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。     

瑞利激光雷达反演中层大气温度算法

瑞利激光雷达是探测中层大气温度的重要设备,具有高时空分辨率且不存在探测盲区的优点.为充分利用激光雷达探测到的原始数据,改进了传统的Chanin-Haunchecorne方法,采用由均匀搜索生成温度初值的方式反演大气温度.位于北京延庆（40.3°N,116.2°E）的瑞利激光雷达具有589nm和532nm两个通道,将589nm通道用于计算,532nm通道作为参考.在150~250K区间等间隔选取多个温度初值,利用589nm通道反演60~70km高度范围内的大气温度廓线和大气密度廓线,利用参考密度廓线选取准确的温度初值,反演得到准确的大气温度廓线.将589nm通道和532nm通道反演的温度廓线相比较,发现二者具有较高的一致性.改进后的方法有效利用了信噪比较差的光信号,使589nm通道的温度探测上限从60km提高到70km.      

无线电掩星和激光雷达观测结果比较

简要阐述了激光雷达和ＧＰＳ掩星探测大气的基本原理，并利用１９９６年１０月１４日１６２５ ＵＴ时 Ｂ本 ＴＭＵ钠和瑞利散射激光雷Ｂ（３９．２３°Ｅ、 ３５．３７°Ｎ）资＃，反演得到 ３０－５５ ｋｍ高度范围内大气密度和温度的观测结果，与此同时通过激光雷达上空的 ＧＰＳ掩星观测到的掩星切点处的观测结果进行了比较．结果表明：两种方法获得测出的密度廓线符合得很好；温度廓线的变化趋势也基本一致，但在某些高度上有较大的偏离．文中最后对比较结果作了简要分析，讨论了重力波对大气密度和温度廓线的影响．     

我国火箭探测资料与CIRA 1986稿的比较

本文用我国气象火箭探测获得的中层大气风、温度、密度和气压等数据,与国际参考大气模式CIRA 1986稿作了比较.结果看到,我国火箭探测温度数据值在模式给出的平均值剖面上下波动,符合的程度在国际比对偏差范围之内;用探测数据分析得到的风的季节性和声重波强度等与模式给出的描述都很符合.从而说明,用CIRA 1986稿来表征我国上空的中层大气结构是合适的.      

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。     

TIMED卫星探测的全球大气温度分布及其与经验模式的比较

利用TIMED卫星遥感探测的全球温度分布与NRLMSISE-00大气经验模式进行了对比研究.研究表明,在中间层下部以下的高度范围内,经验模式与卫星探测的大气温度分布有很好的一致性.但是比较发现,在中层顶区域,经验模式的计算结果与实测结果有较大的差异.卫星探测表明,在春分季节的低纬地区中层顶区存在稳定的逆温层,但是经验模式不能给出低纬地区春分季节中间层逆温层的分布特征.卫星观测表明在全球范围内中层顶有两个非常不同的高度,一个处于100km附近,另一个处于85km附近,但是经验模式不能给出这一中层顶高度的分布特征.同时在低热层,经验模式计算的温度分布与卫星遥感的探测结果有很大的差异.      

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.      

空间雷达观测大气环境技术

目前空间遥感技术的不足之处是,在垂直方向探测大气的分辨率不高,只有几千米分辨率,而水平方向可达到几米分辨率。近年各国都在积极开展研究空间探测雷达(Light Detection and Ranging,或称激光雷达),它是以激光为光源的有源遥感器,可连续测定物质的密度及其组成和温度在三维空间分布的情况。     

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%.      

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。     

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.     

Simultaneous observation of dual-site airglow imagers and a sodium temperature-wind lidar,and effect of atmospheric stability on the airglow structure

The heights of horizontal structures in the OH airglow images were observed with two all-sky imagers at Platteville (40.2N, 104.7W) and Yucca Ridge Field Station (40.7N, 104.9W) in Colorado. The sodium temperature-wind lidar of CSU at Fort Collins (40.6N, 105.1W) observed temperature and wind velocities around 80–105-km altitude, providing time-height variations of atmospheric stability. Simultaneous observations with the imagers and the lidar were successful on two nights: November 18 and 19, 2003. The estimated height from OH airglow images were lower (80–86 km) than those observed in Japan, with significant time variation. Comparison with the temperature and wind observed by the lidar showed that the estimated height is likely to coincide with the height of small N² (close to 0) values. Ripples (<10-km horizontal scale) were simultaneously observed in the image.     

基于HITRAN数据库的大气激光雷达信号仿真

信号仿真研究是大气激光雷达研究的重要环节，结果可为激光雷达系统的设计和研制提供基础.本文仿真系统可用于激光雷达回波信号模拟.该仿真系统利用HITRAN数据库中的吸收谱线计算大气分子对激光的吸收光谱，并采用大气辐射传输模型中的气溶胶模式模拟气溶胶对激光的衰减.利用激光雷达方程，数值模拟了355nm，532nm以及1064nm的回波信号，并将532nm的数值模拟结果与实测结果进行对比，评估了激光雷达系统的光学效率.      

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.      

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,HC1,CIO,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...     

Interpretation of data on laser sensing of aerosol atmosphere from space

A single-frequency lidar, using aerosol scattering as an informative component, is the simplest and reliable facility for remote sensing of the atmosphere. The information on vertical distribution of atmospheric aerosol which can be obtained using such a lidar is necessary for investigating the physics of atmospheric processes and forecast of optical state of the atmosphere. At the same time, the interpretation of data on single-frequency sounding is associated with some difficulties of fundamental character, mainly due to insufficient software of the experiment. Under such conditions the problems of optimal processing of lidar returns aiming at extracting the useful information on aerosol are of great importance, especially if one takes into account the hindering effects of atmospheric background and optical noises. This paper presents a statistical approach to this problem, and the possibilities of single-frequency sounding from space are analyzed.     

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。      

Spaceborne lidar measurement accuracy: Simulation of aerosol,cloud, molecular density,and temperature retrievals

Spaceborne lidar measurements and retrievals are simulated using realistic errors in signal, conventional density information, atmospheric transmission, and lidar calibration. We find that by day, independent analysis of returns at wavelengths of 0.53 and 1.06 μm yields vertical profiles (0.1- to 1-km resolution) of tenuous clouds and boundary-layer, Saharan, and strong volcanic stratospheric aerosols to accuracies of 30% or better, provided particulate optical depth does not exceed ?0.3. By night all these constituents are retrieved, plus noctilucent clouds, mesospheric aerosols, and upper tropospheric/nonvolcanic stratospheric (UT/NVS) areosols. Molecular-density uncertainties are a dominant source of error for UT/NVS retrievals.To reduce these errors and also to provide density and temperature profiles, we developed a procedure that combines returns at 0.35 and 1.06 μm. This technique significantly improves UT/NVS aerosol retrieval accuracy and also yields useful density and temperature profiles there. Strong particulate contamination limits the technique to the cloud-free upper troposphere and above.