我國地域遼闊，南北方向覆蓋中低緯度，東西方向橫跨四個時區，地形地貌複雜多樣，擁有世界上最高的高原、丘陵、平原等多種地形地貌以及漫長海岸線，呈現出獨一無二的地形地貌特徵，造就了我國上空高層大氣擾動受劇烈天氣事件、地形變化強迫、上下大氣層耦合等多重影響的獨特特性，成為天然的實驗室。全天空氣輝成像儀是探測和研究大氣波動二維分布的有效手段。大氣波動在中高層大氣中的傳播範圍很大，而單台氣輝成像儀由於有限的觀測視野較難進行大範圍觀測。中國科學院國家空間科學中心太陽活動與空間天氣重點實驗室中高層大氣研究團隊在國際上首次構建了用於觀測峰值高度位於87km高度上的OH氣輝和峰值高度位於250km高度上的氧原子紅光（OI 630nm）氣輝的覆蓋中國大陸的雙層探測網（圖1）。低層大氣劇烈事件如何引起大範圍中高層大氣擾動的物理機制是氣輝探測網的重要科學目標之一。
研究團隊聯合美國國家大氣研究中心，以2016年超強颱風Chaba為範例，利用子午工程和雙層氣輝網的探測，結合再分析數據和射線追蹤理論，對颱風引起的中高層大氣大範圍強烈擾動的物理過程開展研究。該工作重點探究了颱風激發的重力波是如何從對流層向熱層傳播的物理過程。由於分子粘性隨着高度的上升呈指數級增加，重力波在熱層大氣中會迅速耗散，因此大氣重力波是如何從對流層傳播到熱層大氣的一直是未解之謎，也是中高層大氣研究的重要問題之一。圖2給出該次颱風從對流層、平流層、中間層，一直到熱層所引起的中高層大氣擾動的立體結構分布。觀測表明該次強颱風導致整個中高層大氣出現劇烈擾動。該研究證明中層頂區域(高度約87公里)的重力波（圖2b）是由颱風直接激發產生，並發現中層頂區域存在強烈的重力波耗散和非線性相互作用。通過射線追蹤理論，證明熱層（250公里）重力波（圖2a）不是由颱風直接激發產生，而是中層頂區域颱風引起的重力波耗散和非線性相互作用激發產生的二次波，這一發現加深了科學家對地面極端事件產生重力波傳播特性以及各大氣圈層相互耦合的認識。
近日，相關研究成果發表在Atmospheric Chemistry and Physics上。研究工作得到在子午工程、國家自然科學基金等的支持。
圖1.雙層氣輝觀測網：（a）OH氣輝觀測網，（b）氧原子紅光（OI 630nm）氣輝觀測網。
圖2.颱風Chaba激發的重力波的多層結構：（a）OI 630nm氣輝（高度約250公里）觀測網探測結果，（b）OH氣輝（高度約87公里）觀測網探測結果，（c）平流層40公里再分析溫度擾動分布，（d）颱風的對流層雲圖。
來源：中國科學院國家空間科學中心
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