基于瑞利激光雷达对格尔木地区中间层逆温层特征分析

利用MARMOT （Middle Atmosphere Remote Mobile Observatory in Tibet）激光雷达对2014年7月至12月格尔木（36.25°N,94.54°E）上空的中间层逆温层MIL （Mesosphere Inversion Layer）事件进行研究分析.格尔木MIL现象的发生频率为53.8%,其中冬季（12月）发生频率最高,达76%;秋季（9-10月）较高,为60%;夏季（7-8月）发生频率较低,为29%.2014年7月至12月观测到的MIL逆温幅度主要分布在5～20K,平均逆温幅度为15.9K.秋季逆温层底部高度较高,主要分布在77～84km,冬季和夏季逆温层底部高度较低,主要分布在64～74km.逆温层底部高度平均为75.1km.逆温层的平均宽度为8.7km,由夏季到冬季呈递增趋势.      

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.      

海口上空中高层大气强烈的突发钠层观测

海南激光雷达站（20°N,110°E）2011年11月2日观测到强烈的突发钠层（SSL）.该SSL峰值密度达37087cm-3,半峰全宽仅为0.9km.对该SSL发生前后的钠层峰值密度和高度特性进行分析.统计激光雷达2010年5月至2013年12月共计377天观测到的SSL事件222次,其中仅有1次SSL峰值密度超过30000cm-3.对比距离最近的海南儋州（19.5°N,109.1°E）测高仪和VHF雷达观测到的突发E层（Es）事件,分析事件的相关性.Es最低高度与SSL峰值高度差均在5km以内,约有75%的Es与SSL时间差在±30min之内.实验中使用continuum的Nd:YAG激光器和泵浦染料激光器产生589nm激光,能量为45mJ,使用直径为1000mm的望远镜接收钠层的光子回波.      

廊坊中频雷达流星观测及初步结果

中频雷达用来开展夜间100km高度以上的流星观测,获得流星随时间、高度、方位的分布情况及流星体速度、流星辐射点、流星余迹径向速度等参数,其探测数据可用于流星天文学、中层大气动力学等领域的研究.利用2017年11月16日12:00UT-22:00UT期间廊坊观测站（39.4°N,116.7°E）的中频雷达数据,首次开展了中国中纬度地区夜间流星观测实验,共检测到94个流星回波信号,集中分布在97～115km高度范围内,平均高度为106.5km,计算得到了流星回波的双极扩散系数、方位分布等相关参数,并与国外中频雷达流星探测结果进行了初步比较.      

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.     

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.      

TIMED卫星探测的全球大气温度分布及其与经验模式的比较

利用TIMED卫星遥感探测的全球温度分布与NRLMSISE-00大气经验模式进行了对比研究.研究表明,在中间层下部以下的高度范围内,经验模式与卫星探测的大气温度分布有很好的一致性.但是比较发现,在中层顶区域,经验模式的计算结果与实测结果有较大的差异.卫星探测表明,在春分季节的低纬地区中层顶区存在稳定的逆温层,但是经验模式不能给出低纬地区春分季节中间层逆温层的分布特征.卫星观测表明在全球范围内中层顶有两个非常不同的高度,一个处于100km附近,另一个处于85km附近,但是经验模式不能给出这一中层顶高度的分布特征.同时在低热层,经验模式计算的温度分布与卫星遥感的探测结果有很大的差异.      

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.      

南大西洋异常区高能质子通量南北向差异

利用2012年8月NOAA N15,N16,N17,N18卫星中能质子和电子探测器（MEPED）>6.9MeV质子能档的数据,研究了800km高度处南大西洋异常区（SAA）质子分布的南北方向差异.数据显示,质子计数率沿经线随纬度的变化近似满足高斯分布,且向南运动的质子多于向北运动的质子.MEPED具有0°和90°两个探测方向,可对质子投掷角分布进行估算,从而消除在探测南向和北向质子时探测器方向角偏差所造成的影响.结果表明,在经度40°W、纬度13°S至23°S位置上,仍然存在南向质子比北向质子多20%~30%的现象.其原因可能与地磁异常使南向质子镜像点更低,更多质子散射进入大气层沉降有关.分析还发现,南大西洋异常区质子通量存在地方时变化.日侧比夜侧强约20%,这可能是由于地磁场日变化引起的.      

基于COSMIC的平流层重力波参数分析

基于COSMIC卫星观测的2006年12月29日到2008年1月3日30°-40°N纬度内的温度剖面,分别利用垂直滑动窗、双滤波器和单滤波器三种方法计算低平流层重力波的扰动和势能,获得重力波扰动和势能随高度、经度的分布以及多时间尺度变化特性,分析重力波扰动势能与背景温度及风场的变化趋势和特点.比较三种方法得到的结果发现:垂直滑动窗方法只能去除大垂直尺度的背景,无法抑制小尺度的扰动,其得到的结果误差较大;双滤波器法对温度剖面中的大尺度背景和小尺度扰动都能很好地抑制;单滤波器法得到的重力波扰动中基本不包含垂直方向的大尺度背景,但是包含一些小垂直尺度的扰动.因此,对于垂直波长为10km左右的重力波,采用双滤波器法合适;如果需要得到小尺度重力波的变化特性,采用单滤波器法合适.采用双滤波器法无法得到势能随高度的变化,而采用单滤波器法能够给出每月势能随高度的分布.对30°-40°N纬度内的重力波参数进行统计分析得到重力波扰动、势能与背景温度和水平风场的关系.      

Lower-mesospheric inversion layers over brazilian equatorial region using TIMED/SABER temperature profiles

Lower-mesospheric inversion layers (MILs) were studied using the temperature profiles observed by TIMED/SABER over Cariri (7.5°S, 36.5°W), Brazil, in 2005. A total 175 MILs were identified with the maximum occurrence in April and October and the minimum in January and July. The lower MIL is located in a height region from 70 to 90 km, with the peak at around 83 ± 4 km with the temperature of 205 ± 5 K, and the thickness of 4–10 km. The results show large amplitudes of MILs during equinoxes and minimum in solstices, with a clear semiannual variation. A general feature of lower MIL in monthly mean profile was observed twice a year, one from February to May, and the other from August to October with a downward shift of the top level. These results suggest that formation and long persistence of MIL is an important factor to investigate propagation of atmospheric gravity waves in the mesosphere-lower thermosphere (MLT) region.     

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.      

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.      

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.      

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.      

2012年7月海口与北京大气钠层观测

2012年7月海南激光雷达站（20°N,110°E）和北京激光雷达站（40°N,116°E）同时进行观测,对比低纬和中纬度中高层大气钠层分布及密度变化特性.两地使用相同的Nd:YAG激光器和泵浦染料激光器产生589nm激光,设定相同的激光参数,使用相同的直径1000mm的望远镜接收钠层的光子回波.两地均观测到突发钠层和双钠层事件.其中:海口观测到突发钠层事件9个,双钠层事件1个;北京观测到突发钠层事件1个,双钠层事件4个.分析海口和北京同一天夜间观测的大气钠层特性,对比两地同时观测到的钠层高度与密度的不同变化,发现当天夜间低纬度地区海口市上空钠层出现双钠层结构,持续时间123min,但是北京上空钠层没有发现该结构.      

安第斯山上空平流层山地波统计特征的AIRS观测研究

利用AIRS红外探测仪在2013—2018年的辐射测量数据，对安第斯山20km，27km，35km及41km高度的山地波进行个例研究和统计分析.观测结果表明安第斯山上空山地波主要发生在5—10月，月平均水平波长、垂直波长及动量通量均没有明显的年际变化.水平波长在5月和10月相比6—9月较小，垂直波长和动量通量5—7月逐渐升高，达到峰值后在8—10月逐渐下降.在20～41km范围内，水平波长从43.5～53.9km缓慢升高至89.3～176.8km，垂直波长从7.4～14.7km上升至7.4～29.7km，动量通量由376.0～801.3mPa显著下降至10.4～239.3mPa.总体而言，山地波在向上传播的过程中，水平波长缓慢增加，在逆风传播的情况下，受到背景风场影响垂直波长随高度升高而增大.动量通量随高度升高显著下降，说明安第斯山山地波向上传播的同时伴有强烈耗散，耗散的能量将储存在背景大气中，对高平流层甚至中间层产生重要影响.      

北纬30°中层顶区域钠与铁原子层的结构和年际变化

基于武汉大学Na和Fe激光雷达在2004年1月至2011年12月期间的观测数据，得到武汉上空中层顶区域Na和Fe原子层的平均特性、夜间变化和季节变化特征.Na层平均质心高度为91.36km，平均RMS（均方根）宽度为4.64km.Fe层平均质心高度为88.99km，平均RMS宽度为4.57km.在充分考虑金属层夜间变化和季节变化对数据样本影响的基础上，获取了Na层和Fe层结构在此期间的年际变化特征.对Na层和Fe层质心高度及RMS宽度的年际变化进行线性拟合，发现Na层和Fe层在此期间均相对稳定，Na层质心高度在近8年间仅有约58m的下降，变化率为-7.91m·a-1，Na层RMS宽度减小约151m，变化率为-20.60m·a-1.同期，Fe层的质心高度下降了约230m，变化率为-31.36m·a-1，Fe层RMS宽度则有所增大，变化率为21.01m·a-1.