顶部电离层总离子密度经度的变化

利用DMSP F13卫星1996-2005年共10年的观测数据,研究地磁中低纬地区黄昏时段(18:00 LT)顶部电离层总离子密度经度变化的季节、地磁纬度和太阳活动变化特征.结果表明总的经度变化在低纬地区与中纬地区具有明显不同特征.不同经度结构的季节变化均以年变化为主,但纬度分布具有明显差异.一波结构主要集中在中纬地区,且南半球明显强于北半球;二波结构南北半球不对称性非常明显;三波结构和四波结构均为低纬地区明显强于中纬地区.通过分析不同波结构对总经度变化的贡献发现,一波结构在南半球中纬地区贡献最大,二波结构在12月前后的15°N附近贡献较大,三波结构和四波结构仅在低纬地区有较强贡献.在不同太阳活动条件下,不同波结构的贡献率有明显变化.      

顶部电离层总离子密度的经度变化

利用DMSP F13卫星1996—2005年共10年的观测数据,研究地磁中低纬地区黄昏时段(18:00LT)顶部电离层总离子密度经度变化的季节、地磁纬度和太阳活动变化特征.结果表明总的经度变化在低纬地区与中纬地区具有明显不同特征.不同经度结构的季节变化均以年变化为主,但纬度分布具有明显差异.一波结构主要集中在中纬地区,且南半球明显强于北半球;二波结构南北半球不对称性非常明显;三波结构和四波结构均为低纬地区明显强于中纬地区.通过分析不同波结构对总经度变化的贡献发现,一波结构在南半球中纬地区贡献最大,二波结构在12月前后的15°N附近贡献较大,三波结构和四波结构仅在低纬地区有较强贡献.在不同太阳活动条件下,不同波结构的贡献率有明显变化.     

中性风对夜间低纬电离层参量的影响

利用一个改进的二维低纬电离层理论模式研究夜间中性风对低纬电离层多量的作用．模式计算结果表明：夜间中性风对低纬F层的影响与纬度、地方时有关．夜间低纬F层峰值电子浓度和峰高及其随时间的变化受中性风的影响与传统观点有所差异．低纬F层参量不只依赖于中性风的方向、强度,还与中性风场空间分布及时间变化率有关．中性风对低纬F层的影响值得重新认识．     

中国上空平流层准零风层的特征分析

利用ECMWF提供的ERA-40再分析风场资料首次分析了中国上空平流层准零风层的特点及其随季节和地理位置的变化特征.结果表明,准零风层一般处于18～25 km高度范围内,零风线所在的高度随时间和地理位置的不同稍有变化.根据准零风层随纬度的变化特征,中国上空可以分成三个区域:低纬地区(5°N～20°N)、中低纬过渡区域(20°N～32.5°N)和中高纬地区(32.5°N～55°N).低纬地区一般在冬季和初春有准零风层结构存在;中高纬地区一般在春末和夏季存在准零风层结构;而中低纬过渡区域是否有准零风层结构存在还与准两年震荡(QBO)有关,在QBO东风相位时,过渡区域呈现的特性偏向于中纬特性,在QBO西风相位时,过渡区域呈现的特性偏向于低纬特性.准零风层随经度变化非常小,零风线所在高度随经度的变化幅度一般不超过2 km,过渡区域的变化幅度相对大些.      

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。     

基于激光雷达实测和动力学仿真方法研究中间层顶垂直风扰动特性

利用中国廊坊台站钠荧光多普勒激光雷达82h垂直风和水平风观测数据,统计得到中间层顶区域中存在10m·-1量级的垂直风扰动和纬向风扰动,其中垂直风扰动远远超过平均风速为-0.015m·-1的背景垂直风速.根据三维准单色重力波的极化关系和色散关系,对高中低三种频率重力波产生的垂直风扰动进行仿真,结果显示在满足短周期、大纬向风扰动条件下,高频重力波能够产生最大10m·-1量级的垂直风扰动,中频重力波能够产生10m·-1以内的垂直风扰动,低频重力波能产生1m·-1以内的垂直风扰动.理论条件下准单色重力波能够产生10m·-1量级的垂直风扰动,钠激光雷达观测到的最大10m·-1量级的垂直风扰动真实存在.研究结果可对高层大气垂直风场探测、垂直风场模拟和重力波参数化提供依据.      

利用HRDI/UARS资料分析东亚区域中层大气纬向风气候特征

利用美国高层大气研究卫星(UARS)搭载的高分辨率多普勒测风仪(HRDI)获得的中层大气风场观测资料,对东亚区域中层大气纬向风的垂直分布与变化特征进行了分析研究.多年平均结果显示东亚区域中层大气纬向风具有显著的区域特征,与当前普遍使用的参考大气CIRA-86相比存在显著的不同.在冬季,东亚区域中间层西风急流中心位于25°-35°N之间的75 km高度,与CIRA-86相比,该中心纬度偏南5°,高度偏高10 km;在秋季,东亚区域低热层高度存在一个显著的从赤道到高纬度的东风带,而CIRA-86不存在.分析结果还表明,除了夏季中纬度地区,在东亚区域上空中高层大气各高度上均存在相当显著的区域尺度扰动结构.在热带,低热层高度纬向风无论冬夏,沿纬圈方向都表现出相当显著的不均匀性,夏季这种不均匀性进一步向下扩展到55 km高度.与上述热带扰动特征相比,中纬度地区夏季的纬向风在各个高度沿纬圈相当均匀,但是在冬季,中间层和低热层高度都存在沿纬圈方向显著的纬向风扰动结构.      

模式化分析F区电离层赤道异常槽

利用二维低纬电离层理论时变模式模拟低纬电离层演化，考察影响赤道异常槽位置的物理因素．计算结果显示赤道槽有明显的季节、地方时和经度变化．以１１０°Ｅ为例，北半球夏季期间赤道槽一般在磁倾赤道北侧，最北达３°-３．５°Ｎ，而在北半球冬季期间一般位于磁倾赤道南侧，最南可达４°－５°Ｓ．进一步分析发现，赤道槽季节变化中光化电离率季节改变的影响很小，主要由水平中性风季节变化贡献．计算以８３天为例，白天赤道槽在地理经度１００°Ｅ附近最南，２８５°Ｅ附近最北，与观测特征基本一致．主要是背景大气水平风场的经度差异导致赤道槽位置的经度变化，而非前人认为直接由磁偏角控制的．     

海南地区电离层不规则体纬向漂移速度的观测和研究

根据中国海南富克(19.3°N,109.1°E)三点GPS观测系统2007年3月至11月的观测数据,利用互相关方法分析了三站闪烁信号的时间延迟,得出了不规则体纬向漂移的基本特征.在中国海南地区,闪烁主要发生在春秋季节,夜间不规则体的纬向漂移速度以东向为主,大小在50～150 m/s之间;平均东向漂移速度随时间呈下降趋势.另外,在闪烁刚发生时,不规则体纬向速度起伏较大,这可能与不规则体的随机起伏以及等离子体泡产生时垂直速度较大有关.中国海南地区不规则体纬向漂移速度的这些基本特征与低纬其他地区的测量结果较为一致.     

中性风和垂直漂移对低纬F区电离层影响初析

利用二维低纬电离层－等离子体层时变理论模式,模拟太阳活动高年春分条件下垂直漂移和中性风强度改变对低纬F区电离层参量的影响.模式在所考察的磁子午面内求解等离子体输运方程,给出离子浓度和速度随纬度、高度、地方时的变化.模式计算结果显示,调整垂直漂移和中性风强度对低纬F区电离层电子浓度的影响与电离层所处磁纬、垂直漂移和中性风作用时段等有关,呈现出一些新特点.结果对分析不同条件下垂直漂移和中性风对低纬F区电离层影响具有一定的指导意义.      

电离层水平电场与风场的耦合模拟研究

设计了一个将电离层水平电场与风场耦合的模拟方案,研究了电流函数和风场在耦合前后的变化与差异. 研究发现,水平电场与风场相互反馈后,风场的变化比电流函数小. 经向风在白天有较明显的差异,夜晚的差异比白天小,主要出现在中高纬地区,并随高度的增加而增大,300km左右达到最大值,其后几乎保持不变. 纬向风有与经向风相似的变化,但纬向风耦合前后的差异比经向风小. 电流函数在耦合后有较大改变,两个涡旋强度都有较强增加,并且北半球的增强大于南半球,而夜晚差异较小. 结果表明,在研究的高度范围内,风场对电场的控制作用大于电场对风场的影响.      

中国地区20──80km高空风的一些特征

利用Nimbus-7卫星1979-1981年的平流层和中间层大气温度探测数据(SAMS)和热成风原理,计算了高空风场,得到中国上空20──80km高度范围风场的一些特征。结果表明,用地转一热成风公式从卫星温度探测数据计算的高空风与当日中国气象火箭探测的高空风基本一致,说明利用卫星温度数据是获得中国20-80k高空风气候特征的一种有效的方法;从计算出的风场看,中国上空20──80km的纬向风与COSPAR国际参考大气CIRA-1986的纬圈平均纬向风有显着差别,文中还给出了经向风的分布和风场的变化情况。      

临近空间浮空器区域驻留控制策略研究

为了实现临近空间浮空器区域驻留飞行,基于对热环境的分析,建立了带有副气囊高空气球的空气动力学与热力学耦合动力学模型。基于准零风层特殊风场,设计了临近空间浮空器区域驻留飞行控制策略,通过副气囊调节飞行高度,利用准零风层上下纬向风方向相反的特点实现东西方向控制,用螺旋桨控制实现南北方向控制,并利用ECMWF风场数据进行了数值仿真。仿真结果表明,临近空间浮空器可以在纬度41°(N)~43°(N),经度86.5°(E)~87.1°(E)之间的区域范围内飞行7天,证明了利用准零风层风场实现临近空间浮空器区域驻留飞行的可行性。     

磁暴期间甚低纬哨声的导管传播

对磁暴期间甚低纬哨声导管传播的机理进行了初步的讨论，根据暴时低纬哨声的特点，认为暴时出现的扩展哨、多跳回波是沿东向扰动电场导致的场列电离增强路径传播的。对在东向电场影响下低纬Ｆ层的数值模拟表明，东向电场导致的场列电离增强结构有利于哨声的捕获和传播。     

平流层爆发性增温事件中大气准16日行星波

2014年1月上中旬高纬平流层发生弱增温事件,增温幅度约25K,纬向西风减弱并于2月初转向.行星波在平流层爆发性增温（SSW）事件产生中具有重要作用.利用北半球近东经120°链上中低纬5个流星雷达探测的风场数据,研究了此SSW事件发生前和发生期间中间层和低热层区（MLT）大气风场的行星波状况.结果显示,极区平流层增温前MLT区大气呈现出明显增强的准16日波动,增温达到最大时,16日波也最强,表明中低纬MLT区的行星波变化与SSW事件存在耦合关系.进一步利用欧洲中心平流层再分析资料数据,分析SSW期间北半球平流层的波动和零风线状况,发现平流层准16日波和零风线随时间由低纬向高纬移动,反映出16日波与SSW之间存在某种动力学联系.      

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.      

中高层大气风场对地磁活动的响应特征

统计研究漠河、北京、武汉流星雷达观测到的2012-2018年80～100 km高度的风场数据，比较在地磁平静期(Kp≤2)和地磁扰动期(Kp≥4)的日平均风场数据，得到在地磁活动期风场的变化特征。研究结果表明，在地磁扰动时风场变化具有季节差异和纬度差异。地磁扰动期间，纬向风在较高纬度地区倾向于中间层西风增强，低热层东风增强，纬度较低地区倾向于东风增强。春季，地磁活动对纬向风的影响没有纬度差异，在夏冬季随着纬度的降低中间层东风增强明显。地磁活动对经向风的影响具有季节差异，对春冬季节的影响强于夏秋季节。研究表明，地磁活动对纬向风的影响可达9 m·s^–1左右，对经向风的影响可达5 m·s^–1左右。地磁活动对中性大气风场的影响可达80 km。     

中国廊坊中间层和低热层大气平均风观测模拟

利用中国廊坊站（39.4°N,116.7°E）流星雷达在2012年4月1日至2013年3月31日的水平风场观测数据,分析廊坊上空80~100km的中间层与低热层（Mesosphere and Lower Thermosphere,MLT）大气平均纬向风和经向风的季节变化特征.结果表明平均纬向风和经向风都表现出明显的季节变化特征.平均纬向风在冬季MLT盛行西风,极大值位于中间层顶,随高度增加西风减弱;在夏季中间层为东风,低热层为强西风,风向转换高度约为82km.平均经向风在冬季以南风为主,在夏季盛行北风.纬向风和经向风在春秋两季主要表现为过渡阶段.流星雷达观测结果与WACCM4模式和HWM93模式模拟的气候变化特点基本一致,但WACCM4模式纬向风和经向风风速偏大,而HWM93模式纬向风和经向风风速偏小.      

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.      

CYGNSS海面风速固有误差与时空分布特征

全球导航卫星系统反射测量（GNSS-R）是一种新兴的海面风速遥感技术,对GNSS-R反演风速进行详细定量分析是该技术从科学研究走向业务应用的必要条件。 以气旋全球导航卫星系统（CYGNSS）的风速数据为例,利用时空匹配的浮标风速和欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的预报风速数据,详细分析了CYGNSS遥感风速的气候态特征和时空分布特征。基于三配对数据分析方法,阐明了CYGNSS遥感风速的固有误差,并提出了相应的风速标定系数。研究表明:GYGNSS的中低风速（w <10 m·s–1）精度较好,但高风速的误差显著增大;风速误差具有良好的时间一致性,但呈现明显的空间分布不均匀现象;总体而言,CYGNSS风速的固有误差约为1.79 m·s–1。研究结果一方面可为CYGNSS风速数据的业务应用提供参考,另一方面也为进一步标定CYGNSS的反射测量信号提供依据。