在 Grahamstown（33.3°S，26.5°E）觀測的大氣潮汐

鄭冬冬，劉仁強(qiáng)

（1.張家口市氣象局氣象服務(wù)中心，河北 張家口 075000；2.南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210000）

大氣潮汐在中層大氣上部和下部動力學(xué)中發(fā)揮主導(dǎo)作用。在這篇文章潮汐定義就是大氣潮汐中層大氣程序（ATMAP）對潮汐振蕩的限制根據(jù)經(jīng)典潮汐理論和12小時及24小時時段來看是全局一致的。已嘗試用來描繪其全球形態(tài);看到大氣潮汐特殊問題，但這類研究受到不均勻分布觀測地點(diǎn)，特別是在南半球的稀缺影響。糾正了呈現(xiàn)在首次觀測中層和熱層較低層中風(fēng)在南半球太平洋地區(qū)以外某種程度上失衡。

目前的結(jié)果將和那些在其它戰(zhàn)略網(wǎng)站上觀測作比較，Adelaide（34.5°S，138.5°E）和Yambol（42.5°N，26.6°E），每個都有一個地理坐標(biāo)，以及到通過高層大氣研究衛(wèi)星（UARS）獲得的全球范圍內(nèi)風(fēng)數(shù)據(jù)。這顆衛(wèi)星擁有高分辨率多普勒圖像和風(fēng)成像干涉儀。許多衛(wèi)星數(shù)據(jù)可用于35°S的95公里高度，并盡可能被用于比較目的。此外參閱國際參考大氣和最近的模型，如全球規(guī)模風(fēng)模型和實(shí)證的水平風(fēng)模型。

1 設(shè)備和數(shù)據(jù)分析

Grahamstown單站全天流星雷達(dá)的觀測半徑達(dá)到200 km，假定觀測的大概高度范圍為85～100 km。系統(tǒng)提供了方向但不是流星回波高度。緯向（EW）和經(jīng)向（NS）分量的風(fēng)速在流星高度，假定水平，是對0.75 h時間間隔從方向和返回流星回波多普勒移頻統(tǒng)計(jì)推斷的。單視線速度達(dá)到4 ms-1可能會錯誤，但對于一個給定的0.75 h間隔平均緯向和經(jīng)向風(fēng)，藉以更高精度，取決于該間隔期間觀測的流星回波數(shù)目。

從分量使用準(zhǔn)則在大氣潮汐車間的商定速度提取潮汐振幅和相位。為此目的，用每月矢量平均，因?yàn)樗鼈儺a(chǎn)生振幅和位相出現(xiàn)持續(xù)整個月問題。這需要積累速度分量達(dá)到32個0.75 h時間箱，然后平均，所以形成“等效日”為該特定月份。

圖1顯示對應(yīng)于1987年1月等效日緯向風(fēng)。可看出實(shí)際氣流很逼近前四諧波。

式中：v、v0和vm分別是風(fēng)速，初速度和m-1日振幅在ms-1。t是時間（h），且 ωm＝2πm/24。Φm是 m-1晝夜項(xiàng)由當(dāng)?shù)靥柲軙r間（LST），以小時為單位最大流量分別在經(jīng)向和緯向潮汐速向東和向北。

圖1 1987年1月緯向時間分布

2 結(jié)果

1987年和1988年是唯一具有全年可接受月數(shù)據(jù)。這也使得這些年得到更詳細(xì)研究。1987年結(jié)果在這些年中非常有代表性，其在這里用于為說明周日（m=1）和半日（m=2）潮汐提供一些例子（分為DT和ST）。

圖2 1987年每月標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)譜

1987年（圖2）風(fēng)的標(biāo)準(zhǔn)化譜是使用最大熵法獲得的。這些非抄襲的“2日波”在強(qiáng)一月份經(jīng)向風(fēng)中顯示潮汐分量（DT和ST）主導(dǎo)地位。潮汐振蕩顯示隨著季節(jié)重大變化。與ST相比，DT在春夏季更強(qiáng)些，但ST在秋冬兩季更強(qiáng)。兩潮汐絕對值最強(qiáng)在秋季。雖然以前擬合函數(shù)中使用四種諧波，潮汐分量意義最大。

2.1 背景環(huán)流

與90公里高空觀測的Adelaide緯向盛行風(fēng)月平均速度相比具有相似數(shù)據(jù)。在Grahamstown觀測的平均緯向流一般是向東的（可能1987年10月除外，在冬季（夏季）在大概80公里處作為結(jié)論的由大氣波動引起動量沉積不符合期望封閉或逆轉(zhuǎn)向東（向西）。

2.2 周日潮汐

振幅DT月平均振幅顯示季節(jié)變化。緯向分量（OA of 15.4±0.8 ms-1）一般比經(jīng)向分量（OA of 10.5±0.9 ms-1）大。McLandress等發(fā)現(xiàn)兩個分量如WINDII測量的在中緯度有著相似大小；同樣有其它差異存在于衛(wèi)星測量和結(jié)果，這些有許多可能原因。在對EW和NS振幅的不確定性檢測中，對于后者表現(xiàn)出更大年際穩(wěn)定，盡管這兩個分量考慮到長期變化傾是主體。一般，振幅結(jié)構(gòu)顯示秋季最大（MA～20 ms-1（EW）和～18 ms-1（NS））及春季二次最大（～16 ms-1（EW）和～11 ms-1（NS））。1998年（未顯示）表面情節(jié)更好認(rèn)證。

2.3 位相

與振幅情況形成對比，在MA位相不確定性顯示EW分量每年越來越有規(guī)律。這可能都與一個事實(shí)，即EW分量是兩個中較大，導(dǎo)致比NS沒有太大結(jié)構(gòu)變化。NS位相（OA of 15.9±0.4 h LST）平均晚于 EW 位相（OA of 11.2±0.4 h LST）。NS位相時間，是夏季最近的，而EW位相是夏至和冬至日最近，尤其冬季。Vial發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時盛行緯向風(fēng)往往拖延，這是符合后期冬至（早期春分）緯向位相和大冬至（小春分）盛行緯向風(fēng)。

2.4 半日潮汐

振幅EW的ST振幅（OA of 11.8±2.0 ms-1）比 NS振幅（OA of8.8±0.6ms-1）稍微大點(diǎn)。與DT相似的是秋季存在極大值。在1987年ST表面圖基本一的。一般來說，找到的ST年際變化比DT要少。

ST年際變化表明MA值或標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)不確定性（此處未顯示）。ST季節(jié)變化在很大程度上是高階模式變化造成，而不是相對穩(wěn)定顯性模式。分點(diǎn)極大值是可以預(yù)期，因?yàn)椋?，4）和（2，6）模式在春分而不是冬至極大刺激它。根據(jù)Forbes，這尤其適用于（2，4）模式，這個模式在中緯度90～120 km處是主要的。冬至日特點(diǎn)是EW風(fēng)量振幅在夏季比冬季要小，而NS風(fēng)量振幅卻相反。ST振幅在春夏季80～100 km變化更多，如果這些季節(jié)的振幅受高度下限影響，它可以解釋在數(shù)據(jù)中重要春季極值缺失。

（5）由于系統(tǒng)測試的位相與往年同期相比振幅比研制試驗(yàn)更有規(guī)律性，特別是在NS分量部分。顯示每月位相變化。OA 相應(yīng)值是 9.9±0.4 h（EW）和 11.8±0.5 h（NS）。其他地方觀測和模型計(jì)算揭示一個位相雙峰。然而，這結(jié)果不能反映這個問題，ST由于模式之間很小位相遷移（1～2 h）導(dǎo)致高度和緯度每天顯著變化。與此形成鮮明對比的是DT情況下，由兩個UARS儀器儀器及數(shù)據(jù)資料對ST位相測量值有很好一致性，在任何兩個數(shù)據(jù)均方差差異小于1.5 h。從UARS合并數(shù)據(jù)，Grahamstown和Adelaide表明由Forbes和Vial（1989）用模式模擬出35°S冬至?xí)r相位至少早3 h。

3 結(jié)語

（1）風(fēng)場分析。在上部中間層和熱層低層風(fēng)可準(zhǔn)確用盛行風(fēng)分量和前四個諧波分量來近似。通過8 h潮汐控制這個地區(qū)動力流場，而6 h潮汐分量貢獻(xiàn)則比較小。

（2）盛行風(fēng)。平均緯向風(fēng)始終是西風(fēng)，在十月降到最小值（在此期間它在Adelaide變成東風(fēng)）。平均經(jīng)向風(fēng)一般是南風(fēng)（有時冬天除外）并且弱得多。

（3）盛行風(fēng)對潮汐影響。緯向盛行風(fēng)似乎通過許多途徑影響DT。它與秋分點(diǎn)增強(qiáng)的振幅有關(guān)并且在二至點(diǎn)的EW相位滯后。ST對盛行風(fēng)沒有明顯依賴。

（4）季節(jié)性變化。DT和ST在秋季有最大振幅，DT振幅在春季有次大值。在二分點(diǎn)，DT極大值減少損耗；在ST中這可能是由于高階矩陣增強(qiáng)刺激。DT一般比ST強(qiáng)并且兩種潮汐在EW方向比NS方向風(fēng)能更大。

（5）年際變化。一般DT展現(xiàn)出比ST更大年際振幅和相位變化。

（6）偏振。EW分量主導(dǎo)NS分量，以至于速度矢量逆時針旋轉(zhuǎn)，與南半球預(yù)期一樣。對于這兩種潮汐，偏振是橢圓而不是圓形。

（7）緯向相位差。EW向和NS位相偏離正交，表明NS角動量輸送。

（8）與其它數(shù)據(jù)和模型相比。研究成果與Adelaide和Yambol一致，這兩處分別與Grahamstown有相同緯度和經(jīng)度。理論模擬和數(shù)據(jù)也有很好一致性，但也有差異，最引人注目的是在結(jié)果中ST相位雙峰缺失。