"神舟二号"大气密度探测器的探测结果Ⅱ.在太阳和地磁扰动期间高层大气密度的变化

选用了Sz—2大气密度探测器在2001年2—4月间的探测数据,进行日照和阴影区域热层大气密度对太阳和地磁活动程度的响应变化的探讨．结果表明,日照区大气密度峰值主要随F10.7值而变,在地磁扰动期间,阴影区大气密度对扰动的响应更明显,通常响应变化开始于高纬度地区,然后向低纬度地区推移．     

"神舟3号"运行高度上大气密度的变化

"神舟3号"(SZ-3)大气密度探测器搭载在SZ-3留轨舱上于2002年3月发射入轨,在轨运行期间获得了轨道舱运行高度范围(330-410km)内的大气密度数据.数据分析表明,无明显太阳和地磁扰动时,热层大气密度的主要变化之一是日照和阴影区域之间的涨落变化,最大涨落变化比约为3.0,变化比与太阳和地磁活动程度有关.在2002-04-17和2002-04-19的强地磁扰动时,全球热层大气密度上涨,同时在磁扰峰期探测获得30°N-40°N区域出现密度扰动异常现象.对强地磁扰动在运行轨道高度上大气密度最大涨幅约为60%左右,响应过程在时间上要比地磁扰动过程滞后6-7h,日照和阴影区域中大气密度的响应变化程度明显不同.在太阳活动程度发生变化时,热层大气密度会呈现出明显的正相关变化关系.     

利用二维核回归估计的大气密度模式修正

传统经验大气密度模式预测大气密度存在的较大误差会引起低轨卫星轨道预报误差,对卫星的再入轨、控制计划、碰撞规避及精密定轨造成不利影响.利用天宫一号卫星探测数据,针对大气NRLMSISE-00模式计算的误差特点,在地磁相对平静(Ap ≤ 30)的时间段内,对相近地方时和纬度的模式误差分布进行分析发现,相近地方时和纬度的模式误差分布基本相同.利用二维核回归估计方法,对与预测点相近地方时和纬度的样本误差进行加权,估计预测点处的模式误差,进而按距离预测日期天数的长短,采用加权修正法对模式预测结果进行修正,修正后大气模式误差的均方差(RMS)由14.09%降至4.05%.研究结果表明,该修正方法可以显著提高大气密度预报精度.      

2005年8月24日强磁暴事件对高层大气密度的扰动

对2005年8月24日发生的突发型强磁暴(Kp峰值达到9)事件,利用星载大气密度探测器在轨实时的连续探测数据进行了处理和分析.结果表明,此次强磁暴事件期间,引起560 km高度附近大气密度剧烈扰动,并存在着两种响应过程.一种是跟随地磁扰动程度变化的全球性大气密度涨落变化,响应时间滞后6h左右, 最大涨落变化比为2.5;另一种为磁暴峰期出现在高纬地区的大气密度突发性跃增,增变比高达5.5.后者存在着区域上的不对称性及时间上的突发性和增幅的差异.此次强磁暴峰期还同时出现了南北半球高纬地区的大气密度跃增双峰.同时还表明这种增变峰可能存在着由高纬向低纬地区迅速推移的现象,在中纬地区推移速度可达15°/h(纬度)左右.      

基于实时观测数据的大气密度模式修正

针对国际大气密度模式NRLMSISE-00, 以中国神舟飞船探测数据为基础, 提出一种基于实时大气密度观测数据的模式修正方法. 通过计算分析模式计算结果与探测数据的误差分布特征, 针对地磁相对平静期(Ap≤ 30)模式计算的误差特点, 建立了一种平均误差修正方法, 即认为在相对平静期, 在相同纬度和地方时, 模式误差基本相同, 某一时刻模式预测误差可以近似用与其相同纬度和地方时的平均误差来替代, 从而对模式预测结果进行修正. 以神舟4号探测数据为基础, 通过对模式预测结果采用两种方式进行修正, 可以看到模式误差得到了一定的改善. 采用误差库累积准实时修正, 修正后的误差由原来的20 %降至6 %; 采用误差库5天滑动预报修正后, 模式提前1, 2, 3天的预测误差由原来的20 %分别降至7.8 %, 9.4 %和10.5%.      

太阳活动与热层大气密度的相关性研究

为分析太阳活动对热层大气的影响,使用250km,400km,550km高度处热层大气密度与太阳F_10.7指数数据,研究了二者的周期变化及相关关系. 结果表明,热层大气密度的变化与太阳活动呈现相似的变化趋势;两者均具有显著的27天及11年周期变化特征,热层大气密度还存在7～11天及0.5年和1年的变化特征,且高度越高越明显;热层大气密度对太阳活动的最佳响应滞后为3天,无论何种地磁活动水平下,400km高度处相关性高于250km,550km处相关性最小,且太阳活动下降相期间高于上升相;250km,400km和550km高度处热层大气密度和太阳活动的统计结果分别为饱和、线性和放大关系;高度越高的热层大气密度对太阳活动响应越敏感.      

基于卫星加速度数据反演的热层大气密度与NRLMSISE-00模式结果的比较研究

利用CHAMP/STAR加速度数据反演的热层大气密度与NRLMSISE-00模式反演的热层大气密度进行比较, 结果表明, 热层大气密度在春秋季期间高于冬夏季, 并且太阳活动高年比低年更加显著; 日照面和阴影区大气密度的比值在低纬地区由太阳活动高年的4下降到太阳活动低年的2左右, 中纬地区大约由3变化到1.5, 高纬地区变化较小; NRLMSISE-00模式能够较好地模拟热层大气密度的变化趋势, 但是磁暴期间模式精度较差. 统计结果表明, 模式整体比反演结果偏高, 2002-2008年相对偏差分别为16.512%, 20.004%, 18.915%, 18.245%, 25.161%, 33.261%和41.980%; NRLMSISE-00模式在高纬地区的相对偏差为27.337%, 高于中低纬地区的24.047%; 模式在中等太阳活动水平相对偏差较为稳定, 基本在15%左右.      

强地震活动事件期间热层大气密度异常变化的探测结果

地震活动一直是人类非常关注的自然灾害事件, 其对热层大气密度的影响还不是非常清楚. 2008年5月12日中国四川汶川发生震级8.0级强震事件, 随后, 在6月14日日本本州东部, 7月5日鄂霍次克海和7月19日日本本州东海岸发生震级7.0~7.6级强震事件, 利用期间中国星载大气密度探测器在630 km高度上就位探测的热层大气密度对探测结果进行综合分析, 结果表明, 强地震震源中心区域上空附近热层大气密度出现异常降变. 在时间上, 强地震发生前1~3天内就已开始出现大气密度降变, 强地震发生日附近降变达到谷值, 降变比达0.40~0.65. 这种降变的纬度区域范围震前位于强震中心所处纬度的±3o~±9o, 强震发生当日扩大到±8o~±20o.      

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。     

"神舟三号"大气成分探测器探测结果--2002年4月磁暴期间大气成分的异常变化

"神州三号"(SZ-3)大气成分探测器搭载在SZ-3留轨舱上于2002年3月26日发射入轨,正遇2002年4月发生的连续两次地磁扰动事件,SZ-3大气成分探测器测得了轨道舱运行高度上(330-350 km附近)大气成分的响应变化和异常现象.探测数据表明,在地磁扰动期间,不仅发生了大气中主要成分O和N2的数密度值增变的响应变化,而且在进入地磁扰动峰期开始后6h左右在较高纬度处出现了N2的异常增变和O的异常降变.4-5h后,这种异常增变峰和降变谷由纬度42°N左右逐渐推移向纬度较低地区,直至消失.     

太阳极紫外辐射对热层大气密度的影响

对2001-2021年SOHO卫星的极紫外辐射测量数据,以及CHAMP,GRACE-A和SWARM-C卫星资料推导出的高分辨率大气密度数据进行统计分析,发现大气密度与极紫外测量值的相关系数大于密度与F10.7指数的相关系数,证实极紫外辐射在不同地方时的影响程度存在显著差异,从而驱动大气密度的周日变化。利用三颗卫星的高度差异揭示极紫外辐射对大气密度的加热效应在350～500 km范围随着高度增加而减弱。统计得到极紫外辐射影响在地方时和纬度上的空间差异：对夏季半球的影响大于冬季半球;在白天,对中纬度地区的影响高于赤道和高纬度地区;在夜间,密度对辐射的斜率在夏季半球高纬度地区存在峰值,在冬季半球中纬度存在谷值,模型DTM2000和NRLMSISE00未能准确刻画。为了改进经验模型,提出基于球谐函数的拟合方法,优于主流模型周日效应采用的表达式,对周日效应建模和修正提供有益借鉴。利用昼夜间能量传输和热层大气经向环流机制探讨了统计结果的物理机制。     

典型热层密度模式误差分析

以CHAMP卫星2001年5月15日至2008年12月31日期间2755天的加速度计反演热层大气密度数据为基准,对JB2008和MSISE00两种模式的反演误差进行了统计分析.发现这两种模式整体上均高估了热层大气密度,但JB2008模式的精度优于MSISE00模式.JB2008和MSISE00模式的平均相对误差分别为2.2%和17.6%.对空间环境简要分类,统计各类型事件下热层实测和模式密度的纬度和地方时特性,发现MSISE00模式具有较好的地方时特性,而JB2008模式具有较好的纬度特性.研究结果对掌握目前热层密度模式误差特性及指导模式改进方向具有一定意义.      

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.      

第23太阳活动周热层大气密度对太阳辐射指数F10.7响应的模拟研究

利用NCAR-TIEGCM计算了第23太阳活动周期间（1996—2008年）400km高度上的大气密度,并统计分析大气密度对太阳辐射指数FF_10.7的响应.结果表明,在第23太阳活动周内,大气密度的变化趋势与太阳辐射指数FF_10.7的变化趋势基本一致,但是大气密度在不同年份、不同月份对太阳辐射指数FF_10.7的响应存在差异.第23太阳活动周内太阳辐射极大值和极小值之比大于4,而大气密度的极大值与极小值之比则大于10.太阳辐射低年的年内大气密度变化不到2倍,而太阳辐射高年的年内大气密度变化可达2倍甚至3倍.大气密度与FF_10.7指数在北半球高纬的相关系数比南半球高纬的相关系数大.在低纬地区,太阳辐射高年大气密度与FF_10.7指数的相关系数比低年的大.不同纬度上,大气密度与太阳辐射指数FF_10.7的27天变化值之间的相关系数都大于其与81天变化值之间的相关系数.      

不同强度磁暴期间热层大气密度响应特征分析

利用CHAMP卫星数据,对2002-2008年12个不同强度磁暴事件期间的热层大气密度变化特征进行分析,并研究对应磁暴期间大气模式NRLMSISE-00分布特征.结果表明,大磁暴期间日侧大气密度峰值从高纬到低纬的时间延迟为2h,中小磁暴期间的延迟时间为3～4h;春秋季暴时大气密度分布基本呈南北对称分布,而夏冬季大气密度的分布是夏半球大于冬半球,春秋季暴时大气密度大于夏冬季;NRLMSISE-00大气模式得到的热层大气密度很好的体现了半球分布以及季节分布的特征,但模式模拟结果偏小;Dst指数峰值比ap指数峰值更能反应大气密度的变化情况.      

一种区域参考大气密度的建模与应用方法

为满足空天试验研究中对参考大气模型的实际需求,即模型应具有跨时空的全球尺度覆盖性以及在起降关键航迹点的高精度性,提出了一种区域参考大气密度的建模与应用方法。首先对实测数据的冬夏季典型月份的大气密度特性,具体包括月均值与密度扰动进行统计分析,在此基础上提出了基于探空试验实测数据的全球参考大气模型（GRAM）的定量修正方法,从而构建起了包含有大气扰动与季节变化的区域参考大气密度模型。最后提出了区域参考大气密度模型向GRAM的过渡方法与实际应用方法。研究表明,探测地区的大气密度特性具有明显的冬夏季节性差异,需要根据季节构建相应的大气密度模型。区域参考大气模型的蒙特卡罗仿真可以有效模拟实测数据的大气密度特性。通过与GRAM过渡结合,参考大气模型既具有全球覆盖性,又具有很高的局部精度。      

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。     

强磁暴期间TIEGCM模式与CHAMP卫星热层大气密度的比较分析

利用NCAR-TIEGCM模式计算了2003年11月20—21日强磁暴期间410km高度上的大气密度,并与CHAMP/STAR加速度计反演数据进行对比和分析. 结果表明,模式结果能够准确反映磁暴期间大气密度的分布和变化情况,与实测结果在变化趋势和量级上具有较好的一致性,但在精细结构和数值大小上仍存在一定差异. 模式低估了磁暴期间大气密度的增幅,实测大气密度增幅高达250%～400%,而模式结果为100%～125%. 模式结果与实测数据的偏差在高纬地区高于低纬地区,日侧高于夜侧. 通过模式和实测数据的分析发现,磁暴期间大气密度扰动具有日夜侧和南北半球不对称性. 此外,模式能够准确反映磁暴期间大气密度扰动从高纬向低纬的传播以及大气密度对SYM-H指数响应的延迟特性.      

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.      

2007-2009谷年期间高热层大气密度的变化

在第23至第24太阳活动周的峰年之间,太阳活动谷年具有持续时间长,极低F_10.7太阳辐射通量（低至65）和超长期的零太阳黑子数记录等特点,因此是观测和研究在这种特殊背景下热层大气变化的极好机会.尤其是能充分理解和掌握在宁静环境下热层大气密度对弱太阳活动和小地磁扰动的响应特性.本文利用高度650 km以上星载大气密度探测器2007—2009年的连续探测数据进行分析,结果表明,在太阳辐射通量F_10.7极低值期间,较高热层大气密度对F_10.7的起伏具有更显著的响应变化.当F_10.7由70降至65时,日均大气密度会有4～5倍的显著降变,远大于通常大气模式中的降变值.同样在F_10.7极低值期间,较高热层大气密度对小地磁扰动也具有显著的响应增变,当日K_p指数之和由23增至30时,较高热层大气密度则会有80%～160%的强增变.