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.     

AIRS观测资料研究全球平流层重力波特性

利用2012—2014年1月和7月AIRS（Atmospheric Infrared Sounder）第79通道的观测数据,分析了平流层重力波活动强弱的全球分布以及重力波发生频率的全球分布;分析了重力波活动随纬度和经度的变化特征,给出了重力波活动在全球范围内的热点区域及其活动强度;对比了白天与夜间的重力波活动强度及发生频率.研究表明重力波活动强度呈现出随纬度变化的特征,在低纬度地区（0°—30°）,冬季半球重力波活动强度低,夏季半球重力波活动高;在中高纬度地区,冬季半球重力波活动强度高而夏季半球重力波活动强度低.在1月,全球重力波活动有4个突出的热点区域,分别为50°N附近欧洲大陆与大西洋交接地带、北美洲与大西洋交接地,20°S附近南美洲与大西洋交接地区、非洲与印度洋交接地区.在7月,重力波活动突出的地方为巴塔哥尼亚至南极半岛地区,以及50°S和75°E附近的印度洋区域.重力波活动强度在夜间大于白天,但是夜间的强重力波活动区域小于白天.     

平流层飞行器技术的最新发展

近年来,随着现代科学技术的进步,平流层空间独特的资源优势已成为各国关注的热点。目前,可运行于、平流层高空气球、平流层半可控浮空器、太阳能平流层飞机、高空长航时无人机等。平流层飞行器具有驻空时间长、可重复使用等特点,在区域防灾减灾、环境监测、城市安全监控、高分辨率实时区域监视、区域通信等方面具有重要的用途,引起了各国的高度重视,有望在近些年内研制成功并投入实用。文章对平流层飞行器的主要项目进行了介绍,给出了各自的特点和优势。文章分析了不同平流层飞行器的优势和劣势,并对各自的应用前景进行了展望。     

平流层飞艇放飞、回收过程初步分析

本文以常规布局形式的平流层飞艇为例,分析了飞艇发射、回收的一般步骤,并对上升、下降过程作了数值仿真分析,为下一步工作打下了基础。     

Dryden型大气紊流对平流层飞艇能量最优轨迹影响

研究了常值风场作用下平流层飞艇的上升段轨迹优化和大气紊流对最优轨迹的影响问题。首先基于平流层飞艇的受力分析,建立了考虑常值风场、地球自转和飞艇质量变化等诸多因素的三自由度动力学模型,处理参数得到归一化的系统方程;其次采用直接配点法将平流层飞艇的最优轨迹问题转换为非线性规划问题,以最小能量为目标函数,给出非线性规划问题的求解策略,优化得出可行解后对飞艇的最优上升轨迹及相应的加速度项进行了分析,将优化的控制量代入微分方程验证了优化轨迹的准确性;最后加入Dryden型大气紊流的干扰,选取多组大气紊流干扰下的数据进行对比分析,仿真结果表明大气紊流叠加风场均值与飞艇终端位置误差存在一定规律,分析并提出了平流层飞艇抵御大气紊流干扰的策略。     

落弹舱的微重力环境

本文首先建立了分析落弹舱运动的各种坐标系,给出了解算姿态运动参数的数学模型.然后根据落弹舱微重力加速度的物理背景,对其微重力环境进行了数学描述和物理解释,推导了舱内任意部位微重力加速度表达式,阐明影响微重力环境的主要因素是气动阻力和姿态角运动.最后分析和近似估算了落弹舱的微重力水平,给出了气动阻力对落弹舱微重力水平影响的数值计算结果:平流层气球在30km以上释放落弹舱,优于5×10-2g的微重力持续时间超过30秒.      

地形对低平流层突然增温的可能影响

本文用Nimbus7 SAM卫星观测的温度资料,分析了突然增温事例中地面地形不同的四个子午圈剖面内的温度分布及变化过程。结果表明,高山地区、平原和海面上空的行星波加热和低平流层突然增温有很大的差别。地形的影响是明显的。      

平流层飞艇蒙皮材料的研究

文章介绍了飞艇蒙皮材料的组成与选择,并对当前平流层飞艇研制中有关材料方面的某些问题,如飞艇主结构层材料的组成与特性、飞艇内外气囊材料的膜材、纤维的配置织法、主结构纤维的涂层前工艺、飞艇气囊膜片的连接等方面进行了分析与介绍。以供在研制平流层飞艇的膜材时作参考。     

基于B样条的平流层飞艇外形优化设计

为改善飞艇气动性能,提高推进系统的效率,增加飞艇承受有效负载的能力并延长其运行时间,将飞艇艇体气动阻力和艇体表面积两个主要因素引入到平流层飞艇外形优化设计中,建立了复合目标函数,在飞艇体积不变的前提下,采用EXTREM数值优化算法,对平流层飞艇外形基于B样条曲线参数化方法在体积和长度不变的限制条件下,进行了双目标优化设计,优化后,外形的气动阻力减小了7.12%,同时飞艇艇体表面积也减少了1.76%。文章的研究结果实现了减阻和减重的双重目标,证明了该方法是合理可行的,可为平流层飞艇总体设计提供相关参考。     

平流层浮空器快速部署平台的建模与仿真

针对目前平流层浮空器的部署方案中存在着放飞条件限制较多、升空过程中风险较大和部署时间较长等风险和不足,基于弾载弹射技术提出一种新型浮空器快速部署方案。该方案通过运载器将部署平台投放到预定空域,系统经过分离、减速伞减速、空中充气、展开等阶段,完成浮空平台的快速部署。通过分析系统构成和工作流程,建立了能够反映充气展开过程中,伞-艇-充气机构相互作用的多体动力学模型,并通过仿真计算校验了系统方案的可行性。研究结果表明：该方案能够实现平流层浮空器全天候快速部署。