基于SABER/TIMED温度数据的全球平流层顶与重力波活动的气候学特征的观测研究

Climatology of Global Stratopause and Gravity Wave Activity Revealed by SABER/TIMED Temperature Observations

摘要

利用2002年1月25日—2012年12月31日的SABER/TIMED温度数据，统计分析了平流层顶的变化特征及其与平流层顶区域重力波和背景纬向风场的相关性。在南、北半球0°~30°的低纬区域，平流层顶高度呈现冬夏季较高的半年变化，此时重力波活动较强，而平流层顶温度呈现春秋较大的半年变化；在南北半球40°~50°的中纬区域，平流层顶的高度、温度与重力波活动都呈现年变化，其中平流层顶高度与重力波活动的极大值出现在冬季，而平流层顶温度的极大值出现在夏季。相关性分析显示，平流层顶高度与重力波活动强度主要呈正相关，而平流层顶温度与重力波活动强度主要呈反相关；低纬的背景纬向风在春分秋分较大，与平流层顶温度呈正相关，而中纬的背景纬向风则在冬季较强，与平流层顶温度呈反相关；平流层顶的高度、温度与重力波活动强度、纬向风间相关系数都具有南北半球不对称性。并且，平流层顶高度和温度的峰值都随纬度增大，同时，重力波活动和背景风场也随纬度增强，表明平流层顶与重力波活动和背景风场间的相互影响。

Abstract

Using 11-year SABER/TIMED temperature observation from January 25, 2002, to December 31, 2012, we statistically study the global stratopause and the correlations of the stratopause with the gravity waves (GWs) and background zonal wind in the stratopause region. At low latitudes of 0°-30° in the northern and southern hemispheres, the stratopause height and GW activity show semi-annual variation with peaks in summer and winter. In contrast, the stratopause temperature shows semi-annual variation with peaks in spring and autumn. At mid-latitudes of 40°-50° in the two hemispheres, the annual oscillation dominates the variations in the stratopause height, temperature and GW activity, and the peaks of stratopause height and GW activity appear in winter. Still the maximum of the stratopause temperature occurs in summer. Statistical analysis indicates that the stratopaue height positively correlates with GW activity, while the stratopaue temperature is inversely associated with GW activity.The background zonal wind at low latitudes is significant in spring and autumn equinoxes. It shows a positive correlation with the stratopause temperature, but at middle latitudes, it is vital in winter and has an inverse correlation with the stratopause temperature. The correlation coefficients among the stratopause height, temperature, gravity wave (GW) activity, and the background zonal wind exhibit asymmetry between the northern and southern hemispheres. Meanwhile, the peak values of the stratopause height and temperature increase with latitude, while similarly, GW activity and the background zonal wind also increase with latitude, indicating the interaction among the stratopause, GW activity and background wind field.

Graphical abstract

关键词

平流层顶 / 重力波 / 纬向风 / SABER/TIMED

Key words

stratopause / gravity wave / the zonal wind / SABER/TIMED

0　 引 言

平流层是指从对流层顶到约50 km高度的大气层，连接着低层大气和中层大气，大气温度随着高度的增加而增加。在50 km左右出现温度的极大值（270 K左右），称为平流层顶。大量的观测与数值模拟表明，平流层顶在不同季节、不同纬度的变化特征不同^[1~3]，它的分布和变化对中层大气物理、化学以及能量、动量传输等有着重要的影响^[4~8]。

文献[2]利用瑞利激光雷达、火箭和卫星的观测数据，发现低纬平流层顶呈现半年变化，还对比分析了平流层顶高度及温度的变化范围，但没有深入研究平流层顶的变化机制。随后，Sivakumar等^[9]通过不同站点的瑞利激光雷达数据，观测到双平流层顶现象，并通过分析重力波在平流层内垂直传播的过程，发现重力波振幅随高度急剧增大，到一定高度后重力波会饱和、破碎，从而形成不稳定结构，改变平流层顶的高度和温度，激发出双平流层顶，因此他们认为重力波是双平流层顶出现的重要原因之一。Ehard等^[10]利用瑞利激光雷达数据结合数值模拟，研究了平流层顶与重力波的相互作用，通过两个重力波垂直传播的事件对比分析，发现冬季平流层的风使得重力波能上传到更高高度，并与平流层顶相互作用，进而导致平流层顶的高度下降。因此，重力波对不同纬度的平流层结构都有重要的影响^[10~14]。本文利用TIMED卫星的2002—2012年温度观测数据，统计分析全球平流层顶的高度和温度变化特征，同时研究此区域内重力波活动及风场的变化，通过分析它们的关联性，进一步揭示平流层顶区域大气热结构的动力学机制。

本文的第1节简单介绍SABER/TIMED1.07版本的温度数据、平流层顶高度和温度的判定方法，以及从SABER/TIMED温度数据中提取重力波的方法。在第2、3节，利用2002—2012年不同纬度45~60 km高度范围内的SABER/TIMED温度数据，详细研究了11年间平流层顶高度、温度及重力波活动的气候学特征及其在不同纬度的相关性。第4节根据SABER/TIMED温度数据和HRDI/UARS风场数据，分析了南北半球平流层顶处重力波活动及背景纬向风的季节变化特征，并讨论与平流层顶高度和温度季节变化间的关系。文章的最后一节对该研究进行总结。

1　 数据和方法

1.1　SABER/TIMED温度数据

SABER（Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry）仪器搭载在TIMED（Thermosphere Ionosphere Mesosphere Energetics and Dynamics）卫星上，于2002年1月底开始工作，通过临边探测CO₂在15 \mathrm{\mu }\mathrm{m}波段的辐射信号，反演获取15~120 km的大气温度数据^[15]。SABER观测的纬度范围从主半球的85°到副半球的50°，并通过自身的翻转在60天后交换一次主副半球，所以在50° N/S以上纬度，观测数据的时间覆盖不连续，因此，本文集中于分析中、低纬的平流层顶变化与重力波活动。

本文利用SABER的level2A索引中的1.07版本温度数据，这主要是因为其系统误差比之前版本的系统误差小。由于1.07版本的数据考虑了非局地热平衡，García-Comas等^[16]认为其系统误差在95 km以下不超过\pm \mathrm{1.5} K，这些数据的下载网址是http://saber.gats-inc.com/。

我们将全球的数据划分为\mathrm{29}\times \mathrm{89}个网格（经度\times纬度），其中在纬度上划分4°的纬度带，在经度上的网格宽带是24°，高度上的垂直分辨率为2 km。

1.2　HRDI/UARS风场数据

HRDI (High Resolution Doppler Interferometer)搭载于UARS（Upper Atmosphere Research Satellite）上，是主要用于研究平流层和中间层大气运动的仪器。NASA（National Aeronautics and Space Admini‑stration）于20世纪80年代提出了大型地球观测计划，UARS是该计划中发射的第一颗卫星，主要目的是观测与地球环境及人类生活环境关系重大的地球大气层的动力学状态。UARS于1991年9月12日从肯尼迪空间中心由发现号航天飞机运载升空，与TIMED卫星相同，UARS也采用了临边观测的方法，测量的纬度范围可从一个半球的80°（主半球）至另一个半球的34°（副半球），每36天旋转180°（交换主副半球）。在执行了14年91天的观测任务后，UARS卫星于2005年12月14日正式退役。在UARS之前，几乎没有用于全球中高层大气水平风的观测仪器，因此HRDI对这一区域的研究有着重要的贡献^[17]。

通过与MF（multifunction）雷达、火箭探空仪的观测数据对比，HRDI/UARS风数据的测量精度高于5 m/s^[18]，因此HRDI/UARS的数据质量较高，其数据下载网址是http://hrdi.engin.umich.edu。本文主要采用了1991年至2005年由HRDI探测的45~60 km的纬向风数据。为了与SABER/TIMED数据相比较，我们以相同的4°纬度带和2 km垂直分辨率分析纬向风数据。

1.3　分析方法

根据平流层顶的温度定义及高度范围^[11，19~21]，将45~60 km高度范围内的SABER/TIMED温度数据的极大值作为平流层顶温度，其所对应的高度作为平流层顶高度。

卫星观测得到的温度剖面中包含背景温度和各种大气扰动（比如行星波、潮汐和重力波等），所以从中正确提取重力波成分（纬向波数大于6）是十分必要的^[19]。我们利用Shuai等^[20，21]提出的方法从SABER/TIMED温度数据中提取重力波：首先，从每个温度剖面中减去纬向日平均值；然后，再从中一一减去拟合得到的所有可能的行星尺度（纬向波数小于6）波动；最后得到的残余量即认为是重力波成分，并用其平方量来表示重力波的活动强度。

根据长达11年的SABER/TIMED观测数据，我们详细分析了全球平流层顶的年内、年以及年际间变化，还对比研究此高度范围内的重力波活动和纬向风，通过相关性分析，初步判定重力波活动和纬向风场对平流层顶变化的关系。

2　 全球平流层顶与重力波活动的时空分布

根据上述方法，我们从2002年1月25日—2012年12月31日的TIMED温度数据中，得到在50° S~50° N纬度范围内平流层顶的高度、温度以及重力波活动强度。为了研究全球平流层顶的年内、年以及年际间变化，计算了这些量的月平均值。图1显示在低纬地区（20° S~20° N）月平均的平流层顶高度、温度以及该高度范围内的重力波（GW）活动强度。

在赤道（EQ）地区，平流层顶主要出现在47~53 km的高度范围内，其层顶温度集中在260~270 K范围内，都呈现出较为明显的半年变化，而且每年平流层顶高度的冬季峰值比夏季峰值稍大。与此同时，平流层顶温度也呈现半年变化，但是在每年的春秋季出现峰值。特别地，平流层顶的高度和温度在2003、2005、2007、2009和2011年的变化幅度都比在其他年份的小，年际间呈现两年变化。在平流层顶附近（高平流层45 km以上），重力波活动除了有半年变化，还有年变化，即每年冬季的峰值比同一年的夏季峰值更大，其变化规律与平流层顶高度的变化规律类似，而且在2003、2005、2007、2009和2011年的冬季重力波活动比相邻冬季的重力波活动更强，此时对应着纬向风场准两年振荡（QBO）的东风相位以及强对流活动^[22~24]。由图1中还可以明显地看到，重力波活动较强时，平流层顶的高度较高而其温度较低，两者大致呈反相关。

在纬度为10° N/S的热带地区，平流层顶的高度变化与赤道地区的较为类似，每年都有两个峰值，其中在10° N上空的平流层顶高度在冬季的峰值比夏季的峰值更大，而在10° S上空的平流层顶高度在南半球夏季的峰值比南半球冬季的峰值更大。平流层顶的温度虽然在每年也有两个峰值，但是这两个峰值出现在春分和秋分，且春分的峰值比秋分的峰值更大。这与文献[2]在低纬的观测结果一致。重力波活动的变化与平流层顶的变化比较类似，同时呈现半年变化和年变化，但其年变化规律在南半球更为明显，比如2004年的重力波活动在10° N的最大值和最小值分别是6.5和2.9 K²，而在10° S的最大值和最小值分别是8.9和2.6 K²。

在纬度20° N/S，平流层顶的高度和温度都表现为半年变化（冬夏季较强），而在南半球除了半年变化还有较为明显的年变化（每年的夏季峰值比冬季峰值大）。此时，不管是北半球的平流层顶还是南半球的平流层顶，其高度在重力波活动较强时较高；但是在有的年份重力波活动较弱时，平流层顶的高度也出现了峰值，比如在20° N，平流层顶在2009年3—5月的高度分别是47.0、47.2和47.0 km，此时重力波活动强度分别是2.6、2.4和3.8 K²。特别地，2011年的平流层顶的高度几乎没有变化，此时的重力波活动比其他年份的重力波活动弱，这可能与太阳活动周期有关^[25，26]。综上所述，平流层顶高度的变化规律不如赤道地区的明显；而平流层顶的温度变化与纬度10° N/S的比较类似，比如在每年的春分和秋分出现峰值，且春分的峰值更大些。

图2显示了从低纬到中纬地区（30°~50°）月平均的平流层顶和重力波活动强度随时间的变化。显然，平流层顶和重力波活动的周期性由低纬的半年振荡和QBO为主，逐渐演化为年振荡为主。

在30° S，平流层顶的温度呈现半年变化，而且每年的第一个峰值小于第二个峰值，比如2003年的两个温度极值分别是7月的261.1 K和11月的268.3 K；但是平流层顶高度的变化规律较为复杂，而且在2011年也几乎没有变化。在30° N，平流层顶的高度较低时，其层顶的温度较高，即平流层的高度变化与其温度的变化相反，此时重力波活动反而较弱。在中纬30° N，重力波活动在50 km以下呈现年变化，在50 km以上呈现半年变化；因此在平流层顶附近的重力波活动呈现两种变化趋势，这可能是平流层顶高度呈现复杂变化的原因。

在40° N/S区域，平流层顶的高度和温度变化都呈现很明显的年变化，这与重力波活动的变化周期一样。而且在重力波活动较强时，平流层顶的高度较高而温度较低。故重力波活动强度与平流层顶的高度呈正相关、与平流层顶的温度变化呈负相关。

到了纬度50° N/S区域，平流层顶的高度和温度还是呈现年变化，但是其变化幅度比40° N/S的更剧烈些，比如在2004年，50° S的平流层顶高度的极大值和极小值分别是53.8 km和46.4 km，而40° S的平流层顶高度的极大值和极小值分别是49.2 km和46.3 km，与此同时，在50° S纬度处，重力波活动的年振荡幅度也更强烈。此外，50° N的平流层顶的高度变化幅度没有50° S的剧烈，这可能与重力波活动在南半球更强有关，例如，2004年重力波活动强度的极大值在50° N是20.9 K²，在50° S是28.7 K²。

3　 平流层顶与重力波活动的相关性

为了更清晰显示平流层顶与重力波活动的相关性，我们分别分析了不同纬度（50° S~50° N）区域平流层顶的高度、温度与平流层顶高度处的重力波活动强度，以及平流层顶高度与其温度之间的相关系数，如图3所示。总体上看，平流层顶高度与重力波活动强度呈现正相关，即变化特征一致，而平流层顶温度的变化与重力波活动强度呈现负相关，即反向变化，尤其在中纬地区更为明显。

从图3中可以看到，从50° S到50° N，除20° S~10° S以外，平流层顶高度及其温度的相关系数为负值，即两者呈负相关，表明随平流层顶温度随其高度的增大而降低。在南纬40° 以上，其相关系数的绝对值大于0.5，即两者变化呈现强的反相关性。

平流层顶高度与重力波活动强度的相关系数在10° S~10° N和40° S~50° S之间超过了0.5，说明两者在这些纬度的呈正相关且相关性较大，表明重力波活动对平流层顶高度有大的影响。在20° S~30° S和20° S~40° S之间，平流层顶高度与重力波活动强度呈负相关，但相关性较小，其中最小的相关系数仅为\mathrm{0.2}，这可能与平流层顶高度在每年的春分秋分出现峰值而重力波活动在冬夏季较强有关。

从不同纬度的平流层顶温度与重力波活动强度的相关系数中可以看出，这两者除了在赤道附近（10° S~0°）呈正相关（最大的相关系数只有0.1）外，在其余纬度上都是负相关，且反相关性随纬度的增大趋向增大，两者的相关系数在20° N达到极小值-0.6并且在44° S也出现一个极小值-\mathrm{0.7}，到50° S的时候相关系数增大至-0.6。

4　 平流层顶与相应重力波活动、背景纬向风的纬度变化

根据2002—2012年月平均平流层顶高度和温度，我们进一步计算了平流层顶高度和温度的气候学平均值，即11年的平均值。图4显示了不同纬度上空平流层顶高度和温度气候态平均值的月变化。

赤道附近（0°~10°）的平流层顶高度及其温度随月份的变化都呈现南北半球对称性，其中平流层顶的高度在冬夏季较高，而平流层顶的温度在春分和秋分较大。

在低纬20°~30° N/S，平流层顶的高度和温度随季节变化较小，比如南半球平流层顶高度的最大值和最小值分别是48.4和46.3 km，其温度的最大值和最小值分别是267.2和256.2 K。

在南北半球的40°~50°区域，平流层顶的高度和温度显示出近似的半球反对称性，意味着在不同半球，平流层顶的高度和温度的季节变化规律几乎相同，即平流层顶的高度在南北半球的秋季各有一个极大值，而平流层顶的温度在南北半球的夏季各有一个极大值。

从图4中还可清楚地看到，平流层顶的温度在低纬的春分出现极大值，在北半球随着纬度增大，极大值逐渐变为在夏季（5—6月）出现；在低纬的秋分时节，平流层顶温度出现一个次极大值，在南半球随纬度的增大，这个极大值延迟出现，在50° S，极大值发生在南半球夏季（11—1月）。对比南北半球的平流层顶的峰值，可以看到平流层顶高度及其温度的峰值在南半球比在北半球大，比如南、北半球50°的平流层顶高度的最大值分别为55.2和51.0 km，相应地，温度的最大值分别为272.8和271.6 K，这个结果与以前的观测结果一致^[27，28]。

为了进一步分析重力波活动和背景风场对平流层顶的影响，我们同样对2002—2012年间重力波活动的季节变化进行统计分析，还利用HRDI/UARS的风数据计算1991—2005年间在不同纬度的多年月平均纬向风（向东为正），如图5所示。由于背景经向风的最大值是10 m/s左右，与背景纬向风相比很小，所以这里不考虑经向风对平流层顶的影响。

在低纬0°~30° N/S，重力波活动在冬夏季较强，分别对应着平流层顶高度的极大值和平流层顶温度的极小值，说明重力波活动强度与平流层顶高度呈正相关、与平流层顶温度呈反相关，这与上节的分析结果一致。低纬的背景纬向风在春分秋分较大，此时平流层顶的温度较大而其高度较低，因此，背景风场与平流层顶温度呈正相关，与平流层顶高度呈反相关。

在中纬40°~50° N/S，重力波活动和背景纬向风都是在冬季较强，平流层顶的高度冬高夏低、其温度夏高冬低，说明重力波活动和背景风场与平流层顶的高度成正相关，与平流层顶的温度成反相关。进一步分析发现，平流层顶的高度及温度的峰值在南半球比在北半球大，这可能与重力波活动、背景风场在南半球更大有关，比如，在南、北半球50°，平流层顶高度的最大值分别为55.2和51.0 km，其温度的最大值分别为272.8和271.6 K，对应的重力波活动强度分别是27.3和17.9 K²、背景纬向风分别是50.4和20.9 m/s，都是南半球的值大于北半球的值。

在图4中，平流层顶高度和温度的峰值随纬度的增大而增大，比如平流层顶的高度和温度在赤道的最大值分别是51.4 km和269.4 K，在50° S的最大值分别是55.2 km和272.8 K；重力波活动和背景风场同样随纬度的增大而增强，在赤道地球的最大值分别是6.3 K²和20.1 m/s，在50° N的最大值分别是27.3 K²和50.4 m/s。因此，平流层顶的高度和温度随纬度的变化特征，与重力波活动和背景风场随纬度的变化特征相一致。

5　 结 语

本文利用2002—2012年的SABER/TIME温度数据统计研究了中低纬地区平流层顶的高度和温度的气候学特征以及平流层顶区域的重力波的活动特性。同时，利用HRDI/UARS在1991―2005年的风场数据，分析了中低纬平流层顶区域的纬向风场气候学特征，并进一步探究了平流层顶的高度、温度与重力波活动和背景风场的相关性。主要结论如下：

1） 在赤道附近0°~10° N/S，平流层顶的高度、温度与重力波活动均呈现明显的半年变化，其中平流层顶高度与重力波活动的峰值出现在冬夏季，而平流层顶温度的极大值出现在每年的春分秋分。而且，平流层顶高度和温度,以及重力波强度还被赤道QBO所调制，其峰值对应着纬向风场QBO的东风相位。

2） 在低纬20°~30° N/S的区域，平流层顶主要出现在40~50 km高度范围内，没有明显的年际间变化。在20° N/S处，平流层顶温度呈半年变化，在春分秋分较大，类似地，重力波活动呈现半年变化特征；而在30° N/S处，平流层顶温度虽然也受半年振荡支配，但是每年春秋时节的两个峰值在春分时较大；此时，平流层区域上方的重力波活动呈现明显的半年变化，而在平流层顶区域下方的重力波活动呈现年变化；因此，在平流层顶附近的重力波活动显示出强的年振荡和相对较弱的半年振荡，这可能是导致平流层顶高度无法呈现较为清晰的变化特征的原因。

3） 在中纬40°~50° N/S的区域，平流层顶的高度、温度及重力波活动都呈现显著的年振荡，其中平流层顶高度和重力波活动在冬季出现极大值，而平流层顶温度在夏季出现极大值。特别地，50° N的平流层顶的高度变化幅度没有50° S的剧烈，这可能与重力波活动在南半球更强有关。

4） 平流层顶的高度与重力波活动强度主要呈正相关、而其温度与重力波活动强度主要呈负相关，而且都表现出南北半球不对称性，即平流层顶的高度（或温度）与重力波活动强度的相关系数在南北半球的同纬度上大小不一致。我们还计算了平流层顶高度及其温度的相关系数，发现在低纬，两者为弱的负相关，而在中纬，两者的负相关性增强，特别是在40° S~50° S区域，负相关系数的绝对值大于0.5。

5） 统计的气候学特征表明，在低纬重力波活动在冬夏季出现极大值，对应着平流层顶高度的极大值，则重力波活动强度与平流层顶高度呈正相关；背景纬向风在春分秋分较大，此时平流层顶的温度较高，则背景纬向风与平流层顶温度呈正相关。在中纬，重力波活动和背景纬向风都是在南北半球的冬季较强，与此同时，平流层顶高度最大，而平流层顶的温度最小。尤其是，重力波活动和背景风场随纬度的增大而增强，并且平流层顶的高度和温度的峰值也随纬度的增大而增大。因此，这种相似的纬度变化变化特征，表明了平流层顶与重力波活动和背景纬向风场间的相互影响。

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基金资助

国家自然科学基金(41974176)

国家自然科学基金(42174189)

湖北经济学院青年科研基金(XJ201912)