我国海南上空中高层大气潮汐风场的首次观测分析

海南富克(19.5°N, 109.1°E)流星雷达是我国低纬地区第一台探测中高层大气风场的雷达. 利用该雷达观测的2009年春季近3个月的风场数据(2月1日至4月20日), 第一次给出了我国低纬地区80~100 km高度范围内大气周日潮汐、半日潮汐及平均风随时间、高度的变化情况. 分析结果表明: 在春季, 我国低纬上空中层顶区存在非常强烈的大气潮汐波, 并且大气周日潮的幅度明显大于半日潮, 周日潮幅度的最大值(约100 m/s)出现在经向风场中. 周日潮和半日潮的相位在垂直方向上向下传播. 与大气潮汐波线性理论模式GSWM02比较表明, 富克周日潮与模式有较好的一致, 而半日潮汐波与模式有较大的差异.     

我国光学干涉仪对中高层大气风场的首次观测

子午工程光学干涉仪安装在河北省境内的国家天文台兴隆园区(40.2°N,117.4°E),于2010年4月开始观测运行,探测峰值高度在87,98和250km的OH892.0,OI557.7和OI630.0nm的气辉辐射.设备从4月5日到5月12日共38d的观测运行表明,光学干涉仪成功地进行了中高层大气风场的地基观测,获得了大气风场的观测数据.分析结果表明:风场数据具有非常明显的逐日变化,观测期间内,在87,98,250km高度区域内的经向风和纬向风的平均值分别处在-16.5～8.7和-5.4～7.6m/s,-24.4～15.9和2.3～23.0m/s,-43.6～1.5和-22.6～49.3m/s之间.与HWM93模式结果比较,87和98km峰值高度的气辉反演风场的平均分布与模式之间存在较好的一致性,半日潮变化相当明显;250km高度的热层大气风场的探测结果与经验模式有较大的差异.观测结果表明,子午工程光学干涉仪是一个适合观测中纬地区中层顶和热层风场的地基探测设备.     

通过瑞利激光雷达观测研究武汉上空中层大气(30~60 km)的稳定性

利用WIPM瑞利激光雷达大约一年的观测数据, 对武汉上空30~60 km高度段的中层大气的稳定性进行了初步研究. 通过激光雷达探测的中层大气温度分布, 计算了表征大气稳定性的参数浮力频率N², 发现30~60 km高度段的N²均大于零值, 但呈现出有规则的近似半年振荡, 表明武汉上空中层大气在全年均处于基本稳定的状态, 但其稳定程度在一年中随季节呈现出周期变化: 夏季和冬季大气的稳定性较差, 而春季和秋季大气稳定性较好.     

用13.7m射电望远镜对中层大气水汽进行遥感测量

对中层大气的地面微波遥感测量,已成为对大气层的这一区域进行探测的一种重要技术.这种技术能以很好的谱线分辨率对中层大气中某种单一分子的随压力而展宽的分子转动谱进行测量,进而推演大气层中这种分子浓度随高度的分布.1989年我们与名古屋大学合作,用此项技术测量了中层大气臭氧的垂直分布.1993年12月上旬,我们用紫金山天文台的13.7m射电望远镜,对中层大气中22235MHz的H_2O分子的6_(1.6)～5_(2.3)谱进行了测量,测得了该种分子的发射谱,并由此反演得到该季节德令哈地区上空60～75km高度的水汽分布.在国内成功地进行这样的测量尚属首次.     

钠荧光多普勒激光雷达测量中间层顶区域大气温度

建立了一套钠荧光多普勒激光雷达系统用于测量中高层大气环境参量. 钠荧光多普勒激光雷达系统主要包括发射系统、接收系统、数据采集控制和数据处理系统等. 该激光雷达主要使用窄线宽的589 nm激光去激发中间层顶区域的钠原子, 钠原子受激后发射共振荧光; 接收采集钠原子共振荧光, 通过分析其多普勒展宽获得中间层顶区域(约75~105 km)的大气温度. 利用该激光雷达系统开展了观测实验, 成功获得了中间层顶区域钠原子数密度廓线和大气温度廓线; 将钠荧光多普勒激光雷达测量结果与TIMED/SABER温度测量结果进行比较, 结果显示两者非常一致, 说明了该激光雷达探测结果具有可靠性.     

中国空间站运行轨道上大气密度就位探测

我国空间站已经进入建造阶段,开启了载人航天新征程.根据我国空间站试验任务需求,自主设计研制了空间站核心舱大气密度多向探测器,探测获取空间站运行高度上大气密度的时空分布变化,为空间站的飞控管理、精密定位和分析服务,并积累长期自主探测数据,为地球空间中性环境物理模式和效应研究提供基础数据.本文主要介绍了探测器的探测目标、载荷配置、长寿命设计等情况,同时使用在轨探测初步结果进行了运行轨道上大气密度的变化特性分析,呈现出日侧和夜侧轨道圈上大气密度变化, 2021年9月11～14日和11月19～22日空间环境平静期日侧和夜侧的峰谷比在2～3之间; 2021年11月4日的较强地磁暴期间实测大气密度峰值增加至1.966倍,而模式值峰值增加至1.483倍,磁暴恢复期模式为6 h,而实测数据晚12 h; 2022年3月13日的磁暴事件期间,实测大气密度增加至1.424倍,模式值增加至1.250倍,大气密度全球抬升从南半球开始,扩展到北半球,与2021年11月4日扰动源位置相反;统计了2021～2022年期间6次磁暴事件,大气密度抬升比例与磁暴强度、持续时间呈正相关; 2021年12月11～31日空间环境...     

我国大气环境立体监测技术及应用

大气环境是一个十分复杂的动态系统,大气气溶胶及其气态前体物、大气成分及环境要素分布在从大气边界层、对流层到平流层的垂直空间里,具有显著的时间和空间变化特征以及典型的地理环境气候区域特征,影响着空气质量、气候变化.提高大气环境的监测技术水平,发展遥感观测手段,实现对大气环境的在线、快速、立体探测,对于了解大气中各种成分的动态变化过程、源汇机制以及其对环境、气候的影响等具有重要意义.近年来,日新月异的激光/波谱技术促进了大气立体监测技术的发展,以光学探测和光谱数据解析为核心的各种立体监测技术以高灵敏度、高分辨率、高选择性、多组分以及实时等优势在大气、环境、气象、空间、遥感以及军事领域得到了广泛的应用.通过光与大气中物质相互作用产生的吸收、散射、发射等过程,形成了多种探测技术,实现了对大气痕量气体、大气气溶胶、温室气体、大气风场、水汽、温度以及多种大气污染成分的快速、实时探测,并通过光波的遥感特性,在地基、车载、机载及星载多平台上对大气多种成分、大气参数进行多尺度的探测.     

新一代火星大气模式GoPlanet-Mars V1的研制

火星探测是当前国家高科技竞争力的标志,世界航天强国均研制火星大气模式,为登陆探测提供气象环境保障.本文描述了我国新一代火星大气模式(global open planetary atmospheric model for Mars,缩写GoPlanet-Mars,简称GoMars)的研制,其中的动力框架完全自主研发,具有二阶精度、能保证质量守恒. GoMars引进并耦合了美国宇航局艾姆斯研究中心的火星物理过程,具备模拟沙尘、水和CO₂的能力.基于我国“祝融号”、美国“维京1号、2号”的实测数据以及国际火星大气全球数据集评估了GoMars,结果表明:GoMars能成功再现3个探测器记录的火星大气独特的地表气压“两峰两谷”特征;在全球地表温度、纬向急流、极区CO₂冰和沙尘方面, GoMars也具备良好的模拟性能,可为我国火星探测计划实施提供新的气象环境保障手段.     

苏联发射一級中程地球物理弹道火箭

1959年7月2日,苏联根据研究大气高层的科学計划,成功地发射了一个一級中程地球物理弹道火箭。火箭上装备有用来研究太阳光譜紫外綫部分、电离层結构、流星粒子流、不同高度气流速度和方向的仪器,以及用来确定不同高度大气的密度、压力、溫度和組成的仪器。为了研究动物在升入高空时的生理机能,在火箭上装有試驗动物。火箭上的科学仪器和动物的总重量在二千公斤以上。 7月10日又成功地发射了一个地球物理弹道火     

小型系留气艇探测系统

最近十几年,各国的大气物理工作者和环境科学工作者都非常重视对边界层大气的探测,这是因为边界层大气和人类活动息息相关,例如飞机的起飞和降落,导弹、火箭和人造卫星的发射,大气污染物的输送以及天气预报准确率的提高等等都与边界层大气的参数(气温、风等)分布有关。因此边界层大气中的各种探测方法(声雷达、无线电-声探测系统和调频连续波雷达     

武汉上空中层顶附近大气环流的流星雷达观测

利用2002年2~9月流星雷达的观测, 分析了武汉上空中层顶附近大气环流的特征. 在80 ~ 100 km高度范围内, 冬季纬向环流以西风为主, 在冬季环流向夏季环流转变的过程中, 3月到5月上旬中层顶附近出现纬向东风环流, 但在观测高度内, 5月中旬以后纬向环流基本上为西风. 经向环流主要吹向赤道, 峰值随时间向下移动, 7月份峰值达21 ms^-1. 将每月的平均风与HWM93模式进行比较, 观测得到的北风的值、西风的最大值以及西风转向高度等都明显与HWM93模式不同.     

中国东部沿海大气中N_2O的混合比

氧化亚氮(N_2O)是大气中的一种重要痕量气体.它不仅是温室气体,影响气候变化,而且还能提供NO导致大气臭氧层损耗.因此,研究 N_2O的各类排放源及测定大气中N_2O的混合比等成为大气科学重视的课题.我国对N_2O在农田、森林土壤的排放通常已开展研究.对燃煤和燃烧生物物质排放的N_2O已进行测定.但是,对我国不同高度大气中N_2O的混合比的研究尚未见报道.本文将报道利用飞机沿黄海海岸由青岛到上海采取大气样品,测定不同高度下N_2O的混合比,并得到N_2O浓度随高度变化的分     

气象卫星遥感大气对流层顶的研究

对流层顶是大气对流层和平流层的交界,在对流层顶上下大气有很大的差异,故而对流层顶在大气环境中有特殊的意义.在通常气象卫星遥感大气温度廓线中,在对流层顶附近有较大的误差.为了提高卫星遥感探测大气对流层顶高度的精度,我们建立了一种新的TIROS-NTOVS的反演方法,此方法的效能在实践检验中得到证明。这里的TIROS-NTOVS资料反演对流层顶高度的模式是采用统计预报法,优选TOVS中6个通道的亮温作为预报因子,用     

大气周日和半日迁移潮汐非线性传播及其短期变化的数值研究

以全球尺度波模式(GSWM)给出的一月份周日和半日迁移潮汐线性稳态解作为初值, 采用三维球坐标系下的全非线性动力学数值模式, 模拟了从地面到低热层的大气中, 周日和半日迁移潮汐的线性和非线性传播, 并将模拟结果与GSWM和实验观测结果进行了定量比较. 研究结果表明: 受非线性效应影响, 周日和半日潮汐在中、高层大气传播时其振幅会呈现明显的短期变化, 它们与背景大气的非线性相互作用会显著改变全球中、高层大气的背景风场和温场, 这说明周日和半日潮汐的非线性传播对中、高层背景大气的动力学和热力学暂态结构都有重要影响, 并且非线性效应是导致GSWM和观测结果差异的重要原因.     

火星全大气模式与沙尘活动模拟研究:回顾与展望

基于火星全大气模式的数值模拟研究有助于深入理解火星陆面-大气-空间环境多圈层相互耦合过程,是当今国际研究热点.模式对整个火星大气区域气象要素的描述亦可作为保障火星探测活动顺利开展的重要参考依据.沙尘活动显著影响着火星气候与天气变化,也对火星表面探测器可造成巨大安全威胁.对沙尘活动及其影响完善的模拟是目前全大气模式开发与研究工作中的重点之一.本文回顾了火星全大气模式的发展历程,概述了其构建方法,总结了相关科研成果,多角度论述了自主发展火星全大气模式的重要科研与工程价值,建议以火星沙尘活动为重点研究方向,牵引我国火星全大气模式的自主研发.模式的开发与应用涉及行星科学、空间科学、大气科学、计算机科学多领域协同合作.其开发过程势必带动我国行星科学全面发展,为相关研究领域积累经验、储备人才.     

高层大气建模:从地球到行星

地球和行星的高层大气作为大气圈与空间环境的过渡区,是大气科学和空间科学的交叉研究领域.高层大气理论模式及其数值模拟可以突破实验观测的限制,又能够比理论分析更为全面细致地重现高层大气的各种物理和化学过程,在高层大气的研究中表现出独特的优势,也一直是国际高层大气研究热点之一.虽然地球高层大气和其他行星高层大气存在差异,但它们之间有着密切的联系,因此大多数的行星高层大气理论模式都是以地球高层大气理论模式为基础开发的.本文聚焦于地球和行星高层大气理论模式,对目前国内外主流的地球和行星高层大气理论模式的发展历史及其性能进行了系统介绍.     

科技传真

宇航员从太空探测大气电离层 对大气电离层进行探测试验是目前在和平号上工作的俄罗斯宇航员阿法纳西耶夫、阿夫杰耶夫和法国宇航员恩耶尔最为重要的太空考察项目之一。电离层又称“电离圈”,是高空大气内具有电离现象的气层。在太阳光(主要是紫外线)的照射下,高空气体分子电离为正离子和自由电子后,大气内便形成了电子密度随高度而异的气层。50千米高度以上的大气电离     

飞秒脉冲激光穿越大气层的特性

对不同脉宽、不同中心波长、不同入射天顶角情况下飞秒激光脉冲在大气层中的传输特性进行了数值模拟.理论计算结果表明,在50 km高空大气的二阶色散值为3.44×10-6 ps2/km,与大气在海平面的二阶色散值(2.09×10-2 ps2/km)相比,约小4个数量级;在激光脉冲非垂直发射情况下,当入射天顶角小于60°时,谱宽为40 nm的飞秒激光脉冲的蒙气差值、大气角色散值以及时域色散导致的脉冲展宽量均会随入射天顶角缓慢增加,当入射天顶角大于60°时,这种增长会急剧变大.大气的角色散作用还会使传输光束的横向尺寸和光谱空间分布发生改变,但其改变量要远小于直径为200 mm的光束的衍射效应产生的相应变化.在垂直发射条件下,对于厚度为50 km的大气层而言,800,1064,1550 nm三个不同中心波长的瑞利脉冲宽度分别为700,605,495 fs.由于入射天顶角的增加直接导致有效传输光程增加,随着入射天顶角由0°增至90°,瑞利脉宽单调增加,最大可增至垂直发射时的3倍左右.     

曲靖地区电离层准6日扰动与MLT大气行星波的相关性

利用曲靖地区(25.6°N,103.8°E)2008年9～11月共2个月的MF雷达风场数据和电离层垂直探测数据,分析了中层低热层(MLT)大气行星波,电离层Es和F层的准6日行星波状扰动特性.结果表明,电离层foEs的准6日行星波状扰动与MLT大气纬向风场中的准6日行星波存在紧密相关性,后者通过调制半日潮汐间接影响Es层.电离层F区未出现显著的准6日行星波状扰动.这些结果提供了大气行星波与电离层Es层相互耦合的实验证据,加深了对我国低纬地区电离层空间天气扰动特性的认识.     

夏季极区中层顶大气浑沌性的VHF雷达观测

随着探测技术的不断完善,大量观测资料揭示了真实大气的复杂运动过程,然而与通过对大气动力学系统作数值分析研究大气浑沌性相比,我们对真实大气运动的复杂性的了解还是初步的。对于像大气运动这样的耗散系统,它的浑沌性通常用3个统计特征量来描写,即维数、Lyapunov指数和熵。最近10多年来,用这些特征量刻划大气运动结构的工作在国内外发展很快,郑祖光和刘式达讨论了近地面大气的浑沌状态;Fraedrich等发现低层大气浑沌吸引子的维数与季节有关;Yang等用MU雷达观测资料计算了平流层大气运动的维数和熵。但有关更高层大气运动浑沌特性的工作尚未见文献报道。