中層大氣

中層大氣（middle atmosphere）一般指高度介於10一100km的大氣層，其主體部分為平流層和中間層。中層大氣記憶體在著複雜的波流相互作用以及一些有趣的物理現象。中層大氣研究是20世紀70年代以來持續得到大氣科學界和日地物理界共同關注的研究前沿。

基本介紹

• 中文名：中層大氣
• 外文名：middle atmosphere
• 組成：平流層和中間層在內的大氣層
• 高度：10—100km
• 中國研究：始於國際地球物理年
• 存在現象：複雜的波流相互作用及物理現象

定義

中層大氣一般指高度介於10一100km的大氣層，包括大氣分層中的對流層上部和對流層頂、平流層頂、中間層及中間層頂、以及低熱層，其主體部分為平流層和中間層。

性質

對流層上面，直到高于海平面50公里這一層，氣流主要表現為水平方向運動，對流現象減弱，這一大氣層叫做“平流層”，又稱“同溫層”。這裡基本上沒有水氣，晴朗無雲，很少發生天氣變化，適於飛機航行。在20 - 30公里高處，氧分子在紫外線作用下，形成臭氧層，像一道屏障保護著地球上的生物免受太陽高能粒子的襲擊。

平流層以上，到離地球表面85公里，叫做“中間層”，中間層的溫度隨高度的增加而減小，在中間層頂部（約80 - 85km高度處）溫度下降到大約180k，這是大氣中最冷的部分。在這層大氣中幾乎沒有臭氧。中間層以上，到離地球表面500公里，叫做“熱層”。在這兩層內，經常會出現許多有趣的天文現象，如極光、流星等。人類還藉助於熱層，實現短波無線電通信，使遠隔重洋的人們相互溝通信息，因為熱層的大氣因受太陽輻射，溫度較高，氣體分子或原子大量電離，複合機率又少，形成電離層，能導電，反射無線電短波。

研究難點

由於觀測資料的獲取不易和複雜的大氣化學過程，中層大氣的研究遇到了許多挑戰，也存在著眾多的不確定性。

例如，人類活動產生的化學物質和太陽的11年周期究竟對大氣的熱力結構和動力過程產生多大的影響，至今還很受爭議；中層大氣內水汽的收支和變化趨勢以及相關的微物理過程究竟由哪些因子控制；氣候變化的背景下中層大氣過程和現象有什麼變化以及未來的演變趨勢是什麼；以往的研究已經表明北半球環狀模NAM(Northern Annual Mode)從地面到50km的高度呈現了很高的相似性，同時也有證據顯示平流層的擾動可以傳播到對流層，那么中層大氣的變化是如何影響對流層氣候的？

上述這些問題以及其它眾多的關於中層大氣的科學問題中包含了複雜的大氣動力、熱力、化學及微物理過程之間的相互作用和反饋，僅靠有限的中層大氣的觀測資料不能對其進行全面和深入的理解，需要藉助合適而完備的中層大氣模式進行模擬診斷和分析。

研究進展

全球

20世紀70年代中期以前，該層大氣的工作主要在依賴於氣象探空觀測低平流層氣象要素的分析、極少數的氣象火箭和探空火箭對平流層和中間層的觀測、以及立足於地基Dobson光譜儀對平流層臭氧的觀測，並未能形成對該層大氣整體情況的了解,也難以對其重要性作出判斷。

20世紀70年代中期以後，由於MST雷達等新探測技術的出現和套用,同時由於大氣動力學、物理學對於對流層大氣的研究進展，開始認識到對流層天氣氣候和環流過程的發展演變迫切需要了解與作為上邊界中層大氣的耦合。另一方面，電離層和熱層的探測研究中也發現了該層特徵的變化明顯地受到來自下部的對流層和中層大氣的作用，特別明顯的是聲重波特徵，因而迫切需要了解中層大氣在其中的作用。

對於中層大氣本身研究的驅動力則首先來自大氣臭氧的變化研究。人們早就知道，大氣臭氧由於其強烈吸收UV--B(280一320nm)生物有害紫外輻射，起著地球生物圈保護傘的作用，而大氣臭氧的主要部分集中於平流層。20世紀60年代以來，由於擔心人類活動和高空飛機對平流層的排放會破壞臭氧層，導致災難性的後果，因而逐步加強了以臭氧為中心的中層大氣成分與狀態變化及其自然源、人為源作用的研究。20世紀70年代初，發現了人類生產的氟利昂化合物一旦通過垂直輸送進人平流層就會引起破壞臭氧的催化反應，由於近20年以來臭氧已成為全球環境與氣候變化研究的前沿，大大推進了大氣臭氧層的探測與監測，並深人開展了大氣動力—光化學模式研究，在此基礎上促成了世界保護臭氧層公約的誕生。

中層大氣記憶體在複雜的波—流和波—波相互作用，即基流、行星波、重力波及湍流之間的相互作用造成了中層大氣複雜的動力學圖像，成為一個檢驗和發展動力學理論的巨大天然試驗室，吸引了大氣科學家和空間物理學家來共同關注這一領域。

20世紀70年代中期開始，以國際日地物理科學委員會SCOSTEP組織的中層大氣研究計畫MAP和WMO所主持的大氣臭氧研究計畫為起點，中層大氣研究成為地球（大氣）科學和日地物理界共同關注的新重點，以Re一MAP、MAP、MAC為代表的中層大氣研究獲得長足的發展，逐步形成了日地系統整體行為的研究主題。同樣，20世紀80年代起WMO的大氣臭氧評估工作越來越引起人類的共同關注，南極臭氧洞的發現使這一問題更引起重視。由於臭氧層變化與人類活動排放溫室氣體的密切關係，氣候變化中中層大氣的成分與動力過程變化及其對天氣氣候的影響也得到了十分重視，WCRP於1992年起設立了SPARC(平流層過程與其氣候作用)研究計畫，進一步推進了大氣上下層相互作用的氣候預測重要性。

中國

中國的中層大氣研究始於國際地球物理年(1957 - 1958)。趙九章等前輩學者預見中上層大氣研究在大氣科學與航空航天套用中的重要性，積極倡導這一國際合作前沿研究。從那時開始了大氣臭氧的觀測研究，作為大氣動力學研究部分的低平流層研究亦有所進展。

20世紀60年代開展了氣象火箭的研製與試驗。由於文化大革命中斷了10年中層大氣研究。

在70年代末期，我國科學界在調研國際學術前沿的基礎上確定中層大氣研究作為我國大氣科學和空間科學的一個新的重點，在觀測手段和理論研究方面給予足夠的重視。30多年來我國中層大氣研究工作已經有了系統的發展。