低層大氣極端事件影響中高層大氣機制獲進展

我國地域遼闊，南北方向覆蓋了中低緯度，東西方向橫跨4個時區，并且地形地貌復雜多樣，擁有世界上最高的高原、丘陵、平原等多種地形地貌，還擁有漫長海岸線，在世界上呈現出獨一無二的地形地貌特征，也造就了我國上空高層大氣擾動受劇烈天氣事件、地形變化強迫、上下大氣層耦合等多重影響的獨特特性，成為天然的實驗室。全天空氣輝成像儀是探測和研究大氣波動二維分布的有效手段。由于大氣波動在中高層大氣中的傳播范圍很大，而單臺氣輝成像儀由于其有限的觀測視野很難進行大范圍觀測。對此，中國科學院國家空間科學中心太陽活動與空間天氣重點實驗室中高層大氣研究團隊在子午工程、國家重點實驗室以及基金委的多方支持下，在國際上首次構建了用于觀測峰值高度位于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)氣輝的覆蓋中國大陸的雙層探測網（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的物理機制是氣輝探測網的重要科學目標之一。

圖1.雙層氣輝觀測網: (a)OH 氣輝觀測網，(b)氧原子紅光(OI 630nm)氣輝觀測網。

研究團隊的李欽增副研究員和徐寄遙研究員等人聯合美國國家大氣研究中心的科研人員，以2016年超強臺風Chaba作為范例，利用子午工程和雙層氣輝網的探測，結合再分析數據和射線追蹤理論，對臺風引起的中高層大氣大范圍強烈擾動的物理過程開展了研究。重點研究了臺風激發的重力波是如何從對流層向熱層傳播的物理過程。由于分子粘性隨著高度的上升呈指數級增加，重力波在熱層大氣中會迅速耗散，因此大氣重力波是如何從對流層傳播到熱層大氣的一直是一個未解之謎，是中高層大氣研究的重要問題之一。圖2給出了該次臺風從對流層、平流層、中間層、一直到熱層所引起的中高層大氣擾動的立體結構分布。觀測表明該次強臺風導致整個中高層大氣出現劇烈擾動。研究證明中層頂區域(高度約87公里)的重力波（圖 2b）是由臺風直接激發產生的，并且發現中層頂區域存在強烈的重力波耗散和非線性相互作用。通過射線追蹤理論，證明熱層（250公里）重力波（圖 2a）不是由臺風直接激發產生，而是中層頂區域臺風引起的重力波耗散和非線性相互作用激發產生的二次波，這一發現加深了我們對地面極端事件產生重力波傳播特性以及各大氣圈層相互耦合的認識。

該研究成果于近期發表在國際著名學術期刊Atmospheric Chemistry and Physics上。

圖2.臺風Chaba激發的重力波的多層結構: (a)OI 630nm氣輝（高度約250公里）觀測網探測結果,(b)OH 氣輝（高度約87公里）觀測網探測結果，(c) 平流層40公里再分析溫度擾動分布，(d)臺風的對流層云圖。