全球中间层顶大气密度的地基探测取得重要进展

中间层顶（mesopause）位于中间层大气顶部和低热层大气底部，一般距离海平面90千米高度左右，是地球上温度最低的地方。中间层顶高度和温度范围变化较大，主要与纬度和季节等因素相关，如在极区夏季中间层顶高度可下降至80千米左右，大气温度可低至130 K。因此，中间层顶区域存在一些特殊的光化学及物理现象，如夜光云、极区中间层顶夏季回波等；同时中间层顶也存在着复杂的大气动力学现象，使得该区域一直是中高层大气研究的热点之一。中间层顶大气参数的探测对了解该区域的光化学和物理特性以及全球环境变化趋势有着重要意义。然而，常用的气象探测手段无法达到中间层顶，而卫星轨道也要高于该区域，使得中间层顶大气参数的探测特别是中性大气密度一直是中高层大气探测中的难题。

近日，中国科大地空学院窦贤康教授团队利用全球流星雷达观测网多年的观测数据（如图1所示），反演了全球中间层顶大气密度，并首次研究了全球中间层顶大气密度的季节变化。研究成果以“Climatology of mesopause density usinga global distribution of meteor radars”为题在线发表于大气科学权威刊物Atmospheric Chemistry and Physics上，薛向辉教授和Iain Reid教授为共同通讯作者，博士后易稳为第一作者。该研究是Yi et al. (2018, JGR)发展的基于流星雷达反演中间层顶大气密度方法的在全球流星雷达观测数据的应用。如图2所示，研究发现全球大气密度的季节变化存在明显的纬度特征。南极中间层顶大气密度主要表现为年变化，而北极中间层顶大气密度主要表现为周年变化和较弱的半年变化。中间层顶大气密度高值随着纬度存在明显的纬度变化，但是全球大气密度低值通常只出现在6、7、8月份左右。中间层顶大气密度存在明显的南北半球季节不对称性，表明中间层顶大气密度的变化除了受垂直结构的热能交换（太阳辐射的加热作用）所控制之外，还受到低层大气耦合作用的影响。此外，研究还将流星雷达探测的大气密度与目前常用的大气模式如（NRLMSISE-00：美国海军研究实验室大气模式和WACCM：全大气耦合模型）输出的模式大气密度进行对比，表明目前大气模式还不能准确的模拟中间层顶大气密度的季节变化。因此，通过对全球中间层顶大气密度的探测，对大气模式的建立和修正有着至关重要的作用。

研究得到了国家自然科学基金、科学院青年创新促进会、中国博士后科学基金面上项目、国家留学基金委等的资助。同时，中科院地质与地球物理研究所、蒙城地球物理国家野外观测站、中国电波传播研究所、阿德莱德大学、ATRAD大气雷达公司、挪威北极圈大学和日本极地研究所为本研究提供了流星雷达数据支持。

相关论文：

Yi, W., Xue, X., Reid, I. M., Murphy, D. J., Hall, C. M.,Tsutsumi, M., Ning, B., Li, G., Vincent, R. A., Chen, J., Wu, J., Chen, T., andDou, X.: Climatology of the mesopause relative density using a globaldistribution of meteor radars, Atmos.Chem. Phys., 19, 7567-7581, https://doi.org/10.5194/acp-19-7567-2019, 2019.

Yi, W., Xue, X., Reid, I. M., Younger, J. P., Chen, J., Chen,T., and Li, N.：Estimation of mesospheric densities at low latitudes usingthe Kunming meteor radar together with SABER temperatures. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 123, 3183– 3195.https://doi.org/10.1002/2017JA025059, 2018

图1. 本研究中流星雷达的全球分布图

图2. 全球中间层顶（90千米附近）大气密度的季节变化