武漢中間層和低熱層大氣風(fēng)場(chǎng)的潮汐觀測(cè)研究

于家龍

摘 要：為了歸納潮汐對(duì)中間層低熱層（Mesosphere and Lower Thermosphere，MLT）大氣平均風(fēng)的影響，對(duì)比分析了HWM07、HWM14風(fēng)場(chǎng)預(yù)測(cè)模型。本文利用武漢流星雷達(dá)36個(gè)月的觀測(cè)數(shù)據(jù)（2014年1月至2016年12月）研究了武漢上空中間層低熱層區(qū)風(fēng)場(chǎng)的變化特征，得到了日平均風(fēng)和周日潮汐、半日潮汐的初步氣候?qū)W特征。結(jié)果表明：2014—2016年，水平風(fēng)場(chǎng)的月平均經(jīng)向風(fēng)以北風(fēng)為主，平均緯向風(fēng)以西風(fēng)為主。對(duì)于周日潮汐，HWM14模型和HWM07模型預(yù)測(cè)的經(jīng)向風(fēng)周日潮汐振幅小于流行雷達(dá)的實(shí)際觀測(cè)值;HWM14模型和HWM07模型預(yù)測(cè)的經(jīng)向風(fēng)周日潮汐相位大于流行雷達(dá)的實(shí)際觀測(cè)值。對(duì)于半日潮汐，2014—2016年實(shí)際觀測(cè)值的振幅存在周期性變化，模型預(yù)測(cè)值較實(shí)際觀測(cè)振幅略微偏大。

關(guān)鍵詞：流星雷達(dá);周日潮汐;半日潮汐;HWM14模式;HWM07模式

中圖分類號(hào)：P412.25文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）09-0137-04

Abstract： In order to summarize the influence of tide on the mean wind in the mesosphere and lower thermosphere （MLT）， the wind field prediction models of HWM07 and HWM14 were analyzed. Based on the 36 month observation data of Wuhan Meteor Radar （January 2014 to December 2016）， the wind field variation characteristics of the middle layer low thermal layer over Wuhan were studied， and the preliminary climatological characteristics of the average daily wind， diurnal tide and half day tide were obtained. The results show that the average monthly meridional wind in horizontal wind field is mainly north wind and westerly wind is the main wind in the horizontal wind field from 2014 to 2016. For the diurnal tide， the amplitude of tide predicted by HWM14 model and HWM07 model is smaller than the actual observation value of the radar; The tide phase predicted by HWM14 model and HWM07 model is larger than the actual observation value of the radar. For half day tide， the amplitude of the actual observed value in 2014—2016 has a periodic change， and the predicted value of the model is slightly larger than the actual observation amplitude.

Keywords： meteor radar;diurnal tide;semidiurnal tide;HWM14 model;HWM07 model

利用2014—2016年武漢市（30.5°N，114.6°E）3年間的流星雷達(dá)（型號(hào)EMDR20）風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，與風(fēng)場(chǎng)模型HWM14（Horizontal Wind Model 2014）、HWM07（Horizontal Wind Model 2007）模型預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較。EMDR20流星雷達(dá)位于武漢市黃陂區(qū)，地理雷達(dá)工作頻率為38.9 MHz，發(fā)射信號(hào)帶寬為150 kHz，峰值功率為20 kW，采樣周期為13 μs，雷達(dá)探測(cè)的空間分辨率為2 km。

水平風(fēng)場(chǎng)模型（HWM）[1]是一個(gè)國(guó)際參考大氣模型，它提供了地球大氣從地面到500 km高度范圍內(nèi)的平均水平風(fēng)。HWM在高層大氣研究中得到了廣泛應(yīng)用。例如，HWM為電離層模型開(kāi)發(fā)和空間天氣應(yīng)用提供了基于實(shí)際觀測(cè)的中性風(fēng)驅(qū)動(dòng)因素[2]。此外，HWM還為電離層數(shù)據(jù)同化研究提供了背景風(fēng)場(chǎng)[3-4]和波傳播[5]。

1 數(shù)據(jù)及分析方法

為了得到月平均背景風(fēng)及潮汐幅度和相位，研究者采用時(shí)序疊加分析的方法：將一個(gè)月的流星參數(shù)放在一起構(gòu)成一個(gè)月平均日，然后將數(shù)據(jù)歸入2 h×3 km的窗口，窗口以1 h和2 km的步長(zhǎng)滑動(dòng)。諧波分析是一種廣泛用于分解時(shí)間序列成分的方法。在這項(xiàng)工作中，線性最小二乘擬合用于檢索指定諧波的幅度。在任一窗口內(nèi)，可以采用式（1）求出流星尾跡的視線漂移的風(fēng)速，公式為：

式中：[Vir]表示流星尾跡的視線漂移速度;[u]、[v]、[w]分別表示風(fēng)場(chǎng)的東西、南北和垂直分量;[li]、[mi]和[ni]表示流星尾跡的方向矢量，角標(biāo)[i]代表不同流星。

對(duì)月平均24 h風(fēng)場(chǎng)序列進(jìn)行基于最小二乘法的諧波擬合，得到月平均背景風(fēng)、月平均潮汐的幅度和相位，計(jì)算公式為：

式中：[u0]代表大氣環(huán)流;[ i]=1、2，分別代表周日潮汐、半日潮汐。潮汐分量的幅度和相位用[ai]，[bi]求出。

2 結(jié)果對(duì)比分析

2.1 水平背景風(fēng)場(chǎng)

圖1是武漢流星雷達(dá)2014—2016年1—12月的背景風(fēng)水平風(fēng)場(chǎng)的月平均對(duì)比圖。橫坐標(biāo)表示每年的12個(gè)月份，縱坐標(biāo)表示對(duì)應(yīng)的風(fēng)場(chǎng)高度，范圍為80～100 km。3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月至來(lái)年2月為冬季。緯向風(fēng)為東西方向，西風(fēng)為正，東風(fēng)為負(fù);經(jīng)向風(fēng)為南北方向，南風(fēng)為正，北風(fēng)為負(fù)。圖1左列比較了2014—2016年水平風(fēng)場(chǎng)的月平均經(jīng)向風(fēng)，平均經(jīng)向風(fēng)以北風(fēng)為主。圖1右列比較了2014—2016年的月平均緯向風(fēng)。從圖上可以看到，6月，90 km高度的風(fēng)速出現(xiàn)峰值，為30～40 m/s，峰值持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，平均緯向風(fēng)以西風(fēng)為主。

2.2 模式對(duì)比

圖2給出了武漢流星雷達(dá)的觀測(cè)值和HWM07、HWM14模型的預(yù)測(cè)值。經(jīng)向風(fēng)在實(shí)際觀測(cè)時(shí)出現(xiàn)了三個(gè)不同的峰值，風(fēng)速為-10 m/s，HWM14給出了較好的預(yù)測(cè)值，HWM07模型未有效預(yù)測(cè)出峰值，可見(jiàn)，HWM14模型要優(yōu)于HWM07模型。緯向風(fēng)在實(shí)際觀測(cè)時(shí)，在84 km以下，4月份附近出現(xiàn)了反向風(fēng)，HWM14、HWM07都給出了較好的預(yù)測(cè)。

2.3 周日潮汐

經(jīng)向風(fēng)周日潮汐變化更加明顯，緯向風(fēng)變化不明顯，因此，本文只對(duì)經(jīng)向風(fēng)進(jìn)行分析。圖3和圖4為經(jīng)向風(fēng)周日潮汐振幅和相位對(duì)比圖。

從圖3可知，HWM14和HWM07預(yù)測(cè)的經(jīng)向風(fēng)周日潮汐振幅小于流行雷達(dá)的實(shí)際觀測(cè)值。從圖4可知，HWM14和HWM07預(yù)測(cè)的經(jīng)向風(fēng)周日潮汐相位大于流行雷達(dá)的實(shí)際觀測(cè)值。從實(shí)際觀測(cè)值來(lái)看，隨著高度的增加，相位不斷減小。與HWM07模型相比，HWM14模型的相位和實(shí)際觀測(cè)值相位符合一致性更好。

2.4 半日潮汐

圖5是半日潮汐經(jīng)向風(fēng)和緯向風(fēng)振幅對(duì)比圖。左列是緯向風(fēng)，右列是經(jīng)向風(fēng)。比較發(fā)現(xiàn)，2014—2016年，實(shí)際觀測(cè)值的振幅存在周期性變化，模型預(yù)測(cè)值較實(shí)際觀測(cè)振幅略大。實(shí)際觀測(cè)和模型的半日潮汐振幅值一般不超過(guò)30 m/s，經(jīng)向風(fēng)量的實(shí)際值比模型觀測(cè)值偏小，HWM14模型的振幅預(yù)測(cè)值要比HWM07模型的預(yù)測(cè)值更接近實(shí)際觀測(cè)值。

3 結(jié)論

通過(guò)上述對(duì)比分析，本文可以得出以下結(jié)論。

2014—2016年，水平風(fēng)場(chǎng)的月平均經(jīng)向風(fēng)以北風(fēng)為主，平均緯向風(fēng)以西風(fēng)為主。

與HWM14、HWM07模式對(duì)比發(fā)現(xiàn)，通過(guò)實(shí)際觀測(cè)可知，經(jīng)向風(fēng)在實(shí)際觀測(cè)時(shí)出現(xiàn)了三個(gè)不同的峰值，風(fēng)速為-10 m/s，HWM14給出了較好的預(yù)測(cè)值，HWM07模型未有效預(yù)測(cè)出峰值，可見(jiàn)，HWM14模型要優(yōu)于HWM07模型。對(duì)于緯向風(fēng)的變化，HWM14、HWM07都給出了較好的預(yù)測(cè)。

對(duì)于周日潮汐，比較發(fā)現(xiàn)，HWM14和HWM07預(yù)測(cè)的經(jīng)向風(fēng)周日潮汐振幅小于流行雷達(dá)的實(shí)際觀測(cè)值;HWM14和HWM07預(yù)測(cè)的經(jīng)向風(fēng)周日潮汐相位大于流行雷達(dá)的實(shí)際觀測(cè)值。

對(duì)于半日潮汐，2014—2016年實(shí)際觀測(cè)值的振幅存在周期性變化，模型預(yù)測(cè)值較實(shí)際觀測(cè)振幅略微偏大。經(jīng)向風(fēng)量的值比模型預(yù)測(cè)值偏小，HWM14模型的振幅預(yù)測(cè)值要比HWM07模型預(yù)測(cè)值更接近實(shí)際觀測(cè)振幅值。

參考文獻(xiàn)：

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