武漢中間層和低熱層大氣風場的潮汐觀測研究

于家龍

摘 要：為了歸納潮汐對中間層低熱層（Mesosphere and Lower Thermosphere，MLT）大氣平均風的影響，對比分析了HWM07、HWM14風場預測模型。本文利用武漢流星雷達36個月的觀測數據（2014年1月至2016年12月）研究了武漢上空中間層低熱層區風場的變化特征，得到了日平均風和周日潮汐、半日潮汐的初步氣候學特征。結果表明：2014—2016年，水平風場的月平均經向風以北風為主，平均緯向風以西風為主。對于周日潮汐，HWM14模型和HWM07模型預測的經向風周日潮汐振幅小于流行雷達的實際觀測值;HWM14模型和HWM07模型預測的經向風周日潮汐相位大于流行雷達的實際觀測值。對于半日潮汐，2014—2016年實際觀測值的振幅存在周期性變化，模型預測值較實際觀測振幅略微偏大。

關鍵詞：流星雷達;周日潮汐;半日潮汐;HWM14模式;HWM07模式

中圖分類號：P412.25文獻標識碼：A文章編號：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（型號EMDR20）風場觀測數據，與風場模型HWM14（Horizontal Wind Model 2014）、HWM07（Horizontal Wind Model 2007）模型預測結果進行比較。EMDR20流星雷達位于武漢市黃陂區，地理雷達工作頻率為38.9 MHz，發射信號帶寬為150 kHz，峰值功率為20 kW，采樣周期為13 μs，雷達探測的空間分辨率為2 km。

水平風場模型（HWM）[1]是一個國際參考大氣模型，它提供了地球大氣從地面到500 km高度范圍內的平均水平風。HWM在高層大氣研究中得到了廣泛應用。例如，HWM為電離層模型開發和空間天氣應用提供了基于實際觀測的中性風驅動因素[2]。此外，HWM還為電離層數據同化研究提供了背景風場[3-4]和波傳播[5]。

1 數據及分析方法

為了得到月平均背景風及潮汐幅度和相位，研究者采用時序疊加分析的方法：將一個月的流星參數放在一起構成一個月平均日，然后將數據歸入2 h×3 km的窗口，窗口以1 h和2 km的步長滑動。諧波分析是一種廣泛用于分解時間序列成分的方法。在這項工作中，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，可以采用式（1）求出流星尾跡的視線漂移的風速，公式為：

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

對月平均24 h風場序列進行基于最小二乘法的諧波擬合，得到月平均背景風、月平均潮汐的幅度和相位，計算公式為：

式中：[u0]代表大氣環流;[ 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 結果對比分析

2.1 水平背景風場

圖1是武漢流星雷達2014—2016年1—12月的背景風水平風場的月平均對比圖。橫坐標表示每年的12個月份，縱坐標表示對應的風場高度，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月至來年2月為冬季。緯向風為東西方向，西風為正，東風為負;經向風為南北方向，南風為正，北風為負。圖1左列比較了2014—2016年水平風場的月平均經向風，平均經向風以北風為主。圖1右列比較了2014—2016年的月平均緯向風。從圖上可以看到，6月，90 km高度的風速出現峰值，為30～40 m/s，峰值持續時間較長，平均緯向風以西風為主。

2.2 模式對比

圖2給出了武漢流星雷達的觀測值和HWM07、HWM14模型的預測值。經向風在實際觀測時出現了三個不同的峰值，風速為-10 m/s，HWM14給出了較好的預測值，HWM07模型未有效預測出峰值，可見，HWM14模型要優于HWM07模型。緯向風在實際觀測時，在84 km以下，4月份附近出現了反向風，HWM14、HWM07都給出了較好的預測。

2.3 周日潮汐

經向風周日潮汐變化更加明顯，緯向風變化不明顯，因此，本文只對經向風進行分析。圖3和圖4為經向風周日潮汐振幅和相位對比圖。

從圖3可知，HWM14和HWM07預測的經向風周日潮汐振幅小于流行雷達的實際觀測值。從圖4可知，HWM14和HWM07預測的經向風周日潮汐相位大于流行雷達的實際觀測值。從實際觀測值來看，隨著高度的增加，相位不斷減小。與HWM07模型相比，HWM14模型的相位和實際觀測值相位符合一致性更好。

2.4 半日潮汐

圖5是半日潮汐經向風和緯向風振幅對比圖。左列是緯向風，右列是經向風。比較發現，2014—2016年，實際觀測值的振幅存在周期性變化，模型預測值較實際觀測振幅略大。實際觀測和模型的半日潮汐振幅值一般不超過30 m/s，經向風量的實際值比模型觀測值偏小，HWM14模型的振幅預測值要比HWM07模型的預測值更接近實際觀測值。

3 結論

通過上述對比分析，本文可以得出以下結論。

2014—2016年，水平風場的月平均經向風以北風為主，平均緯向風以西風為主。

與HWM14、HWM07模式對比發現，通過實際觀測可知，經向風在實際觀測時出現了三個不同的峰值，風速為-10 m/s，HWM14給出了較好的預測值，HWM07模型未有效預測出峰值，可見，HWM14模型要優于HWM07模型。對于緯向風的變化，HWM14、HWM07都給出了較好的預測。

對于周日潮汐，比較發現，HWM14和HWM07預測的經向風周日潮汐振幅小于流行雷達的實際觀測值;HWM14和HWM07預測的經向風周日潮汐相位大于流行雷達的實際觀測值。

對于半日潮汐，2014—2016年實際觀測值的振幅存在周期性變化，模型預測值較實際觀測振幅略微偏大。經向風量的值比模型預測值偏小，HWM14模型的振幅預測值要比HWM07模型預測值更接近實際觀測振幅值。

參考文獻：

[1]HEDIN A E ，SPENCER N W ，KILLEEN T L . Empirical global model of upper thermosphere winds based on atmosphere and dynamics explorer satellite data[J].Journal of Geophysical Research Space Physics，1988（9）：9959-9978.

[2]HUBA J D，OSSAKOW S L ，JOYCE G ，et al. Three-dimensional equatorial spread Fmodeling： Zonal neutral wind effects [Z].2009.

[3]KELLY M A ，COMBERIATE J M ，MILLER E S ，et al. Progress toward forecasting of space weather effects on UHF SATCOM after operation anaconda[J].Space Weather，2014（10）：601-611.

[4]SCHUNK R W ，SCHERLIESS L ，SOJKA J J ，et al. Global assimilation of ionospheric measurements （GAIM）[J].Radio science，2016（1）：1-11.

[5]DROB D P，Picone J M .Global morphology of infrasound propagation[J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres，2003（21）：4680.