子午工程首枚气象火箭大气探测结果分析

2010 年6 月3 日凌晨, 子午工程首枚气象火箭在海南火箭发射场成功发射. 本文利用此次气象火箭探测的大气温度、风场和辅助火箭发射的气球探测的大气温度数据, 分析了大气温度、风场随高度的变化, 研究了大气风剪切、重力波和大气动力学稳定性. 此外, 将大气温度和风场随高度的剖面与SABER/TIMED 卫星的温度探测、MSIS00 模式和HWM07 模式结果作了对比分析.     

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.     

武汉地区(30.5°N,114.4°E)钠流星尾迹激光雷达的初步观测

通过将Na激光雷达的积累时间设置为3.2s,我们在武汉地区(30.5°N,114.4oE)对原子流星尾迹进行了测量.在16个晚上166h的观测时间里,总共发现了125个Na流星尾迹事件.这些尾迹峰值密度变化范围为4040～39170cm–3,平均值为16430cm–3.出现高度范围为77.2～111.6km,质心高度为92.6km.钠尾迹高度分布的上边界与同时观测到的平均钠层剖面相类似.特别地,尾迹高度柱状图最大值出现在平均钠层峰值处.这表明流星体进入大气层后消融产生能被地基激光雷达探测到的流星尾迹,更多的出现在常规金属层的峰值附近.这与早期的K和Fe尾迹的激光雷达观测结果一致.观测发现,偶发钠层的形成往往伴随着钠流星尾迹群,这些尾迹出现高度与偶发钠层的高度一致.     

中国首次中层顶大气重力波成像观测实验

2009年1月5日02:00到06:00之间, 在河北省廊坊市韩村镇(39.4°N, 116.6°E)利用CCD气辉成像技术开展了我国首次中层顶大气重力波观测实验. 结果显示, 当日03:00到05:00点之间, 观测到了丰富的、明显的准单色大气重力波水平二维活动. 初步分析了3个大气重力波个例, 得到它们的水平波长、观测水平相速度、水平传播方位角和观测周期分别约为(12.3 km, 41 m/s, 327°, 5 min), (25 km, 35 m/s, 68°, 12 min)和(10 km, 48 m/s, 341°, 3.5 min).     

武汉地区(30.5°N, 114.4°E)钠流星尾迹激光雷达的初步观测

通过将Na激光雷达的积累时间设置为3.2 s, 我们在武汉地区(30.5°N, 114.4oE)对原子流星尾迹进行了测量. 在16个晚上166 h的观测时间里, 总共发现了125个Na流星尾迹事件. 这些尾迹峰值密度变化范围为4040~39170 cm^–3, 平均值为16430 cm^–3. 出现高度范围为77.2~ 111.6 km, 质心高度为92.6 km. 钠尾迹高度分布的上边界与同时观测到的平均钠层剖面相类似. 特别地, 尾迹高度柱状图最大值出现在平均钠层峰值处. 这表明流星体进入大气层后消融产生能被地基激光雷达探测到的流星尾迹, 更多的出现在常规金属层的峰值附近. 这与早期的K和Fe尾迹的激光雷达观测结果一致. 观测发现, 偶发钠层的形成往往伴随着钠流星尾迹群, 这些尾迹出现高度与偶发钠层的高度一致.     

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.     

测风用的高分辨率球面镜法布里-珀罗干涉仪

用激光Doppler雷达遥感探测大气风场是激光技术在大气探测中的一项重要应用,而精确地测定激光回波的Doppler频移是其中的关键环节之一。考虑到光在湍流大气中长距离传播后空间相干性的破坏,为了尽可能加大探测距离,我们选择了在非空间相干光入射时仍有很高的光谱分辨率和聚光能力的共焦球面法布里-珀罗干涉仪(以下简称FPS),作为测定Doppler频移的光谱分析器。     

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.     

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.     

在斯瓦尔巴特群岛新奥尔松中国北极黄河站对大气热层中性风场的首次观测

武汉大学自发研制的全天空法布里-珀罗干涉测风仪主要用于对大气热层的中性风场进行观测,在2010年的11月运往挪威斯瓦尔巴特群岛的新奥尔松,安装在中国北极黄河站,并且已经展开了持续两个冬季极夜条件下的观测任务.如图1(a)所示,干涉测风仪主要由高透光率的Dome罩、鱼眼镜头、场镜、法布里-珀罗标准具和1台科学级液态氮制冷CCD相机以及相应的滤波片等组成.图1(b)为放置测风仪的黄     

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.     

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...     

忽略1.6μm偏振计算对二氧化碳反演精度的影响

散射引起的偏振效应会对卫星遥感二氧化碳精度产生较大的影响.本文利用逐线积分方法和累加法精确模拟了星载仪器近红外1.6μm波段的大气层顶偏振辐射特征,计算了分子散射和气溶胶散射引入的偏振效应,分析了偏振效应对大气二氧化碳反演精度的影响.研究表明:1.6μm波段散射引入的偏振效应明显,并随太阳高度角、观测天顶角、气溶胶光学厚度、地表反射率而变化.除个别大角度观测天顶角外,偏振效应随太阳天顶角升高、气溶胶光学厚度增加、地表反射率的减小而变大,并且在吸收线位置的影响要高于窗区.忽略偏振效应导致的大气二氧化碳反演误差随太阳天顶角的升高、气溶胶光学厚度的增加以及地表反照率减小而增大,并且该误差与仪器观测角度有关.模拟结果显示在高太阳天顶角、高气溶胶光学厚度以及低反照率场景下,忽略偏振计算可能引入高于10 ppmv(1 ppmv=10~(-6) L/L)反演误差,远高于1~2 ppmv观测需求.为减小误差,基于该波段的二氧化碳反演需要考虑大气辐射偏振的影响.     

上海GPS网层析水汽三维分布改善数值预报湿度场

水汽三维分布信息是数值天气预报模式的初始条件之一, 大气中的水汽具有较强的时空变化特性, 传统观测手段受时空分辨率的限制, 对模式初始水汽场的描述远远不够. 利用地基GPS信号斜路径观测值探测水汽垂直剖面信息是目前国际上的研究前沿, 利用上海GPS综合应用网GPS信号斜路径水汽观测值, 在国内首次层析了上海地区水汽三维分布. 层析中采用高斯加权函数进行水平约束, 利用数值预报结果做先验值, 考虑了边界条件. 针对无法准确给出各类观测信息先验权的问题, 在层析水汽三维分布问题中首次采用了方差分量估计, 进行验后定权; 为了降低观测噪声对参数估计的影响, 采用了抗差估计; 针对水汽密度随高度减小的特点, 垂直方向上采用随高度变化的非等权约束方法. 层析结果与MM5数值预报结果比较, GPS信号斜路径水汽观测值对数值模式的预报湿度场有明显改善, 利用GPS信号斜路径水汽观测值准实时地探测水汽的三维分布, 应用于短期数值预报中, 可改善短期预报的初始湿度场, 提高数值预报的准确度.     

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.     

太阳中子事件的观测特征与中子能谱的计算

太阳中子事件是与耀斑活动相关的偶发性即刻粒子事件, 主要表现为地面宇宙线探测装置的计数瞬时突增. 太阳中子携带着爆发源区的物理信息: 耀斑大气的元素组成、大气高度、磁场的会聚程度以及磁流体湍动等. 相对于其他带电粒子, 中子能够不受太阳磁场和行星际磁场的束缚而直达地面. 目前, 对太阳中子事件的理论研究, 主要是通过蒙特卡罗模拟, 考虑太阳耀斑环中磁场的螺旋角散射作用和磁镜效应, 计算耀斑磁环模型里各向异性中子的产生与太阳大气高度、时间、角度和能量间的关系, 计算逃逸中子的角分布和能谱, 以及逃逸到地球附近中子的能谱. 观测方面, 主要是结合地面中子监测器记录的超出时间与空间探测到的g射线核谱线发射峰值的时间差, 利用飞行时间方法(Time of Flight Method), 考虑中子监测器的探测效率和中子在地球大气中的衰减因素, 反演日面处的中子能谱. 本文依据已确定的10例太阳中子事件, 评述基本的观测特征, 介绍相应的观测仪器, 探讨太阳中子能谱计算的两种方法(观测法和模型法), 比较不同方法获得的计算结果; 并依托羊八井太阳宇宙线探测装置(中子监测器、太阳中子望远镜), 报道对太阳中子的初步交叉探测特征(1998年11月28日GLE事件和2005年1月20日GLE事件), 指出目前亟待解决的问题.     

高速铁路的安全运行

提速后列车运行速度250 km/h 据了解,提速后的列车最高运行速度将达200 km/h,部分区段速甚至达到250 km/h.列车以200 km/h的速度运行,也就是说列车距行人500 m时,只需9 s就可到达面前.     

基于地基观测的嫦娥三号着陆器与巡视器高精度定位

嫦娥三号(CE-3)探测器成功实现了我国首次月球软着陆,对巡视器和着陆器进行高精度定位是保障两器顺利完成月面探测任务的必要前提.本文首先对CE-3月面工作段的测量方式、各观测量测量模型以及运动学统计相对定位方法进行讨论.其次对着陆器进行定位并对定位精度进行评价,得到着陆器坐标为:44.1206°N,-19.5124°E,高程-2632 m(相对1737.4 km月面),通过与月面数字高程模型以及NASA探测器LRO的航拍结果比较,定位差异优于50 m,分析表明VLBI数据对提高着陆器定位精度有显著贡献.最后,利用同波束VLBI数据进行月面巡视器与着陆器的相对定位.与视觉定位方法相比,本文所用的基于地基观测量的运动学统计定位法不受着陆器可视范围限制,且定位精度不随两器距离增加而降低.计算结果表明,在现有的测量条件下,使用纳秒量级的VLBI差分群时延数据,两器相对定位精度在百米;使用皮秒量级的VLBI差分相时延数据,并在定位过程中进行模糊度解算,可以实现米级的月面双目标的相对定位,具有重要意义.     

广州大气气溶胶对到达地表紫外辐射的衰减

利用地表紫外辐射(UV,295～385nm)观测、太阳光度计与辐射模式定量评估了广州大气气溶胶对UV的衰减.观测表明UV谱区340nm的气溶胶光学厚度(AOD)年平均值达1.19,气溶胶光学厚度AOD340nm>1.0的年均出现频率达55%,对地表340nm紫外直接辐射的年均衰减率达68%.地表紫外辐射观测与模式评估表明全年大气对UV的平均衰减达75%,干季(10,11,12,1月)的平均衰减达72%;大气气溶胶在干季对UV的平均衰减达62%.表明目前广州城市群大气气溶胶对紫外辐射的衰减十分显著,至少一半以上的紫外辐射被大气气溶胶衰减,如此大幅度的衰减对城市生态系统、物种化学循环尤其是光化学反应过程将有重大的影响.     

冬季河谷城市上空边界层特征分析

为了解复杂地面上大气边界层特征及其对污染物输送扩散的影响,我们于1989年1月10日至19日在兰州进行了以边界层探测为主的综合性野外试验。兰州市区所在黄河河谷盆地呈卵圆形,东西长约13km,南北宽约6km。除东西两端有峡口外,四周群山环绕,南山高度300—500m,北山高度200—300m。盆地以内人口密度自东向西增加,西部为繁华商业区,东