中间层顶区域大气平均风场中存在显著的半年振荡和年振荡(Andrews et al., 1987)。热带地区半年振荡是最显著的周期变化，中高纬地区则以年振荡为主。热带中层大气半年振荡首先在平流层月平均温度中发现(Reed，1962)。随后，火箭探空的结果发现上平流层和下中间层范围纬向风同样存在半年振荡(Reed，1966)，其中赤道上空50 km高度振幅取得最大值(30 m/s)。后来的研究结果都证实了Reed(1962，1966)的观测结果，这些研究表明纬向风半年振荡振幅在平流层顶最大，西风最大值出现在两分点季节之后，东风出现在两至点季节之后。火箭探空和流星雷达资料的结果显示半年振荡存在于整个中间层(Groves，1972)。Hirota(1978)利用阿森松岛(Ascension)(8°S，14°W)火箭探空纬向风资料发现热带地区半年振荡包括两个明显的中心，振幅最大值(约30 m/s)出现在平流层顶(47 km)和中间层顶(81 km)，最小值出现在64 km高度(约5 m/s)，并指出平流层顶与中间层顶半年振荡的相位相差约180°。Hamilton(1982)利用7年瓜加林站(Kwajalein)(8.7°N，167.7°E)月平均纬向风数据证实了Hirota(1978)关于热带地区中层大气中两个不同半年振荡的结果。Dunkerton(1982)认为平流层顶半年振荡对重力波和开尔文波的选择性吸收过滤是形成中间层顶半年振荡的原因，而且利用这个原理可以很好地解释中间层顶半年振荡和平流层顶半年振荡之间的反相位关系。Palo and Avery(1993)利用圣诞岛(Christmas)(1.95°N，157.3°W)流星雷达观测给出了80～100 km平均风场的变化，其中纬向风主要以半年振荡为主，振幅最大值(15～20 m/s)出现在84 km，振幅峰值出现的高度比阿森松岛(Ascension)和瓜加林岛(Kwajalein)的略高。Venkateswara Rao et al.(2012)集合了亚洲—大洋洲地区4部中频雷达和3部流星雷达的观测组成了南北纬22°范围内5个纬度的长时间序列资料，分析了这些地区MLT(Mesosphere and Lower Thermosphere)区域月平均风长期变化，其中纬向风表现出显著的半年振荡，振幅峰值可达25 m/s。Li et al.(2012)利用夏威夷毛伊岛(Hawaii Maui)站(20.7°N，156.3°W)的流星雷达观测同样发现该区域中间层顶纬向风存在明显的半年振荡。

基于火箭探空和地基雷达观测资料的分析结果只能覆盖较少区域，针对中间层顶平均风场半年和年振荡的全球分布研究显得不足。卫星观测的出现，使得这种局面有了很大改善(Lieberman et al., 1993；Burrage et al., 1996；Garcia et al., 1997)。Lieberman et al.(1993)利用UARS(Upper Atmosphere Research Satellite)卫星上搭载HRDI(High Resolution Doppler Imager)风场观测对中间层和低热层月平均纬向风进行了研究，指出赤道中间层顶区域纬向风表现出显著的半年振荡，纬向东风出现在两分点季节，西风出现在两至点季节，并且东风最大值出现在南半球；中高纬度地区纬向风则表现出明显的年变化。热带中间层顶半年振荡与平流层顶半年振荡反相，中高纬度年振荡两半球之间相位相差180°。Burrage et al.(1996)采用HRDI资料分析了中间层顶半年振荡，结果显示半年振荡振幅相对于赤道对称，最大值出现在82 km达35 m/s。Garcia et al.(1997)采用多种地基和卫星观测资料对平流层和中间层半年振荡进行了更详细的研究，指出在90 km高度以下纬向风表现出强的半年振荡，并且存在明显的年际变化。

UARS卫星搭载的HRDI仪器可以覆盖中间层顶区域，但除95 km高度以外只在白天时段获取风场观测资料(Hays et al., 1993)，利用HRDI资料分析平均风场时会受到明显的周日潮汐影响。地基雷达以及火箭探空观测等覆盖范围太小，不能对中间层顶区域平均风场半年振荡和年振荡全球结构进行分析。2001年发射的热层—电离层—中间层能量学和动力学卫星TIMED(Thermosphere Ionosphere Mesosphere Energetics and Dynamics)上搭载的多普勒干涉仪TIDI(TIMED Doppler Interferometer)是用于中间层和低热层大气风场观测的设备，目前在轨观测超过10年，积累了大量的风场观测数据。利用这些数据，本工作研究了中间层顶区域平均风场年振荡和半年振荡的全球结构及其年际变化。

TIMED卫星是美国宇航局(NASA)2001年12月7日发射的用于地球热层、电离层和中间层能量学和动力学观测的卫星(Yee et al., 1999；Yee，2003)。该卫星运行在倾角为74.1°，高度为625 km的圆形轨道上。它每日完成15个轨道观测，相邻两条轨道之间的经度间隔为24°。卫星上搭载的TIDI 仪器(Killeen et al., 1999)用于主要用于中间层和低热层大气风场的观测，垂直分辨率为2.5 km，测量精度在中间层为3 m/s(Killeen et al., 2006)。TIDI通过临边扫描方式监测由中性风引起的气辉辐射多普勒频移来测量风速，白天观测70～120 km高度，晚上则覆盖80～105 km的高度范围(Killeen et al., 2006；Wu et al., 2006)。

在本文中，我们采用美国国家大气研究中心(NCAR)高空观测台(HAO)提供的TIDI矢量风场资料，版本为0307a，该版本资料已经用于中间层顶区域纬向平均风特征和大气潮汐研究(Wu et al., 2008a，2008b)。目前，风场资料时间可覆 盖2002年3月至2012年3月。通过归并60 d观 测资料获取24 h局地时间覆盖的风场数据，求取 白天和夜间平均风速，最后得到纬向平均风场日平均值，该处理方法与凌超等(2012)相同。利用Lomb-Scargle谱分析方法(Press et al., 1992)可以考察中间层顶区域平均风场中的典型振荡周期，然后对平均风场中的主要组成部分进行拟合分解。

平均风场可以表示为气候态平均值、年振荡和半年振荡以及长期趋势的总和：

纬向平均风场的Lomb-Scargle谱分析结果显示，在80～105 km高度范围，85 km高度的结果描述了纬向风典型的变化结构，而87.5 km高度的结果可以给出经向风的典型变化结构。图 1给出了全球85 km高度纬向平均纬向风的Lomb-Scargle谱分析结果，图中显示的结果都通过了99%的置信度检验。在置信度为99%的情况下(即显著性水平为0.01)，可计算得到此时对应的功率P_confidence，即P_{confidence=99%}= 14.5。图中谱分析功率单位为dB，具体计算表达式为：，其中，P为Lomb-Scargle谱分析给出的功率值。在图 1中可以看到，在85 km高度热带地区纬向风具有显著的半年振荡，中高纬度则表现为年振荡。热带地区纬向风也存在更长周期(如2～3年)的变化，但不如年振荡和半年振荡显著。图中还显示，热带地区半年振荡功率峰值出现在南半球。

Figure 1">图 1

Figure 1">Fig. 1

图 1 全球85 km高度纬向平均纬向风的Lomb-Scargle谱分析结果Fig. 1 Spectral analysis of zonal mean zonal winds at 85 km using Lomb-Scargle

图 2给出的是87.5 km高度纬向平均经向风的谱分析结果，经向风中最显著的周期变化为年振荡，峰值主要出现在两半球中纬度地区；谱分析结果还显示高纬度地区经向风存在半年振荡，但较年振荡明显偏弱。

Figure 2">图 2

Figure 2">Fig. 2

图 2 同图 1，但为87.5 km高度纬向平均经向风的结果Fig. 2 Same as Fig. 1，but for zonal mean meridional wind at 87.5 km

3.2 年振荡的全球结构

图 3给出了纬向风多年平均(2003～2011年)年振荡振幅和相位在80～105 km高度范围的全球分布，纬向风相位是指西风取得最大值的时间。全球年振荡振幅在热带地区不超过6 m/s，振幅峰值主要出现在中高纬度。以北半球为例，振幅主要存在两个大值中心，一个位于80～95 km高度的高纬度地区(＞60°N)，另一个出现在95～105 km高度的中纬度地区(30°N～60°N)。同样，在南半球也存在对应的两个大值中心。在100 km高度，振幅大值出现在较宽的纬度范围。北半球峰值中心位于中纬度52.5°N，振幅达到25 m/s。在相同高度，南半球振幅峰值约18 m/s。年振荡振幅的另一个极大值出现在高纬度，北半球峰值出现在95 km高度80°N附近，振幅达28 m/s；南半球在相同纬度87.5 km高度取得最大值，约29 m/s。此外，在北半球40°N附近存在一个次大值中心，位于82.5 km高度，振幅约13 m/s。从年振荡振幅最大值出现的位置来看，年振荡总体上相对于赤道对称分布。Belmont et al.(1974)分析平流层20～65 km高度纬向风的年振荡结果显示，在相同高度和纬度，南半球振幅要大于北半球振幅，振幅峰值主要出现在中高纬度。两半球年振荡相位总体上都是向下向赤道传播。TIDI结果显示MLT区域纬向风年振荡振幅峰值主要出现在中高纬度，振幅相对于赤道对称分布。

从图 3b给出的年振荡相位分布来看，北半球中纬度100 km高度附近年振荡在6～8月取得峰值，即那时年振荡西风出现最大值，这与100 km高度平均纬向风的典型分布结构是一致的；在北半球中高纬度100 km高度以下的地方，出现峰值的时间要略晚，从9月持续至12月。特别是在90 km以下高度，西风峰值出现在12月附近，这与中间层顶纬向风发生反转有关，即在90 km高度以下纬向西风在冬至时达到最大。这也从侧面反应了北半球纬向风的反转发生在90～95 km之间。在南半球中纬度100 km高度附近，相位对应为12月，与北半球相同高度相差半年。这与MLT区域纬向风在半球夏季出现西风，半球冬季出现东风的结构一致。在南半球高纬度95 km高度以下的相位为3～6月，该区域西风最大值出现在南半球冬至之前，与北半球略有区别。Huang and Reber(2003)利用HRDI资料分析的结果显示，在95 km高度，北半球热带和中纬度地区年振荡相位出现在12月，南半球出现在6月。我们的分析结果与其一致。总体上，相位的全球分布是从100 km中纬度开始向下传播的。

Figure 3">图 3

Figure 3">Fig. 3

图 3 全球中间层顶区域纬向平均纬向风年振荡(a)振幅(单位：m/s)和(b)相位(单位：months)的多年平均分布Fig. 3 Annual oscillation(a)amplitudes(m/s) and (b)phases(months)of mean zonal winds in the mesopause region

为了考察年振荡振幅和相位的年际变化，同样采用第2节介绍的拟合方法对每年纬向风数据进行拟合，得到2003～2011年振幅和相位的结果。选取年振荡振幅极大值出现的对称格点，即南、北半球52.5°N(S)高度100 km和73.5°N(S)高度95 km共4个格点进行考察。图 4给出了年振荡振幅和相位在2003～2011年的变化。在52.5°N(S)高度100 km的两个格点，北半球振幅比南半球大，并且两者都出现周期约为3年的年际变化。在73.5°N(S)高度95 km的两个格点，振幅表现出更显著的年际变化，但周期性不显著，除了北半球95 km振幅在2003～2006期间表现出2年周期的振荡(蓝色虚线)。从图 4b中相位分布来看，年振荡相位的年际变化较小。

Figure 4">图 4

Figure 4">Fig. 4

图 4 中间层顶区域52.5°N(S)高度100 km和73.5°N(S)高度95 km 4个格点纬向风年振荡(a)振幅和(b)相位随时间变化Fig. 4 Variations of(a)amplitude and (b)phase of annual oscillation in mean zonal winds of 52.5°N(S)at 100 km and 73.5°N(S)at 95 km in the mesopause region

采用与纬向风相同的方法对经向风进行考察，图 5给出了MLT区域全球纬向平均经向风年振荡平均振幅和相位的分布图，经向风相位表示南风取得最大值的时间。从图中可知，年振荡振幅峰值出现在85～90 km高度的中纬度地区。南半球振幅峰值中心在20°S～40°S，最大达18 m/s；北半球峰值出现在40°N～60°N，可达16 m/s。在其他高度和纬度，年振荡振幅都较小。Huang and Reber(2003)利用HRDI经向风数据给出的95 km年振荡振幅在6～12 m/s。在相同高度，TIDI观测与他们的结果相 当。图 5b中相位的分布显示，经向风年振荡最大值出现的时间均在12月，这说明全球95 km及以下高度南风最大值出现在12月。这种经向风的分布与中间层从夏季半球至冬季半球的经圈环流 结构是一致的。在12月，北半球处于冬季，南半球处于夏季，经向风表现为从南半球到北半球的 南风。

Figure 5">图 5

Figure 5">Fig. 5

图 5 同图 3，但给出的是经向风的结果Fig. 5 Same as Fig. 3，but for the zonal mean meridional wind

图 6给出了经向风年振荡振幅和相位在中纬度和热带地区的年际变化。同样选取4个格点，黑虚线和蓝虚线分别给出的是31.5°S和59.5°N两个纬度87.5 km高度的结果，绿虚线和红虚线分别给出的是10.5°S和10.5°N高度87.5 km的结果。在31.5°S和59.5°N的中纬度地区，振幅年际变化显著，但周期性不明显；对应的相位年际变化较小；在热带地区，虽然振幅比中纬度明显减小，但是年际变化非常显著，并表现出明显的周期性特征。南半球和北半球10.5°N(S)纬度振幅表现出两年周期变化(南半球除2008年除外)；分析对应相位的年际变化发现北半球相位同样存在两年周期的变化，但南半球相位变化则较小。在2004、2006、2008和2010年北半球热带地区，年振幅减小，对应相位提前(出现在9～11月)；而2003、2005、2007、2009和2011年北半球年振幅增大，对应相位延后(出现在1月附近)。

Figure 6">图 6

Figure 6">Fig. 6

图 6 中间层顶区域10.5°N(S)、31.5°S、59.5°N高度87.5 km 4个格点纬向风年振荡(a)振幅和(b)相位随时间变化Fig. 6 Variations of(a)amplitude and (b)phase of annual oscillation in mean zonal winds of 10.5°N(S)，31.5°S， and 59.5°N at 87.5 km in the mesopause region

3.3 半年振荡的全球结构

图 7给出了纬向风半年振荡平均振幅和相位的全球分布，其中相位给出的是第一次振荡西风取得峰值的时间。热带地区半年振荡在高度85 km取得峰值，振幅峰值超过12 m/s，而92.5 km高度以上迅速减小，半年振荡可延伸至南北半球20°N(S)～30°N(S)范围。半年振荡振幅大值中心还出现在中高纬度，北半球分别出现在66.5°N高度95 km和80.5°N高度87.5 km，振幅达12 m/s；南半球分别出现在45.5°S高度95 km和80.5°S高度87.5 km，振幅分别为11 m/s和14 m/s。关于中间层顶半年振荡，以前的研究结果显示振幅约在25～35 m/s之间。Hirota(1978)利用火箭探空数据给出阿森松岛(Ascension)的振幅最大值出现在81 km约30 m/s。Burrage et al.(1996)利用HRDI资料给出的纬向风半年振荡相对于赤道对称，最大值出现在82 km高度达35 m/s。Venkateswara Rao et al.(2012)给出的中间层顶半年振荡最大振幅约25 m/s，并且不同观测站点峰值高度不同，在80～86 km之间变化。Palo and Avery(1993)利用圣诞(Christmas)岛(1.95°N，157.3°W)流星雷达观测给出中间层顶半年振荡最大振幅出现在84 km高度，约15～20 m/s。TIDI给出的结果无论是峰值振幅还是峰值出现的高度都与Palo and Avery(1993)的结果非常接近。另外，TIDI多年平均结果显示热带地区半年振荡振幅并非关于赤道对称，大值中心主要出现在南半球10°S～20°S范围。这种半球不对称性也出现在Lieberman et al.(1993)的结果中，但利用相同的资料也得到不同的结果(Burrage et al., 1996)。

Figure 7图 7

Figure 7Fig. 7

图 7 同图 3，但给出的是纬向风半年振荡的结果Fig. 7 Same as Fig. 3，but for semi-annual oscillation of mean zonal wind

图 7b中半年振荡相位的全球分布结构显示热带和中纬度地区相位表现一致，出现在6月，这说明这些地区半年振荡西风同时出现在一年中的两至点季节(6月和12月)。这种相位的分布，与以前的研究是一致的(Hirota，1978；Burrage et al., 1996)。选取南北半球典型的4个格点对半年振荡振幅和相位的年际变化进行考察，图 8给出了它们随时间的变化。结果显示振幅存在明显的年际变化，甚至出现两年周期的变化(蓝虚线)，但相位的年际变化较小。由于经向风半年振荡很弱，并且出现在较高纬度，因此不在此处给出相关分析结果。

图 8 中间层顶区域10.5°N(S)高度85 km、45.5°S高度95 km和66.5°N高度95 km 4个格点纬向风半年振荡(a)振幅和(b)相位随时间变化Fig. 8 Variations of(a)amplitude and (b)phase of semi-annual oscillation in mean zonal winds of 10.5°N(S)at 85 km，45.5°S at 95 km， and 66.5°N at 95 km in the mesopause region

4 总结和讨论

我们利用2003～2011年期间TIDI在中间层顶区域80～105 km高度的风场观测计算了平均风场，并利用Lomb-Scargle谱分析方法对多年日平均风场典型振荡周期进行分析。采用最小二乘拟合方法分解平均风场中年振荡和半年振荡成分，给出振幅和相位的全球分布，并考察了它们的年际变化。得到的主要结果如下：

(1)全球纬向风年振荡在热带地区很弱，振幅不超过6 m/s。年振幅主要出现在中高纬度，出现两个振幅大值中心，分别位于中纬度(30°～60°)和高纬度地区(＞60°)。北半球中纬度振幅峰值可达25 m/s，南半球约18 m/s；高纬度地区两半球振幅约28～29 m/s。结果显示北半球40°N高度82.5 km还存在一个次大值中心，振幅约13 m/s。相位结果显示，90 km高度以上北半球中高纬度西风在夏季(6～8月)达到最大，南半球则出现在冬季(12月)，两半球相位差180°。90 km高度以下则刚好相反，这与纬向风在中间层顶区域发生反转有关。总体上，两半球年振荡相位从100 km高度向下传播。95 km高度的结果与Huang and Reber(2003)的结果一致。振幅的年际变化显著，在南、北半球52.5°N(S)高度100 km，振幅出现约3年周期的变化，其它地方周期性不显著。相位的年际变化较小。

(2)全球经向风年振荡主要出现在85～90 km高度的中纬度地区。南半球出现在20°S～40°S，振幅峰值达18 m/s；北半球出现在40°N～60°N，峰值达16 m/s。在其他高度和纬度，年振荡的振幅量值较小。Huang and Reber(2003)利用HRDI经向风数据给出的95 km年振荡振幅在6～12 m/s。在相同高度，TIDI观测与他们的结果相当。相位分析显示，全球90 km及以下高度南风最大值出现在12月。这种经向风的分布与中间层从夏季半球至冬季半球的经圈环流是一致的。振幅和相位随时间变化的结果显示，在中纬度地区振幅年际变化显著，对应的相位年际变化则较小；在热带地区，振幅和相位的年际变化都非常显著，特别是北半球。南、北半球10.5°纬度振幅表现出明显的两年变化(南半球除2008年以外)，北半球相位也存在相同的变化，但南半球相位不存在。在2004、2006、2008和2010年北半球热带地区，经向风年振幅减小，相位提前(出现在9～11月)；而2003、2005、2007、2009和2011北半球年振幅增大，相位延后(出现在1月附近)。

(3)关于半年振荡，纬向风半年振荡在热带地区85 km高度取得峰值，92.5 km高度以上迅速减小，振幅峰值大于12 m/s，可延伸至南北半球20～30°N(S)范围。半年振荡振幅大值中心还出现在中高纬度，北半球分别出现在66.5°N高度95 km和80.5°N高度87.5 km，振幅达12 m/s；南半球分别出现在45.5°S高度95 km和80.5°S高度87.5 km，振幅分别为11 m/s和14 m/s。相位的分布结构显示热带和中纬度地区表现一致，出现在6月，说明这些地区半年振荡西风同时出现在一年中的两至点季节(6月和12月)，与以前的结果是一致的(Hirota，1978；Burrage et al., 1996)。振幅和相位随时间的变化显示振幅具有明显的年际变化，甚至出现两年周期的变化，但相位的年际变化较小。

TIDI观测结果显示热带地区纬向风半年振荡峰值出现在85 km高度，且中心出现在南半球10°S～20°S范围。Lieberman et al.(1993)根据 HRDI资料发现东风最大值出现在南半球，认为半年振荡是不对称的，而Burrage et al.(1996)利用相同资料分析显示半年振荡相对于赤道对称。虽然关于中间层顶的研究结果很少，但平流层顶的研究结果显示纬向风半年振荡相对于赤道是非对称分布的(例如：Belmont and Dartt， 1973；Belmont et al., 1974；Hopkins，1975)，纬向风半年振荡中心出现在南半球5°S～10°S。Hopkins(1975)认为平流层顶纬向风半年振荡的不对称性是由赤道地区不对称地形引起行星波活动的不对称性造成的。因此，根据中间层顶半年振荡的形成原因(Dunkerton，1982)，可以推断出中间层顶半年振荡振幅大值中心会出现与平流层顶半年振荡类似的分布。但关于热带中间层顶纬向风半年振荡振幅的不对称分布还需要进一步的研究。另外，TIDI观测结果显示在中间层顶区域中高纬度地区也存在半年振荡振幅的大值中心，以前研究的结果也在中间层(约60 km)高纬度地区发现了显著地半年振荡(Groves，1972；Belmont et al., 1974)。