3相對季節(jié)平均比值在(a)120 km處不同緯度與(b)低緯處(10°N—10°S)不同高度的變化

2.2 MJO調制作用分析

2.1小節(jié)中我們展示了MLT區(qū)域DE3風場潮汐的顯著季節(jié)內變化信號,并發(fā)現(xiàn)該信號在冬季較強,這與MJO年變化規(guī)律類似.為方便對比,圖5給出了RMM指數(shù)所表征的MJO幅值與位相變化的情況.可以看出,冬季MJO較為活躍,在2012、2016、2018、2019年的一月至四月間均有強度較大且時間較為持續(xù)的MJO活躍事件.圖中綠線展示90天平滑結果僅為突出展示MJO季節(jié)變化特征,而并不參與后續(xù)統(tǒng)計計算過程.需要注意的是,由于大氣潮汐對MJO的響應在不同季節(jié)、不同月份、不同MJO位相時各不相同,簡單地對比MJO指數(shù)大小(圖5)和DE3幅值的季節(jié)內變化特征(圖4)并不能很好地衡量MJO位相變化時的潮汐變化特征.

圖5 2012—2020年MJO指數(shù)的幅值與位相變化,黑線為每日輻值,綠線為90天滑動平均值,背景中的色塊對應右側標記的各個MJO位相

以2017年12月至2018年3月間一次強度較強的MJO事件為例,圖6展示了MLT風場非遷移潮汐DE3-U與MJO活動之間存在的可能關聯(lián).可以看出,在這幾個月內每當MJO位相為4—6時,DE3-U季節(jié)內變化異常值往往為正;而MJO為第7、8、1位相時,則通常為負.最大變化幅值可達其相應季節(jié)平均的1倍左右.該結果說明不同的MJO位相,即對應不同的對流層高度對流活動潛熱釋放緯向變化,可能與MLT高度非遷移潮汐DE3強度相關.

圖6 一次MJO活躍事件中低緯處120 km緯向風DE3潮汐在不同MJO位相時期的變化

本文進一步統(tǒng)計分析2012—2020年間不同季節(jié)中DE3-U幅值季節(jié)內異常變化對MJO不同位相的響應.這里,我們將MJO幅值大于1且持續(xù)至少5天的時期定義為MJO活躍事件.其認定過程依據MJO指數(shù)原始數(shù)據(圖5黑線),而非90天平均值(圖5綠線)通過將具有相同MJO位相的所有事件合并在一起得出統(tǒng)計結果.統(tǒng)計過程中我們以每三個月劃分季節(jié)(冬:12—2月、春:3—5月、夏:6—8月、秋:9—11月),每個季節(jié)的背景平均值如圖3灰線所示.因而每個季節(jié)過渡時季節(jié)平均中的階躍不會對統(tǒng)計結果造成影響.圖7給出了冬、春、夏、秋四個季節(jié)不同高度低緯處DE3-U輻值對MJO不同位相的響應.總體而言,冬季響應最強,在位相4—6時為正,最大可達+30%～+40%;在其他位相時為負,最大可達-40%～-50%.春季MJO影響較弱,影響程度通常在-5%至+10%之間,位相為6時為負.DE3-U在秋季的響應常在±15%之間,位相1—4時為正,位相5—8時為負.秋季影響程度與夏季類似,但位相關聯(lián)上主要表現(xiàn)為在位相5為正而在2、7為負,這與冬季結果類似.上述結果說明非遷移大氣潮汐DE3對MJO活動的響應存在較為明顯的季節(jié)差異.

圖7 低緯處(10°N—10°S)緯向風DE3潮汐在不同季節(jié)對MJO位相變化的統(tǒng)計響應

為展現(xiàn)統(tǒng)計結果顯著性與可靠性,圖8給出了12—2月間赤道處DE3-U對MJO響應的統(tǒng)計結果細節(jié),以箱線圖形式展示.MJO活躍期每個位相用于統(tǒng)計計算的天數(shù)都至少包括40天(圖中紅線),保證了足夠的統(tǒng)計樣本數(shù).圖中各顏色框中橫線表示該MJO位相DE3-U響應統(tǒng)計結果的中位數(shù),框的兩端為1/4位及3/4位數(shù).虛線兩端短橫線表示上下限極值,而離群值以黑點表示.該圖表明在MLT高度DE3-U在MJO位相5時響應較強而位相1、8時響應較弱的統(tǒng)計結果具有顯著性.

3 討論

基于TIMED-TIDI空基觀測與流星雷達子午鏈地基觀測,本文討論中高層大氣MLT區(qū)域風場非遷移潮汐DE3的季節(jié)內變化特征.相較前人所報道的DE3溫度潮汐(～25%),DE3風場潮汐的季節(jié)內變化幅度更為顯著:在冬季可達到其季節(jié)平均值1～2倍,其他季節(jié)也可以產生約20%的影響.結合MJO指數(shù),本文進一步討論了DE3風場潮汐在不同季節(jié)與MJO位相調制的關聯(lián).統(tǒng)計結果表明在MJO較為活躍的冬季,赤道處DE3-U潮汐在位相4—6會有更強的幅值,而在其他位相時更弱.上述結論與Kumari等(2020)基于SABER溫度觀測給出的結果類似,但與Gasperini等(2020)基于SD-WACCM-X的模擬結果在100 km以上略有不同.這可能是ETM基于線性化波動模式GSWM,而WACCM-X中包含更復雜的緯向平均緯向風變化、行星波變化以及波-波非線性相互作用.

中高層大氣潮汐的不同尺度復雜時變特征背后的物理機制一直以來為研究者所關注,主要包括:潮汐強迫的變化、背景大氣平均流的變化、波動間的非線性相互作用變化等.例如,季節(jié)變化尺度上,周日遷移潮汐變化被認為主要貢獻來自波-平均流相互作用,而重力波強迫項的影響有限(McLandress,2002).Riggin和Lieberman(2013)則認為波動的折射和反射,即大氣波動傳播過程中水平與垂直方向的擾動能量受極化關系的約束重新分配而使波動的傳播方向發(fā)生改變的過程,在潮汐的季節(jié)變化中也很重要.而非遷移潮汐季節(jié)變化可能主要來自于準靜止行星波和遷移潮汐間的相互作用(Xu et al., 2014).DE3的季節(jié)變化通常認為是對流層加熱與平流層和低中間層平均緯向風變化的結果(Oberheide and Forbes, 2008; Zhang et al., 2012).

在本文所關注的季節(jié)內時間尺度上,MJO是對流層赤道區(qū)最顯著的振蕩模態(tài),影響著對流層大氣環(huán)流以及對流過程.較慢的東向傳播波速(～5 m·s-1)及較低的頻率使得MJO通常被約束在低層大氣,難以直接傳播到MLT高度.因而,在MLT區(qū)域所觀測到的大氣季節(jié)內振蕩信號通常被認為與MJO對大氣波動的調制作用相關.例如,Eckermann等(1997)認為MLT區(qū)域大氣風場的類MJO振蕩受由熱帶對流激發(fā)的重力波和大氣潮汐所調制.Li和Lu(2020, 2021)在低緯與中緯地區(qū)均觀測到中高層大氣重力波受MJO調制的影響,并認為低緯主要受波動激發(fā)源在不同MJO位相變化的影響,而中緯地區(qū)則可能與MJO調制平流層極渦相關(Garfinkel et al., 2014).對于DE3大氣潮汐,MJO一方面改變了對流層赤道區(qū)對流強度,即主要的波動激發(fā)源;另一方面影響了對流層/平流層背景風,從而對DE3的向上傳播過程產生影響.Gasperini等(2020)發(fā)現(xiàn)在背景風場為QBO/SAO西向時比東向時,DE3潮汐幅值更大,即前者更利于DE3潮汐至MLT區(qū)域.而Kumari等(2021)在基于全大氣耦合模式SD-WACCM-X討論MJO活動作用中高層大氣潮汐變化的物理機制中指出,DE3潮汐在主要響應于對流層MJO活動所影響的潮汐源項,而對背景風中的MJO信號響應則較弱.在動量強迫中,重力波強迫項與對流項在不同MJO位相上共同促進或相互制約.本文統(tǒng)計結果顯示出冬季DE3-U幅值在MJO位相4—6時較大,這一點與Lau和Wu(2010)基于TRMM數(shù)據所統(tǒng)計的深對流發(fā)生率在MJO位相5時最強的結論相一致.此聯(lián)系一定程度上佐證了MJO活動通過調制對流層激發(fā)源強度從而影響MLT區(qū)域DE3潮汐幅值.深入定量化剖析其物理機制仍有待進一步模式化研究.

另外,本文主要聚焦于潮汐幅值季節(jié)內變化與MJO之間的關聯(lián),但尚未討論更為復雜的潮汐相位變化.Zhou等(2022)和Li等(2022)均指出相位變化對DE3潮汐逐日變化十分重要,然而其在季節(jié)內尺度的變化性還有待進一步研究.Kumari等(2021)基于SABER觀測結果嘗試Hovmoeller圖統(tǒng)計了包含經度上相位變化的DE3對MJO響應.其結果可以看出不同高度DE3溫度潮汐的經度結構在不同MJO位相時亦有所不同.這也意味著潮汐相位對不同MJO位相有著不一樣的響應.

此外,在本研究基礎上進一步深入理解中高層大氣季節(jié)內變化對該區(qū)域可預報性有潛在價值(Sassi et al., 2019).在太陽風和地磁活動較為平靜、沒有短時間向地球注入大量能量時,低頻過程在推測現(xiàn)在狀態(tài)下的未來狀態(tài)條件概率十分重要.高層大氣系統(tǒng)的這種長期“記憶性”也是長時間空間天氣預報的基礎(何建輝,2020).

4 結論

本文結合TIMED-TIDI空基觀測與流星雷達子午鏈地基觀測,揭示了MLT區(qū)域風場非遷移潮汐DE3的季節(jié)內變化特征,進一步結合對流層MJO活動性指數(shù),討論在不同MJO位相時的響應.主要內容可概括如下:

(1) MLT區(qū)域DE3風場潮汐廣泛存在顯著的寬頻帶季節(jié)內變化性;

(2) DE3-U通常在北半球冬季具有較強的季節(jié)內變化,可達其季節(jié)平均的1～2倍,而在其他季節(jié)其強度通常在20%以內;

(3) DE3-U對MJO的響應存在明顯的季節(jié)差異,在強響應的北半球冬季通常在MJO位相4—6時有更大的幅值(+10%～+40%),而在其他位相幅值更小(-10%～-40%).

總而言之,本工作證實了高空大氣普遍存在的季節(jié)內變化性,并給出了由MJO位相,即不同的對流層潛熱釋放緯向變化,影響到高空大氣潮汐波動的關聯(lián)性證據.

致謝本文流星雷達數(shù)據由北京空間環(huán)境國家野外科學觀測研究站和漠河地球物理國家野外科學觀測研究站觀測所得,由國家地球系統(tǒng)科學數(shù)據中心-地球物理分中心(http:∥wdc.geophys.ac.cn/)提供.TIMED-TIDI風場數(shù)據來源ftp:∥tidi.engin.umich.edu/tidi/vector/.RMM指數(shù)來源https:∥psl.noaa.gov/mjo/mjoindex/.