风场是表征大气环流和动力学结构的直接参数，能够通过波流相互作用影响大气波动的传播，通过中性成分与带电粒子之间的碰撞而影响电离层等。然而，目前对全球中高层大气风场的探测还面临巨大挑战，地基和卫星的风场探测还局限于某些高度范围，无法得到平流层至低热层整个高度范围的完整风场。因此，中国科学院国家空间科学中心（以下简称“空间中心”）太阳活动与空间天气重点实验室科研人员结合TIME/SABER卫星和子午工程以及其它地基观测，结合平衡风理论，自主重构了具有长期连续时空分布的中高层大气风场，在一定程度上解决大气动力学和电动力学的研究和应用对风场数据的紧迫需求。
近日，空间中心徐寄遥研究员和刘晓教授等人，基于自主重构的中高层大气风场，利用其长期连续时空分布优势，研究了中高层大气风场的季节变化和长期变化特性、及其对太阳活动、准两年震荡(Quasi-biennial oscillation, QBO)和厄尔尼诺与南方涛动(El Ni？o-Southern Oscillation, ENSO)的响应。并利用再分析数据MERRA-2 (Modern-Era Retrospective analysis for Research and Applications, version 2)对70 km高度以下的结果进行了比较。
早期的研究表明，中高层大气风场的变化特性和响应与地理位置和时间跨度密切相关，在不同位置和不同时间段甚至得到相反的结果。潜在原因是动力学过程具有区域依赖性，不同时间段的太阳活动和ENSO的强度也不同，从而导致不同的变化特性和响应。
刘晓等利用长期连续(2002–2019)的具有全球覆盖(18–100 km, 50°S–50°N)的风场数据，通过区分不同的时间跨度(对应于不同的太阳活动和ENSO的度)，对这一问题进行系统研究。结果表明：(1) 在平流层，重构风场和MERRA-2风场的季节变化和长期变化有着类似的纬度–高度分布；(2) 纬向风对QBO的响应具有南北半球不对称性，且随着高度增加由正响应变为负相应并向高纬地区扩展；(3) 纬向风对太阳活动和ENSO的响应在南半球极区平流层射流附近最强；(4) 时间跨度长短对季节变化和对QBO的响应影响很小，对ENSO的响应次之，而对太阳活动和长期变化趋势的影响最大。北半球经常发生的平流层爆发增温能够影响这些变化和响应的强度，而不影响其形态结构。
依据观测数据重构的全球纬向风场及其各种尺度的变化特性为模式研究和地基观测提供了有益的补充。该研究成果于近期发表在国际著名期刊Atmospheric Chemistry and Physics上。
图 季节变化(1–3列分别对应于年变化、半年变化和1/3年变化)的振幅(等值线)和相位(颜色)以及拟合优度R2 (第4列)。上下两行分别表示重构风场和MERRA-2风场的结果。
中高层大气风场数据链接：
Liu, X., Xu, J., Yue, J., Yu, Y., Batista, P. P., Andrioli, V. F., Liu, Z., Yuan, T., Wang, C., Zou, Z., Li, G., and Russell III, J. M.: Global Balanced Wind Derived from SABER Temperature and Pressure Observations and its Validations, V1, sadr [data set], https://doi.org/10.12176/01.99.00574
论文链接：
Liu, X., Xu, J., Yue, J., Yu, Y., Batista, P. P., Andrioli, V. F., Liu, Z., Yuan, T., Wang, C., Zou, Z., Li, G., & Russell, J. M. (2021). Global balanced wind derived from SABER temperature and pressure observations and its validations. Earth System Science Data, 13(12), 5643–5661. https://doi.org/10.5194/essd-13-5643-2021
Liu, X., Xu, J., Yue, J., & Andrioli, V. F. (2023). Variations in global zonal wind from 18 to 100 km due to solar activity and the quasi-biennial oscillation and El Ni？o–Southern Oscillation during 2002–2019. Atmospheric Chemistry and Physics, 23(11), 6145–6167. https://doi.org/10.5194/acp-23-6145-2023.
（供稿：天气室）
