我国地域辽阔，南北方向覆盖中低纬度，东西方向横跨四个时区，地形地貌复杂多样，拥有世界上最高的高原、丘陵、平原等多种地形地貌以及漫长海岸线，呈现出独一无二的地形地貌特征，造就了我国上空高层大气扰动受剧烈天气事件、地形变化强迫、上下大气层耦合等多重影响的独特特性，成为天然的实验室。全天空气辉成像仪是探测和研究大气波动二维分布的有效手段。大气波动在中高层大气中的传播范围很大，而单台气辉成像仪由于有限的观测视野较难进行大范围观测。中国科学院国家空间科学中心太阳活动与空间天气重点实验室中高层大气研究团队在国际上首次构建了用于观测峰值高度位于87km高度上的oh气辉和峰值高度位于250km高度上的氧原子红光(oi 630nm)气辉的覆盖中国大陆的双层探测网(图1)。低层大气剧烈事件如何引起大范围中高层大气扰动的物理机制是气辉探测网的重要科学目标之一。
研究团队联合美国国家大气研究中心，以2016年超强台风chaba为范例，利用子午工程和双层气辉网的探测，结合再分析数据和射线追踪理论，对台风引起的中高层大气大范围强烈扰动的物理过程开展研究。该工作重点探究了台风激发的重力波是如何从对流层向热层传播的物理过程。由于分子粘性随着高度的上升呈指数级增加，重力波在热层大气中会迅速耗散，因此大气重力波是如何从对流层传播到热层大气的一直是未解之谜，也是中高层大气研究的重要问题之一。图2给出该次台风从对流层、平流层、中间层，一直到热层所引起的中高层大气扰动的立体结构分布。观测表明该次强台风导致整个中高层大气出现剧烈扰动。该研究证明中层顶区域(高度约87公里)的重力波(图2b)是由台风直接激发产生，并发现中层顶区域存在强烈的重力波耗散和非线性相互作用。通过射线追踪理论，证明热层(250公里)重力波(图2a)不是由台风直接激发产生，而是中层顶区域台风引起的重力波耗散和非线性相互作用激发产生的二次波，这一发现加深了科学家对地面极端事件产生重力波传播特性以及各大气圈层相互耦合的认识。
近日，相关研究成果发表在atmospheric chemistry and physics上。研究工作得到在子午工程、国家自然科学基金等的支持。
图1.双层气辉观测网：(a)oh气辉观测网，(b)氧原子红光(oi 630nm)气辉观测网。
图2.台风chaba激发的重力波的多层结构：(a)oi 630nm气辉(高度约250公里)观测网探测结果，(b)oh气辉(高度约87公里)观测网探测结果，(c)平流层40公里再分析温度扰动分布，(d)台风的对流层云图。
研究团队单位：国家空间科学中心
