近地空间是地区上空对流层以外直至地球内磁层的广大区域，其重要的组成部分是作为地球对流层大气自然延伸的中高层中性大气。中高层大气各圈层(平流层、中间层、热层)之间存在光化学、热力学、动力学等多种相互作用和耦合过程，其中的物质与能量的输运机制研究具有重要的学术意义，是当前空间物理学研究的重点方向。地球大气的能量的重要来源是太阳辐射，而绝大多数的太阳辐射被海洋尤其是热带海洋吸收。以热带地区深对流活为代表的海洋与地球大气之间的物质和能量交换是中高层大气重要的动量、热量和物质源，是引起中高层大气复杂变化的重要原因。研究低层大气深对流活动对中高层大气的影响，对理解地球大气不同圈层之间的耦合机制有重要科学意义，也对人类更好的开发近地空间环境提供重要的科学认识和理论指导。

图1 大气分层示意图

近期，中国科学技术大学李陶教授团队，结合卫星观测和气候-化学耦合数值模式，发现热带低层大气的深对流活动对北半球中间层大气有重要的调制作用，揭示了从平流层到中间层大气动力学垂直耦合过程及其时间滞后关系。该研究填补了低层大气对中层大气的耦合过程，并对中层大气预报有着重要意义。

图2 热带大气对流活动

热带地区的降水主要来源是对流形成的积雨云，大尺度的对流活动还会伴随着大气环流的变化。大尺度对流活动的强弱会在几十天的周期内循环变化，并引起大气环流的相应变化，这个周期性变化被称为“Madden-Julian振荡”。热带大尺度对流活动引起一种波长接近地球半径的大气波动，叫做行星波。它可以向中高纬度对流层和平流层输送动量和能量，因此可能对中层大气温度产生影响。

图3 Madden-Julian振荡示意图

通过卫星观测和数值模式模拟研究发现，在深对流活动发生在西太平洋区域（这也是全球对流活动最强的区域）后约35天左右，北半球极区中间层大气发生显著的冷却现象（约5K）。其动力学过程为：热带西太平洋地区深对流通过激发大尺度行星波经过约20~25天的传播将动量和能量输送到中高层大气中风场中：一方面，部分行星波可以直接上传到约70公里的中间层大气，引起中间层温度和风场变化；另一方面，更多的行星波在平流层顶高度（约50公里）破碎，释放的能量和动量在5天内调制了平流层顶的纬向风场，使平流层顶纬向风场在滞后深对流活动约30天时出现显著的东风异常；纬向风场的改变通过波-流相互作用进一步影响重力波的上传，从而影响中间层大气的动量平衡，引起中间层环流变化并使北半球极区的下沉气流减弱，由于绝热作用引起极区中间层大气降温。

图4 滞后热带低层大气对流活动的中间层温度异常

总的来说，热带对流活动的周期性变化，会通过大气行星波影响平流层顶的纬向风场，进而调制上传到中间层的重力波。在上传行星波和重力波的共同作用下，中间层环流被减弱，进而导致北半球极区的异常冷却。这一过程中，大尺度行星波-背景风场-小尺度重力波耦合中的能量交换会持续约1个月，这一机制首次解释了低层大气扰动引起的中间层大气响应的时间滞后的原因。

图5 动力学垂直耦合过程

该研究揭示了地球中高层大气与低层大气深对流活动之间的垂直动力学耦合过程和重要时间滞后关系。由于海洋-低层大气深对流活动具有较强的周期性和较好的预报性，该研究不仅填补了地球低层大气活动与高层大气活动之间的耦合机制，并且对进一步认识地球系统和进行更准确和更长周期的空间天气预报有重要的意义。

该研究发表于《中国科学：地球科学》，论文第一作者是中国科学技术大学博士研究生孙聪，通讯作者为中国科学技术大学杨成昀副研究员，同属于中科院比较行星中心的骨干成员李陶教授团队。

研究得到了中国科学院战略性先导科技专项(B类)项目(编号: XDB 41000000)、国家自然科学基金项目(批准号: 41874180、41974175、41831071、41874181)、大型中国科学院基础设施开放研究项目——“基于子午工程的中低纬大气和电磁层相互作用研究”资助。

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中文版: 孙聪, 杨成昀, 李陶. 2021. Madden-Julian振荡对北半球冬季中间层影响的动力学过程. 中国科学: 地球科学, 51(8): 1227–1239, doi: 10.1360/N072020-0339

英文版: Sun C, Yang C, Li T. 2021. Dynamical influence of the Madden-Julian oscillation on the Northern Hemisphere mesosphere during the boreal winter. Science China Earth Sciences, 64(8): 1254–1266, https://doi.org/10.1007/s11430-020-9779-2