第四课题：近地空间灾害性扰动过程的因果链模式和预报方法研究 目 标:     建立中高层大气与电离层对灾害性太阳扰动和低层大气扰动的响应模型，辨明灾害性太阳扰动的特征及其影响中高层大气与电离层的方式，发展预报模型和预报方法，为空间活动的开展，无线电工程系统的运转以及人类生存环境的维护提供科学依据。 进 展: 1.扰动过程的因果链模式 1.1 全球大气动力学模式     我们采用FICE格式建立了球坐标系下，中、高层大气的三维非线性动力学模式。并应用该模式首次对重力波波包的全球非线性传播过程进行了数值研究。这是一个全新的模式，比起现有的模式它在两个方面有质的飞跃：(1)三维球坐标框架；(2)全非线性的动力学模型。它具有很广泛的适用性，可用于研究大气环流和大尺度大气波动全球非线性传播有关的问题。初步的数值模拟结果显示出我们的模式有很好的计算精度，结果也是可靠的。小振幅重力波扰动一旦被激发，将沿着它的射线路径传播波能量，非线性效应仅仅减小能量传输速度。初始扰动振幅大小对能量传播的路径和速度都没有明显的影响。尽管初始扰动速度很小，但是重力波经过了长时间的全球传播过程后，在高层大气中会产生强的水平动量和背景风场加速。在传播过程中，重力波的水平尺度没有明显变化，但是垂直尺度和波频率却随时间减小，并且，初始扰动速度越大，减小越明显。这说明，非线性效应虽然对水平扰动尺度没有明显影响，但却能减小大气波动的垂直扰动速度和频率。模拟结果如图所示： 图1 图2 图3 图4   图1 重力波波包的能量传播路径。不带星号的实线表示射线路径，带星号的实线表示重力波的非线性能量传播路径。虚线表示传播路径在三个平面上的投影。 图2 纬向动量的垂直通量在不同时刻波包中心位置的空间分布。 图3 重力波能量传播路径。图中实线是线性理论给出的射线路径，虚线表示重力波非线性能量传播路径，点线表示重力波的线性能量传播路径。 图4 波包中心位置处，平均波能量密度在θ- r 平面的空间分布。 1.2 建立了三维大气中大中尺度波动相互作用的理论模型     讨论了典型的2天行星波与惯性重力内波的非线性相互作用过程。从共振曲面和参量不稳定增长率来看，行星波倾向于与空间尺度较大的惯性重力波发生相互作用。利用潮汐波的等价重力波假设，讨论了行星波与半日潮及惯性重力波的相互作用，首次用数值计算的方法讨论了三波相互作用过程随高度的变化,结果表明在中层顶附近波的相互作用非常剧烈,随着高度的增长,潮汐振幅的变化周期越来越短。 1.3 三维局地大气动力学模式     分别采用全隐欧拉格式(FICE)与交替方向隐格式(ADI)建立了可压大气中重力波非线性传播的三维局地模式。计算结果表明这两种格式计算精度高，结果可靠。模拟结果也表明，小振幅重力波扰动一旦被激发，将沿着它的射线路径传播波能量，非线性效应仅仅减小能量的水平输运速度。水平背景风场对重力波传播有很大的影响。当波矢量在水平背景风场方向有正的分量时，在传播过程中，波包的垂直波长与能量的垂直输运速度都会减小；当波矢量在水平背景风场方向有负的分量时，波包的垂直波长与能量的垂直输运速度都会增加。在背景风场不为0时，由于波与平流之间存在的非线性相互作用，波包能量会被背景风场吸收。        图5 非线性重力波波包水平扰动速度的时空演变图（x-y面） 图6 重力波能量的传播路径。图中虚线是线性理论给出的射线路径，实线表示重力波非线性能量传播路径 图7 风场对重力波传播路径的影响（A：x方向为顺风场，y方向为逆风场；B：x、y方向均为顺风场；C：x、y方向均为逆风场； D：x方向为逆风场，y方向为顺风场；点虚线a、b、c、d分别为A、B、C、D在xy平面上的投影，其中b、c在同一曲线上）   图8 背景风场对重力波波包能量的影响 a, 背景风为零；b,e,波包在垂直切变风场中顺风传播（两个波包的参数不同， 背景风的垂直剪切率不同）；c, 波包在垂直切变风场中逆风传播；d,波矢量在垂直无切变背景风方向有正的分量 1.4 中层大气中重力波的饱和机制     通过对向上传播的重力波波包在中层大气中的非线性传播过程进行数值模拟，讨论中层大气中重力波的饱和机制。数值模拟结果表明，向上传播的重力波波包的扰动振幅在接近波包的本征水平相速度之前随高度单调增长，而当波振幅接近本征水平相速度时，在对流不稳定区域出现等位温面的翻转，同时波振幅的增长达到饱和(波振幅随高度不发生变化)。小尺度对流在等位温面的翻转和波饱和发生后产生，随后波包开始破碎，这些非线性过程的最终结果产生湍流。这表明导致重力波饱和的关键因素是等位温面的翻转而不是诸如波破碎、湍流、波—流相互作用等其它的一些物理过程。                     图9 图10 图11   图9 不同时刻波包中心位置附近位温的等值线图（log K），等值线之间的间隔为0.08。 图10 不同时刻波包中心位置附近水平扰动速度的等值线图，等值线之间的间隔10 ms(^-1)。 图11 不同时刻波包中心位置处的水平风速。 1.5 分子粘性对重力波波包非线性传播的影响     采用二维全隐欧拉（FICE）格式，对重力波波包在真实大气中的非线性传播和演变过程进行了数值模拟。模拟结果表明在中层大气下部激发的向上传播的重力波波包在传播到中层顶之前，波相关能量沿着射线路径传播，非线性效应和背景温场对波能量传播路径的影响很小。当波包传播到低热层大气后，波出现了饱和，波相关能量几乎完全沿着水平方向传播，垂直方向的能量传播受到抑制。这与在无耗大气下，WKB近似条件下的线性重力波理论的预言相差很大。深入的分析表明抑制重力波波包向上传输能量的关键因素是大气分子粘性的垂直非均匀性。非线性和背景温场的影响不足以完全抑制波能量的向上传播。此外，在波包的整个传播过程中，由于非线性、背景温度和背景耗散的共同作用，重力波波包的垂直波长随时间明显减小。这些结果说明大气的分子粘性特别是分子粘性的垂直不均匀性对重力波波包在中、高层大气的非线性传播过程起着重要作用。                  图12 图13   图12 重力波波包的能量传播路径。图中实线表示WKB近似条件下，线性重力波理论给出的射线路径，虚线是我们模拟出的重力波波包在耗散大气中的能量传播路径。二者差异很大。 图13 重力波波包的能量中心处，水平扰动速度的高度剖面。图中实线表示扰动速度，虚线表示背景风场 1.6 初步建立了一个适合研究中层和低热层大气对磁暴响应的三维全球动力学模式 1.7 光化过程对大气波动的作用     建立了线性化的包括辐射及光化过程在内的大气重力波非绝热波动模式，其中考虑较全面的中高层大气光化反应和光化加热过程。研究表明：重力波的传播会造成中层顶区光化学加热的损失,并且随着背景温度降低和原子氧的分布的增加而加大；光化学造成的非绝热加热可以诱发中层顶区重力波的不稳定传播，并且随着背景温度降低和原子氧的分布的增加而加强。 1.8 中高层大气中大气波动的传播过程对大气光化学过程的影响机制     建立了非线性、可压缩的二维光化－动力学耦合重力波模式，该模式考虑了光化学反应产生的非绝热效应以及重力波对大气化学反应以及对化学成分输运的影响。模式在水平方向利用拟谱方法，对垂直方向和时间采用有限差分方法，并利用FICE方法对模式求解。对小振幅波动的模拟结果与线性重力波理论结果符合得很好，证明了该模式算法的正确性，它表明拟谱法和有限差分法相结合是大气重力波模拟研究的有效的、并且计算量较小的方法之一。     利用包含光化学过程的、非线性的、可压缩的二维重力波模式研究了中层顶区重力波对大气微量化学成分分布的影响，着重模拟了重力波传播通过中层顶区时通过非线性化学反应引起的大气氧族成分和氢族成分分布的改变的新机制。研究发现，当重力波传播通过中层顶时，即使它不发生破碎，也仍然能够产生大气化学成分背景分布的变化，并且夜间该效应比白天更为强烈。 1.9 电离层物理模型     建立了一个包含多太阳谱段和多大气成分及光化和动力学过程的电离层物理模型，可用于和观测资料对比，或突出研究某个电离层物理过程，并已初步和二维的热层环流模型相结合，为进一步对电离层某些过程的物理预报做了理论准备 1.10 极区电离层的研究 a.建立了一维极区电离层模型     考虑来自磁层的极区能量注入过程，建立了一维极区电离层模型。此模型综合求解描述电离层物理过程的连续性方程、动量方程和能量方程，能考察诸多物理过程的充分耦合，得到理论上自洽的电离层解。利用参数化输入，模型能研究极区电子沉降、极区场向电流（FAC）的电离层响应。通过对极区高空大气中等离子体与中性大气成分和电子与离子间的各种弹性和非弹性碰撞过程的考虑，模型能考察等离子体对流和中性大气运动引起的摩擦热/焦耳热对电离层的影响。 b.物理问题的研究     观测表明，在极区电离层较高的高度，对应向上的场向电流，电子温度较高；对应向下的场向电流，电子温度较低[T.Abe等，1993]，这一问题尚未很好地解决。我们认为，在有场向电流的情况下，电子热流除与电子温度梯度和电子温度本身有关外，还与场向电流大小和方向有关。图3模拟结果显示，场向电流对电子温度的影响主要集中在约400km以上的高度，温度变化与观测结果一致，但在电流大小不变的情况下，向上场向电流引起的温度变化幅度明显大于向下场向电流；电子密度在向上场向电流时减小，向下场向电流时密度略有增大，二者对电离层峰值影响不明显。另外考察了顶部边界条件（来自磁层的热流）和电子沉降对电离层的影响，初步认为极光区电子温度的变化是多种因素综合作用的结果，但主要作用高度不同。对顶部边界的确定尚需进一步研究。                              图13                         图14                         图15 图13 模型的输入输出参数。图中表示输入参数为太阳EUV辐射、场向电流大小和方向、沉降电子能谱分布、等离子体对流运动速度和中性风速；输出参数为电离层各离子成分和电子密度以及电子和离子温度高度剖面。 图14a 各种离子和电子密度高度剖面 图14b 中性大气温度和电子、离子高度分布 图15 场向电流对电离层的影响。场向电流大小为15mAm-2。 1.11 切变风场中声重波的非线性相互作用方程     推导出切变风场中声重波的非线性相互作用方程，发现小尺度声重力波在切变风场中不稳定发展，但在一定条件下非线性饱和过程会使波场的演变出现混沌状态。 2. 中、高层大气和电离层扰动的特征和演变规律 2.1 中国上空中、高层大气参数的观测     2001年3月8日，武汉大学自筹经费400万，自主研制成功了一台双波长高空激光雷达（见图16）。该雷达具有很高的高度分辨率（ 96m）和时间分辨率（5min）,目前已投入常规观测。该激光雷达在钠荧光工作模式下，可观测80km-110km高度范围的钠原子密度（见图17、18）；而在瑞利工作模式下，可测量30km-75km高度范围大气的密度和温度（见图19）。在2001年11月19日狮子座流星雨期间，该激光雷达观测到了流星的烧蚀(见图20)。 图16 图17 图18 图19 图20   图16 武汉大学激光雷达实验室 图17 激光雷达接收到的回波信号 图18 由激光雷达回波信号反演出的中层顶钠原子数密度分布随时间的变化图 图19 激光雷达单脉冲输出功率为75mJ时得到的中层大气密度剖面图 图20 2001年11月19日狮子座流星雨期间，武汉大学激光雷达观测结果 2.2 太阳活动对平流层温度的影响     利用英国气象局中层大气研究组提供的全球0—55km网格温度资料，分析了1991年10月到1994年9月期间，几个特大磁暴对北半球大气环流形态的影响，发现磁暴过后，北半球464hPa行星波明显减弱，环流形态有明显的变化。这一结果对进一步了解太阳活动是否明显影响天气和气候过程，将有一定帮助。太阳活动对平流层大气影响的研究，一直受到各国科学家的重视，但至今还没有得到一致的结论。采用球面网格面积加权平均和垂直平均的方法计算整个平流层的平均温度，发现从1991年11月到1994年9月的35个月，平流层月平均温度与太阳活动的重要指数F10.7的月平均之间有很好的正相关关系，相关系数达到0.74；100hPa到1hPa的平流层月平均温度与相应的月平均太阳射电流量F10.7呈明显的正相关，相关系数达+0.81。 年平均平流层温度与年平均太阳射电流量F10.7之间有非常好的线性关系, F10.7增加100单位（10-22Wm-2Hz-1），整个平流层温度大约上升2.27 °C。 2.3 夏季极区中间层大气潮汐暂态结构和短期变化     利用德国SOUSY VHF雷达在中间层的观测数据，研究了夏季极区中间层大气潮汐暂态结构和短期变化。纬向和经向风的动态Lomb-Scargle谱表明，半日潮是极区夏季中间层高度上占支配地位的波动；周日潮通常较弱，偶尔也会增加到与半日潮相当的强度；1/8 cph频率附近偶尔出现较强的谱峰，但持续时间更短。潮汐谱峰对应的频率一般与其定义值有偏离，说明它们经常处在被扰动的状态。半日潮的频率起伏一般比较小，周日潮和1/8 cph潮汐的频率起伏较大。纬向风中半日潮振幅的时间变化在相差2.7km的两个高度上差别较大，而在经向风中显示出一定程度的相似性，这说明半日潮短期变化的局地性和各向异性。无论是纬向还是经向，1/8cph潮汐的振幅在相差2.7km的两个高度上显示出十分相似的变化特征。由于各种潮汐成份在纬向和经向风中的频率一般不相同，其水平扰动速度矢量端点随时间变化的轨迹一般也不再是闭合的椭圆，但仍保持顺时针方向旋转的特征。半日潮水平扰动速度矢量端点随高度增加显示出顺时针方向旋转的特征，说明它是等相面向下运动能量向上传播的行波；周日潮水平扰动速度矢量端点随高度变化没有显示出确定的旋向，表明它不是行波。 2.4 电离层TEC方法的发展和完善     发展和完善了几种由GPS观测资料反演扰动条件下电离层TEC的方法，将在此基础上探讨了电子总含量对耀斑和波动的响应及日变化形态，探索了通过GPS监测、研究和预报电离层扰动的可能途径。 2.5 电离层热层扰动的研究     根据全球电离层地面探测数据研究了不同类型磁暴的的全球电离层响应。获得了全球电离层F2层区对不同类型磁暴的响应。分析了全球电离层对不同行星际地磁扰动事件的扰动形态，将中纬电离层模型向高纬和低纬扩展，研究了磁暴期间影响高纬和低纬区扰动的物理机制。 2.6 数据同化研究     以多台站探测数据处理为例给出了同化处理的数学本质：约束加权最小二乘法，并给出了在此概念基础上的数据同化处理系统概念，为今后研究工作奠定了基础。