開爾文波

開爾文波是一種被限制在赤道附近，並且東向傳播的行星波，它的驅動源來自於對流層大氣的潛熱釋放。根據經典波動理論，開爾文波的徑向風波動分量幾乎為零，遠遠小於緯向風波動和溫度的波動。

一般情況下，根據周期的不同，可以把開爾文波分為三類：開爾文慢波、快速開爾文波、超快速開爾文波。

基本介紹

• 中文名：開爾文波
• 外文名：Kelvin Wave
• 定義：被限制在赤道並東向傳播的行星波
• 驅動源：對流層大氣的潛熱釋放
• 類別：開爾文慢波、快速波、超快速波
• 波動分量：經向波動小於緯向和溫度波動

定義

開爾文波是一種被限制在赤道附近，並且東向傳播的行星波，它的驅動源來自於對流層大氣的潛熱釋放。

性質

根據經典波動理論，開爾文波的徑向風波動分量幾乎為零，遠遠小於緯向風波動和溫度的波動。

分類

一般情況下，根據周期的不同，可以把開爾文波分為三類：

第一類叫做“開爾文慢波”，它們的周期大概為10 - 20天；

第二類叫做“快速開爾文波”，它們的周期比第一類開爾文波小，大約為6 -10天；

第三類波，“超快速開爾文波”，具有最短的周期和最快的傳播速度，它們的周期只有3 - 6天。但是，由於超快速開爾文波具有較短的周期和相對較長的垂直波長，其在傳播過程中的耗散比較弱，因而只有超快速開爾文波能夠到達中間層頂、低熱層甚至更高的高度。

研究歷史

超快速開爾文波首先Salby et al. 被報導，他們從Nimbus-7衛星LIBS探測器的溫度數據中提取出了這支波。結果表明，超快速開爾文波在中間層高度處的周期大約為3.5天，垂直波長約為40千米。其溫度的波動相對於赤道基本對稱，緯向結構表現為波數為1，並且向東傳播。後來，搭載在UARS衛星上面High Resolution Doppler Imager（HRDI）探測器首次對超快速開爾文波的水平風場波動進行了測量。這些風場數據表明，超快速開爾文波的緯向風分量在105千米左右的近赤道地區達到最大值，約為40m/s。除此之外，研究發現超快速開爾文波常年都會發生，頻率大概為每隔20 - 60天。

由於超快速開爾文波可以到達中間層頂、低熱層甚至更高的高度，這使得超快速開爾文波對於中性大氣和電離層的耦合非常重要。一般來說，研究者們將電離層與中性大氣行星波的耦合機制，歸功於風場波動對E層電動力學過程的調製，或者行星波的直接垂直傳播。這要求行星波在E層具有很強的風場波動，或者具有很長的垂直波長，而超快速開爾文波恰恰具有這些因素。

圖1 2011年1月15日至27日IGS電子密度總含量在磁緯20°S的頻譜圖

通過對2004年8月份的電離層虛高數據進行分析，Takahashi et al. 發現電離層的虛高數據表現出了一個周期為3.5天左右的波動信號，而這個信號恰好與中間層頂中性風表現出的超快速開爾文波信號相吻合。因此，他們認為中間層頂的超快速開爾文波調製了日落時分的粒子垂直漂移，進而對F層電離層進行了調製。

在2011年1月份電子總含量數據裡面也發現了超快速開爾文波的信號，並且發現電子密度波動的峰值出現在赤道異常的峰值區域（磁緯±15°），而在赤道地區處於極小值，如圖1所示。同時，Millstone Hill(42.6°N，71.5°W)觀測站的非相干散射雷達發現，同一時期300 - 400千米高度之間的電子密度也表現出了相似的波動信號。因而他們認為，超快速開爾文波的風場波動調製了電離層的噴泉效應。TIME-GCM的數值模擬表明，超快速開爾文波在350千米高度處能夠引起10%的中性密度波動，並且中性密度的波動強度受電動力學的影響較小，但電子濃度的擾動（20 - 50%）主要來自於電動力學的調製過程。