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.      

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.      

神舟4号大气成分探测的新结果

神舟4号(SZ-4)大气成分探测器搭载在SZ-4留轨舱上于2002年12月30日发射入轨，在在轨运行的前3个多月中，正值地球南半球处于夏半球季节，并发生了多次中低强度的地磁扰动事件，SZ-4大气成分探测器测得了轨道舱运行高度上(330-362km附近)大气成分的响应变化和异常现象新结果．探测数据表明，中低强度的地磁扰动事件也能引起热层大气中主要成分O和N2的数密度值增高的响应变化．同样在进入地磁扰动峰期后较高纬度处出现了N2的异常增变和O的异常降变以及大气密度异常扰动的现象，但此期间所出现异常现象的地域与SZ-3和SZ-2大气成分探测器探测结果相反，它仅位于南半球较高纬度地区．     

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.      

"神舟三号"大气成分探测器探测结果--2002年4月磁暴期间大气成分的异常变化

"神州三号"(SZ-3)大气成分探测器搭载在SZ-3留轨舱上于2002年3月26日发射入轨,正遇2002年4月发生的连续两次地磁扰动事件,SZ-3大气成分探测器测得了轨道舱运行高度上(330-350 km附近)大气成分的响应变化和异常现象.探测数据表明,在地磁扰动期间,不仅发生了大气中主要成分O和N2的数密度值增变的响应变化,而且在进入地磁扰动峰期开始后6h左右在较高纬度处出现了N2的异常增变和O的异常降变.4-5h后,这种异常增变峰和降变谷由纬度42°N左右逐渐推移向纬度较低地区,直至消失.     

青岛上空中层大气密度和温度的激光雷达探测

介绍了中国电波传播研究所瑞利散射激光雷达系统的结构和性能, 阐述了激光雷达探测中层大气密度和温度的工作原理, 给出了青岛地区中层大气密度和温度的初步探测结果. 通过与卫星、探空气球和大气模式数据的结果对比, 验证了激光雷达探测大气温度的可靠性. 基于2008-2009两年的观测, 获得了青岛地区上空中层大气温度的季节变化和平均分布. 激光雷达观测结果表明, 青岛地区平流层温度比CIRA86模式结果高, 且二者偏差呈夏秋季小、冬春季大的特点, 中间层温度则正好相反.      

系外行星大气与宜居系外行星研究进展及发展趋势

探测系外行星的主要目的是研究生命和可供地球生命生存的行星是否普遍存在这一基本科学问题.近20年来已有超过3000颗系外行星被发现,还有几千颗候选系外行星有待确认,其中疑似宜居系外行星的数量近20颗.未来十年疑似宜居系外行星的数目将大为增加.尽管目前对宜居系外行星大气观测的能力和科学结果还很有限,但可以预期未来20年对这一类行星大气的观测将成为行星科学研究的重要领域.本文根据当前系外行星大气科学发展的状态和主要科学问题,在对中国未来系外行星科学发展方向进行分析的基础上,提出一种比较可行的建议,即在近1~2年内有针对性地开展系外行星大气普查和系外行星高层大气观测的可行性论证和预研,并在5~10年内择一予以实施.      

一种用于测量高层大气风场的新型地基Fabry-Perot干涉仪

地表海拔大约250\,km高度处大气非常稀薄,目前被动光学观测是该层风场探测最有效手段.Fabry-Perot干涉仪(FPI)由于具有较高能量利用率及光谱分辨率等特点,是该层大气最有效的地基风场探测仪器之一.基于采用光路缩束系统及滤光片后置(标准具之后)方法研制的小型化FPI,2014年分别在河北廊坊(39.40°N,116.65°E)和山西岢岚(38.71°N,111.58°E)进行了地基观测试验,将观测数据与反演算法相结合得到高层大气风场数据,并将数据结果与美国大气研究中心两台FPI的风场数据进行了比较研究,在气辉整体辐射较弱的情况下得到岢岚站的风速平均反演偏差为11.8 m·s-1.      

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.     

超低轨道热层大气密度原位探测

超低轨道(VLEO)由于其轨道较低,在该轨道运行的航天器在对地观测、科学研究方面具有独特优势,但对该轨道的大气密度变化特性认知不足。在阐述国内外超低轨道大气密度原位探测发展历史及现状的基础上,总结了现有超低轨道大气密度原位探测技术,对中国超低轨道大气密度原位结果进行了初步分析和讨论。结果表明：在2020年10月空间环境平静期,250 km和350 km高度大气密度相差一个量级;升降轨期间,超低轨道大气密度每千米分别下降0.025×10^-12 kg/m³和0.041×10^-12 kg/m³,均小于模式值的0.5倍;北纬40°时,处于午夜的升轨段(约250 km)大气密度是处于正午的降轨段(约420 km)大气密度的11.2倍,高度的影响大于地方时的影响;不同纬度下,实测日均值和模式日均值的比值从高纬的0.49降为低纬的0.39,模式值偏大。在超低轨道上,实测值总体上比模式值小,可为大气物理研究和应用研究提供基础数据。     

艇载声波测量临近空间风场可行性分析

提出一种临近空间艇载原位测量大气风场的新方法,该方法利用声波传播时延差测量临近空间大气风场.介绍了该方法的原理,分析了测风误差来源和测风精度.通过分析声波在临近空间高度的衰减,对信号载波频率和传播距离进行了选择,并对不同信噪比条件下声波时延估计精度进行了仿真分析.结果表明:在临近空间20~50km高度,传播距离为2~5m,距离测量精度为1mm,平台测速精度为0.1m·s-1,信噪比优于-2dB条件下,时延估计精度优于1μs,利用该方法测风精度能达到0.2m·s-1的较高水平.      

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.      

氧气A(0,0)波段气辉体发射率和临边辐射强度模拟与分析

临近空间大气参数如温度、密度、风场等对预报模型精度及航天器运行安全等有较大的影响,而气辉的辐射模拟是大气参数反演的重要过程.本文基于光化学模型计算了氧气A（0,0）波段气辉的体发射率和临边辐射强度.基于氧气A（0,0）波段气辉的光化学反应机制、大气动力学和光化学反应理论,建立产生O₂（b1Σ_g+）的光化学模型.计算气辉体发射率,基于临边探测几何路径进行气辉辐射强度模拟.体发射率计算结果与AURIC模型结果的辐射值及辐射高度均一致.基于计算和模拟结果,对氧气A波段气辉体发射率和辐射强度的影响因素进行了分析.      

基于树模型机器学习方法的GNSS-R海面风速反演

GNSS-R是基于GNSS卫星反射信号的一种新技术.GNSS-R技术可以运用到海面风场反演中,传统的GNSS-R技术反演海面风场主要有波形匹配和经验函数两种方法,风速反演精度约为2m·s-1.波形匹配方法耗时多,计算量大;经验函数方法通常只使用少量物理观测量,会造成信息浪费,损失一定的反演精度.为了提高海面风速的反演精度,引入机器学习领域常用的树模型算法决策树、随机森林、GBDT等对海面风速进行预测.利用GNSS-R与ECMWF数据构成训练集和验证集,训练集用于模型学习,验证集用于检验模型的反演效果.实验结果显示,决策树和随机森林预测误差约为0.6m·s-1,GBDT等算法的预测误差约为2m·s-1,满足风速反演要求.与GNSS-R传统反演方法相比,机器学习树模型算法效果更好,在验证集上表现稳定且误差较小.因此,可以将机器学习树模型算法运用到海面风速反演中.      

掩星大气探测系统误差源分析

根据掩星大气探测反演原理,研究了影响系统产品精度的误差源,并对多普勒观测误差、天线相位中心变化误差、多路径误差、卫星质心变化误差、导航卫星钟飘、卫星姿态变化误差和精密定轨速度误差进行分析,根据工程实现可行性提出了系统误差分配建议,为掩星大气探测系统设计提供参考.      

大气阻力参数修正对低轨空间目标轨道预报精度的改进

对于低轨空间目标, 大气阻力是影响轨道预报精度的主要摄动力. 本文提出了一种 基于空间环境数据和神经网络模型的空间目标大气阻力参数修正方法, 基于目 标的历史两行元根数, 通过模拟得到外推一天轨道预报中预报结果与观测数据 符合最好的阻力调制系数, 分析表明其与太阳F_10.7指数和地磁Ap指数具有很好的相关性. 根据已有数据, 构建神经网络模型, 实现对阻力调制系数 的补偿计算, 从而改进低轨目标外推一天的轨道预报. 结果表明, 神经网络模 型相比两行元根数能够更及时地对空间环境变化进行响应. 将该方案应用于天 宫一号和国际空间站的外推一天轨道预报, 验证了方案的正确性和普适性, 对 地磁扰动引起的较大预报误差改进效果更好, 误差能够降低50%~60%; 平均而言, 预报精度可以提高约30%, 改进成功率达到80%左右.      

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.      

黄河站和Tromso站亚暴期间热层风场观测结果

中高层大气风场探测对研究大气物理过程具有极为重要的意义，尤其是在极地地区，风场对大气结构的影响更为剧烈.针对亚暴期间中国北极黄河站和日本Tromso站上空OI557.7nm气辉层（低热层）中性风场，利用全天空法布里-珀罗干涉仪（all-sky Fabry-Perot Interferometer，all-sky FPI）探测气辉谱线的多普勒频移，反演气辉层的大气风场信息.结果表明，低热层风场平均水平在100m·s-1左右，热层风场在极地地区更为剧烈，纬度相对较低的Tromso站探测到的风速整体小于同期黄河站上空的风速.结合离子风数据，分析离子拖拽和焦耳加热对中性风的影响过程，发现极光亚暴不仅对低热层风场有增强作用，也有明显的抑制效果，但整体风向都垂直于极光弧变化.      

Atmospheric photochemistry above possible martian hot spots

Considering the possibility of outgassing from some localized sources on Mars, we have developed a one-dimensional photochemical model that includes methane (CH₄), sulfur dioxide (SO₂) and hydrogen sulfide (H₂S). Halogens were considered but were found to have no significant impact on the martian atmospheric chemistry. We find that the introduction of methane into the martian atmosphere results in the formation of mainly formaldehyde (CH₂O), methyl alcohol (CH₃OH) and ethane (C₂H₆), whereas the introduction of the sulfur species produces mainly sulfur monoxide (SO) and sulfuric acid (H₂SO₄). Depending upon the flux of the outgassed molecules from possible hot spots, some of these species and the resulting new molecules may be detectable locally, either by remote sensing (e.g., with the Planetary Fourier Spectrometer on Mars Express) or in situ measurements.