Advances in the Researches of the Middle and Upper Atmosphere in China

In this report we summarize the research results by Chinese scientists in 2018-2020. The focuses are placed on the researches of the middle and upper atmosphere, specifically the researches on atmospheric structure and composition, climate and chemistry-climate coupling and climate modelling, dynamics in particular those inducing the coupling of the atmospheric layers.     

Advances in the Researches of the Middle and Upper Atmosphere in China in 2012–2014

In this report we summarize the research results by Chinese scientists in 2012–2014. The focuses are placed on the researches of the middle and upper atmosphere, specifically the researches related to ground-based observation capability development, dynamical processes, the property of circulation and chemistry-climate coupling of the middle atmospheric layers.     

Advances in the Researches of the Middle and Upper Atmosphere in China in 2014—2016

In this report the research results by Chinese scientists in 2014-2016 are summarized. The focuses are placed on the researches of the middle and upper atmosphere, specifically the researches associated with ground-based observation capability development, dynamical processes, and properties of circulation and chemistry-climate coupling of the middle atmospheric layers.     

Advances in the Researches in Middle and Upper Atmosphere in 2006-2008

This paper summarizes the research results obtained by Chinese scientists and/or through international collaborations in 2006-2008. Specifically, this paper focus on the research fields in the middle and upper atmosphere, including developments in facilities and instruments, and the advancements in scientific issues.     

Advances in Researches on the Middle and Upper Atmosphere in 2010-2012

This article summarizes the researches on the middle and upper atmosphere by Chinese scientists in 2010?2012. The focuses are placed on the advances in construction of ground-based remote sensing facilities, the mean state and long-term changes in the middle atmosphere circulation, the prevailing dynamical processes, and the coupling of the middle atmospheric layers.     

Advances in Researches on the Middle and Upper Atmosphere in 2008-2010

This paper summarizes the results of the researches on the middle and upper atmosphere obtained by Chinese scientists in 2008-2010. The focuses are specifically placed on the researches being associated with ground-based observation capability development, dynamical processes, the property of atmospheric circulation and the chemistry-climate coupling of the middle atmospheric layers.     

Advances in the study of the Middle and Upper Atmosphere

The research activities of the middle and upper atmosphere in China paced abig stride in the recent years. This paper provides an brief overview of theadvances in main aspects of the study in China during the past four years.     

Advances in the Studies of the Middle and Upper Atmosphere in 2004 - 2006

This paper summarizes the research results obtained by Chinese scientists and/or through international collaborations during 2004 to 2006. Within the context of COSPAR, the progresses in the studies of the middle and upper atmosphere in China in the past two years are introduced with focusing the developments in facilities and instruments, and the advancements in scientific issues, e.g., dynamics related processes, atmospheric constituents, and the coupling with the lower atmosphere.     

中高层大气对低层大气脉冲扰动的响应

从基本的大气运动方程出发,采用二维全隐欧拉格式(FICE)建立极坐标下二维声重波传播的数值模式.对小振幅高斯形态声重波传播过程的模拟结果表明,该数值模式能够再现声重波波包向上的稳定传播过程.应用此数值模式模拟了在没有背景风场和存在背景风场条件下中高层大气对10km高空处近似脉冲点源扰动的响应过程,获得了中高层大气对低层大气脉冲扰动响应的图像.结果表明,电离层高度对重力波扰动的响应不但出现在激发源激发之后,还与激发源具有较大距离,扰动的幅度随高度的增大而增大;有背景风时,顺风情况下重力波波动传播路径较逆风情况下平缓,且传播的水平距离比逆风情况下远,波动的振幅较逆风情况下弱,逆向背景风场能够加速重力波向上传播.同时,模拟还表明脉冲扰动正上方可以激发产生一种以6 min为主要周期,具有声学分支特性的快速波动.本文模拟的扰动结果与2004年12月26日苏门答腊-安达曼地震引起的电离层TEC扰动具有类似的图像.     

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.     

新型高空探测系统

研发了一种新型全自动高空探测系统,其利用GPS定位,宽波瓣天线捕捉和低噪声接收的方法替代雷达或无线电经纬仪对高空探测仪进行跟踪定位和获取信息,具有不受低仰角的限制,目标不易丢失,性能价格比高等特点,成功将GPS应用于1680 MHz遥测数据传输体制.利用该系统进行了空中大气电场的探测实验,获得了满意的探测结果.由于系统轻便、操作简单、成本较低以及良好的机动性和可靠性,在近地空间环境探测和高空大气科学探测试验及常规的气象探测中有广阔的应用前景.     

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.     

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,HCl,ClO,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,其观测数据中包含大气风的多普勒信息,因此可以用于反演中高层风的廓线.本文针对TALIS视线多普勒风的观测进行仿真,利用辐射传输模型（ARTS）评估了TALIS测风的潜力和相应的反演精度.结果表明,TALIS的118GHz谱仪具有较好的测量精度,在70km处的精度为12m·s^-1.183GHz,633GHz和658GHz谱仪也有一定的测量信息,反演精度分别为19m·s^-1（60km）,19m·s^-1（50km）,16m·s^-1（50km）.TALIS有一个候选的测风谱仪位于655GHz频段,其在55km处的反演精度为11m·s^-1.此外,虽然降低谱分辨率能有效提高系统灵敏度,但并不能提高反演精度,需要通过降低系统噪声来提高测风的精度.     

武汉上空惯性重力波活动

利用武汉中心气象台(30.5°N,114.4°E)无线电探空仪在2001年1月到2003年12月之间的观测数据,研究了武汉上空1-9km和14-25km高度范围内惯性重力波参数的变化特征.数据分析结果表明,重力波活动存在明显的季节变化,冬季较频繁,夏季活动较弱,与急流强度的季节变化一致,这意味着重力波的激发与背景风密切相关.矢端曲线分析显示1-9km范围内能量向上传播和向下传播的波的比例大致相同,而14-25km范围内绝大部分波能量向上传播,这与最大急流强度的高度相对应;进一步分析表明,夏天14-25km范围内波几乎全向上传播,而冬天则有相当一部分波向下传播,这可能是反射引起的.重力波的本征频率集中在1-3倍的惯性频率之间,水平波长约数百公里;1-9 km范围内垂直波长集中在3-3.5 km,14-25 km高度内则集中在4.5-5.5 km.     

中国中部低层大气行星波无线电探空仪的观测研究

通过分析武汉、宜昌和恩施气象局无线电探空仪2001-2003年的观测数据,研究了中国中部地区对流层和低平流层中行星波的特性.通过Lomb-Scargle(L-S)的周期图方法发现了周期为准16天和周期为准10天的谱分量占据着主导地位.观察发现,较大振幅的行星波振荡主要集中在5-15 km之间.准16天行星波沿纬圈向西传播,对应的纬圈波数大约为2,水平波长约为17 324.8 km,传播相速度约为-12.5 m·s-1(东向为正),通过计算准16天行星波在10 km以下相位随高度的改变可以得到其垂直波长大约为25-30 km,而在对波层顶附近其相位几乎没有发生改变,呈现出静态波特性.准10天行星波沿纬圈向东传播,对应的纬圈波数大约为4,水平波长约为8627.3 km,传播相速度约为10.0 m·s-1,垂直波长约为22-40 km.     

天气尺度到气候尺度太阳风变速对中高纬大气环流的影响

通过对冬季太阳风短时(天气尺度)降速与北大西洋涛动和北极涛动等北半球中高纬度环流指数的时序重叠分析,结合对1963年以来48个冬季太阳风平均速度与北极涛动等指数的相关分析发现,从短时太阳风降速到向亚极光带沉降的辐射带高能电子通量显著下降,北极涛动也有迅速的响应,这预示着从太阳风到大气环流存在天气尺度的短时关系链,在这一时间尺度现有理论中仅有“空间粒子-大气电-云微物理”联系机制能较好地解释;太阳风速度与北极涛动的正相关信号在气候尺度上也有显著体现,太阳风可能通过高能电子沉降与北半球冬季中高纬度环流相联系,这表明太阳风通过大气电-云微物理过程驱动的过程是太阳活动影响气候变化的不可忽视的途径;开展太阳风起源、空间环境与大气(环流、电场)和地磁系统的联合观测及数值模拟是揭示日地天气与气候联系的重要研究内容之一.     

由大气密度的季变化所造成的中、低层大气电离率的季变化

本文对CIRA 1972 模式下的中、低层大气密度季变化所造成的电离率的季变化作了理论计算, 利用宇宙线电离源函数对全球中、低层大气的电离率作了数值计算.计算结果表明, 在70km以下的大气电离率的季变化幅度为百分之几十.在电离峰值高度(约15km)以下幅度为约百分之十, 高度越高变幅越大, 到70km处达35%.在20km以上电离率的季变化趋势与大气密度的季变化趋势大致相同, 夏季比冬季大, 20km以下变化稍为复杂.     

Advances in Research and Service of Space Environment in China

This paper presents the recent progress of space environment research and service in China.During the past two years,many models of space environment forecast and analysis methods of space environment effects have been developed for tailored space environment service for Chinese space mission.A new Re-locatable Atmospheric Observatory(RAO)for monitoring atmospheric wind,temperature,density and pressure of the near space from 20 km up to 120 km altitudes is being constructed.In space environment service space environment safety was provided to ensure the safety of CE-1 for its launch and operation in 2007.     

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.      

平流层冬季增温及大气中的行星波

本文利用NIMBUS-7SAMS资料分析了东经100度子午线上的两个站点(67.5°N和42.5°N)在10mb和0.0827mb高度上从1978年底至1982年间的大气温度,获得几年的平流层冬季增温结果.在1978/1979年和1981年初的冬季,高纬站点几天内出现的平流层增温最大幅度可达65K.对平流层增温的谱分析结果指出,在高纬冬季平流层有很强的16天、32夭、21天周期的行星波。中纬冬季平流层增温幅度较小,约为20K.中纬的中间层高度上整年存在有5天、8天和16天的行星波。分析研究、南、北半球不同纬度的温度随经度的分布,得出高纬冬季平流层、中间层大气温度随经度有明显的变化。波数1和波数2的波有大的幅度(主要是波数1),从高纬到低纬,波幅逐渐减小在冬季的平流层和中间层大气中,波数1和波数2的行星波在短期内可强烈增强,引起平流层冬季增温。