135.6nm夜气辉峰值电子密度反演算法及误差

根据夜间135.6nm大气辉光光强与F₂层峰值电子密度N_mF₂平方成正比的物理机制,在前期夜间135.6nm气辉辐射激发模型研究的基础上建立了峰值电子密度的反演算法,把全球经纬度分成若干格点,每个格点的电离层及中性成分信息分别由IRI2000和MSISE90提供,将电离层及中性成分廓线输入夜气辉辐射激发模型,计算每个格点135.6nm气辉的辐射强度,然后将各个格点的135.6nm气辉辐射强度与电离层廓线输入的N_mF₂平方拟合得到气辉强度与N_mF₂的转换因子.利用此方法可获得不同地方时、季节和太阳活动周期的转换因子组成查算表,进而根据实际探测的135.6nm气辉辐射强度反演相应时空的N_mF₂.最后对该算法的反演误差进行了综合分析,为该算法适用的时空特性提供重要理论支撑.     

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.     

太阳同步轨道卫星光学特性

为了分析太阳同步轨道卫星的光学特性,对FY-1卫星的可见光和红外波段光学信号进行了仿真计算和模拟试验验证.通过对外部辐射及内部热源的分析,计算了卫星的温度场,采用随机起伏表面算法模拟表面覆盖材料外表面,通过阴影遮挡判断及双向反射分布函数(BRDF, Bi-directional Reflectance Distribution Function)模型计算卫星对外部辐射的反射特性,编程计算得到在可见光0.4~1.0μm和红外8~14 μm,14~16 μm波段下卫星的光学特性.结果表明红外辐射亮度与表面温度相关,8~14 μm最大约90 W/(m²·sr)、14~16 μm最大约20 W/(m²·sr).空间可见光辐射强度具有明显的镜面反射效应,卫星主体峰值2 200 W/sr.通过地面模拟测量空间目标的温度和红外辐射验证了温度及红外辐射仿真计算模型,可见光辐射强度仿真计算结果与地面模型卫星测量结果误差在20%以内.     

太赫兹火星大气临边探测仿真研究

对火星大气进行连续高分辨率观测是研究火星大气物理和化学过程的重要手段.太赫兹临边探测技术通过测量火星大气中的风和光化学循环中的重要气体（CO,O₃,H₂O,H₂O₂等）提高对火星的认知.针对火星大气遥感的探测需求,分析了300～1000GHz频段的频谱特征.针对探测卫星对于载荷质量、功耗等参数的要求,提出一个560GHz频段的火星大气太赫兹临边探测仪设计方案,并利用辐射传输模型ARTS中的行星工具箱进行仿真.仿真结果显示：火星大气温度的反演精度优于4K,其中45km高度以下优于2K;H₂O丰度的反演精度在90km以下优于50%,30km以下优于2%;H₂O₂的反演精度在40km以下优于50%;O₃的反演精度在50km以下优于60%;大气风速度的反演精度在65km以上优于5m·s^-1,最高可以达到2m·s^-1.研究结果表明,利用太赫兹波段的吸收谱线可以很好地探测火星大气中各成分的丰度、变化趋势以及中高层大气的风,可为后续火星表面及大气探测提供参考.     

基于最大似然估计的远紫外遥感反演电离层电子密度算法

原子氧135.6 nm夜气辉主要由氧离子O+与电子的辐射复合反应生成,一些星载远紫外遥感观测任务证实135.6 nm夜气辉可用于反演电离层电子密度。针对远紫外临边遥感观测反演电离层电子密度,分析了135.6 nm夜气辉辐射强度与电子密度之间的非线型前向模型,基于离散反演理论设计了从夜间135.6 nm临边观测数据反演电子密度高度分布的反演算法,算法应用最大似然估计通过迭代求解电离层参数的最佳拟合值。通过仿真计算了TIMED卫星上全球紫外成像仪GUVI观测的反演结果,验证了本反演算法的可行性。对GUVI的实际观测数据进行反演,获得了电子密度高度分布。通过与GUVI数据的电离层参数对比分析得出,本文建立的反演模型使N_mF₂被高估,同时使h_mF₂被低估。对于不同的太阳活动强度,N_mF₂和 h_mF₂的系统误差分别在10%和5%以内,能较精确地获得电离层参数。精确获得电离层电子密度信息对于提高空间天气预报及电离层模型的修正具有重要意义。      

行星大气1~3000GHz微波-亚毫米波辐射模拟

为模拟行星大气在微波elax-elax亚毫米波波段的辐射传输特性,利用逐线积分方法计算行星大气中各气体成分在1~3000GHz的吸收系数.基于HITRAN数据库中各气体分子的跃迁频率及线强等参数,有效模拟了各气体分子在此频段内的吸收特征,并与常用的微波elax-elax亚毫米波大气辐射传输模式进行对比.分析地球大气的组成及特性,利用辐射传输方程模拟临边探测方式下不同频段的大气辐射亮温.研究结果可为后续地球乃至行星大气成分探测模拟、频带选择以及大气成分廓线反演提供模型及理论依据.     

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.     

临近空间太阳紫外辐射环境模拟与地区差异

太阳紫外辐射是临近空间能量输入的主要来源之一,对其在中层大气的辐射特性进行研究,是研究临近空间大气成分与密度变化、光化学反应以及动力学过程的重要基础。依托“鸿鹄”临近空间探测专项计划,利用MODTRAN5辐射传输模型及卫星实测数据,模拟并对比中国11个主要地形区上空临近空间（20~50 km）紫外辐射（200~400 nm）垂直分布和季节演变的异同,计算了臭氧含量、太阳天顶角和日地距离等关键因素对辐射强度的影响。结果表明,各地形区的辐射流量垂直分布廓线和年较差垂直分布廓线较为一致,在地理位置上毗邻的地区辐射特性及季节演变较为接近,但在太阳紫外的不同波段之间区别较大。研究成果为临近空间探测实验提供了数据支撑,为大气反演等相关领域提供参考。      

一种全天空气辉成像仪数据预处理方法和初步结果

大气重力波是大气中的基本波动形式之一,在中高层大气动力和热力学过程中起着十分重要的作用.全天空气辉成像仪是一种以大气气辉辐射为示踪物,能够有效对大气重力波成像的仪器.本文针对中国科学院国家空间科学中心空间天气学国家重点实验室中高层大气组自主研制的全天空气辉成像仪所观测的数据,提出了一种气辉图像预处理方法,进行平场校正、方位校正、星光去除和坐标映射等数据订正.利用该方法处理2015年5月17日21：00BLT至次日05：00BLT西宁台站（36.6°N,101.7°E）的OH气辉数据,发现一次重力波事件,分析并获得了该重力波的水平波长、观测水平相速度和传播方向（分别为17.72km,47m·s^-1,339°）.研究结果表明该方法是可行的.     

夜间135.6 nm气辉反演的电离层f0F2与测高仪观测比较研究

在夜间电离层，气辉135.6 nm谱线主要由F层的O⁺和电子的辐射复合过程以及O⁺和O^–的中性复合过程激发，该谱线强度和电离层峰值电子密度Nm F₂存在很强的相关性。利用夜气辉135.6 nm辐射强度与F₂层峰值电子密度Nm F₂的平方成正比的物理模型，建立了在不同经纬度、地方时、季节和太阳活动下均适用的反演算法。通过DMSP卫星上搭载的紫外光谱成像仪(SSUSI)实际观测的135.6 nm气辉辐射强度来反演相应时空的电离层F₂层临界频率f₀F₂，并将其与地基测高仪探测结果做了综合对比。结果表明，在太阳活动高年(2013年)，相对误差小于等于20%的数据占比93.0%，平均相对误差约为7.08%；在太阳活动低年(2017年)，相对误差小于等于20%的数据占比80.8%，平均相对误差约为12.64%。最后，对该算法在太阳活动高低年的反演精度差异进行了分析。     

利用曙暮气晖反演中层臭氧的可行性

利用1.27μm曙暮气晖反演大气O₃是中间层03含量的重要测量方法.本文研究了1.27μm地面曙暮气晖所包含的独立信息参量、可测量高度和垂直分辨率;讨论了光化学参量、大气参量不定性的影响和对中间层O₃含量变化的灵敏度.结果指出,利用这一方法可以给出60－90km高度的大气O₃含量,光化模式参量不定性的影响约为10％.      

星载全球大气波动成像仪研究

在卫星上对中间层顶区域的气辉辐射成像观测, 对于全球大气波动的监测和研究具有重要的意义. 利用TDICCD对O₂A (0-0)气辉进行成像观测, 计算了曝光积分时间、信噪比和能达到的最高空间分辨率, 分析了地球自转对空间分辨率的影响, 在此基础上提出一种星载全球大气波动成像仪方案, 该方案可以观测垂直波长大于10km的大气波动, 最高水平分辨率可以达到0.33km.     

受控生态生保系统内红萍供氧特性研究

研究红萍载人供O₂特征, 为红萍生物部件进行系统总体地面模拟试验及空间应用奠定基础,构建了受控生态生保系统密闭试验舱和红萍栽培装置, 在“红萍-鱼-人”共存情况下, 测定密闭舱内O₂, CO₂浓度的变化. 试验结果显示, 单位重量的鱼耗O₂量. 0805～0.0831 L·kg^-1·h^-1, 排放CO₂量为0.0705～0.0736 L·kg^-1·h^-1; 试验志愿者耗O₂量19.71 L·h^-1, 呼吸释放CO₂量18.90 L·h^-1. 人工光照保持7000～8000 lx条件下, 红萍的光合作用与人和鱼的呼吸作用相辅相成, 舱内O₂, CO₂浓度趋于平衡. 密闭舱内CO₂浓度升高对促进红萍群体净光合效率有明显效果, 红萍光合放O₂能力很强, 能有效促使密闭舱内O₂, CO₂浓度朝着有利于人生存的环境方向平衡, 进而验证了红萍的空间应用前景.     

日全食期间中间层大气臭氧光化过程试验

利用包括活O_x、HO_x、和NO_x等成份在内的一维时变光化模式,研究了日全食时上中层大气臭氧和O₂(1△g)的变化特性,并通过与观测资料的比较进行了光化模式的试验.结果表明,日全食时太阳辐照变化对1.27μm气晖影响的高度比曙暮期间明显偏低,利用1.27μm气晖光度计测量大气臭氧的高度范围约为52-67km.1997年3月9日漠河日全食时测量的大气臭氧含量变化幅度为50％.这与考虑O_x、HO_x、和NO_x等成份的光化模式理论模拟结果基本一致.它表明在52-67km高度范围不存在臭氧亏损现象.      

释放SF6气体扰动电离层时的人工气辉研究

在电离层高度释放SF₆气体能够显著扰动电离层.根据SF₆分子在电离层中的扩散方程,同时考虑其在电离层中主要的离子化学反应,研究了SF₆气体释放后电离层各粒子浓度的时空变化,计算了产生人工气辉的体发射系数和发射强度.结果表明,SF₆气体在电离层高度释放后,电子和O⁺的密度均有大幅度下降,主要的负离子成分由电子转变成SF₅^-;在释放过程中,主要产生777.4 nm和135.6 nm两种气辉,且前者的气辉强度远小于后者;电离层温度对气辉的强度有很大的影响.本文的数值计算与美国IMS/SF₆实验观测数据进行比较,结果近似,且通过数据比较还能准确推断出实验时当地的电离层温度.     

The Nonlinear Model of the Response of Airglow to Gravity Waves

In this paper, we develope a time-dependent, nonlinear, photochemical-dynamical 2-D model which is composed of 3 models: dynamical gravity wave model, middle atmospheric photochemical model, and airglow layer photochemical model. We use the model to study the effect of the gravity wave propagation on the airglow layer. The comparison between the effects of the different wavelength gravity wave on the airglow emission distributions is made. When the vertical wavelength of the gravity wave is close to or is shorter than the thickness of the airglow layer, the gravity wave can make complex structure of the airglow layer, such as the double and multi-peak structures of the airglow layers. However, the gravity wave that has long vertical wavelength can make large scale perturbation of the airglow emission distribution.     

电离对高超声速热化学非平衡气动热环境的影响

高超声速飞行,激波后高温气体会发生电离,飞行器气动热环境复杂。5组元（N₂,O₂,NO,O,N）、7组元（N₂,O₂,NO,O,N,NO+,e-）和11组元（N₂,O₂,NO,O,N,N₂+,O₂+,NO+,O+,N+,e-）热化学反应采用Gupta化学反应模型,分别数值研究电离作用对高超声速热化学非平衡气动热环境影响。本文分析了不同催化壁面条件下,高超声速热化学非平衡电离流场气动热环境特性。电离作用对激波离体距离和气动力载荷的影响很小。5组元热化学非平衡不考虑电离作用,流场温度和壁面热流密度偏大。11组元热化学平衡强电离流场温度最低;7组元热化学非平衡弱电离流场NO+和e-生成量过低;11组元热化学反应能对热化学非平衡电离流场气动力和热流密度载荷可靠预测。壁面催化作用会增大壁面热流密度,但它对高超声速热化学非平衡电离流场温度和气动力载荷的影响很小。