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.      

基于中国岢岚地区法布里-珀罗干涉仪的风场及行星波观测特征

利用中国岢岚站（38.7°N,111.6°W）法布里-珀罗干涉仪2013年7月至2014年11月的水平风场数据,对87,97,250km风场长期变化和行星波特征进行了研究.通过分析年振荡（AO）和半年振荡（SAO）振幅相位,将午夜风场与HWM07数据对比发现:87km和97km处FPI纬向风变化趋势与HWM07相近,而经向风相位落后于HWM07,从振幅上看,HWM07振幅偏大;250km处风场月变化大,FPI与HWM07差异大,HWM07模式的准确性需进一步考虑太阳活动和行星际磁场的影响.利用Lomb-Scargle功率谱以及最小二乘谐波拟合提取了三个高度的行星波振幅,其特征表明87km和97km处纬向风16日波秋季及冬春季活动强,而6.5日波最强振幅出现在春季和秋季,在中间层顶附近两种行星波活动均较弱;250km处经向行星波活动略强于纬向,经向风不同周期带的行星波最强振幅主要出现在5-9月,与电离层f₀F₂振荡特性的研究结果一致.      

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.      

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.      

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.      

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.      

火星表面风沙物理过程及沙尘暴的起动风速

通过建立风吹动地表沙粒运动的模型并根据大气湍流边界层风速廓线规律,计算了火星上沙尘暴的起动风速和沙尘暴发生时空中悬浮沙尘粒径的大小,并对沙粒从地面跳起进入气流的方式进行了验证.发现当大气为中性层结时,火星沙尘暴的起动需要离地面2m高处的风速达到28.7m·s-1.在起动临界风速下,地表沙粒需要滚动一个粒径的距离才能跳起,沙尘暴发生后,火星大气中悬浮沙尘的粒径小于30μm.      

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.      

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.      

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.      

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.     

子午工程首次火箭探空数据准单色惯性重力波特性分析

利用2010年6月3日子午工程首次气象火箭探测的温度和风场数据,采用矢端曲线法分别从平流层（20~50km）和对流层（0~15km）廓线提取了海南火箭发射场上空准单色惯性重力波参数.火箭探测的平流层和对流层两个准单色惯性重力波分别向上和向下逆风传播,固有周期为20.1h和22.4h,垂直波长为9.5km和4.0km,水平波长为2900km和753km,垂直群速度c_gz为0.0887m·-1和0.0298m·-1,水平群速度c_gh为12.7m·-1和3.65m·-1,λ_h/λ_z为305:1和188:1,c_gh/c_gz为143:1和122:1.      

Properties of the mesosphere and lower thermosphere

The variability and systematic variations of the properties of the upper mesosphere and lower thermosphere are probably the least well known aspects of the terrestrial atmosphere. Satellite measurements of this region are very limited and rocket and remote sounding techniques do not provide comprehensive coverage. Progress is being made in theoretical studies of this region, primarily with regard to tidal effects, and some progress is being made in analyzing the relatively sparse experimental data that are available. Turbulence dynamics of the region has been studied by analyzing structure measurements at Kwajalein, wind data from Natal and systematic variations of the turbopause altitude determined from measurements of the diffusive separation of argon. One question that is being raised at this time, and it is appropriate at a time near solar maximum, is the extent of solar activity control of the properties of this region of the atmosphere. The occurrence rates and magnitudes of the turbulent diffusivity in the 70 to 90 km altitude region appear to correlate with solar activity with a time lag, as do also the incidence of aurora and the atomic oxygen green line intensity. Solar cycle dependence has been identified in mean zonal wind speeds in the 65 to 110 km altitude region above Saskatoon and in lower thermosphere temperatures measured at Heiss Island and at St. Santin. Millstone Hill data show that the mean meridional wind changes during a solar cycle. Solar cycle variations have also been detected in the stratosphere and troposphere.     

2009年2月13日EUV波现象数值研究

结合STEREO卫星的观测和三维磁流体力学数值模拟方法, 采用WSO (Wilcox Solar Observatory)磁场数据和势场源表面模型建立日冕初始磁场, 并在日面活动区加上时变的压强扰动, 对2009年2月13日05:35UT爆发的CME-EUV波(Coronal Mass Ejections-Extreme Ultraviolet wave, 日冕物质抛射-远紫外波)事件进行研究. 从COR1/STEREO-A图像判断, 此次CME前沿速度约340km·s-1, 角宽度约60°; 分析EUVI/STEREO-B 195 ?的差分图像, 可以看到, 环形亮环波前从活动区向四周传播, 亮环波前后面是日冕暗化区, 取四个方向的波前位置进行线性拟合可知, 该EUV波速度为247km·s-1, 数值模拟得到的EUV波速度为245km·s-1, 将计算结果采用IDL可视化后可以看到明显的亮环和暗区结构, 数值模拟结果与卫星观测相一致, 表明该EUV波现象是快磁声波.