临近空间38°N大气密度特性及建模技术

针对临近空间大气环境复杂时空变化的定量表征和仿真建模,基于11年TIMED/SABER大气密度数据,采用网格划分和数学统计的方法,得到了38°N大气密度在20~100 km的气候平均值和标准差。定量结果用于表征和分析了静态缓变气候平均态以及动态瞬变大气扰动态的变化规律,结果表明,38°N大气平均密度随高度、季节、经度变化显著。在此基础上,提出了临近空间大气密度表征为气候平均量和大气扰动量之和的建模方法,并建立了大气随机扰动自回归模型,通过仿真试验及与激光雷达大气密度实测数据的比较,结果表明该建模方法可行。     

一种区域参考大气密度的建模与应用方法

为满足空天试验研究中对参考大气模型的实际需求,即模型应具有跨时空的全球尺度覆盖性以及在起降关键航迹点的高精度性,提出了一种区域参考大气密度的建模与应用方法。首先对实测数据的冬夏季典型月份的大气密度特性,具体包括月均值与密度扰动进行统计分析,在此基础上提出了基于探空试验实测数据的全球参考大气模型（GRAM）的定量修正方法,从而构建起了包含有大气扰动与季节变化的区域参考大气密度模型。最后提出了区域参考大气密度模型向GRAM的过渡方法与实际应用方法。研究表明,探测地区的大气密度特性具有明显的冬夏季节性差异,需要根据季节构建相应的大气密度模型。区域参考大气模型的蒙特卡罗仿真可以有效模拟实测数据的大气密度特性。通过与GRAM过渡结合,参考大气模型既具有全球覆盖性,又具有很高的局部精度。      

临近空间大气化学过程快速建模技术初探

围绕临近空间大气化学过程数值模拟计算问题,以平流层大气4个典型光化学系统为例,运用化学动理学预处理（KPP）工具,对不同复杂度的光化学反应质量平衡方程体系进行预处理,快速建立各系统化学动理学方程组的代数表示;针对模型中的大刚性ODE方程组,选取6种不同的数值计算方案（rodas,ros3,ros4,rosenbrock,sdirk,seulex） , 实现ODE方程组的离散表示,并自动生成所需计算代码。在此基础上,开展平流层光化学过程数值模拟试验,重点考察了：各数值计算方案的计算效率和计算稳定性;各系统主要化学成分随着时间的演化规律;光化学系统复杂度对各模型主要成分变化的影响。模拟结果显示：KPP工具能有效应对临近空间大气化学反应系统复杂度的增长,缩短大气化学模型建模与检验周期,为临近空间大气化学过程研究提供有效技术支撑。

     

临近空间大气密度扰动对高超声速飞行器气动热环境的影响

基于TIMED/SABER 2002—2018年大气密度观测数据,统计分析了20~80 km大气密度扰动对高超声速飞行器飞行热环境的影响。根据驻点热流估算方法给出的大气密度变化量与热流变化量之间的关系,定性和定量分析了不同月份大气密度相对变化量引起的热流变化量在垂直和水平方向的分布特征。研究表明:SABER大气密度月年均值计算的热流相对USSA76在夏季半球中高纬度地区偏高,在冬季半球偏低。在夏季半球高纬度地区约80 km附近存在热流增量的极大值,南半球夏季的极大值高于北半球夏季,尤其在南半球1月份,热流偏高可达32.2%。在经度方向,热流分布在夏季半球差异较小,冬季半球差异较大;考虑真实大气中存在的扰动时,在南半球和北半球夏季80 km附近,SABER大气密度预测的热流分别比USSA76偏高可达40.7%和36.6%。在经度方向,大气扰动引起的热流经向分布差异显著。在飞行器设计时,大气扰动的影响不能忽略;高超声速飞行器飞行应避免在夏季穿越南半球和北半球,规避热流增加带来的风险。      

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.     

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。     

一种火星大气密度三维解析模型

根据火星大气数据库,建立了以高度和经纬度为输入的火星三维解析大气密度模型;在竖直方向上,采用分层指数模型;在水平方向上,将指数模型中的参考密度和参考高度视为经纬度的多项式函数,并通过最小二乘曲面拟合得到了多项式系数。相比传统的指数模型,三维指数模型不仅反映了火星大气密度随高度的变化规律,而且能够体现出大气密度在水平方向上的变化。与大气数据库相比,三维密度模型具有解析形式,计算速度快,仿真过程中只需存储简单的多项式系数即可实现密度的实时计算和调用,适用于地面实时仿真。     

临近空间大气环境落球探测中的科氏力影响

气象火箭落球探测技术是临近空间大气环境探测的重要方法。在落球探测数据处理过程中,通常忽略科氏力项的影响。本文利用经验预报模式构建落球探测正演仿真模型,并根据落球探测原理建立参数反演模型,在此基础上仿真模拟了落球探测数据处理过程中忽略科氏力项对大气参数反演精度的影响。在95~100 km高度范围内,忽略科氏力项将引起温度、密度、纬向风和经向风等大气参数较大反演误差,其误差特性随探测点纬度、各方向初始速度等呈现不同的变化规律,之后反演误差将随高度下降而逐渐下降。当高度下降至约70 km时科氏力项带来的影响基本可以忽略不计。研究结果表明在临近空间大气环境落球探测数据处理过程中不能忽略科氏力项的影响。本文结果对提高落球探测大气参数反演精度具有重要的参考价值。

     

临近空间飞行器

在ORS发展中,美军首次将临近空间飞行器与战术星、及时响应运载器统一纳入一个军事航天大系统中,提出由战术星、临近空间飞行器和及时响应运载器共同组成"联合作战空间"。超高空长航时无     

基于氧气A波段临近空间大气温度反演的贝叶斯与最小二乘法对比

基于氧气A波段的临边辐射模拟数据进行临近空间大气温度廓线的反演,分析比较了贝叶斯和最小二乘两种不同反演算法的特点.80km以下,信噪比为66～337时：基于贝叶斯理论反演的三条谱线761.59,762.2,764.05nm的反演误差平均值分别为5.52,3.94,4.73K;采用最小二乘法的反演误差平均值分别为10.57,7.04,8.80K.信噪比为6～34时：基于贝叶斯理论反演的三条谱线的反演误差平均值分别为18.27,12.18,18.27K;采用最小二乘法的反演误差平均值分别为103.18,68.79,85.98K.研究结果表明,基于贝叶斯理论的反演方法,利用先验信息对反演结果进行约束和修正,在有噪声的情况下获得了更合理的解,从而提高了反演精度和抗干扰能力.这为星载探测临近空间大气温度的算法研究和开发提供了参考,也为提高光谱仪器信噪比并进而提高温度反演精度提供了理论基础.