对流层顶变化对上对流层/下平流层臭氧分布的影响

上对流层和下平流层(UT／LS),位于8-25km高度之间,是大气中一个很特殊的区域．大部分的臭氧分布在下平流层,在下平流层臭氧的含量发生一个很小的变化,就会对气候和地面的紫外辐射产生很大的影响．而作为气象参数的对流层顶,是充分混合、缺乏臭氧的上对流层和层结稳定、臭氧丰富的下平流层之间的边界或过渡层,其变化对臭氧总量和分布有直接和明显的影响．本文使用二维模式模拟研究对流层顶变化对臭氧在UT／LS分布的影响．模拟结果表明对流层顶的季节变化对UT/LS的臭氧分布有明显的影响,臭氧的局地变化可以超过10％在冬季北半球中纬度对流层顶高度升高1km时,模式结果表明对臭氧分布的影响比较显著,局地变化可超过6％,但是对臭氧总量的影响较小,变化不超过5DU,小于观测资料统计分析的结果。     

中间层臭氧的夜间变化特征及与太阳活动的相关性

基于ENVISAT-1/GOMOS(Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars)和TIMED/SABER (Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry)卫星的臭氧廓线数据结合模式HAMMONIA (Hamburg Model of the Neutral and Ionized Atmosphere)对热带低纬度地区(20°S－20°N)中间层(60～110 km高度)夜间(20:00 LT－24:00 LT)臭氧的分布进行统计, 分析其与27天太阳周期的相关性. 观测与模式均表明中间层夜间臭氧在95 km达到峰值, 并在中间层上层存在半年振荡. 通过与相同时间段内的太阳辐射强迫Lyman-α数据对比发现, 中间层上层臭氧与太阳强迫作用可能是反相关, 中间层下层臭氧与太阳强迫作用可能呈正相关. 虽然观测结果与模型结果在臭氧随月份的时间和空间分布上有一定的相同特征, 但在臭氧峰值的数值上发现有较大的差异, 其中臭氧敏感性的振幅被模型低估.     

武汉突发E层的季节变化及其与中层风的关系

通过对2018年武汉站（114.61°E,30.53°N）数字测高仪记录的数据统计分析,研究武汉地区突发E层的特征。研究发现：2018年武汉地区电离层突发E层的临界频率在夏季最高,在冬季有一个次增强现象,在春秋季较低;在正午前最大,在日落后出现小幅度提升,在日出前最低。利用指定动态全球大气气候扩展模型SD-WACCM-X模拟出2018年武汉上空90～140 km高度的平均风场,探讨突发E层与背景风之间的关系,揭示突发E层的形成机制。结果表明,半日潮汐分量可能诱导突发E层临界频率的半日变化,周日潮汐分量诱导突发E层临界频率的周日变化;突发E层的强度可能与纬向风场120 km高度处的风剪切有关。     

利用WACCM-3模式对平流层动力、热力场及微量化学成分季节变化的数值模拟研究

利用美国NCAR最新的化学-气候耦合模式WACCM-3对平流层风场、温度场以及平流层臭氧等多种微量气体成分(O3, CH4, N2O, H2O, HCl, HNO3)的季节变化进行了数值模拟, 并使用ECMWF再分析资料与美国UARS卫星 搭载的HALOE, MLS, CLAES等探测器的观测资料, 对模式输出的动力、热力及化学成分浓度的气候平均值进行了验证. 结果表明, 在气候平均海表温度值驱动下, WACCM-3模式能够很好地再现ECMWF资料中平流层纬向平均风场与温度场的季节变化. 模拟结果中平流层化学成分的经向-垂直分布及其季节变化与卫星观测结果基本一致. 模式的动力、热力场在极地平流层以及热带对流层顶等区域存在一定的偏差. 这些偏差对于微量气体成分分布 的模拟具有一定影响, 特别是南半球冬(7月)、春(10月)季节南极平流层低层极夜 急流偏强, 造成极地地区附近的输送障碍增强, 从而导致CH4, N2O, H2O浓度比观测偏低. 此外, WACCM-3缺少热带平流层风场的准两年振荡(QBO) 机制, 这对于热带平流层东风急流以及低纬度平流层O3, CH4, N2O, H2O等成分经向输送的模拟结果也有一定影响.     

激光雷达观测研究低纬度地区钠层季节变化特征

使用钠荧光激光雷达观测2018－2019年低纬度地区海口(20.0°N, 110.3°E)上空钠层变化规律, 统计分析了钠层密度分布与其季节变化特征以及特殊事件的季节变化特征, 发现海口钠层变化与季节之间有较大关联. 钠层平均密度呈现基本对称的高斯分布特点, 柱密度和峰值秋冬季大, 峰值位置夏高秋低, 质心高度变化稳定, 半高全宽与均方根宽度秋季小冬季大. 突发钠层事件 (Sporadic Sodium Layer, SSL)随季节变化明显, 持续时间夏长春短, 峰值秋季大、春季小, 秋冬季峰值位置较高, 夏季突发强度最大, 除秋季外其他季节突发峰值多在后半夜. 结合海南儋州(19.5°N, 109.1°E)测高仪数据, 结果显示海口地区发生在97 km以上的SSL与突发E层(Es)有较大相关性. 低纬度地区冬季发生SSL的概率较高, 双钠层(Double Sodium Layer, DSL)多出现在春、夏季.     

武汉地区电离层TEC和NmF2及板厚的季节变化

通过利用武汉电离层观测站(114.4°E,30.6°N)1980-1990年对E8T-Ⅱ卫星信标的法拉第旋转测量的TEC(电子浓度总含量)数据,以及由测高仪测量的1980-1990年间的f0F2(F2层临界频率)数据,研究了武汉地区TEC,NmF2(最大电子浓度)和板厚的季节变化,同时比较了IRI和武汉单站模式在预测NmF2季节性方面的有效性.武汉单站模式在预测NmF2季节性变化方面优于IRI模式.      

极区中层顶区域重力波谱的季节变化

使用MAP/WINE和MAC/SINE两次试验中测量的25m高分辨率水平速度数据和1km低分辨率温度数据,研究极区中层顶区域重力波谱的季节变化.温度的直接测量使计算的谱振幅和Richardson数更接近真实大气.结果显示,极区中层顶区域水平速度垂直波数谱的斜率和振幅存在相当大的变率,这些大的观测变率用各种饱和模式及普适垂直波数谱不能解释.然而平均垂直波数谱显示了明显的季节变化,在夏季,平均谱具有饱和特性;在冬季,平均谱具有非饱和特性.这意味着饱和过程存在于夏季而不是冬季.因此,夏季比冬季应有更强的湍流.这个结果与湍流季节变化的观测大致一致.从Brunt-Väisälä频率N和水平风切变计算的Richardson数Ri剖面也显示出季节差异,Ri<1/4的动力不稳定区出现在夏季,而Ri>0.4的稳定区出现在冬季.这些不稳定区与夏季谱结合很好,而稳定区则与冬季谱结合很好.     

FY3D/GNOS大气掩星探测温度与TIMED/SABER探测温度和NRLMSISE00 模式温度的比较

大气温度数据的精确探测对于研究中高层大气的结构特征和动力学过程具有重要意义. 利用2019年1月至2021年12月共3年的FY3D掩星观测数据, 借助TIMED/SABER探测数据和NRLMSISE00大气模式数据, 对12～100 km范围内的大气温度数据进行比较. 统计分析SABER-FY3D温度偏差(TSABER–TFY3D)和NRLMSISE00-FY3D温度偏差(TNRLMSISE00–TFY3D)及其随纬度、季节的分布和南北半球的差异. 结果显示, 三种温度数据随高度变化趋势是大体一致的, SABER-FY3D温度偏差在12～30 km高度范围内为正偏差(0～1.8 K), 随高度升高, 温度偏差从30 km处的0 K增加到77 km处的$ - $11.6 K. NRLMSISE00-FY3D温度偏差在平流层为正偏差(0～4.4 K), 在中间层和低热层为负偏差($ - $2～0 K). 两种温度偏差随纬度和季节都存在明显的变化特征. 60 km以下, SABER-FY3D温度偏差在低纬地区较小($ - $3.8～1.8 K), 高纬地区较大($ - $12～1.6 K), 夏季较小($ - 大气温度数据的精确探测对于研究中高层大气的结构特征和动力学过程具有重要意义. 利用2019年1月至2021年12月共3年的FY3D掩星观测数据, 借助TIMED/SABER探测数据和NRLMSISE00大气模式数据, 对12～100 km范围内的大气温度数据进行比较. 统计分析SABER-FY3D温度偏差(TSABER–TFY3D)和NRLMSISE00-FY3D温度偏差(TNRLMSISE00–TFY3D)及其随纬度、季节的分布和南北半球的差异. 结果显示, 三种温度数据随高度变化趋势是大体一致的, SABER-FY3D温度偏差在12～30 km高度范围内为正偏差(0～1.8 K), 随高度升高, 温度偏差从30 km处的0 K增加到77 km处的$ - $11.6 K. NRLMSISE00-FY3D温度偏差在平流层为正偏差(0～4.4 K), 在中间层和低热层为负偏差($ - $2～0 K). 两种温度偏差随纬度和季节都存在明显的变化特征. 60 km以下, SABER-FY3D温度偏差在低纬地区较小($ - $3.8～1.8 K), 高纬地区较大($ - $12～1.6 K), 夏季较小($ - 大气温度数据的精确探测对于研究中高层大气的结构特征和动力学过程具有重要意义. 利用2019年1月至2021年12月共3年的FY3D掩星观测数据, 借助TIMED/SABER探测数据和NRLMSISE00大气模式数据, 对12～100 km范围内的大气温度数据进行比较. 统计分析SABER-FY3D温度偏差(TSABER–TFY3D)和NRLMSISE00-FY3D温度偏差(TNRLMSISE00–TFY3D)及其随纬度、季节的分布和南北半球的差异. 结果显示, 三种温度数据随高度变化趋势是大体一致的, SABER-FY3D温度偏差在12～30 km高度范围内为正偏差(0～1.8 K), 随高度升高, 温度偏差从30 km处的0 K增加到77 km处的$ - $11.6 K. NRLMSISE00-FY3D温度偏差在平流层为正偏差(0～4.4 K), 在中间层和低热层为负偏差($ - $2～0 K). 两种温度偏差随纬度和季节都存在明显的变化特征. 60 km以下, SABER-FY3D温度偏差在低纬地区较小($ - $3.8～1.8 K), 高纬地区较大($ - $12～1.6 K), 夏季较小($ - 大气温度数据的精确探测对于研究中高层大气的结构特征和动力学过程具有重要意义.利用 2019年1月至 2021年 12月共 3年的FY3D掩星观测数据,借助TIMED/SABER探测数据和NRLMSISE00大气模式数据,对 12～100 km范围内的大气温度数据进行比较.统计分析SABER-FY3D温度偏差(TSABER-TFY3D)和NRLMSISE00-FY3D温度偏差(TNRLMSISE00-TFY3D)及其随纬度、季节的分布和南北半球的差异.结果显示,三种温度数据随高度变化趋势是大体一致的,SABER-FY3D温度偏差在 12～30 km高度范围内为正偏差(0～1.8 K),随高度升高,温度偏差从 30 km处的 0K增加到 77 km处的-11.6 K.NRLMSISE00-FY3D温度偏差在平流层为正偏差(0～4.4 K),在中间层和低热层为负偏差(-2～0 K).两种温度偏差随纬度和季节都存在明显的变化特征.60 km以下,SABER-FY3D温度偏差在低纬地区较小(-3.8～1.8 K),高纬地区较大(-12～1.6 K),夏季较小(-0.5～2.2 K),冬季较大(-6.2～1 K);NRLMSISE00-FY3D温度偏差正好相反,在高纬地区较小(-1.6～2.4 K),低纬地区较大(-3.9～6.1 K),冬季较小(-2～2.2 K),夏季较大(-1.3～7.1 K).两类月平均温度偏差的零偏差线所在高度在南北半球均存在春夏季节较高,秋冬季节较低的特征.冬季 40～60 km高度区域内,北半球的SABER-FY3D平均温度负偏差比南半球的明显.     

2000年和2001年52°N地区OI5577气辉强度与原子氧浓度峰值的时间变化特征

分析了2000年和2001年期间52°N地区OI5577气辉强度的夜间变化特征和季节变化特征．利用由 OI5577气辉强度反演原子氧浓度峰值的方法反演出原子氧浓度的峰值,分析了峰值的夜间变化特征和季节变化特征．结果表明, OI5577气辉强度的夜间变化特征随季节变化, 2000年春季的夜间强度最大值出现在0000LT 之后,夏季和秋季的出现在0000LT之前,冬季的出现在0000LT,2001年春季和秋季的夜间强度最大值出现在0000LT之前,夏季和冬季的出现在0000LT;OI5577气辉强度在2000年2月份,8月份和10月份出现最大值,在2001年9月份有最大值．就主要特征而言,反演出的原子氧浓度峰值的夜间变化特征和季节变化特征分别与OI5577气辉强度的一致．     

Structure of the migrating diurnal tide in the Whole Atmosphere Community Climate Model (WACCM)

As part of an ongoing effort to understand the migrating diurnal tide generated by the NCAR Whole Atmosphere Community Climate Model, version 3 (WACCM3), we compare the WACCM3 migrating diurnal tide in the horizontal wind and temperature fields to similar results from the Global Scale Wave Model (GSWM). The WACCM3 diurnal tidal wind fields are also compared to tropical radar measurements at Kauai (22°N, 200.2°E) and Rarotonga (21.3°S, 199.7°E). The large-scale features of the WACCM3 results, such as the global spatial structure and the semiannual amplitude variation are in general agreement with past tidal studies; however, several differences do exist. WACCM3 exhibits a much higher degree of hemispheric asymmetry, lower overall amplitudes around the equinoxes, and peaks which are more confined in latitude when compared with the GSWM. Factors which may contribute to such differences between WACCM3 and GSWM are the solar heating profiles from ozone and water vapor, dissipation, and the zonal mean zonal winds. We find that the internally generated heating in WACCM3 and eddy dissipation values are both smaller than the values specified in the GSWM; the eddy dissipation fields and zonal mean zonal winds of the two models also display measurable differences in spatial structure. Comparisons with radar data show several differences in spatial and seasonal structure. In particular, the diurnal tide zonal winds in WACCM3 above Kauai are considerably larger in amplitude than those observed in the radar data, due to contributions from nonmigrating tidal components including wave numbers eastward 1 through 3, westward 2, and stationary components, which interfere constructively with the migrating component around equinox in WACCM3.     

新型高空探测系统

研发了一种新型全自动高空探测系统,其利用GPS定位,宽波瓣天线捕捉和低噪声接收的方法替代雷达或无线电经纬仪对高空探测仪进行跟踪定位和获取信息,具有不受低仰角的限制,目标不易丢失,性能价格比高等特点,成功将GPS应用于1680 MHz遥测数据传输体制.利用该系统进行了空中大气电场的探测实验,获得了满意的探测结果.由于系统轻便、操作简单、成本较低以及良好的机动性和可靠性,在近地空间环境探测和高空大气科学探测试验及常规的气象探测中有广阔的应用前景.     

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.     

近地小行星2016HO3表面温度建模研究

2019年4月18日,中国国家航天局(CNSA)公布了小行星探测计划,将近地小行星2016HO3作为探测任务目标之一。主要梳理了2016HO3热环境分析的要素,通过调研国际上目前观测数据,得到2016HO3的初步环境参数,使用近地小行星热模型(NEATM)与小行星热物理模型(TPM)开展了小行星2016HO3表面温度场建模与分析,综合得出小行星温度上限为412 K;同时结合其可能的自转条件,仿真分析了不同位置的昼夜温差变化特性,发现2016HO3最大温差大约为30 K。由于两个模型均不能直接处理极夜情况,在TPM模型基础上采用对自转周期光照进行平均思路,给出了极夜条件下的温度分析方法,并获得小行星2016HO3的温度下限。     

大气电场综合观测设备的设计

大气电场反映了地球近地表大气对气象活动、太阳活动与地质活动的综合响应。实现大气电场与气象参数及地磁活动指数等参数的综合测量,对雷电活动、地质灾害和磁暴活动等的研究具有重要意义。 设计开发了一种大气电场综合观测设备,能够同时测量包含温度、相对湿度、风速和大气电场等多个参数,在大气电场探测原理的基础上给出了大气电场综合观测设备的详细设计和电场标定过程。 通过对该设备在北京市十三陵台站实测数据的分析,与中国科学院国家空间科学中心FAMEMS-DF02电场仪以及中国气象网发布的气象数据进行对比,结果表明各气象参数99%的时刻对应误差不超过±10%,平均误差不超过±3%,而电场数据的平均误差为±0.166 kV·m^–1。