星载FPI探测低热层温度的研究

80～350km高度区域的大气温度与风场探测研究对于认识全球性空间动力学和日地耦合机制具有重要科学意义.法布里-珀罗干涉仪(FPI)能够通过分析接收光的干涉环反演计算出一定高度大气层的风场和温度.近年来,中国利用多种地基探测设备对中高层大气进行了观测研究,对于温度反演和星载探测技术的研究开始起步.本文基于系统传输函数和发射谱线函数的卷积,讨论了利用FPI探测高空大气温度反演计算的原理;分析了星载FPI探测的方法,根据星载FPI探测与地基探测的不同点,仿真了星载探测干涉图;结合中国观测技术现况及空间探测需要,讨论了发展星载空间环境探测仪的可行性.      

黄河站和Tromso站亚暴期间热层风场观测结果

中高层大气风场探测对研究大气物理过程具有极为重要的意义，尤其是在极地地区，风场对大气结构的影响更为剧烈.针对亚暴期间中国北极黄河站和日本Tromso站上空OI557.7nm气辉层（低热层）中性风场，利用全天空法布里-珀罗干涉仪（all-sky Fabry-Perot Interferometer，all-sky FPI）探测气辉谱线的多普勒频移，反演气辉层的大气风场信息.结果表明，低热层风场平均水平在100m·s-1左右，热层风场在极地地区更为剧烈，纬度相对较低的Tromso站探测到的风速整体小于同期黄河站上空的风速.结合离子风数据，分析离子拖拽和焦耳加热对中性风的影响过程，发现极光亚暴不仅对低热层风场有增强作用，也有明显的抑制效果，但整体风向都垂直于极光弧变化.      

一种用于测量高层大气风场的新型地基Fabry-Perot干涉仪

地表海拔大约250\,km高度处大气非常稀薄,目前被动光学观测是该层风场探测最有效手段.Fabry-Perot干涉仪(FPI)由于具有较高能量利用率及光谱分辨率等特点,是该层大气最有效的地基风场探测仪器之一.基于采用光路缩束系统及滤光片后置(标准具之后)方法研制的小型化FPI,2014年分别在河北廊坊(39.40°N,116.65°E)和山西岢岚(38.71°N,111.58°E)进行了地基观测试验,将观测数据与反演算法相结合得到高层大气风场数据,并将数据结果与美国大气研究中心两台FPI的风场数据进行了比较研究,在气辉整体辐射较弱的情况下得到岢岚站的风速平均反演偏差为11.8 m·s-1.      

某高空飞艇光学吊舱热状态及飞行策略研究

使用光学遥感设备开展地球大气层临边观测是研究中高层大气目标特性变化规律的重要手段之一.光学遥感设备的热状态对其光学精度及系统信噪比控制至关重要，能够直接影响观测数据质量乃至观测任务的实现.针对中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪在高空飞艇平台探测的热状态需求，分析了光谱仪吊舱的热环境，给出了光学吊舱的热平衡控制方程，并对上升/下降段和平飞段先后开展了热状态计算，得到光学吊舱在不同状态下的温度变化规律、光电部件的温度场等计算结果.结果表明热控方案能够满足光谱仪的热状态需求.根据热状态分析计算结果，制定了飞行前后及飞行过程中光学吊舱的热控策略.本文分析方法和飞行策略可为同类飞行设备热控状态设计及研究提供数据参考.      

北极黄河站极光亚暴期间低热层大气中性风研究

极光亚暴是地球空间基本的能量输入、耦合及耗散过程,其对低热层大气中性风的影响不容忽视,对这一问题进行深入研究具有重要意义.2010年11月,中国北极黄河站(78.92°N,11.93°E)安装了一台自主研制的全天空法布里-珀罗干涉仪(FPI)并开始进行正常观测,为中国首次获得了极光亚暴期间的FPI观测数据.根据2012年越冬期间的观测情况,对2012年11月12-14日及12月09-11日两个极光亚暴事件期间的数据进行处理,计算得到了5级干涉环对应的风场.亚暴期间风场变化与地磁活动变化的对比分析表明,风速的剧烈变化可能是由地磁活动剧烈扰动造成的.针对2012年11月13日00:00UT-02:00UT和2012年12月10日05:00UT-07:30UT的亚暴事件,将全天空相机拍摄到的极光图像与FPI干涉图像对应的视线风场进行对比分析.结果表明在极光活动中,视线风速加强的方向与极光弧的方向垂直,而在极光弧的平行方向,风速相对较小.      

基于X射线掩星探测反演行星大气密度

X射线掩星是一种常见的天文现象，基于X射线掩星探测的大气密度反演是一种涉及学科交叉的新方法，其通过处理高能X射线天体辐射源的掩星观测数据实现大气密度的反演，基本原理为X射线在大气中传播时，X射线光子被大气中的原子（包括分子中的原子）吸收和散射，从而导致X射线强度发生衰减，根据衰减后X射线信号的强度反演对应的密度廓线。本文根据X射线掩星探测的应用需求，论证了基于X射线掩星实现大气密度反演的新方法，重点介绍了光变曲线拟合和能谱拟合两种地球中高层大气密度反演算法，分析了X射线掩星探测反演大气密度的研究进展和研究方法，对基于X射线掩星反演大气密度的优点进行分析和讨论，进而对X射线掩星探测的应用场景进行展望。结果表明，作为一种新型中高层大气密度测量手段，X射线掩星探测可对中高层大气密度实现有效探测，弥补了目前中高层大气密度实测数据的不足。     

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.      

地基Fabry-Perot中高层大气风速反演及误差分析

基于子午工程地基法布里-帕罗干涉仪（Fabry-Perot Interferometer,FPI）的气辉观测数据,结合地基独特的观测模式（天顶角为0° 的天顶方向和天顶角为45°的东西北南四个方向）对地基中高层大气风速进行反演,包括数据预处理、干涉环圆心确定、干涉环半径计算和风速反演. 将2010年5月6-13日8天十个环（十个干涉环同时参与反演）的反演结果与地基FPI风速实测数据进行比较,得到557.7nm,630.0nm,892.0nm三种谱线气辉的反演平均偏差分别为2.7m·s-1,5.5m·s-1,7.7m·s-1. 此外,基于反演算法对上述反演精度影响因素进行了分析. 研究发现,气辉辐射强度对风速的反演精度影响较大,气辉辐射越强,外环的半径计算精度越高,可参与的反演环数越多,则最终的风速反演精度越高. 而圆心偏差± 2pixel（五个环）和± 1pixel（十个环）及焦距变化（±10mm）对风速反演精度的影响相对较小,但当超出这一偏差范围,风速反演偏差会迅速增大.      

中国山西地区法布里-珀罗干涉仪测风能力及数据质量检验

介绍了中国气象局山西岢岚大气观测站(39°N, 112°E) 法 布里-珀罗干涉仪(FPI) 的基本 构造、测风能力、程序处理流程、数据质量控制方法以及检验情况. 岢 岚观测站FPI可以观测892.0 (OH)nm, 557.7 (OI)nm和630.0 (OI)nm 波 长处气辉谱线的多普勒移动, 分别计算对应87km, 97km和250km高度处 的大气风速和大气温度, 可给出中间层顶区域及热层风的大气潮汐和扰动 情况. 采用水平风模型(HWM)输出结果进行交叉检验, 对FPI测风数据质量进行验证. 结果显示, 岢岚大气观测站FPI仪器的测风数据 在长期趋势上与HWM模式的输出数据一致, 风速变化幅度有季节性差异, 数据质 量控制方法有效, 测风误差在87km高度处为5.7m·s-1, 97km处 为1.3m·s-1, 250km处为4.1m·s-1, 测风数据 通过了可靠性检验.      

基于Sagnac干涉仪的保偏光纤拍长测试技术

分析了一种由单模光纤耦合器和保偏光纤组成的混合光纤Sagnac干涉仪的反射谱和透射谱,揭示了这种干涉仪的光谱调制特性.基于其透射光谱的极值点特征,提出了一种简单、高精度的保偏光纤拍长测试技术并进行了精度分析,确定了待测保偏光纤长度的优化参数;搭建实验系统进行了实际测试.实验结果和理论估计一致.研究表明:该技术操作方便、测量可靠,拍长测量精度可优于0.01 mm.     

Response of the lower atmosphere to intense geomagnetic storms

In this short paper we examine the possible connection between atmospheric parameters measured at low and middle altitudes and geomagnetic storms occurred in 2000 and 2003. For that, from a chain of stations located near the meridian 60°W we compare the storm time values of temperature and wind speed with their standard deviation 2σ obtained from quiet time values. We observed statistically significant variations at several altitudes during the storm recovery phase and after it, both in neutral wind speed and temperature. The results obtained suggest that atmospheric parameters could be affected by geomagnetic storms.     

Advances in Research and Service of Space Environment in China

This paper presents the recent progress of space environment research and service in China.During the past two years,many models of space environment forecast and analysis methods of space environment effects have been developed for tailored space environment service for Chinese space mission.A new Re-locatable Atmospheric Observatory(RAO)for monitoring atmospheric wind,temperature,density and pressure of the near space from 20 km up to 120 km altitudes is being constructed.In space environment service space environment safety was provided to ensure the safety of CE-1 for its launch and operation in 2007.      

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.      

双参考镜合像干涉仪的研究

介绍一种新型干涉测量系统，该系统采用并列的两个参考镜，将产生的两组干涉条纹复合在同一视场。当测量系统产生的光程改变时，两组干涉条纹相对关系按一定规律变化，借助光电转换和图像分析技术，可用于长度和微小角度测量。介绍了可行性实验和测取的数据及分析所得出的结论。     

Mathematical modeling of plasma drifts over equatorial low latitude regions

This paper presents a mathematical model to simulate ionospheric plasma drifts at equatorial low latitude regions by coupling of E- and F-regions. The governing non-linear differential equations (of elliptic and parabolic nature) are solved numerically through finite-difference schemes and obtained neutral winds and electric fields. The temperature and electron density profiles are generated utilizing MSIS-86 atmospheric model. The continuity equation is employed to obtain night-time E-region density profile using measured ionograms at Trivandrum (India). The computed vertical and zonal plasma drifts are comparable with measured Jacamarca plasma drifts with little variations during noon and evening times. The plasma drifts at Trivandrum (8.5° N, 76.5° E, dip 0.5° N) are compared with those of Jicamarca (12° S, 76.9° W, dip 2° N). Neutral wind simulations of present model agree well with those of horizontal wind model (HWM-93). The post-sunset enhancement and its reversal are also discussed.     

利用Aura卫星资料计算全球中层大气背景风场

利用2005年第二代地球观测卫星系统(EOS)的Aura卫星上MLS观测的压强、温度、密度等数据,推算出全球中层大气的平均背景风场,分析了中层大气风场随时间和高度变化的特点.与武汉流星雷达及澳大利亚Adelaide台站观测的比较结果显示,用Aura数据推算出来的风场与实际观测比较符合.与HWM-93模式的比较显示,Aura风场随时间和空间变化的总体趋势与HWM-93基本吻合.特别是在80km以下的高度范围内Aura数据与HWM-93数据符合得比较好;在80 km以上的高度,Aura所算得的风值与HWM-93风值的差别逐渐增大,Aura风值普遍比HWM-93的要大.      

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.      

大气温度剖面的行星波驻波结构

利用Ｎ８ｍｂｕｓ－７卫星上角度扫描红外辐射计（ＳＡＭＳ）的资料，分析出大气温度剖面具有行星波垂直结构的驻波结构；讨论了波长、振幅随高度的分布，驻波结构随经度、纬度的变化，以及可能的形成机制。     

A comprehensive study on middle atmospheric thermal structure over a tropic and sub-tropic stations

The general characteristics of middle atmospheric thermal structure have been studied by making use of the Rayleigh lidar data collected over the period of about four years (1998–2001). Here, the data has been used from two different stations in the Indian sub-continent in tropics (Gadanki; 13.5°N, 79.2°E) and in sub-tropics (Mt. Abu; 24.5°N, 72.7°E). The observed monthly mean temperature profiles are compared with different model atmospheres (CIRA-86 and MSISE-90). We observed, the mean temperature profiles have closer agreement with MSISE-90 than CIRA-86. The temperature profiles measured by lidar and HALOE satellite overpass nearby lidar site are generally in agreement with each other. The systematic and statistical errors in deriving temperature are found to be uniform for both the stations, as 1 K at 50 km, 3 K at 60 km and 10 K at 70 km. The special features of mesospheric temperature inversion (MTI) and double stratopause structure (DBS) are also addressed for both the stations.