MJO與中間層-低熱層風(fēng)場(chǎng)潮汐DE3季節(jié)內(nèi)變化性的關(guān)聯(lián)

周旭, 樂新安,2,3*, 陳桂萬, 余優(yōu),2,3, 胡連歡,3

1 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所中國科學(xué)院地球與行星物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 1000292 中國科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院, 北京 1000493 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所, 北京空間環(huán)境國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站, 北京 1000294 中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(duì)流層大氣季節(jié)內(nèi)振蕩的主導(dǎo)模態(tài)之一,表現(xiàn)為周期30～90天緩慢東傳的對(duì)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(nèi)外學(xué)者自20世紀(jì)80年代以來便對(duì)其開展了廣泛研究.目前對(duì)其結(jié)構(gòu)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(diǎn):東傳速度約為5 m·s-1、無嚴(yán)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(jié)構(gòu)、冬春季較強(qiáng)而夏秋季較弱的季節(jié)變化(Zhang, 2005).作為銜接天氣與氣候時(shí)空尺度的大氣低頻振蕩現(xiàn)象,MJO也被認(rèn)為與其他尺度的大氣過程有一定關(guān)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(dòng)(Cassou, 2008; Zhou et al., 2020)、厄爾尼諾與南方濤動(dòng)(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(nèi)變化性,并被認(rèn)為可能來自于對(duì)流層MJO.早期,Eckermann和Vincent (1994)基于地基中頻雷達(dá)觀測(cè)報(bào)道了MLT高度赤道區(qū)緯向平均風(fēng)存在季節(jié)內(nèi)變化規(guī)律.之后,Eckermann等(1997)進(jìn)一步詳細(xì)地闡述了風(fēng)場(chǎng)季節(jié)內(nèi)時(shí)間尺度的周期變化頻譜特征,并發(fā)現(xiàn)緯向風(fēng)比經(jīng)向風(fēng)更為顯著.隨后,不同地區(qū)的地基雷達(dá)多次觀測(cè)到這類中高層大氣的季節(jié)內(nèi)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(dá)發(fā)現(xiàn)2015/2016冬季有強(qiáng)烈的季節(jié)內(nèi)振蕩信號(hào),在90 km高空幅值可達(dá)16 m·s-1.由于所報(bào)道的中高層大氣季節(jié)內(nèi)變化與對(duì)流層MJO存在相似的周期振蕩特征,許多學(xué)者開始深入研究兩者之間可能存在的關(guān)聯(lián)(Isoda et al., 2004; Kumar et al., 2007; Koshin et al., 2022),并提出主要作用機(jī)制為:與MJO活動(dòng)相關(guān)的對(duì)流活動(dòng)可通過潛熱釋放從而調(diào)制一系列大氣動(dòng)力學(xué)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(cè)技術(shù)與數(shù)值模式的發(fā)展,空基觀測(cè)結(jié)合模式模擬研究進(jìn)一步揭示了MJO與中高層大氣全球尺度波動(dòng)的可能性關(guān)聯(lián).Liu等(2018)通過Aura衛(wèi)星溫度觀測(cè)數(shù)據(jù)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(dòng)結(jié)構(gòu)存在明顯的季節(jié)內(nèi)變化特征,而且當(dāng)這些波動(dòng)較強(qiáng)時(shí)通常伴隨著較強(qiáng)的MJO活動(dòng).基于SABER(Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry)衛(wèi)星溫度觀測(cè)數(shù)據(jù)和GOCE(Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer)衛(wèi)星風(fēng)場(chǎng)觀測(cè),Gasperini等(2020)發(fā)現(xiàn)低熱層及熱層的兩種大氣波動(dòng)(DE3和準(zhǔn)3天Kelvin波)具有明顯的季節(jié)內(nèi)變化,且這兩種波動(dòng)均可能和對(duì)流層熱帶深對(duì)流激發(fā)相關(guān).進(jìn)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(jié)果提出了大氣波動(dòng)季節(jié)內(nèi)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(cè)數(shù)據(jù)也發(fā)現(xiàn)MLT高度的大氣溫度潮汐DW1與DE3受MJO的顯著調(diào)制,且非遷移潮汐DE3對(duì)MJO的響應(yīng)(～25%)大約兩倍于遷移潮汐DW1(～10%).該研究同時(shí)揭示大氣潮汐波對(duì)MJO的響應(yīng)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(shí)會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的DW1潮汐強(qiáng)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(dá)季節(jié)平均態(tài)的15%～20%.

綜上,對(duì)MLT區(qū)域大氣季節(jié)內(nèi)變化的研究主要集中在風(fēng)場(chǎng)時(shí)頻振蕩與溫度潮汐,而關(guān)于大氣風(fēng)場(chǎng)潮汐研究較為匱乏.因而,目前關(guān)于MJO與MLT區(qū)域大氣風(fēng)場(chǎng)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(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所地基流星雷達(dá)子午鏈觀測(cè),結(jié)合經(jīng)驗(yàn)大氣潮汐模分析方法(Zhou et al., 2018),試圖揭示MLT區(qū)域風(fēng)場(chǎng)非遷移潮汐DE3季節(jié)內(nèi)變化特征并討論其與MJO間的可能聯(lián)系.

1 數(shù)據(jù)說明與處理方法

1.1 TIMED-TIDI與流星雷達(dá)子午鏈

熱層-電離層-中層能量與動(dòng)力學(xué)衛(wèi)星(Thermosphere-Ionosphere-Mesosphere Energetic and Dynamics,TIMED)在準(zhǔn)太陽同步軌道上運(yùn)行.因此,在任意一天中會(huì)有兩個(gè)不同地方時(shí)觀測(cè),分別對(duì)應(yīng)于上升軌道與下降軌道.兩個(gè)地方時(shí)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(jīng)度間隔約為25°的全球覆蓋觀測(cè).由于軌道的緩慢進(jìn)動(dòng),衛(wèi)星觀測(cè)每60天左右可以覆蓋完整的24小時(shí)地方時(shí).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(cè)量出中高層大氣風(fēng)場(chǎng)(Niciejewski et al., 2006).數(shù)據(jù)產(chǎn)品中矢量風(fēng)場(chǎng)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(cè)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(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所流星雷達(dá)臺(tái)鏈位于北半球120°E子午圈附近,包含四個(gè)觀測(cè)臺(tái)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(cè).武漢站2002—2004年有短暫的觀測(cè),之后于2010年重啟運(yùn)行.三亞站于2009—2016年執(zhí)行風(fēng)場(chǎng)探測(cè)任務(wù),之后于2018年在臨近的樂東(18.4°N, 109.0°E)建立新站.通過對(duì)流星尾跡回波多普勒頻移的探測(cè),流星雷達(dá)可全天候不間斷獲取MLT區(qū)域大氣風(fēng)場(chǎng)視線速度.基于大量視線速度及相應(yīng)到達(dá)角信息,可通過最小二乘擬合出該時(shí)間與高度窗口的水平風(fēng)場(chǎng)速度.數(shù)據(jù)產(chǎn)品中水平矢量風(fēng)場(chǎng)探測(cè)高度范圍為80～100 km、時(shí)間分辨率1 h、高度分辨率2 km.詳細(xì)的流星雷達(dá)工作原理參見余優(yōu)(2013).

1.2 經(jīng)驗(yàn)大氣潮汐模

基于經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)方法,Zhou等(2018)分析全球尺度波動(dòng)模式(Global Scale Wave Model, GSWM-09),得出了一組經(jīng)驗(yàn)大氣潮汐模(Empirical Tidal Modes,ETMs).GSWM-09模式是線性波動(dòng)模型,考慮了大氣潮汐多種激發(fā)機(jī)制與耗散機(jī)制,描述了大氣參量周日與半日潮汐的空間結(jié)構(gòu)(Zhang et al., 2010a,b).其水平分辨率分別為5°×3°(經(jīng)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?qū)SWM-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(xì)的ETM介紹及其與傳統(tǒng)Hough模對(duì)比可參見周旭(2021).

圖1示例給出了MLT區(qū)域DE3大氣風(fēng)場(chǎng)潮汐ETM第一階對(duì)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(kuò)展Hough模(Hough Mode Extension, HME)第一階對(duì)稱模和反對(duì)稱模(即HME1和HME2)相比,ETM的第一階對(duì)稱模和反對(duì)稱模(即ETM1和ETM2)具有類似的高度與緯度結(jié)構(gòu),同時(shí)也有一定差異性.緯向風(fēng)ETM1在約112 km處有一個(gè)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(fēng)ETM2在±10°和107 km的高度處有兩個(gè)對(duì)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(duì)于經(jīng)向風(fēng)中的ETM和HME,第一階對(duì)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(duì)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(fēng)和經(jīng)向風(fēng)的相對(duì)大小.

1.3 數(shù)據(jù)處理方法簡介

TIMED-TIDI與流星雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)分別在空間與時(shí)間域中有良好的覆蓋.這兩種數(shù)據(jù)源具有較好的一致性,具體的比較結(jié)果可參見Zhou等(2018).本工作中,我們將TIMED-TIDI和流星雷達(dá)的觀測(cè)結(jié)果一并置于以ETM作為基函數(shù)的方程中進(jìn)行最小二乘擬合.擬合過程中兩種數(shù)據(jù)源在空間和時(shí)間覆蓋性上的優(yōu)勢(shì)將相互補(bǔ)充,從而能夠提取出時(shí)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(shí)際觀測(cè)范圍,擬合結(jié)果可外推得到更高高度的潮汐變化情況.在此高度范圍內(nèi),ETM給出了DE3潮汐的幅值與相位信息,以此作為向數(shù)據(jù)未覆蓋高度外推的物理依據(jù).這與Oberheide等(2009)基于HME將SABER觀測(cè)數(shù)據(jù)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(cè)點(diǎn)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(guān)注季節(jié)內(nèi)變化特征,因而取11天為滑動(dòng)平均窗口長度以獲得時(shí)間窗口內(nèi)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(dòng)以提取出每日的風(fēng)場(chǎng)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(nèi)變化規(guī)律:應(yīng)用30～100天的帶通濾波從逐日變化的DE3振幅數(shù)據(jù)中提取出其季節(jié)內(nèi)變化振幅;分別計(jì)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(nèi)變化水平進(jìn)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(jié)果稱為季節(jié)內(nèi)變化異常值(Anomalies),其中“?！奔磳?duì)應(yīng)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(duì)流活動(dòng)強(qiáng)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(fēng)、200 hPa緯向風(fēng)和衛(wèi)星觀測(cè)的向外長波輻射(Outgoing Longwave Radiation,OLR)數(shù)據(jù)的組合經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù),將每天觀測(cè)到的數(shù)據(jù)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(nèi)時(shí)間尺度上變化的主成分時(shí)間序列.RMM指數(shù)幅度和位相序列由前兩階正交基的時(shí)RMM1和RMM2所構(gòu)成.通常定義八個(gè)不同的MJO位相,即MJO對(duì)流所處經(jīng)度扇區(qū)的位置,編號(hào)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(jié)果

2.1 DE3潮汐季節(jié)內(nèi)變化特征

基于空地基觀測(cè)數(shù)據(jù)與ETMs,可以計(jì)算出MLT區(qū)域不同高度和緯度處逐日變化的緯向風(fēng)與經(jīng)向風(fēng)DE3潮汐.圖2給出2012—2020年間120 km高度處緯向風(fēng)與經(jīng)向風(fēng)DE3潮汐的時(shí)變規(guī)律.其中2016年底至2017年初TIDI數(shù)據(jù)非可用,故圖中顯示為空.這里選取展示120 km處的結(jié)果是因?yàn)樵摳叨葹镈E3-U潮汐的核心區(qū)域,其幅值通常達(dá)到極大值.可以看出,兩者均顯示出較強(qiáng)的季節(jié)內(nèi)變化性.進(jìn)一步地,由Lomb-Scargle周期圖譜得出,赤道區(qū)緯向風(fēng)DE3(DE3-U)幅值變化存在50～90天寬頻帶的季節(jié)內(nèi)變化信號(hào),而經(jīng)向風(fēng)DE3(DE3-V)季節(jié)內(nèi)變化同樣為寬頻帶并在40～60天有兩個(gè)顯著的峰值.在對(duì)季節(jié)內(nèi)變化信號(hào)中DE3-V與DE3-U不甚一致,可能原因?yàn)椴煌B(tài)在不同高度與緯度的季節(jié)內(nèi)變化的強(qiáng)弱不一致所導(dǎo)致.Kumari等(2021)指出DE3潮汐對(duì)稱模與反對(duì)稱模的季節(jié)內(nèi)變化強(qiáng)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(dá)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(dǎo)(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(nèi)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(nèi)變化.可以看出,在年變化(秋季強(qiáng)而春季弱)背景上,DE3-U存在顯著的季節(jié)內(nèi)變化.在120 km高度赤道處,其季節(jié)內(nèi)變化幅值在±10 m·s-1以內(nèi).在2013、2015年一月,最大可達(dá)～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(nèi)變化信號(hào)通常較強(qiáng).

圖3 赤道處緯向風(fēng)DE3幅值逐日變化(黑虛線)、季節(jié)平均值(灰點(diǎn)線)與季節(jié)內(nèi)變化(黑實(shí)線)

圖4進(jìn)一步展示相對(duì)季節(jié)平均背景的DE3-U季節(jié)內(nèi)變化異常值的時(shí)變規(guī)律.可以清楚看出,通常季節(jié)內(nèi)變化異常值在北半球冬季較強(qiáng),而在春秋季較弱.在2015年1月,季節(jié)內(nèi)變化信號(hào)可以達(dá)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(nèi)變化異常值通常在±20%以內(nèi).季節(jié)內(nèi)變化異常值緯度結(jié)構(gòu)表明,北半球冬季DE3-U潮汐對(duì)稱模響應(yīng)通常更占主導(dǎo).而通常非對(duì)稱模主導(dǎo)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(nèi)變化信號(hào)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(fēng)DE3相對(duì)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(diào)制作用分析

2.1小節(jié)中我們展示了MLT區(qū)域DE3風(fēng)場(chǎng)潮汐的顯著季節(jié)內(nèi)變化信號(hào),并發(fā)現(xiàn)該信號(hào)在冬季較強(qiáng),這與MJO年變化規(guī)律類似.為方便對(duì)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(qiáng)度較大且時(shí)間較為持續(xù)的MJO活躍事件.圖中綠線展示90天平滑結(jié)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(jì)計(jì)算過程.需要注意的是,由于大氣潮汐對(duì)MJO的響應(yīng)在不同季節(jié)、不同月份、不同MJO位相時(shí)各不相同,簡單地對(duì)比MJO指數(shù)大小(圖5)和DE3幅值的季節(jié)內(nèi)變化特征(圖4)并不能很好地衡量MJO位相變化時(shí)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(dòng)平均值,背景中的色塊對(duì)應(yīng)右側(cè)標(biāo)記的各個(gè)MJO位相

以2017年12月至2018年3月間一次強(qiáng)度較強(qiáng)的MJO事件為例,圖6展示了MLT風(fēng)場(chǎng)非遷移潮汐DE3-U與MJO活動(dòng)之間存在的可能關(guān)聯(lián).可以看出,在這幾個(gè)月內(nèi)每當(dāng)MJO位相為4—6時(shí),DE3-U季節(jié)內(nèi)變化異常值往往為正;而MJO為第7、8、1位相時(shí),則通常為負(fù).最大變化幅值可達(dá)其相應(yīng)季節(jié)平均的1倍左右.該結(jié)果說明不同的MJO位相,即對(duì)應(yīng)不同的對(duì)流層高度對(duì)流活動(dòng)潛熱釋放緯向變化,可能與MLT高度非遷移潮汐DE3強(qiáng)度相關(guān).

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

本文進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析2012—2020年間不同季節(jié)中DE3-U幅值季節(jié)內(nèi)異常變化對(duì)MJO不同位相的響應(yīng).這里,我們將MJO幅值大于1且持續(xù)至少5天的時(shí)期定義為MJO活躍事件.其認(rèn)定過程依據(jù)MJO指數(shù)原始數(shù)據(jù)(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(jì)結(jié)果.統(tǒng)計(jì)過程中我們以每三個(gè)月劃分季節(jié)(冬:12—2月、春:3—5月、夏:6—8月、秋:9—11月),每個(gè)季節(jié)的背景平均值如圖3灰線所示.因而每個(gè)季節(jié)過渡時(shí)季節(jié)平均中的階躍不會(huì)對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果造成影響.圖7給出了冬、春、夏、秋四個(gè)季節(jié)不同高度低緯處DE3-U輻值對(duì)MJO不同位相的響應(yīng).總體而言,冬季響應(yīng)最強(qiáng),在位相4—6時(shí)為正,最大可達(dá)+30%～+40%;在其他位相時(shí)為負(fù),最大可達(dá)-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(shí)為負(fù).DE3-U在秋季的響應(yīng)常在±15%之間,位相1—4時(shí)為正,位相5—8時(shí)為負(fù).秋季影響程度與夏季類似,但位相關(guān)聯(lián)上主要表現(xiàn)為在位相5為正而在2、7為負(fù),這與冬季結(jié)果類似.上述結(jié)果說明非遷移大氣潮汐DE3對(duì)MJO活動(dòng)的響應(yīng)存在較為明顯的季節(jié)差異.

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

為展現(xiàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯著性與可靠性,圖8給出了12—2月間赤道處DE3-U對(duì)MJO響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果細(xì)節(jié),以箱線圖形式展示.MJO活躍期每個(gè)位相用于統(tǒng)計(jì)計(jì)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(jì)樣本數(shù).圖中各顏色框中橫線表示該MJO位相DE3-U響應(yīng)統(tǒng)計(jì)結(jié)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(diǎn)表示.該圖表明在MLT高度DE3-U在MJO位相5時(shí)響應(yīng)較強(qiáng)而位相1、8時(shí)響應(yīng)較弱的統(tǒng)計(jì)結(jié)果具有顯著性.

3 討論

基于TIMED-TIDI空基觀測(cè)與流星雷達(dá)子午鏈地基觀測(cè),本文討論中高層大氣MLT區(qū)域風(fēng)場(chǎng)非遷移潮汐DE3的季節(jié)內(nèi)變化特征.相較前人所報(bào)道的DE3溫度潮汐(～25%),DE3風(fēng)場(chǎng)潮汐的季節(jié)內(nèi)變化幅度更為顯著:在冬季可達(dá)到其季節(jié)平均值1～2倍,其他季節(jié)也可以產(chǎn)生約20%的影響.結(jié)合MJO指數(shù),本文進(jìn)一步討論了DE3風(fēng)場(chǎng)潮汐在不同季節(jié)與MJO位相調(diào)制的關(guān)聯(lián).統(tǒng)計(jì)結(jié)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(huì)有更強(qiáng)的幅值,而在其他位相時(shí)更弱.上述結(jié)論與Kumari等(2020)基于SABER溫度觀測(cè)給出的結(jié)果類似,但與Gasperini等(2020)基于SD-WACCM-X的模擬結(jié)果在100 km以上略有不同.這可能是ETM基于線性化波動(dòng)模式GSWM,而WACCM-X中包含更復(fù)雜的緯向平均緯向風(fēng)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(fù)雜時(shí)變特征背后的物理機(jī)制一直以來為研究者所關(guān)注,主要包括:潮汐強(qiáng)迫的變化、背景大氣平均流的變化、波動(dòng)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(rèn)為主要貢獻(xiàn)來自波-平均流相互作用,而重力波強(qiáng)迫項(xiàng)的影響有限(McLandress,2002).Riggin和Lieberman(2013)則認(rèn)為波動(dòng)的折射和反射,即大氣波動(dòng)傳播過程中水平與垂直方向的擾動(dòng)能量受極化關(guān)系的約束重新分配而使波動(dòng)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(zhǔn)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(rèn)為是對(duì)流層加熱與平流層和低中間層平均緯向風(fēng)變化的結(jié)果(Oberheide and Forbes, 2008; Zhang et al., 2012).

在本文所關(guān)注的季節(jié)內(nèi)時(shí)間尺度上,MJO是對(duì)流層赤道區(qū)最顯著的振蕩模態(tài),影響著對(duì)流層大氣環(huán)流以及對(duì)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(cè)到的大氣季節(jié)內(nèi)振蕩信號(hào)通常被認(rèn)為與MJO對(duì)大氣波動(dòng)的調(diào)制作用相關(guān).例如,Eckermann等(1997)認(rèn)為MLT區(qū)域大氣風(fēng)場(chǎng)的類MJO振蕩受由熱帶對(duì)流激發(fā)的重力波和大氣潮汐所調(diào)制.Li和Lu(2020, 2021)在低緯與中緯地區(qū)均觀測(cè)到中高層大氣重力波受MJO調(diào)制的影響,并認(rèn)為低緯主要受波動(dòng)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(diào)制平流層極渦相關(guān)(Garfinkel et al., 2014).對(duì)于DE3大氣潮汐,MJO一方面改變了對(duì)流層赤道區(qū)對(duì)流強(qiáng)度,即主要的波動(dòng)激發(fā)源;另一方面影響了對(duì)流層/平流層背景風(fēng),從而對(duì)DE3的向上傳播過程產(chǎn)生影響.Gasperini等(2020)發(fā)現(xiàn)在背景風(fēng)場(chǎng)為QBO/SAO西向時(shí)比東向時(shí),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(dòng)作用中高層大氣潮汐變化的物理機(jī)制中指出,DE3潮汐在主要響應(yīng)于對(duì)流層MJO活動(dòng)所影響的潮汐源項(xiàng),而對(duì)背景風(fēng)中的MJO信號(hào)響應(yīng)則較弱.在動(dòng)量強(qiáng)迫中,重力波強(qiáng)迫項(xiàng)與對(duì)流項(xiàng)在不同MJO位相上共同促進(jìn)或相互制約.本文統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示出冬季DE3-U幅值在MJO位相4—6時(shí)較大,這一點(diǎn)與Lau和Wu(2010)基于TRMM數(shù)據(jù)所統(tǒng)計(jì)的深對(duì)流發(fā)生率在MJO位相5時(shí)最強(qiáng)的結(jié)論相一致.此聯(lián)系一定程度上佐證了MJO活動(dòng)通過調(diào)制對(duì)流層激發(fā)源強(qiáng)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(jī)制仍有待進(jìn)一步模式化研究.

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

此外,在本研究基礎(chǔ)上進(jìn)一步深入理解中高層大氣季節(jié)內(nèi)變化對(duì)該區(qū)域可預(yù)報(bào)性有潛在價(jià)值(Sassi et al., 2019).在太陽風(fēng)和地磁活動(dòng)較為平靜、沒有短時(shí)間向地球注入大量能量時(shí),低頻過程在推測(cè)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(shí)間空間天氣預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)(何建輝,2020).

4 結(jié)論

本文結(jié)合TIMED-TIDI空基觀測(cè)與流星雷達(dá)子午鏈地基觀測(cè),揭示了MLT區(qū)域風(fēng)場(chǎng)非遷移潮汐DE3的季節(jié)內(nèi)變化特征,進(jìn)一步結(jié)合對(duì)流層MJO活動(dòng)性指數(shù),討論在不同MJO位相時(shí)的響應(yīng).主要內(nèi)容可概括如下:

(1) MLT區(qū)域DE3風(fēng)場(chǎng)潮汐廣泛存在顯著的寬頻帶季節(jié)內(nèi)變化性;

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

(3) DE3-U對(duì)MJO的響應(yīng)存在明顯的季節(jié)差異,在強(qiáng)響應(yīng)的北半球冬季通常在MJO位相4—6時(shí)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(shí)了高空大氣普遍存在的季節(jié)內(nèi)變化性,并給出了由MJO位相,即不同的對(duì)流層潛熱釋放緯向變化,影響到高空大氣潮汐波動(dòng)的關(guān)聯(lián)性證據(jù).

致謝本文流星雷達(dá)數(shù)據(jù)由北京空間環(huán)境國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站和漠河地球物理國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站觀測(cè)所得,由國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心-地球物理分中心(http:∥wdc.geophys.ac.cn/)提供.TIMED-TIDI風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)來源ftp:∥tidi.engin.umich.edu/tidi/vector/.RMM指數(shù)來源https:∥psl.noaa.gov/mjo/mjoindex/.