基于WACCM+DART的临近空间SABER和MLS温度观测资料同化试验

基于WACCM+DART（Whole Atmosphere Community Climate Model，Data Assimilation Research Test-Bed）临近空间资料同化预报系统，以2016年2月的一次平流层爆发性增温（SSW）事件为例，开展了临近空间SABER（Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry）和MLS（Microwave Limb Sounder）温度观测资料集合滤波同化试验.结果表明:同化SABER和MLS温度观测资料可显著降低WACCM模式在中间层和平流层中上部（0.001～10hPa）大气温度场的预报误差，改善CR试验在SSW发生时中间层变冷现象偏强、纬向风场首次发生反转的层次偏低以及增温恢复阶段0.1～10hPa的东风层提前消退、纬向风速偏大、平流层顶位置偏高等现象.基于ERA5（The Fifth Generation of ECMWF Reanalyses）再分析资料的检验表明:同化SABER和MLS温度资料明显有利于减小北半球高纬度地区（60°-90°N）平流层中上层和下中间层（0.1～14hPa）纬向风场以及平流层和中间层中下层（0.01～100hPa）温度场的分析误差；同化低层大气观测也有利于减小0.1～14hPa纬向风场和0.01～100hPa温度场的分析误差，但是不如同化SABER和MLS温度资料对临近空间纬向风场和温度场分析误差的改善效果显著.      

氧气A(0,0)波段气辉体发射率和临边辐射强度模拟与分析

临近空间大气参数如温度、密度、风场等对预报模型精度及航天器运行安全等有较大的影响，而气辉的辐射模拟是大气参数反演的重要过程.本文基于光化学模型计算了氧气A（0，0）波段气辉的体发射率和临边辐射强度.基于氧气A（0，0）波段气辉的光化学反应机制、大气动力学和光化学反应理论，建立产生O₂（b1Σ_g+）的光化学模型.计算气辉体发射率，基于临边探测几何路径进行气辉辐射强度模拟.体发射率计算结果与AURIC模型结果的辐射值及辐射高度均一致.基于计算和模拟结果，对氧气A波段气辉体发射率和辐射强度的影响因素进行了分析.      

基于深度学习递归神经网络的电离层总电子含量经验预报模型

利用行星际太阳风参数与太阳活动指数、地磁活动指数、电离层总电子含量格点化地图数据,首次基于一种能处理时间序列的深度学习递归神经网络（Recurrent Neural Network,RNN）,建立提前24h的单站电离层TEC预报模型.对北京站（40°N,115°E）的预测结果显示,RNN对扰动电离层的预测误差低于反向传播神经网络（Back Propagation Neural Network,BPNN）0.49～1.46TECU,将太阳风参数加入预报因子模型后对电离层正暴预测准确率的提升可达16.8%.RNN对2001和2015年31个强电离层暴预报的均方根误差比BPNN低0.2TECU,将太阳风参数加入RNN模型可使31个事件的平均预报误差降低0.36～0.47TECU.研究结果表明深度递归神经网络比BPNN更适用于电离层TEC的短期预报,且在预报因子中加入太阳风数据对电离层正暴的预报效果有明显改善.      

武汉中层、低热层大气角谱中频雷达观测

武汉中频雷达是利用中层、低热层中电子密度不均匀体的散射来测量大气的水平风场和电子密度剖面。雷达在计算风场的过程中可得到一些该层大气中电子密度不均匀体的寿命和空间尺度等参量值。结合这些参量和大气风场值可计算得到大气的角谱。其计算方法包括全相关分析技术的谱宽法和空间相关法。前者计算的值被认为是大气角谱的上限值。应用这两种方法,利用2001年2月9日武汉中频雷达的观测数据,对武昌上空中层、低热层大气的角谱进行了计算。结果得到大气角谱随高度增加略微增加,如在68km为6°,90km达最大为11°,其平均值为9.2°。利用2001年2月4—10日86km高度上的数据,得到一个7天平均的日变化曲线,发现大气角谱值在本地夜晚最小。     

基于支持向量机的船舶操纵运动黑箱建模

根据船舶自航模15°/5°Z形试验结果,应用最小二乘支持向量机对船舶操纵运动进行了黑箱建模,针对支持向量机参数选择的不确定性,使用网格搜索法进行了参数寻优;应用所建立的支持向量机回归模型对该自航模的10°/1°,25°/5°Z形试验及35°回转试验进行了操纵运动预报.预报结果同试验结果相比吻合良好,证明了支持向量机应用于船舶操纵运动黑箱建模的有效性,以及网格搜索法在支持向量机参数寻优中的可行性.     

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.      

基于Fabry-Perot干涉仪气辉观测数据反演中性风速方法比较

利用半径法、完整傅里叶级数描述法和非线性回归法分别对安装在河北省境内国家天文台兴隆园区（40.2°N,117.4°E）的Fabry-Perot干涉仪（FPI）获得的地基中高层大气气辉观测数据进行风速反演.反演结果表明,半径法、完整傅里叶级数描述法和非线性回归法均能很好地反演风速,在误差范围内反演结果存在很好的一致性.相对于半径法和完整傅里叶级数描述法,非线性回归方法更完整地利用了观测数据信息,反演结果可信度较高.      

中法海洋卫星微波散射计在轨性能验证

中法海洋卫星（CFOSAT）微波散射计是国际上第一个旋转扇形波束体制散射计，通过优化雷达观测几何实现对地面目标多角度和多方位的高精度测量，提高海面风场、土壤湿度和海冰面积等地球物理参数的反演精度.根据CFOSAT卫星2018年10月发射以来的在轨测试数据，结合散射计系统特点，分析验证了星上定标数据和后向散射系数反演结果的正确性，并对CFOSAT首批科学数据进行了定量分析和系统评价.结果表明，CFOSAT散射计在轨工作状态良好，实际性能与设计预期一致，风速测量精度优于1.5m·-1，风向测量精度优于15°，空间分辨率可达12.5km，在近岸风场监测、土壤湿度遥感和海冰面积估计等应用领域具有独特的优势.      

基于电子密度同化的热层大气密度预报方法

采用热层电离层耦合模式TIEGCM和集合卡尔曼滤波同化方法,利用同化COSMIC电离层掩星电子密度数据优化热层电离层参量,并将模式预报的大气密度与CHAMP卫星大气密度数据进行对比,分别开展模拟和实测数据的同化预报实验.在模拟数据同化实验中,状态向量包含温度、风场和离子成分的实验结果表明,仅优化温度即可达到最优的热层大气密度预报效果.在实测数据同化实验中,将温度作为状态向量参数,优化结果表明,循环同化过程中模式预报的大气密度相对偏差的均方根误差在48h内从38%减小到27%,同化稳定时间至少需要30h.预报过程中大气密度预报效果的改善持续时间为34h.这表明电子密度同化能够改善热层大气密度的预报精度,设计的实验方案合理可行,可获得较长的预报时效.      

基于PSO-BP神经网络的平流层风场短期快速预测

平流层风场环境对临近空间低速飞行器驻空飞行性能有重要影响。研究了基于PSO-BP神经网络的平流层区域风场建模与快速预测方法,根据历史风场数据,采用主成分分析法对数据进行降维处理,通过BP神经网络对风场进行预测建模,利用粒子群优化（PSO）算法对其进行优化,采用Biharmonic样条曲面插值方法构建区域预测风场。以南海地区5年历史风场为对象,对比分析了基于BP神经网络和基于PSO-BP神经网络的风场预测模型,结果表明:使用具有全局寻优特性的PSO算法改进BP神经网络,能够有效避免传统BP神经网络易陷入局部最优的缺点,提高预测精度;通过结合PSO-BP神经网络预测与Biharmonic样条曲面插值,可实现区域风场的预测。研究结果可为临近空间低速飞行器的轨迹规划与区域驻留等任务的高精度区域快速预报风场提供解决途径。      

Mid-latitude thermospheric wind changes during the St. Patrick’s Day storm of 2015 observed by two Fabry-Perot interferometers in China

In this work, we utilize thermospheric wind observations by the Fabry-Perot interferometers (FPI) from the Kelan (KL) station (38.7°N, 111.6°E, Magnetic Latitude: 28.9°N) and the Xinglong (XL) station (40.2°N, 117.4°E, Magnetic Latitude: 30.5°N) in central China during the St. Patrick’s Day storm (from Mar. 17 to Mar. 19) of 2015 to analyze thermospheric wind disturbances and compare observations with the Horizontal Wind Model 2007 (HWM07). The results reveal that the wind measurements at KL show very similar trends to those at XL. Large enhancements are seen in both the westward and equatorward winds after the severe geomagnetic storm occurred. The westward wind speed increased to a peak value of 75?m/s and the equatorward wind enhanced to a peak value of over 100?m/s. There also exist obvious poleward disturbances in the meridional winds during Mar. 17 to Mar. 19. According to the comparison with HWM07, there exist evident wind speed and temporal differences between FPI-winds and the model outputs in this severe geomagnetic storm. The discrepancies between the observations and HWM07 imply that the empirical model should be used carefully in wind disturbance forecast during large geomagnetic storms and more investigations between measurements and numerical models are necessary in future studies.     

Thermospheric winds over Abuja during solar minimum period

Monthly variations of averaged nighttime thermospheric winds have been investigated over Abuja, Nigeria (Geographic: 9.06°N, 7.5°E; Geomagnetic: 1.60°S). The reports are based on Fabry-Perot interferometer measurements of Doppler shifts and Doppler broadening of the 630.0 nm spectral emission. The results were obtained during a period of weak solar activity with the solar flux (F10.7) typically below 70 solar flux units. Inspection of the average monthly thermospheric winds from October 2017 to December 2017 found December meridional winds to be more equatorward than the October and November winds. Zonal winds are eastward with pre-midnight maximum speeds going above 100 m/s. Compared to Jicamarca zonal winds in the Peruvian sector for the same month of October, the magnitude of maximum Abuja zonal wind speed is weaker. We compare the observed diurnal variation with the recently updated Horizontal wind model (HWM 14). Most of the observational features of thermospheric wind diurnal variation are captured in the model variation. The HWM14 generally showed good agreement with the Abuja October and November zonal wind observations but overestimates the December meridional winds. Expected longer period analysis of the results from Abuja will stimulate a better understanding of wind climatology over the West African sector.     

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°。      

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.      

Longitudinal MLT wind structure at higher mid-latitudes as seen by meteor radars at central and Eastern Europe (13°E/49°E)

The mid-latitude mesosphere and lower thermosphere (MLT) wind speeds measured by two SKiYMET meteor radars (MRs) at Collm (51°N, 13°E) and Kazan (56°N, 49°E) during 2016–2017 were analyzed to study longitudinal wind structures. The differences between monthly mean prevailing wind speeds and tidal amplitudes were compared with the corresponding differences obtained from TIMED/TIDI satellite winds and gradient wind speeds from the AURA/MLS instrument. It is shown that the MR wind difference between the two sites is statistically significant. The difference of the horizontal prevailing winds can be explained by a superposition of the background zonal flow, which is different at the two latitudes, with stationary planetary waves of different origin. Non-migrating tides contribute significantly to the difference of the semidiurnal tidal winds between the two sites.     

基于平流层风场预测的浮空器轨迹控制

平流层风场环境对浮空器设计和轨迹控制具有重要影响。针对平流层风场建模,以长沙地区2005—2010年的风场数据为例,首先采用本征正交分解（POD）方法对风场数据进行降阶处理;然后分别采用Fourier级数与BP神经网络算法对平流层风场进行预测,并对2种模型的预测精度进行比较分析;最后通过建立临近空间浮空器的动力学模型和高度调控模型,分析2种风场预测模型对浮空器轨迹控制的影响。研究结果表明,相对于Fourier预测模型,基于BP神经网络预测模型的预测精度更高,可信度更强,能够更好地为浮空器飞行轨迹控制提供参考价值。      

Horizontal winds in the mesosphere at high latitudes

A total of 146 meteorological rocket flights applying the ‘falling sphere’ technique are used to obtain horizontal winds in the mesosphere at polar latitudes, namely at the Andøya Rocket Range (69°N, 125 flights), at Spitsbergen (78°N, 10 flights), and at Rothera (68°S, 11 January flights only). Nearly all flights took place around noon or midnight, i.e., in the same phase of the semidiurnal tide. Meridional winds at 69°N show a clear diurnal tidal variation which is not observed in the zonal winds. The zonal wind climatology shows a transition from summer to winter conditions with the zero wind line propagating upward from 40 km (end of August) to 80 km (end of September). Zonal winds are smaller at Spitsbergen compared to Andøya which is in line with a common angular velocity at both stations. Meridional winds at noon are of similar magnitude at all three stations and are directed towards the north and south pole, respectively. Horizontal and meridional winds generally agree with empirical models, except for the zonal winds at Antarctica which are similar to the NH, whereas there is a significant SH/NH difference in CIRA-1986.     

利用WW3模式实现中国海击水概率数值预报

海浪对掠海飞行有着重要影响,以T639预报风场驱动WW3（WAVEWATCH-Ⅲ）海浪模式,对2013年3月发生在中国海的一次冷空气海浪场进行数值模拟.结合飞行高度探测的标准差、海浪浪高的标准差,进一步实现了击水概率的数值预报,为低空飞行器的航迹规划提供科学依据.主要计算了5 m高度、10 m高度、15 m高度的击水概率,并对比不同飞行高度击水概率的差异.结果表明,以T639预报风场驱动WW3海浪模式,可以较好地预报中国海海浪场、击水概率场.在冷空气影响下,中国海的击水概率出现明显增幅.飞行高度低于10 m时,海浪会对掠海飞行器的安全造成很大威胁.      

基于小波变换和GM-ARMA的导弹备件消耗预测

针对导弹备件消耗呈现"小样本、非平稳"的特点, 为了克服传统预测方法依靠大样本数据进行建模的不足,提出了把基于小波变换和改进GM-ARMA的组合预测方法应用于导弹备件消耗预测的构想.在利用小波分解和其他模型建立组合模型的过程中,提出了先对小波基方程和分解层数2个特征进行参数化,再定量地对所有子模型的特征参数进行统一、综合的评估,以达到建立最佳组合模型的目的;然后对具有平稳特性的高频信息用阻尼最小二乘法优化的ARMA(Autoregressive and Moving Average)模型进行预测,对反映整体趋势体现非平稳的低频信息用背景值优化和数据变换技术改进的GM(1,1)模型进行预测.实例结果表明所提出的组合预测方法大大降低了预测误差,说明了该方法的有效性、可行性和实用性.