基于钠激光雷达观测数据的中间层顶大气温度分布特性研究

作为中间层和热层的边界层,中间层顶存在多种能量交换方式,是大气能量耦合的重要区域。本文利用部署于中国科学院廊坊临近空间大气探测站的钠荧光多普勒激光雷达2013年的观测数据,研究了廊坊上空中间层顶区域大气温度的年度和季节分布特性,并分析了影响温度分布的多种因素。年平均温度廓线图显示,中间层顶位于约97.5 km高度处,温度约191.2 K。受放热化学反应的影响,年平均温度廓线91 km高度处出现了一个198 K的相对温度高点。中间层顶区域大气温度的季节分布受太阳辐射和大气动力学因素综合影响,夏季在大气动力学影响下,中间层顶高度较低,位于88 km高度处,温度也较低,约177 K;冬季太阳辐射起主导作用,中间层顶位于99 km高度处,温度为181 K。通过拟合月平均温度分析了中间层顶区域大气温度年变化和半年变化的振幅和相位特征。结果显示,中间层顶区域上部温度分布主要受太阳辐射的影响;在中间层顶区域下部,大气波动主导了温度分布。      

利用HRDI/UARS资料分析东亚区域中层大气纬向风气候特征

利用美国高层大气研究卫星(UARS)搭载的高分辨率多普勒测风仪(HRDI)获得的中层大气风场观测资料,对东亚区域中层大气纬向风的垂直分布与变化特征进行了分析研究.多年平均结果显示东亚区域中层大气纬向风具有显著的区域特征,与当前普遍使用的参考大气CIRA-86相比存在显著的不同.在冬季,东亚区域中间层西风急流中心位于25°-35°N之间的75 km高度,与CIRA-86相比,该中心纬度偏南5°,高度偏高10 km;在秋季,东亚区域低热层高度存在一个显著的从赤道到高纬度的东风带,而CIRA-86不存在.分析结果还表明,除了夏季中纬度地区,在东亚区域上空中高层大气各高度上均存在相当显著的区域尺度扰动结构.在热带,低热层高度纬向风无论冬夏,沿纬圈方向都表现出相当显著的不均匀性,夏季这种不均匀性进一步向下扩展到55 km高度.与上述热带扰动特征相比,中纬度地区夏季的纬向风在各个高度沿纬圈相当均匀,但是在冬季,中间层和低热层高度都存在沿纬圈方向显著的纬向风扰动结构.      

青岛上空中层大气密度和温度的激光雷达探测

介绍了中国电波传播研究所瑞利散射激光雷达系统的结构和性能, 阐述了激光雷达探测中层大气密度和温度的工作原理, 给出了青岛地区中层大气密度和温度的初步探测结果. 通过与卫星、探空气球和大气模式数据的结果对比, 验证了激光雷达探测大气温度的可靠性. 基于2008-2009两年的观测, 获得了青岛地区上空中层大气温度的季节变化和平均分布. 激光雷达观测结果表明, 青岛地区平流层温度比CIRA86模式结果高, 且二者偏差呈夏秋季小、冬春季大的特点, 中间层温度则正好相反.      

中国地区20──80km高空风的一些特征

利用Nimbus-7卫星1979-1981年的平流层和中间层大气温度探测数据(SAMS)和热成风原理,计算了高空风场,得到中国上空20──80km高度范围风场的一些特征。结果表明,用地转一热成风公式从卫星温度探测数据计算的高空风与当日中国气象火箭探测的高空风基本一致,说明利用卫星温度数据是获得中国20-80k高空风气候特征的一种有效的方法;从计算出的风场看,中国上空20──80km的纬向风与COSPAR国际参考大气CIRA-1986的纬圈平均纬向风有显着差别,文中还给出了经向风的分布和风场的变化情况。      

我国地区20—80km高空大气温度特征

利用Nimbus－7卫星1979－1981年的平流层和中间层大气温度探测（SAMS）数据，首次较全面地分析了我国上空20－80km高度大气温度的分布特征，并与COSPAR国际参考大气CIRA－1986进行了比较。结果指出，我国上空大气温度分布与COSPAR国际参考大气CIRA－1986的纬向平均温度分布存在一定差别，可供航空航天工作者参考。     

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.      

武汉上空对流层与平流层大气密度和温度探测的初步结果

利用武汉大学Rayleieh/钠荧光散射激光雷达和无线电探空仪进行联合探测的数据,反演出武汉地区上空(30.5°N,114.4°W)0—65km处的密度和温度分布曲线,并简单阐述了激光雷达的工作原理。将测量结果和MSISE-90参考大气模式比较,二者结果基本符合,温度廓线在中层顶附近和模式的差别约为3K。同时利用激光雷达探测到了中层大气中的重力波活动。     

利用COSMIC数据分析全球对流层顶温度和高度的变化特性

利用COSMIC卫星无线电掩星观测的温度数据分析了全球范围的对流层顶参量的变化特性.COSMIC多颗卫星连续观测的温度数据有很好的全球覆盖和很好的垂直分辨率,是分析全球范围对流层顶变化的重要探测数据.经过数据筛选,得到日平均温度的全年分布数据.采用大气温度递减率判据得到对流层顼温度和对流层顶高度的全球分布和变化.结果表明,全球范国内的对流层顶温度和对流层顶高度分布的基本结果与利用无线电探空资料和欧洲气象局再分析数据得到的结果基本一致;对流层项温度和对流层顶高度呈现明显的季节变化,赤道附近和中纬度地区的对流层顶高度变化与高纬地区的对流层顶高度变化出现反相:对流层顶温度和高度的变化呈现明显的南北半球不对称性.     

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.      

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.     

一种NRLMSISE-00模型太阳辐射校正方法

根据空间天气的状态,调整大气模型的相关输入参数能够减小模型的计算误差.通过对比CHAMP卫星在轨大气密度探测数据与NRLMSISE-00模式的计算结果发现,通过调整F_10.7的输入,使轨道大气密度积分的模式计算结果与探测结果之间的误差达到最小,此时的F_10.7被称为理想F_10.7输入（F*）.进一步的分析发现,F*与太阳紫外辐射MgII指数存在很好的相关性,因此可以选择其他的太阳紫外辐射代理参数取代F_10.7,从而减小模型计算误差.本文采用神经网络技术,建立新的太阳紫外辐射代理参量F_euv与MgII,F_10.7等的对应模型,能够根据当日参数值计算F_euv.研究结果表明,新的代理参数能够有效减小NRLMSISE-00的计算误差.      

Effect of severe geomagnetic storm conditions on atomic oxygen greenline dayglow emission in mesosphere

Severe geomagnetic storms and their effects on the 557.7 nm dayglow emission are studied in mesosphere. This study is primarily based on photochemical model with the necessary input obtained from a combination of experimental observations and empirical models. The model results are presented for a low latitude station Tirunelveli (8.7°N, 77.8°E). The volume emission rates are calculated using MSISE-90 and NRLMSISE-00 neutral atmospheric models. A comparison is made between the results obtained from these two models. A positive correlation amongst volume emission rate (VER), O, O₂ number densities and Dst index has been found. The present results indicate that the variation in emission rate is more for MSISE-90 than in NRLMSISE-00 model. The maximum depletion in the VER of greenline dayglow emission is found to be about 30% at 96 km during the main phase of the one of the geomagnetic storms investigated in the case of MSISE-90 (which is strongest with Dst index −216 nT). The O₂ density decreases about 22% at 96 km during the main phase of the same geomagnetic storm.The NRLSMSISE-00 model does not show any appreciable change in the number density of O during any of the two events. The present study also shows that the altitude of peak emission rate is unaffected by the geomagnetic storms. The effect of geomagnetic storm on the greenline nightglow emission has also been studied. It is found that almost no correlation can be established between the Dst index and variations in the volume emission rates using the NRLMSISE-00 neutral model atmosphere. However, a positive correlation is found in the case of MSISE-90 and the maximum depletion in the case of nightglow is about 40% for one of the storms. The present study shows that there are significant differences between the results obtained using MSISE-90 and NRLMSISE-00.     

NRLMSISE-00大气模型与GRACE和CHAMP卫星大气密度数据的对比分析

利用GRACE(Gravity Recovery And Climate Experiment)和CHAMP(Challenging Mini-Satellite Payload)卫星2002-2008年的大气密度数据与NRLMSISE-00大气模型密度结果进行比较,分析了模型密度误差及其特点.结果显示,NRLMSISE-00大气模型计算的密度值普遍偏大,其相对误差随经纬度变化,在高纬度相对较小;相对误差随地方时变化,在02:00LT和15:00LT左右较大,10:00LT和20:00LT左右较小.通过模型密度相对误差与太阳F_10.7指数的对比分析发现,在太阳活动低年模型相对误差最大,而在太阳活动高年相对误差较小;将模型结果分别与GRACEA/B双星和CHAMP卫星的密度数据进行比较,发现对于轨道高度更高的GRACE卫星轨道,模型相对误差更大;在地磁平静期,相对误差与地磁ap指数(当前3h)相关性不强,但是在大磁暴发生时,误差急剧增大.      

Intra-annual variations of the thermospheric density at 400 km altitude from 1996 to 2006

We investigate the intra-annual variations of globally averaged thermospheric density at 400 km altitude from 1996 to 2006 by using Artificial Neural Network Method (ANNM). The results indicate that thermospheric density is governed by solar activity, and the absolute error of our model is 13.67%, less than NRLMSISE-00 model. Fourier representation can catch the intra-annual variations more accurately than NRLMSISE-00 model and JB2008 model especially during 2002. We find that the Autumn maximum is slightly greater than Spring maximum during solar minimum, while the reverse is correct during solar maximum. There is a strong linear relation between solar activity and the amplitude of annual/semiannual variations, and the correlation coefficients are 0.9534 and 0.9424, respectively. Moreover, the amplitude ratio of the annual to semiannual variation is about 1.3 averaged, and changes in different years, but it has little relation with solar activity. Besides that, the amplitude of annual variation is larger than semiannual variation during 1996 and 2006 except 1998 and 2000. The relative error of NRLMSISE-00 model is 14.95%, decreasing to 12.49% after revising, and the correlation coefficients between this empirical model and its improved results and the observation are 0.8185 and 0.9210, respectively. Finally, we suggest the revised version of MSIS series of model should use the Fourier representation to express the intra-annual variations.     

A global view of tidal temperature perturbations above the mesopause: Preliminary model/observation intercomparison

Migrating and nonmigrating diurnal tides in the temperature data from the satellite borne, Cryogenic Infrared Spectrometers and Telescopes for the Atmosphere (CRISTA) experiment are compared to model predictions from the Thermosphere Ionosphere Mesosphere Electrodynamics General Circulation Model (TIME-GCM) and from the Global Scale Wave Model (GSWM). The comparative model/observation analysis is performed between 75–120 km altitude and at 7.5°N. The results suggest that interactions between quasi-stationary planetary waves and radiative and latent heat forced tidal components may play an important role in generating the thermal tidal structure above the mesopause though more extended model studies are necessary.     

基于SBV传感器的地球同步带目标监视系统星座设计

以天基可见光(Space-BasedVisible,SBV)传感器实现对整个地球同步带的监视为研究背景,对监视系统星座构型进行分析与设计.在分析三种观测模式优劣的基础上,给出了最优观测模式;导出了监视卫星轨道高度与搜索栅栏参数之间的关系,并以此确定了监视系统轨道高度的可选范围;通过分析影响天基可见光传感器观测时段和操作策略的因素,给出了SBV传感器的最优观测时段及成像时间的分配原则;在分析单星和双星监视系统方案覆盖率与重访次数的基础上,给出了监视系统卫星数目和搜索栅栏大小的选取原则以及满足回归性的双星监视系统轨道高度选取范围.研究结果表明,监视卫星经过天极附近时采用pinchpoints观测模式可有效提高对较大倾角地球同步轨道目标的覆盖能力,其轨道采用降交点在06:00LT或18:00LT时的太阳同步圆轨道,高度约在615～850km,且在此范围内有6条轨道满足星座回归性要求.      

超低轨道热层大气密度原位探测

超低轨道（VLEO）由于其轨道较低,在该轨道运行的航天器在对地观测、科学研究方面具有独特优势,但对该轨道的大气密度变化特性认知不足。在阐述国内外超低轨道大气密度原位探测发展历史及现状的基础上,总结了现有超低轨道大气密度原位探测技术,对中国超低轨道大气密度原位结果进行了初步分析和讨论。结果表明:在2020年10月空间环境平静期,250 km和350 km高度大气密度相差一个量级;升降轨期间,超低轨道大气密度每千米分别下降0.025×10-12 kg/m3和0.041×10-12 kg/m3,均小于模式值的0.5倍;北纬40°时,处于午夜的升轨段（约250 km）大气密度是处于正午的降轨段（约420 km）大气密度的11.2倍,高度的影响大于地方时的影响;不同纬度下,实测日均值和模式日均值的比值从高纬的0.49降为低纬的0.39,模式值偏大。在超低轨道上,实测值总体上比模式值小,可为大气物理研究和应用研究提供基础数据。      

Comparison of the observed and modeled low- to mid-latitude thermosphere response to magnetic activity: Effects of solar cycle and disturbance time delay

The performance of JB2008 and NRLMSISE-00 models, in describing the response of the thermosphere to magnetic activity are evaluated against total mass density retrieved from accelerometer measurements made onboard CHAMP satellite during 5 years. We show that the global low- to mid-latitude disturbance amplitude is correctly described by the JB2008 model for low solar activity conditions and by both the JB2008 and the NRLMSISE-00 models for high solar activity conditions. For low solar activity conditions, statistics based on almost 3 years of data confirm the large underestimation by the NRLMSISE-00 model quantified by Lathuillère et al. (2008) for the year 2004. We also found that the time delay between low- to mid-latitude global thermosphere disturbance and magnetic activity is statistically well estimated by the NRLMSISE-00 and JB2008 models for disturbed conditions. For moderately disturbed conditions however, the time delay estimated by the JB2008 model is too large by about 3 h. For very disturbed conditions, we found different time delays during day-time and night-time, using new geomagnetic proxies with a 30-min time resolution.