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.     

中性气体释放人工产生气辉

电离层中分子性的离子与电子的复合要比氧离子与电子的辐射性复合快得多,因此火箭发动机产生的尾气和空间等离子体主动实验中主动释放的中性气体会对电离层有很大的影响,这么大的电离层扰动现象在过去的实验中经常可以观测到.根据中性气体在热层背景中的扩散方程,考虑电离层F区主要的离子化学反应,研究了H2,H2O和CO2气体在电离层高度上的扩散过程和电离层对所释放气体的响应,计算了气辉的体发射系数和发射强度.结果表明,中性气体在电离层高度上扩散非常迅速,在F区的一些高度上,主要正离子成分由O+转变为其他分子离子,且在释放过程中伴随气辉发射,发射气辉的波长和特征与释放物质的种类有关.     

135.6nm夜气辉峰值电子密度反演算法及误差

根据夜间135.6nm大气辉光光强与F₂层峰值电子密度N_mF₂平方成正比的物理机制,在前期夜间135.6nm气辉辐射激发模型研究的基础上建立了峰值电子密度的反演算法,把全球经纬度分成若干格点,每个格点的电离层及中性成分信息分别由IRI2000和MSISE90提供,将电离层及中性成分廓线输入夜气辉辐射激发模型,计算每个格点135.6nm气辉的辐射强度,然后将各个格点的135.6nm气辉辐射强度与电离层廓线输入的N_mF₂平方拟合得到气辉强度与N_mF₂的转换因子.利用此方法可获得不同地方时、季节和太阳活动周期的转换因子组成查算表,进而根据实际探测的135.6nm气辉辐射强度反演相应时空的N_mF₂.最后对该算法的反演误差进行了综合分析,为该算法适用的时空特性提供重要理论支撑.     

释放SF6气体扰动电离层时的人工气辉研究

在电离层高度释放SF₆气体能够显著扰动电离层.根据SF₆分子在电离层中的扩散方程,同时考虑其在电离层中主要的离子化学反应,研究了SF₆气体释放后电离层各粒子浓度的时空变化,计算了产生人工气辉的体发射系数和发射强度.结果表明,SF₆气体在电离层高度释放后,电子和O⁺的密度均有大幅度下降,主要的负离子成分由电子转变成SF₅^-;在释放过程中,主要产生777.4 nm和135.6 nm两种气辉,且前者的气辉强度远小于后者;电离层温度对气辉的强度有很大的影响.本文的数值计算与美国IMS/SF₆实验观测数据进行比较,结果近似,且通过数据比较还能准确推断出实验时当地的电离层温度.     

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.     

2000年和2001年52°N地区OI5577气辉强度与原子氧浓度峰值的时间变化特征

分析了2000年和2001年期间52°N地区OI5577气辉强度的夜间变化特征和季节变化特征．利用由 OI5577气辉强度反演原子氧浓度峰值的方法反演出原子氧浓度的峰值,分析了峰值的夜间变化特征和季节变化特征．结果表明, OI5577气辉强度的夜间变化特征随季节变化, 2000年春季的夜间强度最大值出现在0000LT 之后,夏季和秋季的出现在0000LT之前,冬季的出现在0000LT,2001年春季和秋季的夜间强度最大值出现在0000LT之前,夏季和冬季的出现在0000LT;OI5577气辉强度在2000年2月份,8月份和10月份出现最大值,在2001年9月份有最大值．就主要特征而言,反演出的原子氧浓度峰值的夜间变化特征和季节变化特征分别与OI5577气辉强度的一致．     

利用OH夜气辉反演原子氧数密度时输入参数的不确定度对反演结果的影响

借助OH夜气辉辐射的光化学模式,由OH夜气辉辐射反演中间层-低热层区域的原子氧数密度时,输入参数的不确定性将导致反演得到的原子氧数密度具有不确定性.以在sudden death猝灭模式下通过OH(8-3)振动带体辐射率反演原子氧数密度为例,分别研究了大气参数和OH气辉辐射率的不确定度引起的反演不确定度、化学反应速率常数的不确定度引起的反演不确定度,以及所有输入参数的不确定度共同引起的反演不确定度,找出其不确定度对反演结果影响最大的参数.结果表明,三种反演不确定度均随着高度的升高而增大,温度和体辐射率的不确定度对第一种反演不确定度的贡献最大,反应速率常数b(8)和A(8-3)、的不确定度对第二种反演不确定度的贡献最大.     

中国山西地区法布里-珀罗干涉仪测风能力及数据质量检验

介绍了中国气象局山西岢岚大气观测站(39°N, 112°E) 法 布里-珀罗干涉仪(FPI) 的基本 构造、测风能力、程序处理流程、数据质量控制方法以及检验情况. 岢 岚观测站FPI可以观测892.0 (OH)nm, 557.7 (OI)nm和630.0 (OI)nm 波 长处气辉谱线的多普勒移动, 分别计算对应87km, 97km和250km高度处 的大气风速和大气温度, 可给出中间层顶区域及热层风的大气潮汐和扰动 情况. 采用水平风模型(HWM)输出结果进行交叉检验, 对FPI测风数据质量进行验证. 结果显示, 岢岚大气观测站FPI仪器的测风数据 在长期趋势上与HWM模式的输出数据一致, 风速变化幅度有季节性差异, 数据质 量控制方法有效, 测风误差在87km高度处为5.7m·s^-1, 97km处 为1.3m·s^-1, 250km处为4.1m·s^-1, 测风数据 通过了可靠性检验.     

大气重力波与电子密度扰动的耦合

本文从相互耦合的大气流体方程和双流体等离子体方程出发, 导出了赤道F区大气重力波和电子密度扰动的耦合色散关系, 据此对两者的共振相互作用作了进一步的理论分析。结果表明, 大气重力波可以通过共振耦合将部分能量转换给带电粒子, 为赤道扩展F提供初始电子密度扰动;在这过程中, 等离子体不稳定性对共振条件和共振耦合有着重要的影响。     

武汉上空中层顶大气重力波活动的钠层荧光激光雷达观测研究

从中国科学院武汉物理与数学研究所钠荧光激光雷达自1999年至今的观测数据中选取了分布于全年26天的数据进行重力波活动的分析研究.统计结果表明,武汉中层顶区的重力波活动非常频繁:26天总观测时间累计约为185.5 h,总共观测到124个重力波活动,平均发生频度为每小时0.7个波,且波的出现频度与地方时有一定关系.这些波的垂直波长主要分布在3-7km,垂直相速主要位于0.1-0.5 m/s.与国外报道的结果相比较,波长数值与分布较为一致,但相速明显较低.武汉中层顶区重力波活动的另一特点是多波过程很频繁,多、单波过程的出现比例约为3:2.利用钠层相对密度扰动时空图方法,给出了武汉中层顶区重力波传播和破碎现象的典型结果.还利用单色波模型对部分钠层数据进行了单色波相关参数的提取.     

The Nonlinear Model of the Response of Airglow to Gravity Waves

In this paper, we develope a time-dependent, nonlinear, photochemical-dynamical 2-D model which is composed of 3 models: dynamical gravity wave model, middle atmospheric photochemical model, and airglow layer photochemical model. We use the model to study the effect of the gravity wave propagation on the airglow layer. The comparison between the effects of the different wavelength gravity wave on the airglow emission distributions is made. When the vertical wavelength of the gravity wave is close to or is shorter than the thickness of the airglow layer, the gravity wave can make complex structure of the airglow layer, such as the double and multi-peak structures of the airglow layers. However, the gravity wave that has long vertical wavelength can make large scale perturbation of the airglow emission distribution.     

基于Fabry-Perot干涉仪气辉观测数据反演中性风速方法比较

利用半径法、完整傅里叶级数描述法和非线性回归法分别对安装在河北省境内国家天文台兴隆园区（40.2°N,117.4°E）的Fabry-Perot干涉仪（FPI）获得的地基中高层大气气辉观测数据进行风速反演.反演结果表明,半径法、完整傅里叶级数描述法和非线性回归法均能很好地反演风速,在误差范围内反演结果存在很好的一致性.相对于半径法和完整傅里叶级数描述法,非线性回归方法更完整地利用了观测数据信息,反演结果可信度较高.     

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.     

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.     

Directional Filtering Due to Mesospheric Wind Shear on the Propagation of Acoustic-gravity Waves

Gravity waves with periods close to the Brunt-Väisälä period of the upper troposphere are often observed at mesopause altitudes as short period, quasi-monochromatic waves. The assumption that these short period waves originate in the troposphere may be problematic because their upward propagation to the mesosphere and lower thermosphere region could be significantly impeded due to an extended region of strong evanescence above the stratopause. To reconcile this apparent paradox, an alternative explanation is proposed in this paper. The inclusion of mean winds and their vertical shears is sufficient to allow certain short period waves to remain internal above the stratopause and to propagate efficiently to higher altitudes. A time-dependent numerical model is used to demonstrate the feasibility of this and to determine the circumstances under which the mesospheric wind shears play a role in the removal and directional filtering of short period gravity waves. Finally this paper concludes that the combination of the height-dependent mean winds and the mean temperature structure probably explains the existence of short period, quasi-monochromatic structures observed in airglow images of mesopause region.     

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电磁场电子密度比值的变化趋势和电磁波衰减的变化趋势.结果表明：当外加正交电磁场时,接收天线周围的电子密度随飞行器法向距离的增加而不断减小,其与无外加电磁场时电子密度之比呈现不断下降的趋势;电磁波的衰减在不同飞行高度和外加磁场强度下,随着电磁波频率的增加而不断减小.这为减缓“黑障”问题提供了一种新的方法.     

小尺度重力波引起夜光云反照率变化的统计特征

利用AIM卫星搭载的CIPS云成像探测器获得的云图数据,提取2008-2009年南北半球共6664个小尺度重力波（波长10～150km）个例,通过重力波区域与背景云层反照率变化值的对比分析,研究重力波引起云层反照率的变化特征.结果表明,重力波引起的反照率变化值以正值为主,最大平均值4.48×10^-6sr^-1出现在南半球降交轨道.反照率变化值与IWC变化值正相关,相关系数均在0.85以上.重力波引起的反照率变化呈现出很强的纬度和时间依赖性,且几乎均为正值.反照率变化值在中期阶段（冬/夏至日之后的50天）的高纬地区（>70°）更大,但在中期以外始末阶段的低纬地区（<70°）逐渐变小,甚至开始出现负值.随着背景云层的增强,反照率平均值呈线性增大,小尺度重力波能够引起背景云层反照率约14.6%～28.8%的变化量.当重力波引起的反照率周期性变化的振幅逐渐增大时,反照率变化值也线性增大,变化率约为0.909%～1.194%.南半球的变化率整体比北半球稍小,这与背景大气条件的差异有关     

中国中部低层大气行星波无线电探空仪的观测研究

通过分析武汉、宜昌和恩施气象局无线电探空仪2001-2003年的观测数据,研究了中国中部地区对流层和低平流层中行星波的特性.通过Lomb-Scargle(L-S)的周期图方法发现了周期为准16天和周期为准10天的谱分量占据着主导地位.观察发现,较大振幅的行星波振荡主要集中在5-15 km之间.准16天行星波沿纬圈向西传播,对应的纬圈波数大约为2,水平波长约为17 324.8 km,传播相速度约为-12.5 m·s-1(东向为正),通过计算准16天行星波在10 km以下相位随高度的改变可以得到其垂直波长大约为25-30 km,而在对波层顶附近其相位几乎没有发生改变,呈现出静态波特性.准10天行星波沿纬圈向东传播,对应的纬圈波数大约为4,水平波长约为8627.3 km,传播相速度约为10.0 m·s-1,垂直波长约为22-40 km.     

Solar signals in the minimum extreme temperature records in the southern region of the Gulf of Mexico

Minimum extreme temperature series from several meteorological stations of the Gulf of Mexico are spectrally analyzed using the Maximum Entropy Method.We obtained significant periodicities similar to those found in meteorological and solar activity phenomena. This indicates that probably the solar activity signals are present in the minimum extreme temperature records of this Mexican region.     

VLF波渗透电离层传播计算研究进展

3~30kHz的甚低频（Very-Low-Frequency,VLF）电磁波对近地空间的高能粒子分布具有非常重要的作用.闪电和地面VLF通信台等VLF波主要辐射源产生的VLF波能够渗透进入电离层,并以哨声波模式继续传播至磁层与高能粒子发生相互作用.本文从VLF电磁波渗透电离层传播计算方法的发展、计算模型验证以及模型在电离层现象研究中的应用等方面对VLF波渗透进电离层之后的传播计算的研究进展进行综述,并对未来研究进行初步展望.