一种全球临近空间大气密度建模方法及应用

基于TIMED/SABER卫星2002—2018年观测的20~100 km大气密度数据，统计获得多年月平均值和标准偏差的全球网格数据。利用网格数据，分析了大气密度的变化特征。以网格数据为基准，计算了USSA76的相对偏差，分析了USSA76相对偏差的分布特征。以网格数据为驱动，将大气密度表征为平均值与大尺度扰动量和小尺度扰动量的加和，大尺度扰动和小尺度扰动分别采用余弦函数和一阶自回归模型表征，初步建立了全球临近空间大气密度模型。通过对比模型仿真值与激光雷达观测值，表明模型仿真值与观测值具有较好的吻合度，验证了建模方法的可行性。利用蒙特卡罗方法可再现给定轨迹上所有可能的大气状态。      

Aura/MLS与TIMED/SABER观测全球重力波特性

大气重力波是临近空间环境主要大气波动之一,对全球环流具有重要影响。卫星上搭载的临边探测器能够探测临近空间大气温度,可用于临近空间大气重力波研究。利用2012－2014年Aura的微波临边探测器（MLS）和TIMED的红外临边探测器（SABER）的探测数据,对20~50 km高度的大气重力波扰动分布特征开展了分析研究,两种观测重力波活动基本一致,重力波随季节、纬度及高度的变化显著。冬季半球高纬度重力波扰动较强,赤道和夏季半球近赤道地区上空也存在明显重力波活动区域,夏季半球高纬度重力波扰动最弱。重力波扰动强度随高度增加。TIMED/SABER重力波扰动强度数值比 Aura/MLS略强。      

一种区域参考大气密度的建模与应用方法

为满足空天试验研究中对参考大气模型的实际需求,即模型应具有跨时空的全球尺度覆盖性以及在起降关键航迹点的高精度性,提出了一种区域参考大气密度的建模与应用方法。首先对实测数据的冬夏季典型月份的大气密度特性,具体包括月均值与密度扰动进行统计分析,在此基础上提出了基于探空试验实测数据的全球参考大气模型（GRAM）的定量修正方法,从而构建起了包含有大气扰动与季节变化的区域参考大气密度模型。最后提出了区域参考大气密度模型向GRAM的过渡方法与实际应用方法。研究表明,探测地区的大气密度特性具有明显的冬夏季节性差异,需要根据季节构建相应的大气密度模型。区域参考大气模型的蒙特卡罗仿真可以有效模拟实测数据的大气密度特性。通过与GRAM过渡结合,参考大气模型既具有全球覆盖性,又具有很高的局部精度。      

550～600 km高度上热层大气密度的中长期变化

选用了2005年8月20日至2006年7月28日高度550～600 km附近的热层大气密度探测数据,对表征太阳活动的F10.7值和表征地磁活动强度的Ap指数进行了相关特性的统计.分析结果表明,在无明显地磁扰动时热层大气密度日平均值的涨落呈现27日和准半年的周期性变化,但在地磁扰动期间这种变化的周期性会被削弱,且大气密度的周日变化幅度与F10.7值呈正相关关系.      

磁鞘等离子体密度统计建模

利用理想磁流体LFM模型的模拟数据,基于非参数统计方法对2004年11月14日03:00UT-07:00UT磁暴恢复相期间磁鞘等离子体平均密度进行建模.分析磁鞘等离子体平均密度与上游太阳风参数、行星际磁场参数及地磁扰动参数的统计关系,建立基于数据降维的经验模型.结果表明,电离层扰动强度因子、太阳风-磁层耦合强度因子和日地空间因果链耦合强度因子是影响磁鞘等离子体平均密度的三个主要方面.磁暴恢复相期间电离层上行离子是磁层环电流和磁尾等离子体的重要离子来源.建模分析过程表明,利用经验模型对空间物理过程开展建模,数据的严重多重共线性通常会导致模型的精度较差.而利用SIR和LPR建立的磁鞘等离子体平均密度随相关参数变化的经验模型可以有效解决该问题,具有较好的预测精度,统计特征显著.      

临近空间风切变特性及其对飞行器的影响

基于MERRA再分析资料的风场数据,根据数理统计理论,对酒泉（39.1°N,98.5°E）上空临近空间的20~78 km的大气风场进行了风切变特征分析,并分析了临近空间风切变对飞行器的影响。研究表明,临近空间最多风向在1月和10月为西风,7月为东风,4月在50 km以下为西风,以上为东风;99%概率最大风速在1月最大;最大风引起的风切变存在一定的高度范围。根据最大风和最小风给出了综合矢量风。此外发现临近空间风切变对飞行器产生的风攻角显著,对马赫数为3、5和8的飞行器产生风攻角在69 km最大,分别为8.5°、5.1°和3.2°。      

太阳活动突发过程对临近空间大气影响的模拟

空间天气对地球及近地空间具有重要影响,大的空间天气事件对中上层大气动力学和成分具有不同的影响。利用全大气耦合模式WACCM,针对太阳耀斑、太阳质子、地磁暴三类事件,以太阳活动平静期2015年5月10-14日的GEOS-5数据为模式背景场,通过F_10.7、离子产生率、Kp及Ap指数设置,分别模拟三类事件对临近空间大气温度、密度和臭氧的影响。结果表明耀斑事件在三类事件中对临近空间大气温度和密度的影响最为显著。平流层大气温度增加是由耀斑辐射增强引起平流层臭氧吸收紫外辐射发生的光化学反应所致,耀斑事件引起平流层和低热层温度增加约为2～3 K,低热层大气相对密度增加在6%以内;太阳质子事件及磁暴事件主要影响低热层,但太阳质子事件和磁暴事件对低热层温度扰动不大于1 K。     

西藏阿里地区的晴天大气电场特征

晴天大气电场是一个区域大气电场变化的基准场,是大气电场特性的研究基础。对于具有不同地质条件、地理环境和地形特点的区域,晴天大气电场特征具有明显区别。利用在西藏阿里地震台（80.12°E,32.51°N）安装的一台场磨式大气电场仪于2021年10月10日至2021年11月10日观测到的数据,通过对大气电场数据建模与分析,结合气象条件,得到西藏阿里地区23天晴天条件下的平均卡耐基曲线。经过平滑处理去除仪器噪声的波动,得到西藏阿里地区的晴天条件下的标准卡耐基曲线,进而与北京市昌平区十三陵观测台站（116.23°E,40.25°N）同期的晴天大气电场特征进行对比,并对其电场特性差异和原因进行了讨论。研究结果对分析高原地区晴天大气电场特征具有重要的参考价值和科学意义。      

Ionospheric disturbances at low and mid-low latitudes of the South American sector during the March 2015 great storm

This paper analyzes the response of the near equatorial and low latitude ionosphere of the South American sector to the geomagnetic storm occurred on 17 March 2015. Ionosonde data from Ramey (18.5° N, 292.9° E), Jicamarca (12.0° S, 283.2° E), Boa Vista (2.8° N, 299.3° E), Sao Luis (2.6° S, 315.8° E), Fortaleza (3.9° S, 321.6° E) and Cachoeira Paulista (22.7° S, 315.0° E) are used for the study. The results show negative disturbances in foF2 at low latitudes during the main phase of the storm, which were attributed to prompt penetration electric fields. Thus, the Equatorial Anomaly (EA) started to reduce their structure in this sector since on 17 March. During the recovery phase (on 18 March), positive disturbances were observed at low, mid-low latitudes (in the post-midnight – predawn hours), which can be mainly attributed to enhanced storm-time neutral winds and composition changes (i.e., increase in the O/N2 ratio). Disturbance dynamo electric fields would also contribute in modulating the electron density of the EA during this storm period.     

北极69°N和78°N空间碎片凝视探测的对比分析

利用北极69°N和78°N两套非相干散射雷达的首次空间碎片联合观测数据进行空间碎片参数（距离、速度、散射截面积、等效直径等）的对比分析,得出以下结论:两部雷达探测的碎片高度均主要分布在500～1100km和1400～1600km区间,但78°N雷达探测的碎片数量较多;空间碎片的径向速度均在-1.5～1.5km…-1区间,其中大部分为负值,说明在此次探测试验中碎片运动方向主要以远离雷达或地球为主;ESR雷达探测的空间碎片射截面积约为10-5～10-2m2,等效直径主要分布在4～10cm,而UHF雷达探测的空间碎片散射截面积约为10-6～10-2m2,等效直径主要分布在2～6cm,说明在同一高度上69°N雷达探测能力更强;经合理设置判据参数后得出重复检测次数,78°N雷达和69°N雷达分别有32次和14次重复检测,两部雷达共有4次重复检测.这些结果为空间碎片检测和建模提供了参考.      

Responses of the upper middle atmosphere (60–110 km), to the first two stratwarms of map (1982/3, 1983/4)

The global developments of the stratospheric events (～20–50 km) are briefly described using balloon and satellite data. Winds data from L.F. drift (52°N, 15°E, Europe) for heights of 90–100 km, and from M.F. radar (52°N, 107°W, Canada) for heights of 60–110 km are then compared with the stratospheric morphology.Data for 1982/3 and 1983/4 show that the planetary wave activity and warmings produced strong westward and southward perturbations in the radar winds. Satellite data from 0.1, 0.01 hPa are consistent with these winds; and also show smaller scale structures in the mesosphere than the stratosphere. The semi-diurnal tide responded strongly to the atmospheric disturbances in Europe and Canada: for the latter vertical wavelength changes occurred for heights of 70–100 km. However the correlation between these tidal fluctuations was not high indicating that the tidal adjustments were continental rather than hemispheric.     

SOME RESULTS OF UPPER ATMOSPHERIC COMPOSITION MEASUREMENTS BY A MASS-SPECTROMETER ON BOARD "SZ-2":CHANGE OF COMPOSITIONS DURING SOLAR AND GEOMAGNETIC DISTURBANCES

Upper atmosphere composition data were obtained for the last half year with a quadruple mass spectrometer on board spacecraft "SZ-2" launched on 10 Jan uary 2001. Based on the analysis of these data, the variations of atmospheric compositions in solar and geomagnetic quiet conditions are reported first, then a detailed discussion on the atmospheric composition variations under the so lar and geomagnetic disturbed conditions is given. The results show that near the altitude of 400 km the variations of main atmospheric compositions corre sponding to solar disturbances are more remarkable in the sunlit area than in the shade area. On the contrary, in geomagnetic disturbance events the corre sponding variations are more obvious in the shade area, an evident increase of N2 density at relatively higher latitudes was observed.     

瑞利激光雷达反演中层大气温度算法

瑞利激光雷达是探测中层大气温度的重要设备,具有高时空分辨率且不存在探测盲区的优点.为充分利用激光雷达探测到的原始数据,改进了传统的Chanin-Haunchecorne方法,采用由均匀搜索生成温度初值的方式反演大气温度.位于北京延庆（40.3°N,116.2°E）的瑞利激光雷达具有589nm和532nm两个通道,将589nm通道用于计算,532nm通道作为参考.在150~250K区间等间隔选取多个温度初值,利用589nm通道反演60~70km高度范围内的大气温度廓线和大气密度廓线,利用参考密度廓线选取准确的温度初值,反演得到准确的大气温度廓线.将589nm通道和532nm通道反演的温度廓线相比较,发现二者具有较高的一致性.改进后的方法有效利用了信噪比较差的光信号,使589nm通道的温度探测上限从60km提高到70km.      

Global MGS TES data and Mars-GRAM validation

Mars Global Reference Atmospheric Model (Mars-GRAM 2001) is an engineering-level Mars atmosphere model widely used for many Mars mission applications. From 0 to 80 km, it is based on NASA Ames Mars General Circulation Model (MGCM), while above 80 km it is based on University of Michigan Mars Thermospheric General Circulation Model. Mars-GRAM 2001 and MGCM use surface topography from Mars Global Surveyor Mars Orbiter Laser Altimeter (MOLA). Validation studies are described comparing Mars-GRAM with a global summary data set of Mars Global Surveyor Thermal Emission Spectrometer (TES) data. TES averages and standard deviations were assembled from binned TES data which covered surface to ∼40 km, over more than a full Mars year (February 1999–June 2001, just before start of a Mars global dust storm). TES data were binned in 10° × 10° latitude–longitude bins (36 longitude bins, centered at 5°–355°, by 18 latitude bins, centered at −85° to +85°), and 12 seasonal bins (based on 30° increments of L_s angle). Bin averages and standard deviations were assembled at 23 data levels (temperature at 21 pressure levels, plus surface temperature and surface pressure). Two time-of-day bins were used: local time near 2 or 14 h. Two dust optical depth bins were used: infrared optical depth, either less than or greater than 0.25 (which corresponds to visible optical depth less than or greater than about 0.5). For interests in aerocapture and precision entry and landing, comparisons focused on atmospheric density. TES densities versus height were computed from TES temperature versus pressure, using assumptions of perfect gas law and hydrostatics. Mars-GRAM validation studies used density ratio (TES/Mars-GRAM) evaluated at data bin center points in space and time. Observed average TES/Mars-GRAM density ratios were generally 1 ± 0.05, except at high altitudes (15–30 km, depending on season) and high latitudes (>45°N), or at most altitudes in the southern hemisphere at L_s ∼ 90° and 180°. Compared to TES averages for a given latitude and season, TES data had average density standard deviation about the mean of ∼2.5% for all data, or ∼1–4%, depending on time of day and dust optical depth. Average standard deviation of TES/Mars-GRAM density ratio was 8.9% for local time 2 h and 7.1% for local time 14 h. Thus standard deviation of observed TES/Mars-GRAM density ratio, evaluated at matching positions and times, is about three times the standard deviation of TES data about the TES mean value at a given position and season.     

磁暴期间中国中低纬电离层不规则体与扰动分析

2017年9月8日发生了一次强磁暴，Kp指数最大值达到8.利用区域电离层格网模型（Regional Ionosphere Map，RIM）和区域ROTI（Rate of TEC Index）地图，分析了磁暴期间中国及其周边地区电离层TEC扰动特征和低纬地区电离层不规则体的产生与发展情况，同时利用不同纬度IGS（International GNSS Service）测站BJFS（39.6°N，115.9°E），JFNG（30.5°N，114.5°E）和HKWS（22.4°N，114.3°E）的GPS双频观测值，获取各测站的ROTI和DROT（Standard Deviation of Differential ROT）指数变化趋势.结果表明:此次磁暴发生期间电离层扰动先以正相扰动为主，主要发生在中低纬区域，dTEC（differential TEC）最大值达到14.9TECU，随后电离层正相扰动逐渐衰减，在低纬区域发生电离层负相扰动，dTEC最小值达到-7.2TECU；在12:30UT-13:30UT时段，中国南部低纬地区发生明显的电离层不规则体事件；相比BJFS和JFNG两个测站，位于低纬的HKWS测站的ROTI和DROT指数变化更为剧烈，这表明电离层不规则体结构存在纬度差异.      

利用聚类算法区分小尺度电离层行扰事件与赤道等离子体泡事件

利用Swarm卫星2015年1月1日至2019年12月31日的50Hz高频磁场数据，根据阈值判断垂直于主磁场方向的扰动，对磁纬45°N-45°S之间的小尺度电离层行扰事件进行探测.为避免混淆而产生的干扰，可以根据阈值判断平行于主磁场方向是否发生扰动，从而排除典型的赤道等离子体泡事件.但对于较弱的赤道等离子体泡事件，扰动阈值判断无效.为避免弱赤道等离子体泡事件的污染，根据小尺度电离层行扰事件和赤道等离子体泡事件在不同参数空间中的密度分布差异，利用基于密度的聚类算法将赤道等离子体泡事件进一步甄别提取.结果表明，聚类算法能够有效地将赤道等离子体泡事件从小尺度电离层行扰事件中甄选出来，并使小尺度电离层行扰事件聚类与赤道等离子体泡事件聚类形成清晰的边界.由聚类算法导出的弱赤道等离子体泡事件主要分布在磁纬15°N-15°S，地理经度20°-60°W，月份10至3月之间，并且在20:00MLT-24:00MLT存在高发生率，同时依赖于太阳活动，这也验证了前人的相关研究结果.