中国山西地区法布里-珀罗干涉仪测风能力及数据质量检验

介绍了中国气象局山西岢岚大气观测站(39°N, 112°E) 法 布里-珀罗干涉仪(FPI) 的基本 构造、测风能力、程序处理流程、数据质量控制方法以及检验情况. 岢 岚观测站FPI可以观测892.0 (OH)nm, 557.7 (OI)nm和630.0 (OI)nm 波 长处气辉谱线的多普勒移动, 分别计算对应87km, 97km和250km高度处 的大气风速和大气温度, 可给出中间层顶区域及热层风的大气潮汐和扰动 情况. 采用水平风模型(HWM)输出结果进行交叉检验, 对FPI测风数据质量进行验证. 结果显示, 岢岚大气观测站FPI仪器的测风数据 在长期趋势上与HWM模式的输出数据一致, 风速变化幅度有季节性差异, 数据质 量控制方法有效, 测风误差在87km高度处为5.7m·s-1, 97km处 为1.3m·s-1, 250km处为4.1m·s-1, 测风数据 通过了可靠性检验.      

北极黄河站极光亚暴期间低热层大气中性风研究

极光亚暴是地球空间基本的能量输入、耦合及耗散过程,其对低热层大气中性风的影响不容忽视,对这一问题进行深入研究具有重要意义.2010年11月,中国北极黄河站(78.92°N,11.93°E)安装了一台自主研制的全天空法布里-珀罗干涉仪(FPI)并开始进行正常观测,为中国首次获得了极光亚暴期间的FPI观测数据.根据2012年越冬期间的观测情况,对2012年11月12-14日及12月09-11日两个极光亚暴事件期间的数据进行处理,计算得到了5级干涉环对应的风场.亚暴期间风场变化与地磁活动变化的对比分析表明,风速的剧烈变化可能是由地磁活动剧烈扰动造成的.针对2012年11月13日00:00UT-02:00UT和2012年12月10日05:00UT-07:30UT的亚暴事件,将全天空相机拍摄到的极光图像与FPI干涉图像对应的视线风场进行对比分析.结果表明在极光活动中,视线风速加强的方向与极光弧的方向垂直,而在极光弧的平行方向,风速相对较小.      

星载FPI探测低热层温度的研究

80～350km高度区域的大气温度与风场探测研究对于认识全球性空间动力学和日地耦合机制具有重要科学意义.法布里-珀罗干涉仪(FPI)能够通过分析接收光的干涉环反演计算出一定高度大气层的风场和温度.近年来,中国利用多种地基探测设备对中高层大气进行了观测研究,对于温度反演和星载探测技术的研究开始起步.本文基于系统传输函数和发射谱线函数的卷积,讨论了利用FPI探测高空大气温度反演计算的原理;分析了星载FPI探测的方法,根据星载FPI探测与地基探测的不同点,仿真了星载探测干涉图;结合中国观测技术现况及空间探测需要,讨论了发展星载空间环境探测仪的可行性.      

西藏阿里地区的晴天大气电场特征

晴天大气电场是一个区域大气电场变化的基准场,是大气电场特性的研究基础。对于具有不同地质条件、地理环境和地形特点的区域,晴天大气电场特征具有明显区别。利用在西藏阿里地震台（80.12°E,32.51°N）安装的一台场磨式大气电场仪于2021年10月10日至2021年11月10日观测到的数据,通过对大气电场数据建模与分析,结合气象条件,得到西藏阿里地区23天晴天条件下的平均卡耐基曲线。经过平滑处理去除仪器噪声的波动,得到西藏阿里地区的晴天条件下的标准卡耐基曲线,进而与北京市昌平区十三陵观测台站（116.23°E,40.25°N）同期的晴天大气电场特征进行对比,并对其电场特性差异和原因进行了讨论。研究结果对分析高原地区晴天大气电场特征具有重要的参考价值和科学意义。      

大气潮汐风场诱导中纬突发E层的观测证据及理论模拟分析

统计分析了中纬突发E层的测高仪数据,给出了潮汐风场诱导Es层的观测证据,证实了大气潮汐风场和突发E层的强烈相关性.另外,依据风剪切理论,从连续性方程出发,并结合运动方程,运用特征线方法求解,模拟了Es层在潮汐风场作用下的形成.模拟结果证实了风剪切理论的合理性及潮汐风场导致突发E层形成的可能性.      

2010年海口上空突发钠层事件观测

使用钠荧光激光雷达观测2010年低纬度地区海口(20.0°N, 110.3°E)上空突发钠层事件. 2010年总计观测时间为458h, 观测到突发钠层事件38次, 即每观测12h有1次突发钠层事件发生. 结合武汉上空突发钠层数据, 对比巴西低纬度地区数据, 揭示低纬度地区突发钠层频发现象. 观测到2010年12月30日突发钠层峰值时刻钠层密度廓线具有很好的空间对称性. 分析了距海口激光雷达西南约160km中国海南澹州(19.5°N, 109.1°E)的测高仪数据, 检测了13对突发钠层和电离层偶发事件, 结果表明突发钠层与Es有很强的相关性. 通过 分析低纬度地区上空突发钠层峰值径迹平均速度发现, 大多数突发钠层峰值向 下运动.      

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。      

地基Fabry-Perot中高层大气风速反演及误差分析

基于子午工程地基法布里-帕罗干涉仪（Fabry-Perot Interferometer,FPI）的气辉观测数据,结合地基独特的观测模式（天顶角为0° 的天顶方向和天顶角为45°的东西北南四个方向）对地基中高层大气风速进行反演,包括数据预处理、干涉环圆心确定、干涉环半径计算和风速反演. 将2010年5月6-13日8天十个环（十个干涉环同时参与反演）的反演结果与地基FPI风速实测数据进行比较,得到557.7nm,630.0nm,892.0nm三种谱线气辉的反演平均偏差分别为2.7m·s-1,5.5m·s-1,7.7m·s-1. 此外,基于反演算法对上述反演精度影响因素进行了分析. 研究发现,气辉辐射强度对风速的反演精度影响较大,气辉辐射越强,外环的半径计算精度越高,可参与的反演环数越多,则最终的风速反演精度越高. 而圆心偏差± 2pixel（五个环）和± 1pixel（十个环）及焦距变化（±10mm）对风速反演精度的影响相对较小,但当超出这一偏差范围,风速反演偏差会迅速增大.      

基于Fabry-Perot干涉仪气辉观测数据反演中性风速方法比较

利用半径法、完整傅里叶级数描述法和非线性回归法分别对安装在河北省境内国家天文台兴隆园区（40.2°N,117.4°E）的Fabry-Perot干涉仪（FPI）获得的地基中高层大气气辉观测数据进行风速反演.反演结果表明,半径法、完整傅里叶级数描述法和非线性回归法均能很好地反演风速,在误差范围内反演结果存在很好的一致性.相对于半径法和完整傅里叶级数描述法,非线性回归方法更完整地利用了观测数据信息,反演结果可信度较高.      

电离层－热层耦合系统中由中性风引起的F区运动

利用一种时变电离层剖面的数值模型,研究电离层最大电子浓度所在高度对热层子午风变化的响应。对武昌(30.5°N,114.4°E)和Wakkanai(45.4°N,141.7°E)讨论三种不同类型的风场对峰高的控制作用。结果表明:(1)峰高对中性风的响应过程,存在南北方向不对称性、日夜不对称性和纬度差异。在真实背景大气下,热层与电离层通过风场强烈耦合。(2)由伺服理论推算的风场基本上是合理可靠的。(3)水平风模式HWM-90在所关心的地区,大致能反映实际子午风状况,但合理程度不及伺服理论的风场。      

？abry—Perot测风干涉仪数据处理

针对自主研制的星载法布里一珀罗干涉仪（Fabry—Perot Interferometer,FPI）样机,介绍了Fabry—Perot（F—P）的测风原理和风速反演算法,阐述了F—P测风干涉数据的自动化处理方法,包括干涉条纹图像滤波、分割、细化和特征数据的提取．滤波包括中值滤波和背景补偿,分割采用区域平均灰度值阈值法,借助数学形态学计算填充和消除二值化条纹的断裂点和毛刺．最后,按照骨架提取思想细化成干涉条纹线条,提取其特征数据．应用VC＋＋编程语言开发软件平台,对上述F—P测风仪数据自动化处理方法进行了验证,结果表明其可行性高、适应性强．     

Mid-latitude thermospheric wind changes during the St. Patrick’s Day storm of 2015 observed by two Fabry-Perot interferometers in China

In this work, we utilize thermospheric wind observations by the Fabry-Perot interferometers (FPI) from the Kelan (KL) station (38.7°N, 111.6°E, Magnetic Latitude: 28.9°N) and the Xinglong (XL) station (40.2°N, 117.4°E, Magnetic Latitude: 30.5°N) in central China during the St. Patrick’s Day storm (from Mar. 17 to Mar. 19) of 2015 to analyze thermospheric wind disturbances and compare observations with the Horizontal Wind Model 2007 (HWM07). The results reveal that the wind measurements at KL show very similar trends to those at XL. Large enhancements are seen in both the westward and equatorward winds after the severe geomagnetic storm occurred. The westward wind speed increased to a peak value of 75?m/s and the equatorward wind enhanced to a peak value of over 100?m/s. There also exist obvious poleward disturbances in the meridional winds during Mar. 17 to Mar. 19. According to the comparison with HWM07, there exist evident wind speed and temporal differences between FPI-winds and the model outputs in this severe geomagnetic storm. The discrepancies between the observations and HWM07 imply that the empirical model should be used carefully in wind disturbance forecast during large geomagnetic storms and more investigations between measurements and numerical models are necessary in future studies.     

2010年5月4日夜间海口上空钠层密度的激光雷达观测研究

使用Nd:YAG激光器和泵浦染料激光器产生的589nm激光, 与中高层大气中钠原子产生共振, 利用直径为1000mm的望远镜接收钠层的光子回波. 研究中国海口市2010年5月4日夜间的中高层大气中钠层密度分布, 计算钠层的相对密度和绝对密度, 研究钠层密度峰值变化. 观测到突发钠层出现在23:52LT, 持续12min.      

基于中国岢岚地区法布里-珀罗干涉仪的风场及行星波观测特征

利用中国岢岚站（38.7°N,111.6°W）法布里-珀罗干涉仪2013年7月至2014年11月的水平风场数据,对87,97,250km风场长期变化和行星波特征进行了研究.通过分析年振荡（AO）和半年振荡（SAO）振幅相位,将午夜风场与HWM07数据对比发现:87km和97km处FPI纬向风变化趋势与HWM07相近,而经向风相位落后于HWM07,从振幅上看,HWM07振幅偏大;250km处风场月变化大,FPI与HWM07差异大,HWM07模式的准确性需进一步考虑太阳活动和行星际磁场的影响.利用Lomb-Scargle功率谱以及最小二乘谐波拟合提取了三个高度的行星波振幅,其特征表明87km和97km处纬向风16日波秋季及冬春季活动强,而6.5日波最强振幅出现在春季和秋季,在中间层顶附近两种行星波活动均较弱;250km处经向行星波活动略强于纬向,经向风不同周期带的行星波最强振幅主要出现在5-9月,与电离层f₀F₂振荡特性的研究结果一致.      

平流层臭氧和辐射场的季节分布特征

利用美国NCAR化学气候耦合模式WACCM3对平流层温度场、风场、臭氧及辐射场进行了模拟.结果表明,在适宜飞艇长期驻留的准零风层高度20～22km(对应大气压强范围为50～30hPa,以下均采用气压值表征对应大气高度),7-8月风速小于5m·s-1的风带可长期稳定在40°N以北.臭氧空间分布显示,在30hPa气压高度处中国地区臭氧浓度出现了带状分布,30hPa高度以下低纬度地区臭氧浓度低于中纬度地区.平流层太阳加热率的时空变化表明,在平流层上层,太阳加热率可达100×10-6K·s-1,而在平流层下层,只有10×10-6K·s-1.6-8月中国区域的太阳加热率大于9月;在100～30hPa高度内,中纬度地区太阳加热率高于低纬度地区,在30hPa高度以上,低纬度地区太阳加热率高于中纬度地区;8-9月30～40hPa高度处,太阳加热率的空间变化较小.在30hPa高度上,太阳加热率在40°N昼夜变化最大;50hPa高度处,太阳加热率的昼夜变化小于30hPa高度处,而且白天太阳加热率出现极大值的纬度明显靠北.平流层低纬度地区的长波加热率小于中纬度地区.青藏高原由于地形特殊,其6-7月的臭氧浓度、太阳加热率和长波加热率均小于同纬度其他地区.