对流层顶变化对上对流层/下平流层臭氧分布的影响

上对流层和下平流层(UT／LS)，位于8-25km高度之间，是大气中一个很特殊的区域．大部分的臭氧分布在下平流层，在下平流层臭氧的含量发生一个很小的变化，就会对气候和地面的紫外辐射产生很大的影响．而作为气象参数的对流层顶，是充分混合、缺乏臭氧的上对流层和层结稳定、臭氧丰富的下平流层之间的边界或过渡层，其变化对臭氧总量和分布有直接和明显的影响．本文使用二维模式模拟研究对流层顶变化对臭氧在UT／LS分布的影响．模拟结果表明对流层顶的季节变化对UT/LS的臭氧分布有明显的影响，臭氧的局地变化可以超过10％在冬季北半球中纬度对流层顶高度升高1km时，模式结果表明对臭氧分布的影响比较显著，局地变化可超过6％，但是对臭氧总量的影响较小，变化不超过5DU，小于观测资料统计分析的结果。     

低平流层温度对银河系宇宙线强度变化的响应

选用芬兰中子堆监测站从lop年7月至1989年3月的宇宙线强度月平均曲线数据,和在相对应期间我国境内海拉尔等4个高空气象观测站的30hPa和100hPa等位势高度上常规气温观测月平均资料,经统计分析,取得初步结果：低平流层气温与银河系宇宙线辐射强度之间呈现负相关的特性;与银河系宇宙线辐射强度峰区和谷区相对应会在低平流层中引起幅值为2-3℃的温度变化;不同纬度观测站所得观测数据表明,上述增温幅值随纬度降低而减少。     

平流层飞艇热力学验证温度测量方法研究

平流层飞艇的热力学分析是平流层飞艇关键技术之一。针对热力学分析的工程验证及模型完善,提出了适合于平流层飞艇的艇囊内气体及囊体表面的温度测量方法,包括采集点的分布,传感器的选型,数据传输和处理及数据准确性评价等。经过两次平流层飞艇的缩比飞行试验,对比同艇发放的探空仪采集的温度数据,验证了该方法测量到的数据的准确性。     

基于COSMIC的平流层重力波参数分析

基于COSMIC卫星观测的2006年12月29日到2008年1月3日30°-40°N纬度内的温度剖面,分别利用垂直滑动窗、双滤波器和单滤波器三种方法计算低平流层重力波的扰动和势能,获得重力波扰动和势能随高度、经度的分布以及多时间尺度变化特性,分析重力波扰动势能与背景温度及风场的变化趋势和特点.比较三种方法得到的结果发现：垂直滑动窗方法只能去除大垂直尺度的背景,无法抑制小尺度的扰动,其得到的结果误差较大;双滤波器法对温度剖面中的大尺度背景和小尺度扰动都能很好地抑制;单滤波器法得到的重力波扰动中基本不包含垂直方向的大尺度背景,但是包含一些小垂直尺度的扰动.因此,对于垂直波长为10km左右的重力波,采用双滤波器法合适;如果需要得到小尺度重力波的变化特性,采用单滤波器法合适.采用双滤波器法无法得到势能随高度的变化,而采用单滤波器法能够给出每月势能随高度的分布.对30°-40°N纬度内的重力波参数进行统计分析得到重力波扰动、势能与背景温度和水平风场的关系.     

中国上空平流层准零风层的特征分析

利用ECMWF提供的ERA-40再分析风场资料首次分析了中国上空平流层准零风层的特点及其随季节和地理位置的变化特征.结果表明,准零风层一般处于18～25 km高度范围内,零风线所在的高度随时间和地理位置的不同稍有变化.根据准零风层随纬度的变化特征,中国上空可以分成三个区域:低纬地区(5°N～20°N)、中低纬过渡区域(20°N～32.5°N)和中高纬地区(32.5°N～55°N).低纬地区一般在冬季和初春有准零风层结构存在;中高纬地区一般在春末和夏季存在准零风层结构;而中低纬过渡区域是否有准零风层结构存在还与准两年震荡(QBO)有关,在QBO东风相位时,过渡区域呈现的特性偏向于中纬特性,在QBO西风相位时,过渡区域呈现的特性偏向于低纬特性.准零风层随经度变化非常小,零风线所在高度随经度的变化幅度一般不超过2 km,过渡区域的变化幅度相对大些.     

基于钠激光雷达观测数据的中间层顶大气温度分布特性研究

作为中间层和热层的边界层,中间层顶存在多种能量交换方式,是大气能量耦合的重要区域。本文利用部署于中国科学院廊坊临近空间大气探测站的钠荧光多普勒激光雷达2013年的观测数据,研究了廊坊上空中间层顶区域大气温度的年度和季节分布特性,并分析了影响温度分布的多种因素。年平均温度廓线图显示,中间层顶位于约97.5 km高度处,温度约191.2 K。受放热化学反应的影响,年平均温度廓线91 km高度处出现了一个198 K的相对温度高点。中间层顶区域大气温度的季节分布受太阳辐射和大气动力学因素综合影响,夏季在大气动力学影响下,中间层顶高度较低,位于88 km高度处,温度也较低,约177 K;冬季太阳辐射起主导作用,中间层顶位于99 km高度处,温度为181 K。通过拟合月平均温度分析了中间层顶区域大气温度年变化和半年变化的振幅和相位特征。结果显示,中间层顶区域上部温度分布主要受太阳辐射的影响;在中间层顶区域下部,大气波动主导了温度分布。     

武汉上空对流层与平流层大气密度和温度探测的初步结果

利用武汉大学Rayleieh/钠荧光散射激光雷达和无线电探空仪进行联合探测的数据,反演出武汉地区上空(30.5°N,114.4°W)0—65km处的密度和温度分布曲线,并简单阐述了激光雷达的工作原理。将测量结果和MSISE-90参考大气模式比较,二者结果基本符合,温度廓线在中层顶附近和模式的差别约为3K。同时利用激光雷达探测到了中层大气中的重力波活动。     

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.     

基于WACCM+DART的临近空间SABER和MLS温度观测资料同化试验

基于WACCM+DART（Whole Atmosphere Community Climate Model,Data Assimilation Research Test-Bed）临近空间资料同化预报系统,以2016年2月的一次平流层爆发性增温（SSW）事件为例,开展了临近空间SABER（Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry）和MLS（Microwave Limb Sounder）温度观测资料集合滤波同化试验.结果表明：同化SABER和MLS温度观测资料可显著降低WACCM模式在中间层和平流层中上部（0.001～10hPa）大气温度场的预报误差,改善CR试验在SSW发生时中间层变冷现象偏强、纬向风场首次发生反转的层次偏低以及增温恢复阶段0.1～10hPa的东风层提前消退、纬向风速偏大、平流层顶位置偏高等现象.基于ERA5（The Fifth Generation of ECMWF Reanalyses）再分析资料的检验表明：同化SABER和MLS温度资料明显有利于减小北半球高纬度地区（60°-90°N）平流层中上层和下中间层（0.1～14hPa）纬向风场以及平流层和中间层中下层（0.01～100hPa）温度场的分析误差;同化低层大气观测也有利于减小0.1～14hPa纬向风场和0.01～100hPa温度场的分析误差,但是不如同化SABER和MLS温度资料对临近空间纬向风场和温度场分析误差的改善效果显著.     

晴天大气电场时空变化特征分析

利用子午工程5个大气电场观测站点近10年的近地面晴天大气电场观测数据,在年变化、季节变化、日变化三种不同时间尺度上进行了对比分析。结果表明：不同纬度站点的日平均晴天大气电场峰谷类型不同,且部分站点的波峰出现了逐年左移或右移的趋势;在电场幅值变化方面,位于中低纬度地区的站点呈现出逐年减小的变化特征,而位于中高纬度的站点呈现出逐年增加的变化趋势,且这种年变化均是线性的;多元回归分析表明,最大波峰出现时间与地理经度呈负相关,而与地理纬度呈正相关;各站点在近10年中均未出现明显的纬度效应;冬季的晴天大气电场日平均值水平较高,夏季较低,且各季节的日平均晴天大气电场最小值及最大值均近似呈正态分布;最小值及最大值在年度和季节两个时间尺度上的变化规律是基本一致的。这些研究结果揭示了晴天大气电场在不同时间尺度上的变化特征。     

华南地区电离层闪烁与TEC耗空的时间和空间分布统计分析

利用位于赤道异常区的深圳站（22.59°N,113.97°E）2011年1月至2012年12月及2015年1月至2015年12月监测到的GPS-TEC数据,统计分析华南地区电离层闪烁与TEC耗空同时出现、电离层闪烁单独出现和TEC耗空单独出现3种现象的时间和空间分布特性.结果表明：这3种现象均主要发生在春秋季节;闪烁与TEC耗空同时出现、闪烁单独出现和TEC耗空单独出现分别主要发生在纬度为19°-23°N,21°-24°N和24°-26°N的空间区域.探测到闪烁和TEC耗空同时出现、闪烁单独出现和TEC耗空单独出现的时间分别主要分布在20：00LT-22：00LT,21：00LT-23：00LT和22：30LT-23：30LT.闪烁与TEC耗空同时出现、闪烁单独出现和TEC耗空单独出现3种现象的时间和空间分布特性对应了华南地区不规则体和赤道等离子体泡（EPBs）从产生到消失的演变过程.     

基于场理论的“嫦娥4号”着陆区亮温时空分布特征研究

“嫦娥4号”（Chang’e-4）将首次实现在月球背面软着陆,而着陆区初步定为月球背面南极–艾肯（South Pole-Aitken,SPA）盆地内的冯·卡门（Von Kármán）撞击坑。利用“嫦娥”微波辐射计穿透性强的特点,针对微波辐射亮温缺乏场分析的问题,从场观点出发利用SVD方法分析冯·卡门撞击坑的亮温时空分布特征。结果表明冯·卡门撞击坑的3 GHz昼夜亮温场和37 GHz昼夜亮温场之间存在显著的耦合模态,同时在撞击坑内的亮温变化趋势相对一致;FeO+TiO₂（FTA）含量高的区域其相关性较高,也是亮温变化的关键区域,但是其等值线密度和FTA含量没有明显相关关系,主要和月表粗糙度相关。最后通过分析冯·卡门撞击坑的亮温时空分布特征综合地形特征、地层单元和物质化学成分等因素,为Chang’e-4着陆区的选择提供了参考。     

TIMED/SABER与AURA/MLS临近空间探测温度数据比较

利用AURA/MLS数据（V4.2）和TIMED/SABER数据（V2.0）对20~92km高度的大气温度进行比较分析,计算AURA/MLS数据与TIMED/SABER数据的温度绝对偏差,并分析平均温度偏差在不同季节中随经度、纬度和高度的变化特征.结果表明：20~80km高度的平均温度偏差在±6K以内,相对偏差在3%以内;80~90km高度平均温度偏差减小至-10K以下,相对偏差在9%以内.中低纬度地区平均温度偏差廓线的变化趋势一致,从20km高度的-3K左右的负偏差逐渐增加,在45~50km高度的平流层顶处有较明显的3K左右的正偏差峰值.平均温度偏差随纬度变化明显,随经度变化很小.研究结果可为卫星数据的应用提供参考依据.     

Temperature comparison between CHAMP radio occultation and TIMED/SABER measurements in the lower stratosphere

Global Positioning System (GPS) receiver on the CHAllenging Mini-satellite Payload (CHAMP) and the Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry (SABER) instrument, one of four on board the TIMED satellite, provide middle atmosphere temperature profiles by Radio Occultation (RO) and limb viewing infrared emission measurements, respectively. These temperature profiles retrieved by two different techniques in the stratosphere are compared with each other using more than 1300 correlative profiles in March, September and December 2005. The over-all mean differences averaged over 15 and 35 km are approximately −2 K and standard deviation is less than 3 K. Below 20 km of altitude, relatively small mean temperature differences ∼1 K are observed in wide latitudinal range except for June (during the SABER nighttime observation). In the middle to low latitudes, between 30°S and 30°N, the temperature difference increases with height from ∼0–1 K at 15 km, to ∼−4 K at 35 km of altitude. Large temperature differences about −4 to −6 K are observed between 60°S and 30°N and 31–35 km of altitude for all months and between 0° and 30°N below 16 km during June (nighttime).     

北驼峰区电离层GPS卫星闪烁事件时空特征及对通信的影响

基于子午工程北大深圳站（22.59°N,113.97°E）电离层GPS双频接收机在2011年1月1日至2017年12月31日连续7年的长时间序列闪烁和TEC观测数据,分析不同太阳活条件下华南赤道异常北驼峰区观测到的GPS卫星L波段电离层闪烁事件时空分布特征及其对通信的影响.结果表明：GPS闪烁事件几乎都发生在夜间,且主要发生在春秋分月份;在不同太阳活动条件下,夜间GPS闪烁事件都主要发生在北驼峰区域靠近磁赤道的一侧,且GPS闪烁事件存在明显的东-西侧天区不对称性,即在台站西侧天区发生的闪烁事件明显偏多;在不同太阳活动条件下,弱闪烁事件伴随的TEC耗尽和卫星失锁事件比例相对较低,强闪烁事件则大部分都伴随着TEC耗尽和卫星失锁事件的发生.     

海表温度对中法海洋卫星散射计测量的影响

卫星散射计通过测量海表粗糙度反演全球海面风场。对于Ku波段散射计,海表粗糙不仅和海面风场相关,还受海表温度的二阶效应调制。定量研究了海表温度对中法海洋卫星（CFOSAT）散射计（CSCAT）反演风速和后向散射测量的影响。结果表明,CSCAT两种极化方式测量的后向散射系数都会受到海表温度的影响,但是垂直极化中低入射角（θ <36°）测量的后向散射系数几乎不随温度变化。因此CSCAT的风速偏差也随海表温度的变化而变化,且随着入射角的增大和风速的减小,海表温度对风速偏差的影响程度增大。在数据分析的基础上提出了一种考虑海表温度影响机制的地球物理模式函数,为未来CFOSAT散射计风场反演的海温校正提供参考。     

基于激光雷达实测和动力学仿真方法研究中间层顶垂直风扰动特性

利用中国廊坊台站钠荧光多普勒激光雷达82h垂直风和水平风观测数据,统计得到中间层顶区域中存在10m·^-1量级的垂直风扰动和纬向风扰动,其中垂直风扰动远远超过平均风速为-0.015m·^-1的背景垂直风速.根据三维准单色重力波的极化关系和色散关系,对高中低三种频率重力波产生的垂直风扰动进行仿真,结果显示在满足短周期、大纬向风扰动条件下,高频重力波能够产生最大10m·^-1量级的垂直风扰动,中频重力波能够产生10m·^-1以内的垂直风扰动,低频重力波能产生1m·^-1以内的垂直风扰动.理论条件下准单色重力波能够产生10m·^-1量级的垂直风扰动,钠激光雷达观测到的最大10m·^-1量级的垂直风扰动真实存在.研究结果可对高层大气垂直风场探测、垂直风场模拟和重力波参数化提供依据.

     

冷而密的等离子体片及其对磁尾等离子体片分布特性的影响

地球磁尾等离子体片在太阳风-磁层耦合过程中起着重要的作用,其中冷而密的等离子体片是地磁活动平静期太阳风等离子体进入磁层的重要区域.以往的研究通常没有利用局地探测数据针对冷而密的等离子体片发生率在地心太阳磁层坐标系（GSM）中xy平面分布的统计分析.本文利用GEOTAIL卫星1996-2016年的局地测量数据,给出了等离子体片密度、温度及冷而密的等离子体片发生率的二维分布.与温度具有晨昏对称分布不同,等离子体片数密度呈现明显的晨昏不对称性,并且冷而密的等离子体片发生率在晨侧较高.     

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。