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中高层大气是地球气候系统的重要组成部分。中高层大气中的物质、能量分布特征及其交换过程与气候变化的关系非常密切。中高层大气物质、能量特征的研究对于深入认识地球气候系统、应对气候变化科学意义重大。本文从较为直观的角度研究中高层大气的物质能量特征,主要讨论了极区平流层二氧化碳（CO2）时空分布特征（中高层大气的物质）,极区温度与冰水含量10天波的振幅与相位特征（物质、能量相互作用）,以及中层孔（Mesospheric bores）的全球分布特征（中高层大气能量特征）。大气中CO2的来源单一、化学性质稳定,因而CO2在大气中的分布只涉及大气动力过程,研究CO2的分布特征对深入理解大气环流动力作用有重要的科学意义;行星波活动对大气中的物质能量动力耦合以及输运过程有重要的影响;中层孔是20世纪90年代在中间层80-90km高度上发现的一种特殊大气波动,由于中层孔肉眼可见,对它的研究有助于加深对中高层大气能量耦合与传输的理解。基于AIM（Aeronomy of Ice in the Mesosphere）卫星搭载的SOFIE（Solar Occultation For Ice Experiment）探测器观测结果,反演得到极区平流层30-60 km高度上的CO2浓度混合比数据,使用SD-WACCM（Specified Dynamics-Whole Atmosphere Community Climate Model）模式模拟数据和SABER（Sounding of the Atmosphere Using Broadband Emission Radiometry）卫星观测数据验证反演数据的准确性,SOFIE和SD-WACCM的偏差小于SOFIE CO2的系统不确定性。分析SOFIE CO2在极地平流层的长期变化趋势,发现在2007-2015年间CO2的增长率为～2 ppmv·year-1。讨论SOFIE CO2在南北半球极地平流层的季节分布特征,发现CO2浓度在极地平流层有明显的季节变化,冬半年低、夏半年高,这种季节差异与大气长期环流有关。但是,在北半球冬季,CO2浓度在～45km高度上有异常高值区,进一步研究表明冬季平流层爆发性增温（SSW,Stratospheric Sudden Warming）是造成此类异常的主要原因。最后,利用SD-WACCM的风场模拟数据探讨SSW影响北半球极地平流层CO2浓度变化的动力学过程:在未发生SSW时,极涡稳定,极涡中绕极环流能够有效地阻挡极涡内外气团的交换,受大气长期环流的影响,极涡中CO2浓度较低;SSW发生后,极涡破碎,剩余环流中向极向下的运动显著增强,来自中纬度CO2浓度较高的气团迅速与极涡内部气团产生交换,造成北半球高纬平流层CO2浓度增加。在高纬地区,周期为10天的大气波动相对显著。AIM卫星搭载的SOFIE探测器可以同时观测到高纬中间层～90 km高度上的温度和冰水含量。使用源于同一仪器的温度和冰水含量数据分析大气10天波的特征,可以有效地排除系统以及部分观测误差。研究表明,极区准静止10天波和瞬态10天波的振幅在冬季要明显高于其他季节,瞬态10天波的振幅会随着波数的增加而减小。在时间高度剖面上,随着海拔高度的升高,10天波的强振幅区从2个月逐渐扩展到6个月乃至更长,但10天波的平均振幅会变小;强振幅区的位置与西风风速的高值区比较吻合,冬季极区极夜急流的正压/斜压不稳定是造成这种现象的原因。温度10天波振幅和冰水含量10天波振幅之间的关系比较复杂:在北半球,以夏至日为中心的前后共11天,以及夏至日后的第30到60天,二者基本呈负相关关系,对于其他时段,二者呈现1-2天的相位差;在南半球,夏至日前的第30到15天,以及夏至日后的第12到27天,二者具有较好的负相关关系。Suomi-NPP（Suomi National Polar-Orbiting Partnership）卫星搭载的VIIRS（Visible Infrared Imaging Radiometer Suite）探测器DNB（Day Night Band）波段可以对全球范围内的中层孔事件进行观测。根据DNB波段的观测,研究发现了两种特殊的中层孔事件:宽度极大的事件和拖尾层数极多的事件。宽度最大的一个中层孔,发生在阿拉伯海地区（1-11°N,50-75°E）,它的宽度超过3000 km。拖尾层数最多的一个中层孔拥有超过15层的波尾,整个拖尾的长度延续了近300 km。详细分析了2014年5月4日发生的一个中层孔事件,这次事件同时被DNB波段和地基气辉成像仪观测到。通过比对两种来源的中层孔观测数据,证明了DNB对中层孔观测的有效性。统计了2013-2017年间DNB波段观测到的中层孔事件,研究表明:中层孔在每年的3-5月发生频率最高,与中间层的每日潮汐发生频率最高的月份一致;80%中层孔事件的宽度在300-1200 km之间;低纬地区中层孔主要发生在3-4月,并且低纬地区中层孔事件的发生频率高于中纬地区。