太阳活动与全球气候变化

太阳不断向地球辐射电磁波和粒子, 太阳辐射是地球气候系统最主要的能量来源. 地球气候系统对太阳活动的响应是一个复杂的过程, 包括辐射过程、动力学过程以及微观物理过程等. 根据太阳辐射的卫星观测结果和重建结果, 例举了古气候、温度、大气环流和云量等方面太阳影响气候的观测证据, 论述了太阳影响气候的三种可能机制, 即太阳总辐射变化可以影响地表温度, 并通过海-气耦合改变大气环流; 太阳紫外辐射通过调制平流层的温度和风场影响下面的对流层; 太阳通过行星际磁场调制银河宇宙线, 而银河宇宙线通过电离大气影响云量, 进而改变地球的能量收支.      

临近空间太阳紫外辐射环境模拟与地区差异

太阳紫外辐射是临近空间能量输入的主要来源之一,对其在中层大气的辐射特性进行研究,是研究临近空间大气成分与密度变化、光化学反应以及动力学过程的重要基础。依托“鸿鹄”临近空间探测专项计划,利用MODTRAN5辐射传输模型及卫星实测数据,模拟并对比中国11个主要地形区上空临近空间（20~50 km）紫外辐射（200~400 nm）垂直分布和季节演变的异同,计算了臭氧含量、太阳天顶角和日地距离等关键因素对辐射强度的影响。结果表明,各地形区的辐射流量垂直分布廓线和年较差垂直分布廓线较为一致,在地理位置上毗邻的地区辐射特性及季节演变较为接近,但在太阳紫外的不同波段之间区别较大。研究成果为临近空间探测实验提供了数据支撑,为大气反演等相关领域提供参考。      

平流层臭氧和辐射场的季节分布特征

利用美国NCAR化学气候耦合模式WACCM3对平流层温度场、风场、臭氧及辐射场进行了模拟.结果表明,在适宜飞艇长期驻留的准零风层高度20～22km(对应大气压强范围为50～30hPa,以下均采用气压值表征对应大气高度),7-8月风速小于5m·s-1的风带可长期稳定在40°N以北.臭氧空间分布显示,在30hPa气压高度处中国地区臭氧浓度出现了带状分布,30hPa高度以下低纬度地区臭氧浓度低于中纬度地区.平流层太阳加热率的时空变化表明,在平流层上层,太阳加热率可达100×10-6K·s-1,而在平流层下层,只有10×10-6K·s-1.6-8月中国区域的太阳加热率大于9月;在100～30hPa高度内,中纬度地区太阳加热率高于低纬度地区,在30hPa高度以上,低纬度地区太阳加热率高于中纬度地区;8-9月30～40hPa高度处,太阳加热率的空间变化较小.在30hPa高度上,太阳加热率在40°N昼夜变化最大;50hPa高度处,太阳加热率的昼夜变化小于30hPa高度处,而且白天太阳加热率出现极大值的纬度明显靠北.平流层低纬度地区的长波加热率小于中纬度地区.青藏高原由于地形特殊,其6-7月的臭氧浓度、太阳加热率和长波加热率均小于同纬度其他地区.      

太阳活动突发过程对临近空间大气影响的模拟

空间天气对地球及近地空间具有重要影响,大的空间天气事件对中上层大气动力学和成分具有不同的影响。利用全大气耦合模式WACCM,针对太阳耀斑、太阳质子、地磁暴三类事件,以太阳活动平静期2015年5月10-14日的GEOS-5数据为模式背景场,通过F_10.7、离子产生率、Kp及Ap指数设置,分别模拟三类事件对临近空间大气温度、密度和臭氧的影响。结果表明耀斑事件在三类事件中对临近空间大气温度和密度的影响最为显著。平流层大气温度增加是由耀斑辐射增强引起平流层臭氧吸收紫外辐射发生的光化学反应所致,耀斑事件引起平流层和低热层温度增加约为2～3 K,低热层大气相对密度增加在6%以内;太阳质子事件及磁暴事件主要影响低热层,但太阳质子事件和磁暴事件对低热层温度扰动不大于1 K。     

平流层飞艇太阳能源系统研究

以平流层太阳能飞艇平台为背景,对平流层太阳能飞艇能源系统展开了分析和研究。文中建立了飞艇表面太阳能电池接收太阳直接辐射、散射辐射、反射辐射的模型。利用该模型对某飞艇太阳能电池进行计算,结果显示飞艇接收的太阳辐射能量与飞艇的工作纬度、季节、太阳能电池阵列表面面积、飞行姿态密切相关。当飞艇的脊背从日出到日落时刻正对太阳光线时,太阳能电池接收到的太阳辐射能量将是最大的。     

短波长紫外辐射变化与臭氧含量涨落之间的关系

位于低纬地区的印度同时测量了短波紫外辐射与臭氧含量,表明臭氧含量下降3%,短波紫外辐射通量(290nm)上升35%.但这个数值大于以往理论预期的数值.本文给出一个简单公式,这个公式描述了臭氧含量的变化与相应的紫外辐射变化之间的关系,用此公式计算得出的结果与印度测得的结果相符,很好地解释了低纬地区的印度测量的臭氧涨落与其相应的短波长紫外辐射变化之间的关系.      

太阳同步轨道卫星光学特性

为了分析太阳同步轨道卫星的光学特性,对FY-1卫星的可见光和红外波段光学信号进行了仿真计算和模拟试验验证.通过对外部辐射及内部热源的分析,计算了卫星的温度场,采用随机起伏表面算法模拟表面覆盖材料外表面,通过阴影遮挡判断及双向反射分布函数(BRDF, Bi-directional Reflectance Distribution Function)模型计算卫星对外部辐射的反射特性,编程计算得到在可见光0.4~1.0μm和红外8~14 μm,14~16 μm波段下卫星的光学特性.结果表明红外辐射亮度与表面温度相关,8~14 μm最大约90 W/(m²·sr)、14~16 μm最大约20 W/(m²·sr).空间可见光辐射强度具有明显的镜面反射效应,卫星主体峰值2 200 W/sr.通过地面模拟测量空间目标的温度和红外辐射验证了温度及红外辐射仿真计算模型,可见光辐射强度仿真计算结果与地面模型卫星测量结果误差在20%以内.     

趣味航天币--第一个女航天员

现太阳系外的可见光天体也同时是一个X射线源。1968年的空间探测又发现蟹状星云还是一个1，射线源。它的频率范围从10^7到10^20Hz，是一个全波段天体。我们把蟹状星云所有频率上的辐射加起来，得出其总辐射功率为10^38尔格／秒，相当于十万个太阳的辐射。蟹状星云是一团稀薄的气体，如此强的辐射，其能量来自何方?频率范围这么宽的连续辐射已不能用熟悉的电离气体的热辐射来解释了。     

应用BP神经网络针对高通量质子事件的通量数值预报

质子事件的爆发与太阳软X射线辐射有着很强的相关性,利用GOES卫星的1～8 (A)波段和0.5～4 (A)波段的软X射线数据,选取一些特征参量验证该相关性并应用到质子事件短期预报中.在当前质子事件传输物理机制不完全明确的情况下,在现有的预报质子事件有无的模型基础上,利用BP神经网络,根据软X射线通量水平等预测事件质子峰值通量水平,再对训练后的网络进行检验,检验预测所得结果与实际探测值误差小于一个量级,具备一定实用意义.      

空间目标红外特征仿真模型

建立了一种基于三维场景的空间目标红外辐射特征计算模型.模型对多层介质目标进行几何建模与三维剖分,考虑目标微动时太阳和地球对目标加热的影响,计算了目标外表面的辐射散热及内腔壁面元间的辐射换热,在此基础上完成目标的三维导热计算,利用Gauss-Seidel迭代法求解微元体的温度,进而计算了中长波和长波红外波段目标自身的辐射、对外热源的反射以及总的辐射亮度图像和辐射强度曲线.研究表明,无自旋的目标在圆周方向受太阳加热不均,温差显著;自旋使目标圆周方向温差减小,温度分布趋于均匀.     

日全食期间中间层大气臭氧光化过程试验

利用包括活O_x、HO_x、和NO_x等成份在内的一维时变光化模式,研究了日全食时上中层大气臭氧和O₂(1△g)的变化特性,并通过与观测资料的比较进行了光化模式的试验.结果表明,日全食时太阳辐照变化对1.27μm气晖影响的高度比曙暮期间明显偏低,利用1.27μm气晖光度计测量大气臭氧的高度范围约为52-67km.1997年3月9日漠河日全食时测量的大气臭氧含量变化幅度为50％.这与考虑O_x、HO_x、和NO_x等成份的光化模式理论模拟结果基本一致.它表明在52-67km高度范围不存在臭氧亏损现象.      

Changes in surface UV solar irradiance and ozone over the balkans during the eclipse of August 11, 1999

Intensive measurements of UV solar irradiance, total ozone and surface ozone were carried out during the solar eclipse of 11 August 1999 at Thessaloniki, Greece and Stara Zagora, Bulgaria, located very close to the footprint of the moon's shadow during the solar eclipse with the maximum coverage of the solar disk reaching about 90% and 96% respectively. It is shown that during the eclipse the diffuse component is reduced less compared to the decline of the direct solar irradiance at the shorter wavelengths. A 20-minute oscillation of erythemal UV-B solar irradiance was observed before and after the time of the eclipse maximum under clear skies, indicating a possible 20-minute fluctuation in total ozone presumably caused by the eclipse induced gravity waves. The surface ozone measurements at Thessaloniki display a decrease of around 10–15 ppbv during the solar eclipse. Similarly, ozone profile measurements with a lidar system indicate a decrease of ozone up to 2 km during the solar eclipse. The eclipse offered the opportunity to test our understanding of tropospheric ozone chemistry. The use of a chemical box model suggested that photochemistry can account for a significant portion of the observed surface ozone decrease.     

A nonlinear background removal method for seismo-ionospheric anomaly analysis under a complex solar activity scenario: A case study of the M9.0 Tohoku earthquake

A precise determination of ionospheric total electron content (TEC) anomaly variations that are likely associated with large earthquakes as observed by global positioning system (GPS) requires the elimination of the ionospheric effect from irregular solar electromagnetic radiation. In particular, revealing the seismo-ionospheric anomalies when earthquakes occurred during periods of high solar activity is of utmost importance. To overcome this constraint, a multiresolution time series processing technique based on wavelet transform applicable to global ionosphere map (GIM) TEC data was used to remove the nonlinear effect from solar radiation for the earthquake that struck Tohoku, Japan, on 11 March, 2011. As a result, it was found that the extracted TEC have a good correlation with the measured solar extreme ultraviolet flux in 26–34 nm (EUV_26–34) and the 10.7 cm solar radio flux (F_10.7). After removing the influence of solar radiation origin in GIM TEC, the analysis results show that the TEC around the forthcoming epicenter and its conjugate were significantly enhanced in the afternoon period of 8 March 2011, 3 days before the earthquake. The spatial distributions of the TEC anomalous and extreme enhancements indicate that the earthquake preparation process had brought with a TEC anomaly area of size approximately 1650 and 5700 km in the latitudinal and longitudinal directions, respectively.     

太阳E10.7指数的反演及预报方法

针对高层大气密度预报和轨道预报业务中对新型太阳紫外辐射指数E_10.7的需求,基于TIMED-SEE观测仪器提供的0.1～105 nm太阳辐射强度数据,开展了E_10.7指数反演和中期预报研究。 E_10.7指数是太阳光谱中波长为0.1～105 nm的辐射流量,单位与F_10.7指数相同（sfu,1 sfu=10–22 W·m–2·Hz–1）。 TIMED-SEE观测仪器提供的0.1～105 nm太阳辐射强度实测值具有高时间分辨率、延迟时间短和易获得的优势,利用最小二乘法拟合可反演出准实时的E_10.7指数,均方根误差为5.445 sfu。利用高阶自回归模型对E_10.7的中期预报效果尚佳,未来27天的预报值平均相对误差为7.83%。利用同样方法还开展了E_10.7指数81天中心滑动平均值未来27天预报试验,未来27天的预报值平均相对误差仅为3.63%。      

The regional peculiarities of the total ozone content variations caused by solar/geomagnetic phenomena

The ozone variations possibly caused by solar electromagnetic radiation, geomagnetic storms and solar particle events depend on the latitude and longitude. The results of the statistical analysis on the base of TOMS total ozone content (TOC) measurements are compared for the regions with the same geographical or geomagnetic latitude but with different stratospheric and/or tropospheric dynamics. The atmospheric circulation could be the intermediate link of a chain of solar/geomagnetic influence on the TOC.     

Global pictures of the ozone field,from high altitudes,from DE-I

Using the imaging instrumentation aboard the Dynamics Explorer spacecraft (DE-I), total column ozone densities are obtained in the sunlit hemisphere by measuring the intensities of backscattered solar ultraviolet radiation with multiple filters and multiple photometers. The high apogee altitude (23,000 km) of the eccentric polar orbit allows high resolution global-scale images of the terrestrial ozone field to be obtained within 12 minutes. Previous ozone-monitoring spacecraft have required much longer time periods for comparable spatial coverage because of their lower altitudes (<1200 km). The much higher altitude of DE-I also provides hours of continuous imaging of features compared to minutes or seconds with previous spacecraft. Near perigee, high resolution images can be gained with pixel size as small as 3 km to view mesoscale atmospheric variations. Utilizing these data, the effects of planetary-scale, synoptic-scale, and mesoscale dynamical processes, which control the distribution of ozone near the tropopause, can be studied. Preliminary results show short-term (less than one day) variations in the synoptic ozone field and these variations appear to be in accord with meteorological data. Spatial variations in the ozone field are found to be highly negatively correlated with tropopause altitude.     

紫外后向散射探测臭氧总量的反演误差研究

通过探测紫外后向散射获取臭氧总量目前已经成为臭氧总量探测的主要方法之一. 本文以模拟计算为主要方法, 从模式计算误差, 反演算法误差和仪器误差三方面着手, 对影响臭氧总量反演精度的各个参数进行分析研究, 并对由其引起的臭氧总量反演误差进行定量计算, 研究结果对臭氧总量反演精度的提高和实际观测资料的处理有着重要的指导意义.