中高层大气数据同化及其在动力学研究中的应用

The data assimilation in middle and high atmosphere could provide more realistic global temperature and wind information, which could be utilized for mechanisms investigation on dynamical processes and also good for atmospheric modeling with higher precision. This project will focus on middle and high atmosphere data assimilation independently on the basis of the open source Whole Atmosphere Community Climate Model (WACCM) and various kinds of satellite observations, the study of which is still very weak in China. Meanwhile, we will make full use of the data assimilation to study the propagation and amplification of planetary waves, and find out the reasons for their different seasonal behaviors. Specifically, we will enrich the theory of selective amplification of planetary waves by zonal mean zonal wind. We will also investigate the prerequisite condition for the occurrence of nonlinear interaction between tides and planetary waves, and draw out the nonlinear interaction processes. We will also study the effect of planetary waves on middle atmosphere residual circulations, and quantitatively determine the relative contribution of planetary waves and gravity waves to atmospheric coupling. The implementation of this project will most probably shed new light on the basic physical processes in the mesosphere.

中高层大气的数据同化，能够提供全球范围内接近真实大气状态的温度和风场信息，可以用来对中高层大气的动力学过程进行深入的机制研究，也有助于实现中高层大气的高精度建模。目前国内的中高层大气数据同化研究还比较薄弱，本项目将以开源的全大气模型-WACCM为平台，融合TIMED、Aura等多种卫星的观测数据，自主开展中高层大气的数据同化研究。利用数据同化结果，本项目将深入研究行星波的传播与放大机制等基础性问题，揭示不同种类行星波的季节变化差异性及其形成原因，深化背景风场对行星波的选择性放大理论；解决行星波与潮汐波的非线性相互作用机制等热点问题，揭示非线性相互作用产生的必要条件以及具体过程；获取行星波对中高层大气环流的影响机制，定量分析行星波与重力波对中高层大气内部耦合的相对贡献。本项目的实施，将为中高层大气的基本物理过程提供新的认识。

中高层大气是地球大气向临近空间的过渡区域，它一方面受到低层大气各种对流活动的影响，另一方面又对电离层/热层系统产生重要的调制作用。本项目开展了中高层大气的数据同化研究，并基于数据同化结果，进行了中高层大气的动力学过程研究，包括中高层大气行星波的传播与放大机制、中高层大气潮汐波与行星波的相互作用机制、以及中高层大气行星波对背景环流的影响机制。在项目执行过程中，申请人实现了SD-WACCM-X全大气层耦合模型的配置运行，并产出了2002-2022年间0-~500公里高度范围内中性大气、以及电离成分的数据集。除此之外，负责人揭示了中间层大气行星波的季节与年际变化规律，跨圈层耦合效应，及其对电离层的调制机制。本项目不仅促进了当前对中高层大气动力学的认知，提升了不同大气层能量传输的认识，而且为电离层/热层短期空间天气变化的精准预报提供了理论支撑。因而，本项目的研究成果不仅具有一定的理论研究价值，也具有一定的应用价值。

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