岁星四纪——回望木星大气探测50年

木星是太阳系中最大的行星,也是自转速度最快的行星.作为一颗气态巨行星,木星没有海陆分布、复杂地形等因素的影响,是研究大气动力学的天然试验场.木星的大气成分、大气环流、内部结构特征等都具有重要的科学意义.1973年12月4日,先驱者10号飞掠木星,实现了人类第一次木星大气近距离探测.如今木星探测已经积累了50余年的经验,发射了10次木星任务:7次飞掠任务、伽利略号与朱诺号两次环绕任务、正在飞行途中的木星冰卫星探测任务.本文简要回顾了这10次探测任务及其取得的科学成果,重点关注木星的大气成分、波动和急流、大红斑、极地涡旋等方面取得的进展,并指出一些尚未解决的科学难题.我国计划于2030年左右发射天问四号,对木星系进行探测.回顾过去的木星探测任务,对于天问四号如何合理设计科学载荷、制定科学目标等具有一定的借鉴意义.

欧美国家大气环境监测经验与启示

美国、欧洲是世界上大气环境监测技术较为先进的国家和地区。美国国家环境保护局(EPA)作为美国联邦政府的独立行政机构,设置有空气与辐射局专职负责大气环境管理,其下设置空气质量规划与标准司,负责大气环境质量标准制修订、全国大气监测网络运行、空气质量达标判定、大气污染防治政策制定等全流程管理工作,制定了完备的法律法规、标准和技术规范。

一种光波大气折射率剖面模型构建方法

根据经典光波折射率计算公式和ITU-R建议书中水汽密度经验公式,给出了一种新的光波大气折射率计算公式;借鉴Hopfield折射率静力项剖面模型和ITU-R建议书中水汽密度剖面模型,给出了一种基于历史气象探空数据构建光波大气折射率剖面模型的方法。以青岛地区为例,通过对1986—1995年历史气象探空数据的处理并结合参考标准大气,建立了适合当地的光波大气折射率剖面模型;统计剖面模型预测折射率剖面与实测折射率剖面的均方根误差,结果表明:构建的剖面模型具有较好的预测精度,这对光学外测设备的折光修正数据处理具有很好的参考价值。

考虑大气稳定度的典型复杂地形风场CFD模式

为评估中国典型复杂山地风资源,实现风资源的高效利用,结合雷诺时均的k-ε两方程模型、大气粗糙度壁面函数和热浮力作用,提出能模拟不稳定、中性和稳定状态复杂地形风场特性的大气CFD模式,并针对湍流参数、大气粗糙度对风速廓线的影响进行参数化研究。采用两种方式驱动CFD模式:一种是通过来流上游的实测风速廓线驱动CFD模式,一种是通过WRF模式输出风速廓线和温度廓线驱动CFD模式。利用山西神池南桦山丘陵山地测风数据进行大气CFD模式验证,通过WRF-CFD耦合仿真研究山地公里级范围热浮力作用对风场的影响,详细对比不同热浮力作用下的大气CFD模式仿真精度。结果表明大气CFD模式能准确地模拟不同稳定度状态下的山区大气风环境,但对于不稳定状态下山后风场的模拟能力稍差。

面向六孔径结构的大气湍流特征参数提取方法

大气相干长度是度量大气湍流对光波前影响程度的重要参数,在多个领域中具有关键意义。为提高其测量精度,提出一种基于六孔径K-means聚类算法的大气湍流特征参数提取方法,解决了在测量过程中出现光斑边界不清晰甚至粘连的问题。此外,建立了大气相干长度测量系统,系统选用小口径光学天线和六孔径掩膜装置,在增加了统计值的同时兼顾了系统的便携性。利用该系统对长春地区进行多日全天实验监测,其实验数据表明,全天测量呈现出的趋势及数值符合湍流强度变化规律,所提方法相较于传统的阈值分割算法的精确性提升了33.05%,相关实验可为长春地区的湍流监测提供技术手段。

南极菲尔德斯半岛(Fildes Peninsula)和阿德利岛(Ardley Island)大气中六溴环十二烷(HBCDs)的分析

在2009—2010年南半球夏季,用大流量采样器(high-volume air sampler,HVAS)和聚胺酯泡沫(polyurethane foam,PUF)被动采样器采集了南极菲尔德斯半岛和阿德利岛6个点的大气样品,分析了HBCDs的浓度水平、异构体组成、气相-颗粒相分配和空间分布趋势.主动和被动采集大气样品中ΣHBCDs浓度(α-HBCD、β-HBCD、γ-HBCD的浓度)范围分别为n.d.(未检出)—2.73 pg·m^(−3)和0.41—3.39 pg·m^(−3),与北极和偏远地区浓度水平一致,远低于城市和工业区的污染水平.HBCDs在主动采集的颗粒相和气相中的平均比例分别为67%和33%,颗粒相以α-HBCD(57%)为主,气相以γ-HBCD(53%)为主;被动采集的PUF样品中γ-HBCD(64%)占优势.经过主动采样和被动采样的对比研究,对采样速率进行校正后,PUF被动采样器可以用于南极大气样品的采集.南极大气中HBCDs的检出,表明HBCDs具有持久性和潜在的长距离大气传输能力;南极长城站附近大气中HBCDs浓度水平略高,反映了有限的人类活动对南极环境产生了影响.

大气氧化能力量化研究

大气氧化能力(AOC)通常是指大气通过氧化过程去除大气中微量气体成分的速率总和。在对流层和近地层大气中,AOC主要表观为对污染气体的清除能力或净化能力,亦称大气氧化性。AOC是地球大气自洁净的核心能力,但一直缺乏对其内涵的深入认知和对其指标的量化描述。本文作者通过承担国家重点研发计划“区域大气氧化能力与空气质量的定量关系及调控原理”研究等项目,从大气化学基本理论入手,对AOC开展了系列研究,并在其量化表达方面取得了突破性进展。本文将围绕“大气氧化能力量化研究”这一科学问题,对这些进展进行简要的描述。首先在深入认知AOC内涵的基础上,分别从大气化学的热力学和动力学基本原理出发,构建了大气氧化能力表观指数(AOIe)和潜势指数(AOIp),并通过二者归一化指数日变化闭合研究,发现了非均相化学过程对AOC的贡献不容忽视。随着PM2.5污染的加重,无论夏季还是冬季,AOIe亦随之增加,但在冬季AOIp则出现了相反的情景,表现出AOIp的变化受气象条件的影响更大。AOC闭合研究思路用于大气OH自由基的储库分子HONO“未知源”研究,发现了北京大气HONO的重要非均相来源,阐释了MCM(Master Chemical Mechanism)机制对冬季AOC低估的重要原因。AOIp用于预测我国大气臭氧污染潜势格局,发现臭氧光化学生成表观潜势(AOIp_O_(3))与NO_(2)的光解系数[J(NO_(2))]直接相关,全国J(NO_(2))的年均值为4.39×10^(-3)s^(-1),高值区主要分布在四川、贵州、重庆和湖南等地。与其他化学反应氧化性指数对比,AOIe与AOIp组合指数更具准确性、普适性和实用性,可评价已发生的污染过程AOC的变化,亦可预测城市或区域重污染发生的可能性及其变化和格局。

冬季亚洲两种大气环流型对云南低温事件的影响

利用1961—2022年云南125个国家气象站冬季逐日平均气温观测资料、NCAR/NCEP大气环流再分析资料,分析了冬季亚洲环流变化的主要类型及其对云南低温事件的影响,发现冬季亚洲500hPa大气环流存在纬向型和经向型两种环流类型,并对云南低温事件产生明显不同的影响。纬向型环流时,冷空气从贝加尔湖直接南下,主要影响东亚东部,云南低温事件也主要发生在东部地区,此时的低温过程与乌拉尔山高压和西伯利亚高压加强、欧亚中高纬度波列的活动密切联系;而经向型时,冷空气伴随贝加尔湖地区的异常反气旋东侧偏北气流沿着东亚大陆东部沿岸南下,并在中低纬度地区以回流的形式向东南推进,活动位置偏南偏西,使得云南全省、青藏高原和东南亚低纬度地区气温偏低,此时的低温过程主要与副热带波列的活动和青藏高原海平面气压(Surface level Pressure,SLP)的正距平加强有关,与乌拉尔山和西伯利亚地区的高压加强关系不密切。

激光束光斑漂移反演大气湍流各向异性实验研究

设计了两束正交激光束光斑漂移的实时影像记录系统,进行了一系列的激光束大气传输外场实验,对比研究大气湍流环境下两正交方向激光束的光斑漂移,反演研究大气湍流的各向异性。实验结果表明,近地面大气湍流具有各向异性且表现为:一、与风向相关,当激光传输路径与风向夹角很小时,其垂直和水平方向的光斑漂移量会出现较大的差异,当激光传输路径与风向正交时,其垂直和水平方向光斑漂移量基本一致。二、与实时气温相关,表现为两正交激光束的光斑漂移量统计值在垂直和水平方向的四个分量中的不均匀分配,且气温降低会使不均匀分配的强度增加。分析研究成果,本文提出大气湍流各向异性强度指数A的概念,该指数的大小可以综合性的表征大气湍流各向异性特征及其强度。

基于MSISE-90研究高海拔宇宙线观测站处的大气深度廓线模型

高海拔宇宙线观测站(LHAASO)位于四川省稻城县海子山,它的广角切伦科夫望远镜阵(WFCTA)主要是通过观测广延大气簇射过程中产生的切伦科夫光信号对宇宙线进行研究.WFCTA的标定、模拟和重建都和大气深度有关,目前使用的大气深度模型是美国标准大气深度廓线模型.本研究中将美国标准大气深度廓线模型与卫星TIMED搭载的红外辐射计SABER记录到的LHAASO处14-50 km处的大气深度廓线进行比较,同时也与LHAASO处地面气象站记录的大气深度进行比较,美国标准大气模型的大气深度均偏小.MSISE-90大气模型描述了地球大气中从地面到热层的中性温度和密度,进一步研究发现MSISE-90大气模型与TIMED/SABER和LHAASO处地面标准气象站记录的大气深度的一致性较好.根据MSISE-90大气模型计算得到LHAASO处的大气深度均值廓线在1月最低,其次是2月、3月、4月、11月和12月,这也是WFCTA运行的最佳观测月份.4月份的大气边界层最高,其大气深度存在约2%的日变化.利用美国标准大气模型的函数形式,拟合每月的4.4-100 km处的大气深度廓线,得到了LHAASO处的每月的大气深度廓线模型,并比较了30°天顶角入射的100 TeV的宇宙线质子在MSISE-90大气模型和美国标准大气模型中产生的切伦科夫光的横分布的差异,二者最大差异约可以达到20%.

基于星载同步大气参数的多光谱卫星影像校正方法

大气状态随时空变化具有显著差异,因此遥感卫星影像大气校正一直受限于难以动态获取与图像时空匹配大气参数的现实问题。高分辨率多模综合成像(高分多模)卫星作为我国目前空间分辨率最高的民用光学遥感卫星,搭载了首颗民用同步大气校正仪(SMAC)。SMAC是一台偏振多波段大气探测装置,采用时间同步和空间覆盖的探测方式,获取与同平台的主相机时空同步的大气信息。基于SMAC探测反演的大气参数,提出了一种利用星上同步大气参数校正高分辨率卫星遥感影像的方法Syn-AC。首先,基于时间同步的原则,结合主相机辅助数据,对SMAC原始数据进行预处理,形成SMAC-Level1产品;然后根据SMAC-Level1数据,进行SMAC云像元的判别,接着对无云覆盖的像元进行气溶胶和水汽参数的反演,形成Level2产品;最后采用同步反演大气参数,基于6SV辐射传输模型,对高分多模卫星Level1A级遥感影像进行大气辐射校正和邻近效应校正,得到主相机Level2地表反射率产品。在实验部分,利用Syn-AC对高分多模卫星多光谱影像进行大气同步校正试验,对大气校正前后的图像质量进行了定量评价。进一步地,结合地面实测反射率数据分析校正后的地表反射率,讨论同步大气校正方法的校正精度。同时,应用经典大气校正方法-FLAASH对多光谱影像进行大气校正,并与Syn-AC校正结果进行了性能比较。结果表明,同步大气校正得到的地表反射率与地面实测值比较一致,人工靶标校正后的平均反射率与地面实测值的平均绝对误差为0.012 2(FLAASH为0.027 4)。基于SMAC同步大气参数的大气校正方法在提高卫星图像质量和遥感定量化应用中具有很大的潜力。

直升机大气数据系统及其误差校正

直升机大气数据系统是飞行员和地面指挥人员、试飞测试人员掌握飞行器的飞行状态和飞行环境的重要数据来源。其主要测量总压、静压、大气静温、大气总温等,并基于部分大气模型假设、理论原理,以获取直升机的指示空速、爬升速度、气压高度、大气温度等重要状态参数。大气模型基于国际标准大气(ISA),见图1和理想气体假设见图2。国际标准大气是指:在离地高度50km以下,采用ISA模型;在离地50~70km空间大气,采用临界标准大气(Interim Standard Atmosphere)。

我国大气电学研究的最新进展

大气电学主要研究地球大气和近地空间发生的电学过程及其机理和影响,其核心研究内容是雷电物理和雷暴电学。自1980年代以来,中国大气电学研究不断取得新的进展,特别是近年来,得益于高时间分辨率雷电探测技术的进步,大气电学研究不仅在雷电物理学和雷暴云电荷结构方面取得了重要成果,也在雷电和雷暴对近地空间的影响、强对流天气的雷电特征、以及雷电资料同化和预警预报等方面取得了重要进展。本文从六个方面对近五年来大气电学的主要研究进展进行回顾,包括高精度雷电探测和定位技术、雷电物理过程和机制、雷暴对中上层大气的影响、雷暴云电荷结构的观测和数值模拟、强对流天气的雷电特征与预报、雷电对气候变化的影响与响应等,最后对大气电学未来发展进行展望。

大气边界层和大气环境研究进展

大气边界层物理和大气环境是大气科学的重要领域,中国科学院大气物理研究所自成立以来在这一研究领域取得了丰硕的成果。作者重点介绍最近十多年来在大气边界层探测、大气边界层结构特征、大气湍流理论、城市和区域大气污染预测预报模式研究等方面取得的重要进展,并对大气边界层和大气环境研究的未来发展作了展望。

武汉中层、低热层大气角谱中频雷达观测

武汉中频雷达是利用中层、低热层中电子密度不均匀体的散射来测量大气的水平风场和电子密度剖面。雷达在计算风场的过程中可得到一些该层大气中电子密度不均匀体的寿命和空间尺度等参量值。结合这些参量和大气风场值可计算得到大气的角谱。其计算方法包括全相关分析技术的谱宽法和空间相关法。前者计算的值被认为是大气角谱的上限值。应用这两种方法,利用2001年2月9日武汉中频雷达的观测数据,对武昌上空中层、低热层大气的角谱进行了计算。结果得到大气角谱随高度增加略微增加,如在68km为6°,90km达最大为11°,其平均值为9.2°。利用2001年2月4—10日86km高度上的数据,得到一个7天平均的日变化曲线,发现大气角谱值在本地夜晚最小。

利用苔藓和地衣作为生物监测器对大气降尘中重金属污染物质的研究

介绍了利用苔藓和地衣作为生物监测器的特点、结构和分类 。

空间目标监视雷达大气折射修正技术研究

无线电波在大气层中传播时,大气介质的不均匀分布会对电波产生折射效应,从而影响雷达的探测精度。对于航天目标的雷达探测,影响无线电波的介质主要是电离层。本文利用实时TEC数据同化的方式,建立了电离层电子密度现报模型,实现了电离层折射率剖面的实时构建。在此基础上,利用射线描迹法完成了航天目标雷达探测的折射误差修正。结果表明,相对于单纯使用电离层经验模型-国际参考电离层(International Reference Ionosphere,IRI)模型,利用电离层同化现报模型建立的电离层折射率剖面可大大提高折射误差修正的精度。

Mie散射激光雷达研究成都地区大气边界层结构

基于Mie散射大气激光雷达,对成都地区大气边界层结构随时间变化的特性进行了研究。首先,应用Klett算法对大气激光雷达回波信号进行了反演,得到大气消光系数和后向散射系数。然后,通过对大气后向散射系数曲线进行拟合得到大气边界层混合层高度以及卷夹层厚度等特征参量。基于实测数据对成都地区大气回波信号进行了反演,结果表明,成都地区大气边界层混合层高度较低,卷夹层厚度较薄,且随时间变化的趋势较缓慢,这与成都地区特殊的地理状况有关。

中昆仑山北坡持续性暴雨的水汽输送及其大气三维结构特征

利用基于拉格朗日方法的HYSPLIT_4轨迹模式,结合地基GPS-MET观测资料,对2019年6月24~26日中昆仑山北坡一次持续性暴雨天气大尺度水汽输送特征及水汽源地进行分析,阐明了干旱区强降水期间大尺度环流异常与水汽持续接力输送过程的关系。结果表明:(1)降水前副热带高压(简称副高)位置异常偏西,副高外围偏南气流造成高原增湿明显。强降水期间,副高继续向西北伸展,低纬度水汽沿印度夏季风环流向北输送,经青藏高原接力输送至暴雨区,与塔什干低涡前偏南气流共同构成了中昆仑山北坡持续性强降水的水汽输送通道,水汽持续接力输送造成暴雨区可降水量(PWV)出现两次急剧增湿过程,测站PWV峰值达到气候平均值近2倍。(2)300 hPa温度异常对于本次中昆仑山北坡持续性大暴雨天气水汽输送具有重要的作用。降水前和降水期间,300 hPa暖异常中心激发200 hPa反气旋式环流异常和经向风正异常中心,同时,在暖异常中心南侧(印度半岛北部)和西侧,激发500 hPa反气旋式环流异常中心和气旋式环流异常中心,反气旋式环流后部经向风正异常中心将低纬度地区暖湿气流向北输送,与气旋式环流东部偏南气流在暴雨区汇合,为持续性暴雨的发生提供充沛的水汽供应。

利用MODIS资料模拟计算水云大气红外辐射特性

利用MODIS二级云产品和大气产品资料,采用通用大气辐射传输软件模拟计算了水云存在的情况下8.55μm、11.03μm和12.02μm波段水云大气顶亮温,并对三波段的MODIS云顶观测亮温和模拟计算的亮温进行了对比分析.结果表明:利用MODIS卫星观测云参量、大气参量和空间几何参量,结合通用大气辐射传输软件模拟计算的亮温和MODIS云顶亮温分布基本一致,亮温差较小,主要分布在-10K^10K附近.模拟计算的三个通道亮温差BTD(8.55~11.03μm)和BTD(11.03~12.02μm)的变化符合水云的情况.