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。      

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。      

太阳活动突发过程对临近空间大气影响的模拟

空间天气对地球及近地空间具有重要影响,大的空间天气事件对中上层大气动力学和成分具有不同的影响。利用全大气耦合模式WACCM,针对太阳耀斑、太阳质子、地磁暴三类事件,以太阳活动平静期2015年5月10-14日的GEOS-5数据为模式背景场,通过F_10.7、离子产生率、Kp及Ap指数设置,分别模拟三类事件对临近空间大气温度、密度和臭氧的影响。结果表明耀斑事件在三类事件中对临近空间大气温度和密度的影响最为显著。平流层大气温度增加是由耀斑辐射增强引起平流层臭氧吸收紫外辐射发生的光化学反应所致,耀斑事件引起平流层和低热层温度增加约为2～3 K,低热层大气相对密度增加在6%以内;太阳质子事件及磁暴事件主要影响低热层,但太阳质子事件和磁暴事件对低热层温度扰动不大于1 K。     

北京和东北地区雷暴与太阳活动的关系

太阳活动对于大气电性能可能会产生影响,而大气电性能在雷暴形成过程中可能会起着重要作用.因此,太阳活动对于大气电性能的影响,最终将有可能影响到雷暴的形成.本文用1957年到1978年北京地区和东北地区的10个气象站的13000多个雷暴资料,用时序迭加法分析了雷暴数与太阳磁扇形界面通过、太阳耀斑及太阳黑子11年周期变化等的关系.结果表明,有些年分的雷暴数当行星际磁场方向由指向太阳变为离开太阳的磁扇形界面扫过地球时有相关影响,在界面通过前后3天内或7天后雷暴数明显增大.从季节来看,上半年的界面通过比下半年的界面通过对雷暴的影响大.在各种太阳耀斑分类统计分析中,看到出现在日面上西区特别是西一区(0°-30°)的耀斑对雷暴的影响显著.雷暴数与太阳黑子11年周期变化则没有很显著的相关关系.      

太阳耀斑对大气气旋的扰动

本文统计了1966-1978年2级以上太阳耀斑引起的大气涡度面积指数(VAI)的扰动;给出了不同持续时间、不同亮度、不同季节、发生在日面不同位置上的太阳耀斑对涡度面积指数的影响.发现只有在冬天出现的,持续时间大于1.5小时的亮耀斑,在第3天对VAI有最大的扰动(下降最大值为平均值的16.4%);太阳耀斑引起的扰动有日面东西不对称性;出现在日面西边0-30°的亮耀斑和非亮耀斑(它们的持续时间大于1.5小时)引起VAI的大扰动,最大值扰动分别出现在第3天和第7天.      

太阳耀斑对电离层总电子含量的影响

本文分析了1978—1979年1级以上的太阳耀斑对电离层总电子含量的影响. 给出了不同持续时间、不同亮度、不同季节、发生在日面不同位置上的太阳耀斑对电离层总电子含量的影响.分析结果表明,持续时间大于等于1.5小时的耀斑对电子含量有明显的扰动,耀斑出现后电子含量随之增加,在第4—5天增加到最大值,扰动持续数日;持续时间小于1.5小时的耀斑对电子含量影响甚微;非亮耀斑对电子含量的扰动小于亮耀斑;夏季出现的耀斑对电子含量无明显扰动,只有冬季出现的亮耀斑对电子含量有明显的扰动;太阳耀斑扰动电子含量有明显的日面位置东西不对称性,只有出现在日面东边、特别是E₃区的太阳耀斑对电子含量才有明显的扰动.      

日照边缘区域电离层对耀斑的响应特点研究

利用MSIS模型和背景太阳辐射谱模型,在一定大耀斑辐射谱假设的前提下,计算了耀斑期间日照边缘区域的电子产生率,分析了这一区域电离层电子密度的变化特点.结果表明,大耀斑期间在日照边缘区域,甚至大于太阳天顶角90°的区域都有明显的电子产生率的增加.从不同太阳天顶角处的电子产生率剖面的形态来看,随着天顶角的增加最大电离率减少,但高度增加.计算还显示了在太阳天顶角小于90°的区域内电子产生率的垂直分布有明显的双峰结构,这种结构对应着电离层的E区和F区,但在天顶角大于90°区域,F区的电子产生率要大得多.考虑到离子和电子的复合过程,这一区域的总电子含量的增加主要产生在高F区.      

1996-2003年大耀斑事件引起的TEC突然增强的统计分析

利用1996—2003年期间GOES卫星耀斑观测资料和国际GPS观测网的GPS—TEC资料分析X级大耀斑事件引起的电离层电子浓度总含量(TEC)的突然增强(SITEC)现象．对X射线耀斑等级、耀斑日面位置与SITEC的关系进行了分析．结果表明,两者都与SITEC现象的强弱有着一定的正相关性．在消除X射线耀斑等级、耀斑日面位置对电离层SITEC现象的影响后,进而分析了日地距离以及耀斑持续时间对电离层SITEC现象的影响．结果表明,日地距离和耀斑持续时间都是影响SITEC现象的重要参数,日地距离较近时发生的耀斑事件引起的SITEC现象较为强烈．另外,耀斑持续时间越长,SITEC现象越微弱,但是当耀斑持续时间继续延长时,SITEC现象的强弱逐渐趋于不再改变,最后在某值附近达到平衡．还对某些没有在电离层中引起明显SITEC现象的耀斑事件进行了讨论,发现了这类耀斑的一些特征．     

X级以上耀斑与地磁效应关系研究

统计研究了2010年1月至2012年12月期间所有与耀斑爆发相伴生的日冕物质抛射(CME) 引发的地磁暴事件. 结果表明, 对于CME源区其主要分布在日面 45°E-45°W, 占总数的78.95%, 且西半球比东半球多, 即源区位于西半球的CME易产生地磁效应; X级耀斑与地磁效应的关联性更高, 60.0%的 X级耀斑在其爆发后的2～3天内观测到地磁暴, 而其他级别的耀斑与地磁效应的关联性低得多, 均不足10%; 通过对此期间日面爆发的所有X级耀斑研究分析后发现, 对于源区位于日面东经45°E-45°W 的X级耀斑, 若在其爆发过程中没有大尺度日面扰动, 则无伴生CME且后续产生地磁效应的可能性很低. 由此提出一种通过分析日面观测数据进行地磁暴预报的方法.      

2009年1月5日廊坊OH气辉观测图像的谱分析

2009年1月5日在中国河北省廊坊市韩村镇(39.4°N,116.6°E)进行了中国首次中间层顶大气重力波成像观测实验,记录了近4 h的OH气辉辐射数据,给出了依据该数据计算所得的该时间段内廊坊韩村附近水平方向约185 km范围内的中间层顶OH气辉扰动的谱分析结果.所得到的传播方向确定的二维功率谱和角度谱揭示了该时间段内重力波活动的波长和传播方向分布特点,表明波长下限较短,西向传播分量明显大于东向分量.     

人为活动对高平流层,中间层大气的影响

利用一维光化、辐射耦合模式研究了人为活动所排放出的废弃物ＣＨ４、Ｎ２Ｏ和ＣＯ２含量增加对高平流层，中间层大气的影响。结果指出，对流层中这些气体增加一倍将导致上中层大气水汽、Ｏ３和温度的明显变化。ＣＯ２含量增加将使上中层温度降低约１０Ｋ；而ＣＨ４含量的加倍不仅使中层顶附近水汽含量增加５０％以上，也使其温度有更明显的下降，这将更有利于於光云的形成。     

Observations of solar-flare ionization in the mesosphere using coherent-scatter radar

Observations of solar-flare ionization in the mesosphere can be made using coherent-scatter radar systems. The scattered power profiles they measure in the 60–90 km altitude region is a function of the ion concentration gradient and the intensity of turbulent mixing at each atltitude. By comparing the power profiles before, during and after a solar flare, it is possible to estimate the ion production rate during the flare as a function of altitude and time. This analysis is used to compare the ion production rates with generally accepted ion-chemical models. Comparisons are made with ion production rates estimated from the solar X-ray flux for the same flare made by geostationary satellites.     

温度扰动激发的重力波波包非线性传播过程的数值研究

采用谱配置方法建立了一个中层大气扰动传播的全非线性动力学数值模型，利用该模型对具有高期分布的波状温度扰动在可压大气中的演变和传播过程进行数值模拟，模拟结果表明：温度扰动很快就会激发出两支重力波波包，其中一支向上传播，而另一支则向下传播；这两支重力波波包的传播路径与线性理论给出的射线路径有些差异，进一步的数值分析则表明，给定的温度扰动在经过约3h的演变后，完全转化为波动，在这个转化过程中，79％的扰动能量转化为波动能量。     

1980年11月6日—7日耀斑后冕拱的激活机制

1980年11月6日耀斑后冕拱(Post-flare coronal arch)在母耀斑(AR2779)开始后3小时形成, 并在形成后11小时和25小时两次激活。两次激活均由双带耀斑的增长环系所致。本文提出了激波加热和Petschek重连是该冕拱有效的激活机制。导出并求解了考虑辐射损失、热传导、激波加热和Petschek重连加热的冕拱能量方程。理论计算结果与Svestka根据SMM空间资料所给出的该冕拱的激活曲线基本符合。      

1996-2002年太阳耀斑的统计分析

分析了1996-2002年南北半球的太阳黑子相对数和南北半球太阳X射线耀斑级别(简称Imp)≥M1．0的太阳X射线耀斑的特征和不对称性．分析结果表明，南北半球的太阳耀斑活动的程度交替上升，在2001年7月以前北半球的太阳耀斑活动强于南半球，2001年7月开始耀斑活动逐渐以南半球为主．本文还逐月分析了1996—2001年南北半球的耀斑指数．2000年7月为第23周太阳指数最大的一个月，与第23周太阳黑子相对数最大月均值吻合．     

重力波波包在真实大气中传播特性的数值研究

采用二维全隐欧拉（FICE）格式，对重力波波包在真实大气中的非线性传播和演变过程进行了数值模拟，模拟结果表明，在中层大气下部激发的向上传播的重力波波包在传播到中层顶之前，波相关能量沿着射线路径传播，非线性效应和背景温场对波能量传播路径的影响很小，当波包传播到低热层大气后，波包饱和波相关能量几乎完全沿着水平方向传播，垂直方向的能量传播受到抑制，这与在无耗大气下，WKB近似条件下的线性重力波理论的预言相差很大，深入的分析表明抑制重力波波包向上传输能量的关键因素是大气分子粘性的垂直非均匀性。非线性和背景温场的影响不足以完全抑制波能量的向上传播，此外，在波包的整个传播过程中，由于非线性，背景温度和背景耗散的共同作用，重力波波包的垂直波长随时间明显减小，这些结果说明大气的分子粘性特别是分子粘性的垂直不均匀性对重力波波包在中、高层大气的非线性传播过程起着重要作用。     

平流层,中间层,低热层大气加热过程特性研究

本文计算了平流层、中间层和低热层大气中各种光化过程的加热率与大气的冷却率,并且给出了20—140km的大气净加热率的昼夜变化特征．为大气潮汐波的研究提供了基础．     

中层小尺度风切变的观测

十个中层大气风剖面于1988年夏季在北欧的Andφya(69°N)上空用装有铝箔的火箭测得。使用了一种新型铝箔,使其测量的高度范围覆盖103-85km,测量的高度分辨率为25m.观测的风切变剖面显示了一多层结构,一般由3-9个切变层组成,切变层厚度通常小于200m.观测到高达40-90m/s/km的强风切变,且如此大的切变存在于所测区间内不同高度上。在一个连续测量的五个风切变剖面中,有寿命至少2.5小时,相位向下运动速度为0.4m/s,以及最大切变振幅为180m/s/km的强风切变,显示了稳定和持续特性。      

Meteorological effects observed in the D-region of the equatorial ionosphere

Electron density values were measured during morning hours over Thumba. The results show that electron density in mesosphere is more during summer than during winter for same solar zenith angle. The temperature measurements carried out on the same day during night hours show that mesosphere is hotter in winter and cooler in summer over Thumba. The electron density and temperature are anti-correlated. The results are explained in terms of temperature effects and other meteorological effects.     

太阳纯电子事件和质子-电子事件的电子能谱的机制

本文计算、分析了太阳耀斑加速电子在日冕中传输时激发的等离子体尾场的效应,认为耀斑电子的高能成份激发的尾场,能够加速低能耀斑电子,低能耀斑电子的能量增值可达几十keV至上百keV,这种尾场加速将软化约100keV以下的能量范围内(探测阈之上)的耀斑电子能谱。结合考虑尾场效应,本文提出了太阳耀斑加速电子从加速区到形成电子事件之间的能谱演化模式,说明了太阳纯电子事件的双幂律电子能谱和太阳质子-电子事件的单幂律电子能谱的形成,认为两类事件的电子能谱差异为耀斑电子日冕传输中不同程度的尾场效应所致,前者尾场效应弱,电子能谱呈双幂律,后者尾场效应较强,电子能谱为单幂律谱。