TIMED/SABER与AURA/MLS临近空间探测温度数据比较

利用AURA/MLS数据（V4.2）和TIMED/SABER数据（V2.0）对20~92km高度的大气温度进行比较分析,计算AURA/MLS数据与TIMED/SABER数据的温度绝对偏差,并分析平均温度偏差在不同季节中随经度、纬度和高度的变化特征.结果表明:20~80km高度的平均温度偏差在±6K以内,相对偏差在3%以内;80~90km高度平均温度偏差减小至-10K以下,相对偏差在9%以内.中低纬度地区平均温度偏差廓线的变化趋势一致,从20km高度的-3K左右的负偏差逐渐增加,在45~50km高度的平流层顶处有较明显的3K左右的正偏差峰值.平均温度偏差随纬度变化明显,随经度变化很小.研究结果可为卫星数据的应用提供参考依据.      

临近空间大气密度扰动对高超声速飞行器气动热环境的影响

基于TIMED/SABER 2002—2018年大气密度观测数据,统计分析了20~80 km大气密度扰动对高超声速飞行器飞行热环境的影响。根据驻点热流估算方法给出的大气密度变化量与热流变化量之间的关系,定性和定量分析了不同月份大气密度相对变化量引起的热流变化量在垂直和水平方向的分布特征。研究表明:SABER大气密度月年均值计算的热流相对USSA76在夏季半球中高纬度地区偏高,在冬季半球偏低。在夏季半球高纬度地区约80 km附近存在热流增量的极大值,南半球夏季的极大值高于北半球夏季,尤其在南半球1月份,热流偏高可达32.2%。在经度方向,热流分布在夏季半球差异较小,冬季半球差异较大;考虑真实大气中存在的扰动时,在南半球和北半球夏季80 km附近,SABER大气密度预测的热流分别比USSA76偏高可达40.7%和36.6%。在经度方向,大气扰动引起的热流经向分布差异显著。在飞行器设计时,大气扰动的影响不能忽略;高超声速飞行器飞行应避免在夏季穿越南半球和北半球,规避热流增加带来的风险。      

AIRS观测资料研究全球平流层重力波特性

利用2012—2014年1月和7月AIRS（Atmospheric Infrared Sounder）第79通道的观测数据,分析了平流层重力波活动强弱的全球分布以及重力波发生频率的全球分布;分析了重力波活动随纬度和经度的变化特征,给出了重力波活动在全球范围内的热点区域及其活动强度;对比了白天与夜间的重力波活动强度及发生频率.研究表明重力波活动强度呈现出随纬度变化的特征,在低纬度地区（0°—30°）,冬季半球重力波活动强度低,夏季半球重力波活动高;在中高纬度地区,冬季半球重力波活动强度高而夏季半球重力波活动强度低.在1月,全球重力波活动有4个突出的热点区域,分别为50°N附近欧洲大陆与大西洋交接地带、北美洲与大西洋交接地,20°S附近南美洲与大西洋交接地区、非洲与印度洋交接地区.在7月,重力波活动突出的地方为巴塔哥尼亚至南极半岛地区,以及50°S和75°E附近的印度洋区域.重力波活动强度在夜间大于白天,但是夜间的强重力波活动区域小于白天.      

神舟4号大气成分探测的新结果

神舟4号(SZ-4)大气成分探测器搭载在SZ-4留轨舱上于2002年12月30日发射入轨，在在轨运行的前3个多月中，正值地球南半球处于夏半球季节，并发生了多次中低强度的地磁扰动事件，SZ-4大气成分探测器测得了轨道舱运行高度上(330-362km附近)大气成分的响应变化和异常现象新结果．探测数据表明，中低强度的地磁扰动事件也能引起热层大气中主要成分O和N2的数密度值增高的响应变化．同样在进入地磁扰动峰期后较高纬度处出现了N2的异常增变和O的异常降变以及大气密度异常扰动的现象，但此期间所出现异常现象的地域与SZ-3和SZ-2大气成分探测器探测结果相反，它仅位于南半球较高纬度地区．     

大尺度行星波跨赤道传播的E—P通量诊断

利用Nimbus－7卫星温度探测资料，计算了平流层和中间层的风场、位势高度扰动场，进行了行星波E－P通量分析．结果表明，中层大气中的准定常行星波，其定常分量不能跨过赤道上空的零风线，由于其幅度的起伏和相位的变化，激发的瞬变行星波分量不受赤道零风线的限制，可以从冬半球向夏半球传播，也可以从夏半球向冬半球传播．这种跨赤道传播为夏半球行星波的能量来源提供了一种解释．     

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.      

利用Aura卫星资料计算全球中层大气背景风场

利用2005年第二代地球观测卫星系统(EOS)的Aura卫星上MLS观测的压强、温度、密度等数据,推算出全球中层大气的平均背景风场,分析了中层大气风场随时间和高度变化的特点.与武汉流星雷达及澳大利亚Adelaide台站观测的比较结果显示,用Aura数据推算出来的风场与实际观测比较符合.与HWM-93模式的比较显示,Aura风场随时间和空间变化的总体趋势与HWM-93基本吻合.特别是在80km以下的高度范围内Aura数据与HWM-93数据符合得比较好;在80 km以上的高度,Aura所算得的风值与HWM-93风值的差别逐渐增大,Aura风值普遍比HWM-93的要大.      

一种全球临近空间大气密度建模方法及应用

基于TIMED/SABER卫星2002—2018年观测的20~100 km大气密度数据,统计获得多年月平均值和标准偏差的全球网格数据。利用网格数据,分析了大气密度的变化特征。以网格数据为基准,计算了USSA76的相对偏差,分析了USSA76相对偏差的分布特征。以网格数据为驱动,将大气密度表征为平均值与大尺度扰动量和小尺度扰动量的加和,大尺度扰动和小尺度扰动分别采用余弦函数和一阶自回归模型表征,初步建立了全球临近空间大气密度模型。通过对比模型仿真值与激光雷达观测值,表明模型仿真值与观测值具有较好的吻合度,验证了建模方法的可行性。利用蒙特卡罗方法可再现给定轨迹上所有可能的大气状态。      

基于WACCM+DART的临近空间SABER和MLS温度观测资料同化试验

基于WACCM+DART（Whole Atmosphere Community Climate Model,Data Assimilation Research Test-Bed）临近空间资料同化预报系统,以2016年2月的一次平流层爆发性增温（SSW）事件为例,开展了临近空间SABER（Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry）和MLS（Microwave Limb Sounder）温度观测资料集合滤波同化试验.结果表明:同化SABER和MLS温度观测资料可显著降低WACCM模式在中间层和平流层中上部（0.001～10hPa）大气温度场的预报误差,改善CR试验在SSW发生时中间层变冷现象偏强、纬向风场首次发生反转的层次偏低以及增温恢复阶段0.1～10hPa的东风层提前消退、纬向风速偏大、平流层顶位置偏高等现象.基于ERA5（The Fifth Generation of ECMWF Reanalyses）再分析资料的检验表明:同化SABER和MLS温度资料明显有利于减小北半球高纬度地区（60°-90°N）平流层中上层和下中间层（0.1～14hPa）纬向风场以及平流层和中间层中下层（0.01～100hPa）温度场的分析误差;同化低层大气观测也有利于减小0.1～14hPa纬向风场和0.01～100hPa温度场的分析误差,但是不如同化SABER和MLS温度资料对临近空间纬向风场和温度场分析误差的改善效果显著.      

Seasonal variation of gravity wave sources from satellite observation

Recent high-resolution satellite observations of gravity waves in the middle atmosphere have shown correlations with the strength of the stratospheric jet stream, surface topography, and tropical convection. Seasonal variations of wave-induced stratospheric radiance variances are often the manifestations of modulations of these sources and refractive influences. In this paper, we focus on the seasonal climatology of gravity waves observed by the UARS MLS, while also showing some new results from GPS and AMSU instruments. Our analysis is aided by MWFM modeling of mountain waves at high latitudes and CMAP precipitation indices in the subtropics to provide a clearer picture of global gravity wave dynamics.     

北京地区大气温度及重力波活动的季节变化

利用瑞利激光雷达观测数据,分析了北京地区35~70km高度范围内大气温度和重力波活动的季节变化.发现北京地区30~70km高度范围内的大气温度有明显的年周期变化:平流层顶最高温度出现在6,7月份,大约为270K;中间层70km高度最低温度也出现在6,7月份,大约为200K.以2014年10月14日晚数据为例,分析重力波势能密度,发现50km以下重力波势能存在耗散,而在50km以上重力波近乎无耗散地向上传播.通过对比35~50km高度范围内的平均势能密度,对北京地区重力波活动强弱的季节变化进行了研究.研究结果表明,北京上空重力波活动强度具有明显的年周期变化,冬季平均势能密度为18J·kg-1,夏季为8J·kg-1,且冬季重力波活动强度约为夏季的两倍.此外,还分析了春夏秋冬四个季节重力波势能密度随高度的变化.结果表明,不同季节和不同高度的重力波势能密度不同.      

Kinetic temperature and carbon dioxide from broadband infrared limb emission measurements taken from the TIMED/SABER instrument

The Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry (SABER) experiment is one of four instruments on NASA’s Thermosphere–Ionosphere–Energetics and Dynamics (TIMED) satellite. SABER measures broadband infrared limb emission and derives vertical profiles of kinetic temperature (Tk) from the lower stratosphere to approximately 120 km, and vertical profiles of carbon dioxide (CO₂) volume mixing ratio (vmr) from approximately 70 km to 120 km. In this paper we report on SABER Tk/CO₂ data in the mesosphere and lower thermosphere (MLT) region from the version 1.06 dataset. The continuous SABER measurements provide an excellent dataset to understand the evolution and mechanisms responsible for the global two-level structure of the mesopause altitude. SABER MLT Tk comparisons with ground-based sodium lidar and rocket falling sphere Tk measurements are generally in good agreement. However, SABER CO₂ data differs significantly from TIME-GCM model simulations. Indirect CO₂ validation through SABER-lidar MLT Tk comparisons and SABER-radiation transfer comparisons of nighttime 4.3 μm limb emission suggest the SABER-derived CO₂ data is a better representation of the true atmospheric MLT CO₂ abundance compared to model simulations of CO₂ vmr.     

基于CO2测量数据的大气辐射传输模型LBLRTM优化

根据TIMED/SABER 2002—2018年的CO₂观测数据,分析CO₂浓度的变化特征.依据变化特征给出了CO₂浓度随时间、高度、纬度变化的月平均拟合公式,利用非线性最小二乘拟合法,对不同高度和不同纬度的CO₂浓度数据分别进行拟合,生成相应的拟合参数.然后,将所有拟合参数汇总并生成拟合参数文件,结合拟合公式构建全球CO₂浓度经验计算模块,并将该模块应用到大气辐射传输模型LBLRTM中,对该模型进行优化.将优化前与优化后的LBLRTM模型模拟结果分别与TIMED/SABER观测数据进行比较发现,优化前的LBLRTM模型模拟结果与观测值的均方根误差为15.4%,而优化后的LBLRTM模型模拟结果与观测值的均方根误差由15.4%下降至8.91%.结果表明该优化方法可以提高LBLRTM模型在红外波段的辐射模拟精度.      

Gravity waves generated by thunderstorms: South-East Asia tropical region study

Gravity waves are recognized as an integral part of earth’s atmosphere which are mainly responsible for energy and momentum distribution among different layers and regions in the atmosphere. Various sources present in land, ocean, and atmosphere such as mountains, convection, jets and fronts etc. are responsible for gravity waves generation. Thunderstorms (deep convection) are one of the major sources of gravity waves in the tropical region, capable of generating waves with a wide range of frequencies and scales and significantly affecting the existing waves. Previous numerical studies have characterised the wave properties that are generated from thunderstorms, but there are no statistically quantified studies. In this paper, we have modelled the relationship between the latent heat generated inside a thunderstorm and the gravity wave properties at the geo-collocated points. Gravity waves are identified over Singapore radiosonde station (with data available until 30?km altitude with 12?h temporal resolution) in the stratosphere using wavelet studies. Based on the GROGRAT ray tracing methods to identify the thunderstorm locations, and RAMS cloud-resolving models simulations to obtain the latent heating of the thunderstorm, a regression analysis is performed using 200 cases of gravity waves. Furthermore, cloud-top momentum flux analysis is performed for various cases latent heat. This study is expected to provide more quantified and concrete information on the coupling between the thunderstorm and gravity wave which includes the variance in these relationships due to wave frequency spectrum and generation mechanisms.