飞行器表面三维流场与固壁温度场的耦合分析

分析了飞行器表面温度场形成的物理机制,建立了飞行器蒙皮温度场耦合计算的理论模型,较为完整的考虑了各种热源对飞行器蒙皮温度的作用.采用有限体积法和重整化群RNG(Renormalization Group)k-ε湍流模型对流场求解N-S方程,蒙皮固壁中采用热传导模型,采用离散坐标法DOM(Discrete Ordinates Method)计算蒙皮固体壁面对外界大气的辐射.通过数值计算研究了飞行高度、马赫数和内热源对蒙皮温度分布的影响,以及高度及马赫数对飞行器表面气动加热的作用.结果表明,该方法适合考虑飞行器外部流场、固壁等多种热源作用的温度场数值模拟.     

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.      

时间序列法在临近空间大气风场预报中的应用

受多种因素影响,临近空间大气环境要素复杂多变,预报难度很大.本文采用时间序列法中的自回归滑动平均（ARMA）模型对临近空间大气风场开展统计预报方法研究,基于廊坊（39.4°N,116.7°W）中频雷达在88km高度的大气纬向风数据开展预报试验.本次预报试验的样本数据为2015年9月24日至10月24日风场数据,利用过去7天数据对未来第8天风场数据进行预报.试验结果显示,ARMA模型对临近空间大气风场预报有一定的适用性.当风场变化规律性较强,即样本数据风场呈现出比较显著的24h周期性变化时,ARMA模型预报效果较好;当风场发生突变时,预报效果变差.与实测数据的对比结果表明,ARMA模型预报结果的误差在9~27m·s-1,预报效果优于同阶自回归（AR）模型,略优于高阶AR模型.      

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.      

临近空间风切变特性及其对飞行器的影响

基于MERRA再分析资料的风场数据,根据数理统计理论,对酒泉（39.1°N,98.5°E）上空临近空间的20~78 km的大气风场进行了风切变特征分析,并分析了临近空间风切变对飞行器的影响。研究表明,临近空间最多风向在1月和10月为西风,7月为东风,4月在50 km以下为西风,以上为东风;99%概率最大风速在1月最大;最大风引起的风切变存在一定的高度范围。根据最大风和最小风给出了综合矢量风。此外发现临近空间风切变对飞行器产生的风攻角显著,对马赫数为3、5和8的飞行器产生风攻角在69 km最大,分别为8.5°、5.1°和3.2°。      

基于深度强化学习的平流层浮空器高度控制

为研究基于深度强化学习的平流层浮空器高度控制问题。建立平流层浮空器动力学模型，提出一种基于深度Q网络（DQN）算法的平流层浮空器高度控制方法，以平流层浮空器当前速度、位置、高度差作为智能体的观察状态，副气囊鼓风机开合时间作为智能体的输出动作，平流层浮空器非线性动力学模型与扰动风场作为智能体的学习环境。所提方法将平流层浮空器的高度控制问题转换为未知转移概率下连续状态、连续动作的强化学习过程，兼顾随机风场扰动与速度变化约束，实现稳定的变高度控制。仿真结果表明：考虑风场环境对浮空器影响下，DQN算法控制器可以很好的实现变高度的跟踪控制，最大稳态误差约为10 m，与传统比例积分微分（PID）控制器对比，其控制效果和鲁棒性更优。     

卫星观测台风重力波数值模拟与直接对比验证

以ECMWF的T799资料作为WRF-ARW（V3.5）初始场,对卫星高光谱红外大气垂直探测器AIRS观测的2013年超强台风苏力激发平流层重力波过程进行数值模拟,并利用卫星观测对数值模拟结果进行了直接对比验证.数值模拟表明,该台风诱发的重力波在20~40km高度逆着东风背景流向东向上传播,在水平方向呈半圆弧状;大气的垂直扰动随着高度的增加而增强,在40km高度上达到0.5m·s-1.基于三维傅里叶变换的波谱分析表明,平流层重力波水平波长中心值在500km附近,周期为3~5h,垂直波长主要为10~26km.分析表明,在18~40km高度的净纬向动量通量为6.7×10-4~1.89×10-3Pa,背景流强迫计算值为-0.23~1.21m·s-1·d-1,且在18km和40km高度的数值较大.最后,基于辐射传输模式计算的直接对比表明,卫星观测与数值模拟同时揭示了激发的平流层波动可传至40km以上高度及距台风中心2000km以外的区域,且不同资料得到的波动形态、方位以及水平尺度具有较好的一致性.      

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.      

利用WACCM-3模式对平流层动力、热力场及微量化学成分季节变化的数值模拟研究

利用美国NCAR最新的化学-气候耦合模式WACCM-3对平流层风场、温度场以及平流层臭氧等多种微量气体成分(O3, CH4, N2O, H2O, HCl, HNO3)的季节变化进行了数值模拟, 并使用ECMWF再分析资料与美国UARS卫星 搭载的HALOE, MLS, CLAES等探测器的观测资料, 对模式输出的动力、热力及化学成分浓度的气候平均值进行了验证. 结果表明, 在气候平均海表温度值驱动下, WACCM-3模式能够很好地再现ECMWF资料中平流层纬向平均风场与温度场的季节变化. 模拟结果中平流层化学成分的经向-垂直分布及其季节变化与卫星观测结果基本一致. 模式的动力、热力场在极地平流层以及热带对流层顶等区域存在一定的偏差. 这些偏差对于微量气体成分分布 的模拟具有一定影响, 特别是南半球冬(7月)、春(10月)季节南极平流层低层极夜 急流偏强, 造成极地地区附近的输送障碍增强, 从而导致CH4, N2O, H2O浓度比观测偏低. 此外, WACCM-3缺少热带平流层风场的准两年振荡(QBO) 机制, 这对于热带平流层东风急流以及低纬度平流层O3, CH4, N2O, H2O等成分经向输送的模拟结果也有一定影响.      

一种基于温度参数的热层密度修正方法

热层大气的阻力效应是影响低轨航天器大量空间操作的重要因素, 尤其是经验密度模式, 其固有的至少15%的内符合误差已严重制约航天器轨道计算精度的提高. 针对广泛应用的经验密度模式, 选择物理背景简明、关联参数较少的JACCHIA71模式, 以地磁平静条件下的全球散逸层顶温度最小值T_c及125 km高度拐点温度T_x为对象, 建立密度相对于上述温度参数的条件方程, 推导密度相对于温度参数的解析偏导数, 并给出其最小二乘解. 同时, 利用CHAMP卫星数据对模式进行修正, 模式平均误差从40%降低至3%左右. 通过TG01飞行器的轨道预报比较, 修正前后轨道预报位置精度从2 km提升至1 km左右. 经过CHAMP卫星和TG01飞行器的实测数据检验, 验证了修正算法的正确性和有效性.      

Ocean Observation from Haiyang Satellites: 2012–2014

During 2012 and 2014, China has two Haiyang(which means ocean in Chinese, referred to as HY) satellites operating normally in space which are HY-1B and HY-2A. HY-1B is an ocean color environment satellite which was launched in April 2007 to observe global ocean color and sea surface temperature, and HY-2A is an ocean dynamic environment satellite which was launched in August 2011 to obtain global marine dynamic environment parameters including sea surface height,significant wave height, ocean wind vectors, etc. Ocean observation data provided by HY-1B and HY-2A have been widely used by both domestic and international users in extensive areas such as ocean environment protection, ocean disaster prevention and reduction, marine environment forecast,ocean resource development and management, ocean investigations and scientific researches, etc.     

First quality assessment of the Cryosat-2 altimetric system over ocean

This paper presents the results of a Calval analysis performed for the Cryosat-2 mission over ocean. The data set used in this analysis consists of products generated by the Cryosat-2 Processor Prototype developed by CNES (Center National d’Etudes Spatiales). This data set has been analysed focusing on LRM (Low Resolution Mode) mode only. One major objective of this paper is to illustrate the potential of Cryosat-2 data over ocean, mainly for waves and Sea Level Anomaly applications. All the results indicate very good performances of the SIRAL (SAR/Interferometric Altimeter) altimeter over ocean. Crossover standard deviation is close to 6.5 cm over the analysed period (3 months) which is close to the Jason-2 and ENVISAT performance. All these results confirm that Cryosat’s altimeter can provide data almost as valuable as other flying altimetric missions, and that it has the potential to contribute to oceanography (e.g. multi-mission climate record, mesoscale monitoring in near real time) and to geodesy (e.g. mean sea surface, bathymetry).     

机载GNSS海洋反射信号的建模与仿真

由于全球导航卫星系统反射(GNSS-R)机载试验耗费大和重复性差,需研制GNSS-R信号模拟器,但没有相应的反射信号模型。提出了一种基于数据拟合的机载GNSS海洋反射信号建模方法。首先,对复杂的GNSS海面反射信号进行近似简化。然后利用ZV模型生成的时延相关功率曲线,通过最小二乘拟合和非线性拟合,建立了多条等时延间隔的海洋反射信号功率衰减模型,从而得到机载GNSS海洋反射信号的时延、功率、多普勒频率参数。最后,对多条反射信号的合路信号进行相关的仿真验证。验证的结果表明模拟的14条反射信号的相关功率曲线与ZV模型理论曲线的相关系数优于0.99,能够有效地用于GNSS海洋反射信号的生成。该方法可根据海面风场、浪高、波高等海面信息,模拟不同海况的海洋反射信号,为GNSS-R信号模拟器的研制奠定基础。     

外加正交电磁场等离子体中电磁波透射特性

在基于磁流体动力学和电磁波传播理论的基础上,针对航天飞行器再入过程中的黑障问题,提出了一种物理模型.利用数值分析方法,研究电磁窗周围的电子密度在不同的飞行器轴向距离下,随着飞行器法向距离增加呈现出的变化趋势;改变外加电场和磁场的交叉角度,分析不同角度下电磁窗周围电子密度的变化趋势;研究有外加正交电磁场的电子密度与无外加...     

全球海表流场多尺度结构观测卫星计划

全球海表流场多尺度结构观测卫星计划（Ocean Surface Current multiscale Observation Mission, OSCOM）首次提出海表流场、海面风场和海浪谱（简称 “流–风–浪”）一体化探测的多普勒散射计（Doppler Scatterometer, DOPS）测量原理和系统体制。OSCOM采用Ka-Ku双频多波束圆锥扫描体制的真实孔径雷达,将实现超过1000 km观测刈幅、公里级分辨率的“流–风–浪”一体化卫星直接观测。OSCOM将突破海洋亚中尺度非平衡态动力学、海洋多尺度相互作用、海气耦合的研究瓶颈,支撑实现海洋系统科学、气候变化等理论研究的重大突破。未来,应用OSCOM海表流速观测的模式改进,将奠定海洋非平衡态过程数值模拟、同化和预报的动力学基础,实现海洋和海气耦合模式的重大改进。通过与多源数据融合,OSCOM海流观测的应用将为海洋生物地球化学循环、碳收支研究和国家重大任务提供支撑。OSCOM科学卫星的实施对于我国地球系统科学和卫星对地观测重大应用的突破有至关重要的意义,有望带动我国应用卫星的发展从追赶、并行走向领跑。      

碟形飞行低速特性

碟形飞行器是一种新颖的,采用翼身融合布局的飞行器.为获得碟形飞行器在低速条件下的总体特性,对其进行了风洞测力和动导数测量试验,结合稳定性分析和模型试飞研究了其总体性能.研究结果表明:碟形飞行器最大升阻比为12.2,失速迎角28°,全机纵向模态稳定,横航向滚转模态和荷兰滚模态稳定,螺旋模态发散,具有良好的飞行品质和综合性能.     

飞翼布局飞机阵风减缓主动控制风洞试验

飞翼布局飞机具有优越的隐身和气动特性,但由于布局原因无法配置常规控制面,因此常规布局飞机的阵风减缓控制方法不再适用。针对大展弦比飞翼布局飞机,设计了风洞模型、具有沉浮和俯仰2个方向自由度的支持系统以及能够产生连续正弦阵风的阵风发生器,采用经典控制律理论设计了能够同时减缓翼尖过载和翼根弯矩的3组控制方案,开展了阵风减缓主动控制风洞试验,对开、闭环试验数据进行了分析。试验数据表明,和正常式布局飞机不同,阵风引起的飞翼布局飞机的翼尖过载和翼根弯矩在俯仰模态对应的频率处有一个很大的峰值,而在一弯频率附近峰值比较小;对于不同控制面组合,阵风减缓效果不一样;对于飞翼布局飞机,选用合适的控制面组合可以有效减缓阵风载荷和阵风响应。     

Conditional sea surface statistics and their impact on geophysical sea surface parameters retrieved from SAR altimetry signals

In this study we present an analytical formulation of synthetic-aperture radar (SAR) altimetry signals including narrow banded nonlinear wave fields and conditional statistics between wave elevation displacements, horizontal wave slopes and vertical wave particle velocities. Considering the wave elevation displacements coskewness with respect to horizontal slopes leads to an analytical formulation of the electromagnetic bias within a SAR-mode altimeter stack. This formulation can be either parametrized by the significant wave height (SWH) and mean wave steepness, or in terms of the variance of vertical wave velocities. The effect of conditional vertical wave particle velocity variances with respect to the observed horizontal wave slopes close to nadir incidence angles leads to an effective reduction of the azimuth blurring of SAR-mode stacks. We present here a formulation of this effect by examining JONSWAP ocean wave spectra. In most cases this effect reduces the azimuth blurring by 10% to 30%. Additionally we investigate the effect of a nonlinear wave elevation displacement probability density function (PDF) on estimated geophysical parameters. We were able to show that including an elevation displacement skewness of 0.13 improves significantly the SWH consistency between altimetry and ECMWF Reanalysis v5 ERA5 results.All of these effects are validated with respect to ERA5 model data in the North East Atlantic region and in situ data located in the German Bight and Baltic Sea.The developed model can be used in both SAR and conventional altimetry retrackers.