基于最优估计法的瑞利激光雷达反演大气温度研究

基于瑞利激光雷达的回波光子信号对中层大气进行探测,结合最优估计法,对大气温度进行反演。本文基于瑞利散射激光雷达方程建立正向模型,选择大气模型的温度廓线作为先验状态信息,构建用于最优化处理的成本函数,利用Levenberg-Marquardt最优化算法对成本函数执行最优化处理,得到大气温度的反演结果,对反演结果的不确定度分析的同时利用平均核矩阵对反演结果中真实信息的贡献进行评估。利用瑞利激光雷达方程产生的模拟回波信号进行了大气温度的反演处理与分析,对中国科学院国家空间中心提供的瑞利激光雷达实测数据进行大气温度的最优估计反演。结果表明,90 km以下的反演不确定度在10 K以内,且相较于CH方法,最优估计法具有反演有效范围高的优势;在回波光子信噪比较高的区域,反演不确定度较小,且真实信息对反演结果的贡献占主导地位。     

青岛上空中层大气密度和温度的激光雷达探测

介绍了中国电波传播研究所瑞利散射激光雷达系统的结构和性能, 阐述了激光雷达探测中层大气密度和温度的工作原理, 给出了青岛地区中层大气密度和温度的初步探测结果. 通过与卫星、探空气球和大气模式数据的结果对比, 验证了激光雷达探测大气温度的可靠性. 基于2008-2009两年的观测, 获得了青岛地区上空中层大气温度的季节变化和平均分布. 激光雷达观测结果表明, 青岛地区平流层温度比CIRA86模式结果高, 且二者偏差呈夏秋季小、冬春季大的特点, 中间层温度则正好相反.     

瑞利激光雷达探测北京上空中间层低逆温层

利用延庆瑞利激光雷达（40.47°N,115.97°E）2012年1-2月及2012年5月至2013年4月的探测数据,分析得到北京上空60～80km高度140个晚间的温度廓线,对这一区域内的低中间层逆温层现象（Lower Mesospheric Inversion Layer,Lower MIL）进行了统计分析,发现平均逆温幅度为23.4K,平均垂直尺度为4.78km,逆温层底部平均高度为68.2km.约有2/3的逆温层存在随时间垂直传播现象,且大多为向下传播.此外,还观测到三个垂直传播速度相差近一倍的特殊双低层MIL演化现象.     

太阳耀斑活动对中层大气温度的影响

本文利用NIMBUS-7SAMS温度资料,分析研究了1979年至1982年期间发生的3.5级以上大耀斑事件对中层大气温度的影响。并对其物理过程进行了分析和讨论。主要结论是:在太阳大耀斑爆发前后的一两天内,在20°N-60°N地区的中间层大气上部,大气温度有明显降低,中间层下部则有明显增加。对平流层顶高度以下的大气温度没有明显影响。     

我国地区20-80 km高空大气温度特征

利用Nimbus-7卫星1979-1981年的平流层和中间层大气温度探测(SAMS)数据,首次较全面地分析了我国上空20-80km高度大气温度的分布特征,并与COSPAR国际参考大气CIRA-1986进行了比较.结果指出,我国上空大气温度分布与COSPAR国际参考大气CIRA-1986的缔向平均温度分布存在一定差别,可供航空航天工作者参考.     

1980年中层大气温度波空间特征的初步分析

利用1980年Nimbus-7卫星网络点资料(温度场)对中层大气行星波的空间结构进行诊断和分析后发现,行星波扰动主要集中于冬半球,夏半球及赤道地区上空的扰动则相对较弱,但也不可忽视.冬半球行星波扰动中的瞬变波部分可以跨过赤道向夏半球传播,且传播主要集中于20kin和70km两个高度层附近.波数1冬季以准定常行里波为主,夏季瞬变行星波与准定常行星波波幅相当.行星波扰动的波幅从冬到夏的衰减主要表现在波数1和波数2上,波数3变化不大.      

基于钠激光雷达观测数据的中间层顶大气温度分布特性研究

作为中间层和热层的边界层,中间层顶存在多种能量交换方式,是大气能量耦合的重要区域。本文利用部署于中国科学院廊坊临近空间大气探测站的钠荧光多普勒激光雷达2013年的观测数据,研究了廊坊上空中间层顶区域大气温度的年度和季节分布特性,并分析了影响温度分布的多种因素。年平均温度廓线图显示,中间层顶位于约97.5 km高度处,温度约191.2 K。受放热化学反应的影响,年平均温度廓线91 km高度处出现了一个198 K的相对温度高点。中间层顶区域大气温度的季节分布受太阳辐射和大气动力学因素综合影响,夏季在大气动力学影响下,中间层顶高度较低,位于88 km高度处,温度也较低,约177 K;冬季太阳辐射起主导作用,中间层顶位于99 km高度处,温度为181 K。通过拟合月平均温度分析了中间层顶区域大气温度年变化和半年变化的振幅和相位特征。结果显示,中间层顶区域上部温度分布主要受太阳辐射的影响;在中间层顶区域下部,大气波动主导了温度分布。     

武汉上空中层顶大气重力波活动的钠层荧光激光雷达观测研究

从中国科学院武汉物理与数学研究所钠荧光激光雷达自1999年至今的观测数据中选取了分布于全年26天的数据进行重力波活动的分析研究.统计结果表明,武汉中层顶区的重力波活动非常频繁:26天总观测时间累计约为185.5 h,总共观测到124个重力波活动,平均发生频度为每小时0.7个波,且波的出现频度与地方时有一定关系.这些波的垂直波长主要分布在3-7km,垂直相速主要位于0.1-0.5 m/s.与国外报道的结果相比较,波长数值与分布较为一致,但相速明显较低.武汉中层顶区重力波活动的另一特点是多波过程很频繁,多、单波过程的出现比例约为3:2.利用钠层相对密度扰动时空图方法,给出了武汉中层顶区重力波传播和破碎现象的典型结果.还利用单色波模型对部分钠层数据进行了单色波相关参数的提取.     

夏季极区中层大气运动功率谱分析

本文分析了１９８７年６月２３日至２９日ＭＡＣ／ＳＩＮＥ国际联合观测期间ＳＯＵＳＹＶＨＦ雷达在Ａｎｄφｙａ探测中层大气风场起伏的功率谱．结果显示，垂直速度谱与重力波谱理论有较大差异．引入背景风场Ｄｏｐｐｌｅｒ漂移并不能完全解释垂直运动谱与重力波谱理论的偏差，背景风场的影响明显小于理论预测的结果，说明大气运动功率谱成分中除了重力波外可能还有其它因素．     

武汉中层大气中频雷达及其初步探测结果

首先简要地讨论了武汉中频雷达观测原理和设备的组成，该雷达测量60-100km高度的大气风场和电子密度，风场采用分布天线测量技术和全相关分析方法得到，电子密度通过微分吸收和微分相位技术获得，初步观测结果表明：（1）武汉上空冬季60-100km高度的纬向风多为西风，风速为30-50m/s，经向风速为10-20m/s，垂直风速较小，一般在5m/s以内，（2）60-100km高度范围的大气风场和电子密度均有明显的日变化，风场在某些时段和高度区间有较强的风剪切出现。（3）80km以上高度大气的风场和电子密度存在较明显的扰动现象，它可能与大气波动过程有关。     

Temperature variability in the tropical mesosphere during the northern hemisphere winter

Temperature observations at 20–90 km height and 5°N–15°N during the period of December 1992–March 1993 from the WINDII and MLS experiments on the UARS satellite are analysed together with MF radar winds and UKMO assimilated fields of temperature and zonal and meridional winds. The correlation between the different datasets at the tropics and zonal mean wind data at mid latitudes is examined for period February–March 1993, when series of stratospheric warming events were observed at middle and high latitudes. Wavelet analysis is applied to investigate coupling between stationary and travelling planetary waves in the stratosphere and the upper mesosphere. Planetary waves m = 1 with periods of 4–7 days, 8–12 days and 13–18 days are found to dominate the period. Westward 7- and 16–18 day waves at the tropics appear enhanced by stationary planetary waves during sudden stratospheric warming events.     

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.     

匀速升降温激励法温度传感器校准技术研究

为了对温度传感器进行便捷、快速、高效的温度校准,介绍了一种新的温度传感器校准技术,基于该校准技术方法设计了校准炉体,利用数值热分析优化了校准炉体的结构,并分析了校准炉体产生的不确定度分量对校准结果的影响。研究结果满足当前温度传感器校准需求。匀速升降温激励法快速校准技术在测量方法上具有新颖性和创新性,这项技术的成熟和实用普及为温度计量提供全新、高效地校准方法和技术途径。     

匀速升降温激励法温度传感器校准技术研究

为了对温度传感器进行便捷、快速、高效的温度校准,介绍了一种新的温度传感器校准技术,基于该校准技术方法设计了校准炉体,利用数值热分析优化了校准炉体的结构,并分析了校准炉体产生的不确定度分量对校准结果的影响。研究结果满足当前温度传感器校准需求。匀速升降温激励法快速校准技术在测量方法上具有新颖性和创新性,这项技术的成熟和实用普及为温度计量提供全新、高效地校准方法和技术途径。     

热沉温度场仿真研究

为了确定热沉温度场控制方法，建立了KM6热沉正常运行状态的数学模型，在MATRIX仿真平台上构造了仿真模型并求解，确定了KM6热沉温度场的动态特性和等价模型，并对热沉的设计提出了若干建议。     

热真空试验中变温速率的实现

为在热真空试验中实现试件温度的规定变化，在建立试件温度场数学模型的基础上，分析了既定变温速率的外热流调整方法，并介绍了仿真结果以及应用实例，证实了模型的正确性。     

极区中层夏季回波与频率关系的初步分析

研究不同频率的雷达体在不同时间和地点测量的极区中层夏季回波(Polar Mesosphere Summer Echoes,PMSE)体反射率,发现雷达体反射率与工作频率的4次方成反比,即产生PMSE回波的散射体的雷达散射截面与频率的4次方成反比,这种频率依赖关系不同于传统湍流理论.最后提出了PMSE实验和理论研究的新方法.     

重力波对中间层和低热层大气环流的影响

利用β通道准地转近似大气平均运动方程组,采用重力波线性饱和参量化方法,定性地研究大气重力波对中间层和低热层大气环流的作用.模拟计算得到,大气重力波对平均东西风速可产生100m·s^-1/d左右的作用力和产生120 m²/s的湍流扩散,这些作用平衡了Coriolis扭力,导致大气的平均东西风速大大偏离辐射平衡风场,中层顶附近的平均东西风速在冬季(夏季)甚至反转为东风(西风).平均东西风速计算结果与冬季和夏季中频雷达东西风速观测值和大气模式剖面等大致一致.