武汉上空背景Na层长期变化和夜间变化特征的激光雷达观测研究

通过分析武汉大学激光雷达在2001年4月到2004年12月的观测数据,研究武汉(30.5°N,1144°E)上空背景Na层的长期(时间尺度大于1年)变化和夜间变化特征,并讨论了这种变化特征可能的产生原因.Na层长期变化的观测研究表明,背景Na层柱密度最大值出现在11月,大约是5月份最小值(1.6×109 cm-2)的2倍;质心高度最大出现在8月,比年平均高度91.5km高14km,最小值出现在5月,为91.2km;rms宽度平均值为4.5 km,最大值和最小值分别出现在12月和3月;月平均Na层质心高度和均方根宽度都具有准半年周期的变化,但两者变化的相位相反.除了长期变化外,背景Na层还呈现出明显的夜间变化特征:除凌晨短暂的时间外,Na层柱密度随夜间时间增加,于0530 LT达到最大值(2.9×109 cm-2);峰值对应的高度随时间下降;质心高度随时间缓慢增加但在凌晨迅速下降基本恢复到入夜时的高度;整夜背景Na层平均柱密度、峰值对应的高度、质心高度和rmS宽度起伏值分别为1.1×109cm-2,3 km,0.3 km和0.8 km.      

武汉上空Na层季节和夜间变化的观测研究

根据武汉大学激光雷达2001年3月到2002年10月的观测数据,对武汉上空(30.5°N,114.4°E)的背景Na层结构进行了研究,并与其他观测站尤其是Urbana(40°N,88°W)的观测结果进行了比较。发现武汉上空11月的Na层柱密度最大,是4月的2.5倍,质心高度的极小值出现在5月和11月,极大值在4月、9月和12月;全年平均Na层均方根宽度为4.47km.Na层各参数呈现出周期性变化规律,其中Na层均方很宽度呈现出明显的半年周期性变化规律。夜间Na层柱密度呈现总体增加的趋势,质心高度在入夜后立即迅速上升,在2000LT以后上升速度趋缓,凌晨0500LT以后出现下降;Na层均方根宽度在夜间约有1.3km的起伏变化,它入夜后迅速减小,在午夜0035LT时出现一低谷,然后随时间逐渐变宽。     

北京地区大气温度及重力波活动的季节变化

利用瑞利激光雷达观测数据,分析了北京地区35~70km高度范围内大气温度和重力波活动的季节变化.发现北京地区30~70km高度范围内的大气温度有明显的年周期变化:平流层顶最高温度出现在6,7月份,大约为270K;中间层70km高度最低温度也出现在6,7月份,大约为200K.以2014年10月14日晚数据为例,分析重力波势能密度,发现50km以下重力波势能存在耗散,而在50km以上重力波近乎无耗散地向上传播.通过对比35~50km高度范围内的平均势能密度,对北京地区重力波活动强弱的季节变化进行了研究.研究结果表明,北京上空重力波活动强度具有明显的年周期变化,冬季平均势能密度为18J·kg-1,夏季为8J·kg-1,且冬季重力波活动强度约为夏季的两倍.此外,还分析了春夏秋冬四个季节重力波势能密度随高度的变化.结果表明,不同季节和不同高度的重力波势能密度不同.      

利用掩星温度数据推算大气月平均纬向风场

为了弥补中高层大气风场探测数据的不足，对2007年COSMIC全球掩星在20～60km高度内的温度数据进行网格化插值，利用梯度风计算方法，计算得到20～60km高度内的月平均纬向风场，分别与ECMWF再分析数据和HWM07模式进行对比分析.结果表明，利用COSMIC温度数据计算得出的纬向风与ECMWF的纬向风十分接近，而与HWM07结果有一定差异，但总体变化趋势一致.与ECMWF再分析数据相比，利用COSMIC温度数据计算的月平均纬向风场平均偏差为-1.50～-0.08m·-1，标准差为1.50～11.95m·-1.与HWM07模式风场相比，利用COSMIC温度计算的月平均纬向风场平均偏差为-0.83～1.21m·-1，标准差为3.69～11.14m·-1.      

中层顶附近Fe和Na层变化的特征时间比较

采用特征分析方法计算中层大气Fe和Na层的化学特征时间,同时计算了它们被流星烟粒吸附和被垂直输运的特征时间.结果表明,(1)在Fe层数密度峰值高度附近,其EA化学特征时间为数日,远大于传统定义的数分钟;(2)比较Fe的输运特征时间(w=1 m/s)和化学特征时间,得出在84 km以下化学过程占优势,而在84km以上,垂直输运过程占主导地位,与Na层结果相同;(3)通过将各自化学特征时间与垂直输运和流星烟粒吸附的特征时间比较,以及考察流星金属注入率对Fe和Na原子分布的影响,发现最有可能使Fe和Na层下边沿截止高度重合的原因是流星烟粒的吸附效应.      

激光雷达观测的武汉上空对流边界层高度与夹卷层厚度

基于地基偏振激光雷达2011年1月至2017年12月对武汉中心城区的观测资料，研究了超大城市对流边界层高度与夹卷层厚度的变化特征.采用Fernald方法进行数据反演获得了1min时间分辨率、30m空间分辨率的后散比剖面，通过方差法确定了对流边界层高度和夹卷层厚度.结果表明，武汉上空对流边界层高度和夹卷层厚度具有明显的季节变化特征.对流边界层顶的均值最大处在春季为1.14km，夏季为1.25km，秋季为1.06km，冬季为0.74km；夹卷层厚度均值最大处在春季为0.40km，夏季为0.51km，秋季为0.34km，冬季为0.26km.这些特征与武汉地区地表温度的周年变化特征具有很强的相关性.      

北纬30°N中间层和低热层大气平均风中频雷达观测

利用武汉(30.5°N,114.4°W)中频雷达在2001年1月1日至3月18日、2002年2月5日至3月18日、2002年10月18日至12月31日期间,日本Yamagawa(31.2°N,130.6°W)中频雷达在1997年1月1日至10月17日期间的数据,分析北纬30°N地区上空60-98km高度的中间层、低热层大气平均风的变化规律,结果表明平均纬向风和经向风都具有明显的季节变化.平均纬向风在冬季基本为西风,随高度增加,西风减弱,甚至在上部会出现微弱的东风;夏季中间层表现为强烈的东风,低热层则为西风,风向转换高度在80km附近;春季和秋季为转换季节,在春季出现舌状东风结构.80km附近的平均经向风场在冬季以南风为主,在夏季则以北风为主.不同年份的平均风场存在年际变化性,但其气候变化特点非常相似.中频雷达观测结果与HWM93模式结果的气候变化特点符合很好,与其他纬度的平均纬向风气候变化特点基本类似.     

中国廊坊中间层和低热层大气平均风观测模拟

利用中国廊坊站（39.4°N,116.7°E）流星雷达在2012年4月1日至2013年3月31日的水平风场观测数据,分析廊坊上空80~100km的中间层与低热层（Mesosphere and Lower Thermosphere,MLT）大气平均纬向风和经向风的季节变化特征.结果表明平均纬向风和经向风都表现出明显的季节变化特征.平均纬向风在冬季MLT盛行西风,极大值位于中间层顶,随高度增加西风减弱;在夏季中间层为东风,低热层为强西风,风向转换高度约为82km.平均经向风在冬季以南风为主,在夏季盛行北风.纬向风和经向风在春秋两季主要表现为过渡阶段.流星雷达观测结果与WACCM4模式和HWM93模式模拟的气候变化特点基本一致,但WACCM4模式纬向风和经向风风速偏大,而HWM93模式纬向风和经向风风速偏小.      

卫星观测台风重力波数值模拟与直接对比验证

以ECMWF的T799资料作为WRF-ARW（V3.5）初始场,对卫星高光谱红外大气垂直探测器AIRS观测的2013年超强台风苏力激发平流层重力波过程进行数值模拟,并利用卫星观测对数值模拟结果进行了直接对比验证.数值模拟表明,该台风诱发的重力波在20~40km高度逆着东风背景流向东向上传播,在水平方向呈半圆弧状;大气的垂直扰动随着高度的增加而增强,在40km高度上达到0.5m·s-1.基于三维傅里叶变换的波谱分析表明,平流层重力波水平波长中心值在500km附近,周期为3~5h,垂直波长主要为10~26km.分析表明,在18~40km高度的净纬向动量通量为6.7×10-4~1.89×10-3Pa,背景流强迫计算值为-0.23~1.21m·s-1·d-1,且在18km和40km高度的数值较大.最后,基于辐射传输模式计算的直接对比表明,卫星观测与数值模拟同时揭示了激发的平流层波动可传至40km以上高度及距台风中心2000km以外的区域,且不同资料得到的波动形态、方位以及水平尺度具有较好的一致性.      

艇载声波测量临近空间风场可行性分析

提出一种临近空间艇载原位测量大气风场的新方法,该方法利用声波传播时延差测量临近空间大气风场.介绍了该方法的原理,分析了测风误差来源和测风精度.通过分析声波在临近空间高度的衰减,对信号载波频率和传播距离进行了选择,并对不同信噪比条件下声波时延估计精度进行了仿真分析.结果表明:在临近空间20~50km高度,传播距离为2~5m,距离测量精度为1mm,平台测速精度为0.1m·s-1,信噪比优于-2dB条件下,时延估计精度优于1μs,利用该方法测风精度能达到0.2m·s-1的较高水平.      

利用曙暮气辉光度观测研究钠层

通过对钠原子曙暮气辉的18次观测确定了北京北郊上空不同季节钠原子气柱总含量和钠层重心高度等结构参数。结果表明:春夏季钠层重心位置高,秋冬季位置低.冬季观测的平均钠层重心高度为85.67公里;钠原子气柱总含量冬季明显高于其它季节,1月和12月的含量约为6月的7.5倍;冬季钠层也相对地厚.钠层重心高度及总含量的季节变化不仅受D层顶中性和离子化学的制约,而且受到垂直风及子午向或纬向环流的很大影响.     

北京上空下三角钾层的激光雷达观测与研究

利用2010年11月至2011年10月和2013年5月至2014年4月两年的观测数据发现一种特殊的钾层,称其为下三角钾层.下三角钾层的峰值密度随时间逐渐增加,峰值密度所在高度不断降低,钾原子浓度随高度的升高先迅速增加,然后又缓慢减少.当下三角钾层出现时,90km以下的柱密度显著增加,而90km以上的柱密度变化不大,导致钾层总的柱密度明显增加.一月是下三角钾层出现时长最多且出现率最高的月份,这可能与大气半日潮汐的季节变化有关.下三角钾层的频繁出现使钾层一月份的柱密度和峰值密度分别增加15.7%和12.9%,而质心高度却降低0.18km.将下三角钾层与同时同地观测的钠层进行比较,结果显示当钾原子浓度增加时,钠原子浓度却变化不大.假设不存在特殊的源注入,结合钾层模型与钠层模型中的化学反应及其相应的化学反应速率,可以推测下三角钾层中增加的钾原子主要来自KO₂,部分来自KOH.      

太赫兹大气临边探测仪遥感中高层大气风仿真

太赫兹大气临边探测仪（TALIS）是中国正在预研的第一台THz频段的临边探测仪,主要用于高精度、高分辨率的大气遥感测量.TALIS的观测目标主要包括大气温度、大气压强、大气成分（例如H₂O,O₃,HCl,ClO,N₂O,HNO₃等）的垂直分布以及长期变化趋势.由于TALIS的频段覆盖了许多重要的吸收谱线,其观测数据中包含大气风的多普勒信息,因此可以用于反演中高层风的廓线.本文针对TALIS视线多普勒风的观测进行仿真,利用辐射传输模型（ARTS）评估了TALIS测风的潜力和相应的反演精度.结果表明,TALIS的118GHz谱仪具有较好的测量精度,在70km处的精度为12m·s-1.183GHz,633GHz和658GHz谱仪也有一定的测量信息,反演精度分别为19m·s-1（60km）,19m·s-1（50km）,16m·s-1（50km）.TALIS有一个候选的测风谱仪位于655GHz频段,其在55km处的反演精度为11m·s-1.此外,虽然降低谱分辨率能有效提高系统灵敏度,但并不能提高反演精度,需要通过降低系统噪声来提高测风的精度.      

瑞利激光雷达探测北京上空中间层低逆温层

利用延庆瑞利激光雷达（40.47°N,115.97°E）2012年1-2月及2012年5月至2013年4月的探测数据,分析得到北京上空60～80km高度140个晚间的温度廓线,对这一区域内的低中间层逆温层现象（Lower Mesospheric Inversion Layer,Lower MIL）进行了统计分析,发现平均逆温幅度为23.4K,平均垂直尺度为4.78km,逆温层底部平均高度为68.2km.约有2/3的逆温层存在随时间垂直传播现象,且大多为向下传播.此外,还观测到三个垂直传播速度相差近一倍的特殊双低层MIL演化现象.      

基于MST雷达数据的中纬对流层和低平流层大气行星波研究

通过分析中国河北香河站MST (Mesosphere-Stratosphere-Troposphere)雷达 2012-2014年的水平风场数据, 研究了北半球中纬地区对流层和低平流层 (Troposphere and Lower Stratosphere, TLS)区域大气行星波的特性. 谱分 析发现, 在这一区域准16天波和准10天波占据主导地位, 准16天波更为显著. 在 对流层区域, 行星波具有丰富的频谱成分, 活动具有间断性, 持续时间一般不 超过三个月, 并没有明显的季节性变化特征, 其中纬向分量的振幅大于经向分量. 在 平流层区域(高度17km以上), 行星波一般出现在冬季, 并且主要在纬向分量中. 通常平流层区域的振幅要小于对流层区域. 结合MERRA再分析资料分 析了强行星波传播特性, 结果表明: 2014年2-3月纬向分量中的准16天波垂 直向上传播, 垂直波长约为64km, 纬圈波数约为2, 纬向传播方向自西向东, 水平波长约为15324.7km, 对应的相速度为11.1m·s-1 (向东为正); 2014年5月纬向分量中的准10天波在10~18km高度范围内向下传播, 垂直波长约为50km, 纬圈波数约为1, 传播方向自西向东, 水平波长约为 30649.4km, 对应相速为35.5m·s-1.      

北京地区重力波活动及其波谱的季节分布特性研究

利用激光雷达对北京地区上空Na层进行持续观测,通过连续三年累积的夜间观测数据对北京地区重力波活动及其波谱进行研究.根据重力波的线性理论计算,得到北京地区上空的大气密度扰动规律、空间功率谱和时间频率谱.通过选择重力波波长在1~8 km,具有特定波长以及特定周期为60,45,25 min的重力波活动辅助研究重力波的季节变化规律,结果表明北京地区重力波大气密度扰动具有夏季大、冬季小的活动规律.结合波源与背景风场的季节性变化规律,分析得出北京上空重力波活动季节性变化的主要原因为青藏高原地形和对流因素与我国北方地区季节性背景风场共同作用的结果.     

基于树模型机器学习方法的GNSS-R海面风速反演

GNSS-R是基于GNSS卫星反射信号的一种新技术.GNSS-R技术可以运用到海面风场反演中，传统的GNSS-R技术反演海面风场主要有波形匹配和经验函数两种方法，风速反演精度约为2m·s-1.波形匹配方法耗时多，计算量大；经验函数方法通常只使用少量物理观测量，会造成信息浪费，损失一定的反演精度.为了提高海面风速的反演精度，引入机器学习领域常用的树模型算法决策树、随机森林、GBDT等对海面风速进行预测.利用GNSS-R与ECMWF数据构成训练集和验证集，训练集用于模型学习，验证集用于检验模型的反演效果.实验结果显示，决策树和随机森林预测误差约为0.6m·s-1，GBDT等算法的预测误差约为2m·s-1，满足风速反演要求.与GNSS-R传统反演方法相比，机器学习树模型算法效果更好，在验证集上表现稳定且误差较小.因此，可以将机器学习树模型算法运用到海面风速反演中.      

中国中部低层大气行星波无线电探空仪的观测研究

通过分析武汉、宜昌和恩施气象局无线电探空仪2001-2003年的观测数据,研究了中国中部地区对流层和低平流层中行星波的特性.通过Lomb-Scargle(L-S)的周期图方法发现了周期为准16天和周期为准10天的谱分量占据着主导地位.观察发现,较大振幅的行星波振荡主要集中在5-15 km之间.准16天行星波沿纬圈向西传播,对应的纬圈波数大约为2,水平波长约为17 324.8 km,传播相速度约为-12.5 m·s-1(东向为正),通过计算准16天行星波在10 km以下相位随高度的改变可以得到其垂直波长大约为25-30 km,而在对波层顶附近其相位几乎没有发生改变,呈现出静态波特性.准10天行星波沿纬圈向东传播,对应的纬圈波数大约为4,水平波长约为8627.3 km,传播相速度约为10.0 m·s-1,垂直波长约为22-40 km.      

武汉上空惯性重力波活动

利用武汉中心气象台(30.5°N,114.4°E)无线电探空仪在2001年1月到2003年12月之间的观测数据,研究了武汉上空1-9km和14-25km高度范围内惯性重力波参数的变化特征.数据分析结果表明,重力波活动存在明显的季节变化,冬季较频繁,夏季活动较弱,与急流强度的季节变化一致,这意味着重力波的激发与背景风密切相关.矢端曲线分析显示1-9km范围内能量向上传播和向下传播的波的比例大致相同,而14-25km范围内绝大部分波能量向上传播,这与最大急流强度的高度相对应;进一步分析表明,夏天14-25km范围内波几乎全向上传播,而冬天则有相当一部分波向下传播,这可能是反射引起的.重力波的本征频率集中在1-3倍的惯性频率之间,水平波长约数百公里;1-9 km范围内垂直波长集中在3-3.5 km,14-25 km高度内则集中在4.5-5.5 km.      

中高层大气风场对地磁活动的响应特征

统计研究漠河、北京、武汉流星雷达观测到的2012-2018年80～100 km高度的风场数据，比较在地磁平静期(Kp≤2)和地磁扰动期(Kp≥4)的日平均风场数据，得到在地磁活动期风场的变化特征。研究结果表明，在地磁扰动时风场变化具有季节差异和纬度差异。地磁扰动期间，纬向风在较高纬度地区倾向于中间层西风增强，低热层东风增强，纬度较低地区倾向于东风增强。春季，地磁活动对纬向风的影响没有纬度差异，在夏冬季随着纬度的降低中间层东风增强明显。地磁活动对经向风的影响具有季节差异，对春冬季节的影响强于夏秋季节。研究表明，地磁活动对纬向风的影响可达9 m·s^–1左右，对经向风的影响可达5 m·s^–1左右。地磁活动对中性大气风场的影响可达80 km。