82-92km高度范围大气湍流能量耗散率的一个个例研究

使用Chaff和落球火箭测量的垂直速度和温度数据研究湍流结构和它的产生.结果表明湍流存在多层桔构.在强湍流层,动力不稳定,和MST雷达回波功率间有好的相关,认为强湍流层和雷达回波与动力不稳定有关.水平速度垂直波数谱表明,观测谱与他和谱模式有极好的一致,认为强湍流层和雷达回波通过动力不稳定直接与重力波饱和相联系.     

对流层雷暴源所产生的柱形重力波

已有充分的证据表明, 大气对流层的雷暴迹象是大气中间层重力波活动的显著代表源.在雷暴迹象的上方, 通过火箭已观测到大气中间层出现的热效应, 也已通过雷 达探测到大气平流层出现的上行重力波, 从地面和卫星平台上观察到夜间气辉有序而 成环状的重力波波形. 所有这些实验结果都与位于观测点下方的雷暴活动有紧密联系. 此类雷暴通常主要集中在中国东部沿海以及地球其他沿海海湾地域. 关于此类雷暴对大 气中间层的影响尚未被充分研究和了解. 为能有效地探究其成因, 利用所开发的一个二维计算机数值模型模拟和研究大气对流层的雷暴源所引发的上行重力波, 进而揭示 此类重力波产生的基本物理机理, 及其在大气中间层的能量耗散. 通过模拟研究发现, 雷暴源可以大面积高强度地聚集和释放积雨云的能量, 当这种周期性的对流变化引发大气对流层的不稳定性后, 就会有圆柱体重力波的产生和传播.     

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.     

基于MST雷达数据的中纬对流层和低平流层大气行星波研究

通过分析中国河北香河站MST (Mesosphere-Stratosphere-Troposphere)雷达 2012-2014年的水平风场数据, 研究了北半球中纬地区对流层和低平流层 (Troposphere and Lower Stratosphere, TLS)区域大气行星波的特性. 谱分 析发现, 在这一区域准16天波和准10天波占据主导地位, 准16天波更为显著. 在 对流层区域, 行星波具有丰富的频谱成分, 活动具有间断性, 持续时间一般不 超过三个月, 并没有明显的季节性变化特征, 其中纬向分量的振幅大于经向分量. 在 平流层区域(高度17km以上), 行星波一般出现在冬季, 并且主要在纬向分量中. 通常平流层区域的振幅要小于对流层区域. 结合MERRA再分析资料分 析了强行星波传播特性, 结果表明: 2014年2-3月纬向分量中的准16天波垂 直向上传播, 垂直波长约为64km, 纬圈波数约为2, 纬向传播方向自西向东, 水平波长约为15324.7km, 对应的相速度为11.1m·s^-1 (向东为正); 2014年5月纬向分量中的准10天波在10~18km高度范围内向下传播, 垂直波长约为50km, 纬圈波数约为1, 传播方向自西向东, 水平波长约为 30649.4km, 对应相速为35.5m·s^-1.     

一次暴雨激发平流层重力波的卫星观测与数值模拟

针对卫星Aqua/AIRS观测到的与2011年7月25日山东省乳山市特大暴雨相伴的一次平流层重力波过程,利用中尺度数值模式WRF进行暴雨诱发平流层重力波的数值模拟.对模式输出的垂直速度场和温度扰动场的分析表明,暴雨在平流层内的弧状波结构主要集中在降水云系东侧,水平影响范围大于1000km,且随着高度的增加,圆弧状结构趋于闭合,波动能量显著增强.此外,对垂直速度剖面结构分析表明,受高空东风和风切变的影响,重力波在上传过程中逆着背景风场向东传输,不同高度波动形态各异.基于快速傅里叶变换（FFT）的功率谱分析结果表明,此次暴雨激发的平流层重力波在35km高度的周期为7~20h,水平波长约为1000km,垂直波长为5~10km.通过分析动量通量的垂直输送,定量反映出重力波上传过程中的动力学变化特征.     

急流与低层大气重力波能量的相关性研究

通过分析武汉(30.5ºN, 114ºE)上空2000至2004年的Radiosonde常规观测数据, 对当地对流层(1~10 km)与低平流层(18~25km)的某些惯性重力波特征进行了研究, 发现重力波能量与急流强度变化之间存在显著的相关. 同时分析了海口(20ºN, 114ºE)(2000至2004年)、北京(40ºN, 116ºE)(2001年12月至2003年2 月)的Radiosonde观测数据并进行了比较, 发现较高纬度地区的相关性明显大于低纬度地区. 通过对武汉地区2006年1月5天Radiosonde加密观测数据的分析, 讨论了重力波动能与势能的高度变化, 进一步发现纬向风的垂直剪切与急流中心的分布分别与重力波势能和动能的强弱分布相对应.     

武汉中层、低热层大气角谱中频雷达观测

武汉中频雷达是利用中层、低热层中电子密度不均匀体的散射来测量大气的水平风场和电子密度剖面。雷达在计算风场的过程中可得到一些该层大气中电子密度不均匀体的寿命和空间尺度等参量值。结合这些参量和大气风场值可计算得到大气的角谱。其计算方法包括全相关分析技术的谱宽法和空间相关法。前者计算的值被认为是大气角谱的上限值。应用这两种方法,利用2001年2月9日武汉中频雷达的观测数据,对武昌上空中层、低热层大气的角谱进行了计算。结果得到大气角谱随高度增加略微增加,如在68km为6°,90km达最大为11°,其平均值为9.2°。利用2001年2月4—10日86km高度上的数据,得到一个7天平均的日变化曲线,发现大气角谱值在本地夜晚最小。     

内重力波传播的3维传输函数模式研究

在考虑背景风场及大气耗散的条件下,建立了3维内重力波传输函数数值模式.分析了300 km高度3维传输函数在频率波数域的特性,并以近地面单位脉冲点源为激发源,得到了内重力波在3维空间中的时空分布.讨论了不同时空尺度地面方波源激发的内重力波在电离层高度的能量分布特征.结果表明,(1)对内重力波而言,背景大气相当于一个带通滤波器,只有波动周期和波长分别在15～30 min和200～400 km之间的重力波扰动最容易上传到300km高度;(2)在背景风场的作用下水平面上以同心圆扩散的波阵面以及垂直方向上成漏斗状的波阵面发生了变形,并且逆风方向比顺风方向更有利于声重力波由对流层向电离层高度传播;(3)300km高度对时间尺度和空间尺度分别在20～30 min和150～250 km之间的地面方波源响应的总能量最强.     

Aura/MLS与TIMED/SABER观测全球重力波特性

大气重力波是临近空间环境主要大气波动之一,对全球环流具有重要影响。卫星上搭载的临边探测器能够探测临近空间大气温度,可用于临近空间大气重力波研究。利用2012－2014年Aura的微波临边探测器（MLS）和TIMED的红外临边探测器（SABER）的探测数据,对20~50 km高度的大气重力波扰动分布特征开展了分析研究,两种观测重力波活动基本一致,重力波随季节、纬度及高度的变化显著。冬季半球高纬度重力波扰动较强,赤道和夏季半球近赤道地区上空也存在明显重力波活动区域,夏季半球高纬度重力波扰动最弱。重力波扰动强度随高度增加。TIMED/SABER重力波扰动强度数值比 Aura/MLS略强。      

重力波对中间层和低热层大气环流的影响

利用β通道准地转近似大气平均运动方程组,采用重力波线性饱和参量化方法,定性地研究大气重力波对中间层和低热层大气环流的作用.模拟计算得到,大气重力波对平均东西风速可产生100m·s^-1/d左右的作用力和产生120 m²/s的湍流扩散,这些作用平衡了Coriolis扭力,导致大气的平均东西风速大大偏离辐射平衡风场,中层顶附近的平均东西风速在冬季(夏季)甚至反转为东风(西风).平均东西风速计算结果与冬季和夏季中频雷达东西风速观测值和大气模式剖面等大致一致.     

The state experiment — mesospheric dynamics

The $\text{ST}$ructure and $\text{A}$tmospheric $\text{T}$urbulence $\text{E}$nvironment (STATE) experiment was conducted during the second week of June 1983 at Poker Flat Research Range, Alaska. The measurements focus on a study of the middle atmosphere dynamics by comparison between in-situ probe measurements and MST radar measurements. Rocket launchings were conducted at three periods which were selected by monitoring the doppler velocity spectra of the MST radar.The STATE program has included the efforts of several scientists in planning and carrying out the ground-based and rocket measurements. An overview of the program is given together with some preliminary results. The regions in intense backscatter signals detected by the MST radar are shown to correlate with large irregularities in the electron profiles measured.     

Formation mechanism of great positive TEC disturbances prior to Wenchuan earthquake on May 12, 2008

The problems of physical explanation and possible mechanisms of the seismo-ionospheric effects formation are under discussion now. There are proposed different mechanisms of such effects, for example, large- and small-scale internal gravity waves (IGWs), atmospheric electric field, electromagnetic fields and emissions. However, the appearance of local large-scale seismo-ionospheric anomalies in Total Electron Content (TEC) is possible to explain only by two mechanisms: an atmospheric electric field and/or small-scale IGWs. In this paper, the simulation results for reproduction of the observed seismo-ionospheric great positive effects in TEC prior to strong Wenchuan earthquake are presented. The obtained results confirm the proposed mechanism of seismo-ionospheric effects formation by the penetration of the seismogenic electric field from the atmosphere into the ionosphere. It is suggested that so great TEC enhancement observed 3 days prior to Wenchuan earthquake could be explained by combined action of seismogenic vertical electric field and IGWs generated by the solar terminator.     

Winds and waves in the middle atmosphere as observed by ground-based radars

Ground-based radars have proved to be powerful instruments for studying dynamical processes in the middle atmosphere. They have been used successfully in the last few years during Pre-MAP and MAP projects. This paper briefly reviews the following ground-based radar methods: the new MST radar technique for remote sensing of the mesosphere, stratosphere and troposphere, and the well known techniques for mesospheric measurements such as the ionospheric drift experiment, the meteor radar and the MF radar experiments. A survey of observational results obtained with the various techniques is presented. Particular emphasis is directed to winds and waves as well as their interaction, all of which play an important role in the structure and dynamics of the middle atmosphere.     

Model for the VLF/LF radio signal anomalies formation associated with earthquakes

The influence of quasi-static electric field of seismic origin on the characteristics of the internal gravity waves (IGWs) in the Earth’s ionosphere is considered. The electric field in the ionosphere arises due to the injection of charged aerosols into the atmosphere, formation of an EMF in the near Earth atmosphere and perturbation of the conductive electric current in the global electric circuit. Amplification of the electric current in seismic zone is accompanied by the formation of perturbation of the lower ionosphere that affects the amplitude and phase of VLF/LF signals. The action of the electric field on the IGWs is connected with the appearance of the Ampere’s force in the ionosphere. In the spectral range of these waves the latter acts on the neutral component of the ionosphere plasma. As the result of this interaction the ionosphere starts to support the discrete spectrum of oscillations. Periods of their maximums increase as numbers of natural sequence. The existence of such peculiarities of the waves in the ionosphere is confirmed by observations.     

基于最大熵法和遗传算法的SMSP干扰对抗方法

线性调频(LFM)信号是现代雷达常用的发射信号,可以有效提高雷达的检测性能,然而频谱弥散(SMSP)干扰应用于主瓣自卫式干扰时,干扰信号强度远大于目标回波信号,能够对目标回波信号形成遮盖,是一种有效对抗LFM信号的干扰样式。利用干扰信号与目标回波信号时频特征的不同,通过广义S变换(GST)凸显时频特征差异。运用最大熵法和遗传算法(GA)求取时频滤波器的分割阈值。通过构造的时频滤波器达到干扰抑制的目的。仿真结果表明:当干信比(JSR)大于10 dB、信噪比(SNR)大于0 dB时, 所提方法具有较好的干扰抑制效果,其中最大信干噪比(SJNR)增益接近25 dB。      

Plasma and electromagnetic wave simulations of meteors

Every day billions of meteoroids impact and disintegrate in the Earth’s atmosphere. Current estimates for this global meteor flux vary from 2000 to 200,000 tons per year, and estimates for the average velocity range between 10 km/s and 70 km/s. The basic properties of this global meteor flux, such as the average mass, velocity, and chemical composition remain poorly constrained. We believe much of the mystery surrounding the basic parameters of the interplanetary meteor flux exists for the following reason, the unknown sampling characteristics of different radar meteor observation techniques, which are used to derive or constrain most models. We believe this arises due to poorly understood radio scattering characteristics of the meteor plasma, especially in light of recent work showing that plasma turbulence and instability greatly influences meteor trail properties at every stage of evolution. We present our results on meteor plasmas simulations of head echoes using particle in cell (PIC) ions, which show that electric fields strongly influence early stage meteor plasma evolution, by accelerating ions away from the meteoroid body. We also present the results of finite difference time domain electromagnetic simulations (FDTD), which can calculate the radar cross section of the simulated meteor plasmas. These simulations have shown that the radar cross section depends in a complex manner on a number of parameters. These include the angle between radar and meteor entry, a large dependence on radar frequency, which shows that for a given meteor plasma size and density, the reflectivity as a function of probing radar frequency varies, but typically peaks below 100 MHz.     

用武汉流星雷达观测象限仪座流星雨期间的流星速度

利用武汉流星雷达,首次成功地观测了象限仪座流星雨及流星雨期间的流星速度,讨论了利用单站全天空流星雷达观测流星雨的相关问题.从观测结果可以发现此次象限仪座流星雨发生在2004年1月4日的0000-0800LT,其中流星峰值出现在0400LT,而且通过流星雷达观测到的流星雨期间的流星回波平面推测得到的流星雨辐射点也与该流星雨的理论辐射点位置对应非常好.利用流星回波振幅的Fresnel振荡方法计算了此次流星雨期间观测到的流星的速度,分析了该流星速度的分布,这次流星雨期间观测到的流星速度主要集中在10-30 km/s,可以看出这种速度分布是由流星雨进入地球大气的初始速度和流星在大气中的减速过程共同决定的.最后研究了流星速度随高度的变化,并且由此讨论了地球大气对于流星体的减速作用.     

流星雷达系统相位差偏差的估计和校正

介绍了一种新的流星雷达系统的相位偏差估计和校正方法.利用流星回波的观测数据,用回波信号在各个接收通道之间的相位差,结合干涉式接收天线阵的几何关系,建立了各天线相位差测量值与偏差值之间的线性方程组,利用最小二乘法求解方程组,得到了流星雷达系统各个接收通道之间的相位差偏差估计值及校正后的流星回波到达角.与已有的流星雷达相位偏差估计和校正的方法相比,这种方法可以通过流星雷达的观测数据来计破算雷达系统各个接收天线通道之间的相位差偏差量,而不需要增加额外的硬件,实现了对观测数据的事后处理,可以方便地对已有数据进行校正.以2004年4-6月的武汉流星雷达观测数据为例,计算了流星雷达系统的偏差估计量,并用校正后的数据来计算流星回波的空间位置.结果表明,校正后流星回波数在各个方向上随高度的分布比校正前更符合统计分布.     

卫星信号闪烁的能谱特性及其在通信和遥感上应用的可能性

本文报导了利用SIRIO—1卫星进行的Ku波段卫星信号幅度闪烁能谱分析的研究成果。其统计结果对卫星通讯链路设计、自适应功率控制、雷达跟踪等方面有参考意义。此外,这种分析方法将是遥感自旋卫星的旋转速率和大气湍流结构的可能手段。     

Gravity wave propagation studies using the Indian MST radar observations

The Indian MST radar facility at Gadanki (13.5°N, 79.2°E) has been utilised to study the propagation of gravity waves from the troposphere/lower stratosphere to the mesosphere and their interaction with the radar backscattered signal variations. The main objective is to correlate vertically propagating gravity waves derived from the tropospheric velocity fields with the dynamics of mesospheric scattering centres. The tropospheric wind velocities and signal strengths over the entire height range have been subjected to power spectral and wavelet analysis to determine the predominant wave periods/amplitudes and the coupling between the lower atmosphere and mesosphere. Results show that (a) the gravity waves are clearly detectable near tropopause heights, (b) while relatively higher period gravity waves (20–50 min) interact with mesospheric scattering centres, the lower period waves (<20 min) are absorbed in the troposphere itself, (c) the mesospheric scattering layers are affected by gravity waves of complementary periods.