武汉中间层和低热层大气风场的潮汐观测研究

于家龙

摘 要：为了归纳潮汐对中间层低热层（Mesosphere and Lower Thermosphere，MLT）大气平均风的影响，对比分析了HWM07、HWM14风场预测模型。本文利用武汉流星雷达36个月的观测数据（2014年1月至2016年12月）研究了武汉上空中间层低热层区风场的变化特征，得到了日平均风和周日潮汐、半日潮汐的初步气候学特征。结果表明：2014—2016年，水平风场的月平均经向风以北风为主，平均纬向风以西风为主。对于周日潮汐，HWM14模型和HWM07模型预测的经向风周日潮汐振幅小于流行雷达的实际观测值;HWM14模型和HWM07模型预测的经向风周日潮汐相位大于流行雷达的实际观测值。对于半日潮汐，2014—2016年实际观测值的振幅存在周期性变化，模型预测值较实际观测振幅略微偏大。

关键词：流星雷达;周日潮汐;半日潮汐;HWM14模式;HWM07模式

中图分类号：P412.25文献标识码：A文章编号：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年间的流星雷达（型号EMDR20）风场观测数据，与风场模型HWM14（Horizontal Wind Model 2014）、HWM07（Horizontal Wind Model 2007）模型预测结果进行比较。EMDR20流星雷达位于武汉市黄陂区，地理雷达工作频率为38.9 MHz，发射信号带宽为150 kHz，峰值功率为20 kW，采样周期为13 μs，雷达探测的空间分辨率为2 km。

水平风场模型（HWM）[1]是一个国际参考大气模型，它提供了地球大气从地面到500 km高度范围内的平均水平风。HWM在高层大气研究中得到了广泛应用。例如，HWM为电离层模型开发和空间天气应用提供了基于实际观测的中性风驱动因素[2]。此外，HWM还为电离层数据同化研究提供了背景风场[3-4]和波传播[5]。

1 数据及分析方法

为了得到月平均背景风及潮汐幅度和相位，研究者采用时序叠加分析的方法：将一个月的流星参数放在一起构成一个月平均日，然后将数据归入2 h×3 km的窗口，窗口以1 h和2 km的步长滑动。谐波分析是一种广泛用于分解时间序列成分的方法。在这项工作中，线性最小二乘拟合用于检索指定谐波的幅度。在任一窗口内，可以采用式（1）求出流星尾迹的视线漂移的风速，公式为：

式中：[Vir]表示流星尾迹的视线漂移速度;[u]、[v]、[w]分别表示风场的东西、南北和垂直分量;[li]、[mi]和[ni]表示流星尾迹的方向矢量，角标[i]代表不同流星。

对月平均24 h风场序列进行基于最小二乘法的谐波拟合，得到月平均背景风、月平均潮汐的幅度和相位，计算公式为：

式中：[u0]代表大气环流;[ i]=1、2，分别代表周日潮汐、半日潮汐。潮汐分量的幅度和相位用[ai]，[bi]求出。

2 结果对比分析

2.1 水平背景风场

图1是武汉流星雷达2014—2016年1—12月的背景风水平风场的月平均对比图。横坐标表示每年的12个月份，纵坐标表示对应的风场高度，范围为80～100 km。3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季，12月至来年2月为冬季。纬向风为东西方向，西风为正，东风为负;经向风为南北方向，南风为正，北风为负。图1左列比较了2014—2016年水平风场的月平均经向风，平均经向风以北风为主。图1右列比较了2014—2016年的月平均纬向风。从图上可以看到，6月，90 km高度的风速出现峰值，为30～40 m/s，峰值持续时间较长，平均纬向风以西风为主。

2.2 模式对比

图2给出了武汉流星雷达的观测值和HWM07、HWM14模型的预测值。经向风在实际观测时出现了三个不同的峰值，风速为-10 m/s，HWM14给出了较好的预测值，HWM07模型未有效预测出峰值，可见，HWM14模型要优于HWM07模型。纬向风在实际观测时，在84 km以下，4月份附近出现了反向风，HWM14、HWM07都给出了较好的预测。

2.3 周日潮汐

经向风周日潮汐变化更加明显，纬向风变化不明显，因此，本文只对经向风进行分析。图3和图4为经向风周日潮汐振幅和相位对比图。

从图3可知，HWM14和HWM07预测的经向风周日潮汐振幅小于流行雷达的实际观测值。从图4可知，HWM14和HWM07预测的经向风周日潮汐相位大于流行雷达的实际观测值。从实际观测值来看，随着高度的增加，相位不断减小。与HWM07模型相比，HWM14模型的相位和實际观测值相位符合一致性更好。

2.4 半日潮汐

图5是半日潮汐经向风和纬向风振幅对比图。左列是纬向风，右列是经向风。比较发现，2014—2016年，实际观测值的振幅存在周期性变化，模型预测值较实际观测振幅略大。实际观测和模型的半日潮汐振幅值一般不超过30 m/s，经向风量的实际值比模型观测值偏小，HWM14模型的振幅预测值要比HWM07模型的预测值更接近实际观测值。

3 结论

通过上述对比分析，本文可以得出以下结论。

2014—2016年，水平风场的月平均经向风以北风为主，平均纬向风以西风为主。

与HWM14、HWM07模式对比发现，通过实际观测可知，经向风在实际观测时出现了三个不同的峰值，风速为-10 m/s，HWM14给出了较好的预测值，HWM07模型未有效预测出峰值，可见，HWM14模型要优于HWM07模型。对于纬向风的变化，HWM14、HWM07都给出了较好的预测。

对于周日潮汐，比较发现，HWM14和HWM07预测的经向风周日潮汐振幅小于流行雷达的实际观测值;HWM14和HWM07预测的经向风周日潮汐相位大于流行雷达的实际观测值。

对于半日潮汐，2014—2016年实际观测值的振幅存在周期性变化，模型预测值较实际观测振幅略微偏大。经向风量的值比模型预测值偏小，HWM14模型的振幅预测值要比HWM07模型预测值更接近实际观测振幅值。

参考文献：

[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.