火星无线电掩星探测进展

火星是地球的姊妹星,研究火星对了解火星、地球乃至太阳系的演化具有重要意义.自从1964年美国水手4号发射,首次成功地运用无线电掩星技术探知到火星的环境特征之后,国际上不少的火星任务都开展了掩星实验,取得了重要进展.本文依据采用了无线电掩星技术进行勘探的火星探测器发射时间顺序展开调研,针对具有开创性的水手系列、火星全球勘测者、火星快车、火星大气挥发演化探测器、天问一号等,梳理分析和总结了各任务的火星无线电掩星方式以及所获取的廓线数量、位置分布、获取方式等产品信息,以及部分相关的研究结果.本文还分析了当前火星无线电掩星探测方式存在的局限性,并探讨了可能的对策.火星无线电掩星后续可重点考虑多颗星-星掩星结合星-地掩星方式形成掩星星座;并通过选用适当的信号探测频率、改进反演算法等方式进一步提高掩星质量;火星掩星探测手段还可与火星顶部探测雷达、直接探测等手段相结合,发展火星多源数据融合技术.随着探测方式的不断改进,无线电掩星探测将是火星探测的重要手段.未来会有数量越来越多、时间与空间覆盖越来越全面、精度越来越高的掩星数据用于火星的整个空间环境研究,包括大、中尺度乃至小尺度结构的特征与演化规律都将被人类掌握.

临近空间大气扰动变化特性的定量研究

本文利用TIMED/SABER 2002年1月至2013年1月共11年的卫星温度探测数据,通过全球网格化及在网格内作数学统计的方法,得到了20～100km高度上全球网格点上温度的平均值和标准差,实现了对临近空间全球大气扰动进行定量刻画的目的.通过定量分析温度标准差的分布特性,文中得到了临近空间大气扰动的全球分布规律,并讨论了与这些分布规律相关的物理过程.结果表明,在20～70km高度上,温度标准差为1～10K,有显著的冬季/夏季的差异,冬季的温度标准差比夏季大;大气重力波扰动是最主要来源,同时大气传播性行星波引起的扰动也是来源之一.在70～100km高度上,温度标准差常年较强,量值为10～30K,冬季/夏季的差异小,低纬地区的温度标准差高于中高纬度地区,呈现许多局地化的小结构.大气重力波是引起该区域大气总扰动量的主要扰动来源,大气潮汐波、传播性行星波（准2天、准6.5天）也有重要贡献.

中国上空平流层准零风层的特征分析

利用ECMWF提供的ERA-40再分析风场资料首次分析了中国上空平流层准零风层的特点及其随季节和地理位置的变化特征.结果表明,准零风层一般处于18～25 km高度范围内,零风线所在的高度随时间和地理位置的不同稍有变化.根据准零风层随纬度的变化特征,中国上空可以分成三个区域:低纬地区(5°N～20°N)、中低纬过渡区域(20°N～32.5°N)和中高纬地区(32.5°N～55°N).低纬地区一般在冬季和初春有准零风层结构存在;中高纬地区一般在春末和夏季存在准零风层结构;而中低纬过渡区域是否有准零风层结构存在还与准两年震荡(QBO)有关,在QBO东风相位时,过渡区域呈现的特性偏向于中纬特性,在QBO西风相位时,过渡区域呈现的特性偏向于低纬特性.准零风层随经度变化非常小,零风线所在高度随经度的变化幅度一般不超过2 km,过渡区域的变化幅度相对大些.

利用卫星温度资料计算风场的方法分析与比较

本文分析和比较了利用卫星温度资料计算水平风场的方法，包括地转风、梯度风和平衡风的计算方法．以DAAC提供的MLS／UARS 1992年12月份的大气温度数据为例，计算了20～55km高度范围的地转风、梯度风和平衡风，并与ECMWF提供的ERA-40再分析风场资料作了对比和分析，包括12月16日以及12月月平均风场随纬度一高度的变化、风场随经度一纬度的变化、纬圈平均风场随纬度一高度的变化特征和规律．计算结果表明，利用卫星温度观测数据计算的风场与再分析资料的特征和规律基本一致．计算的地转风在高纬地区比梯度风和平衡风大，在中低纬地区三者的差别较小，随着纬度的增大，曲率项的影响也逐渐增大，在高纬地区不可忽略．平衡风在梯度风的基础上还考虑了大气平流项的影响，能更好地反映风场的变化特征，尤其是高纬地区经向风的变化规律．利用平衡风场的计算结果，文章首次定量地计算了平衡方程中各项的大小和比值，分析了各项的贡献和相对重要性．结果表明，重力位势梯度项的贡献最大，并且随着纬度的增大有升高的趋势；曲率项的贡献随着纬度的增大也有增大的趋势，在高纬度地区的比值超过10％；平流项占有一定的比值，其变化范围相对较大，变化规律比较复杂．

平流层爆发性增温期间大气变化特性的COSMIC掩星观测

利用高精度和高垂直分辨率的COSMIC掩星观测资料,详细深入分析了2007年冬—2008年春平流层爆发性增温(SSW)期间10～60 km高度范围内大气的变化特性,尤其是上平流层和低中间层大气的变化特性.结果表明,在SSW过程中,温度场、风场和剩余环流都发生了明显的变化.根据温度在主增温前和主增温盛期的变化特性,在水平方向,大约以55°N为界,在垂直方向,大约以42 km为界,可以将温度场在纬度-高度的分布分为4个区域:高纬下层增温区,增温幅度约高达25 K;高纬上层降温区,降温幅度约达30 K;中纬下层降温区,降温幅度约为几K;中纬上层增温区,增温也约为几K.SSW期间上下层大气纬向风场的变化规律基本相同.在纬度方向以45°N为界,45°N以北地区的西风减弱东风增强,风场变化高达50 m/s;45°N以南地区西风增强东风减弱,变化幅度比较小,约10m/s.在2008年1月下旬到2月底,大气温度和纬向风有明显的振荡现象,周期约为12天.剩余环流的环流圈在SSW期间会发生反转,由此也表明,SSW期间大气中物质的输运方向也会发生改变.

启示性方法用于分析有限差分方程的计算稳定性(英文)

通过一些典型例子讨论了在用启示性方法时从原偏微分方程推导来的稳定性条件与从差分方程展开式推导来的稳定性条件间的不同点.结果表明,对于部分有限差分方程,在用启示性方法分析其计算稳定性的过程中最好采用从差分方程推导来的展开式以期得到较合理的结果.在文章的另一部分,反证法的运用表明了从启示性方法推导来的稳定性条件并非全都是必要条件,在应用中应引起注意.

大气GPS掩星观测反演方法

大气GPS掩星观测可获得全球的大气气象参量剖面信息.本文阐述了地球大气GPS掩星观测反演原理,详细介绍了其几何光学近似反演方法和全谱反演方法,提出了将几何光学反演方法和全谱反演方法结合以形成可以处理多路径掩星数据的反演新方案.该方案和几何光学反演方法应用于GPSMET和CHAMP大气掩星数据反演,成功地获得了大气参量剖面.结果表明,新反演方案是可行的、有效的GPS大气掩星反演方案.

山基GPS掩星观测实验及其反演原理

分别在湖北省药姑山和九宫山的山头上开展GPS掩星观测实验,成功获取山基掩星观测数据,对掩星事件进行了分析和统计.给出利用山基掩星观测数据反演大气折射指数剖面和电波弯曲角的原理和算法.利用山基GPS掩星观测模拟数据,对反演方法进行试算和检验,结果表明反演方法准确可行.将该反演方法应用于观测数据的反演,获得了观测点高度以下的大气折射率剖面,以及电波弯曲角.实验结果和原理研究表明,山基掩星观测技术是一种潜在的低层大气环境监测新技术.

COSMIC大气掩星与SABER/TIMED探测温度数据比较

本文利用2009年1月—2011年12月共3年的COSMIC大气掩星观测数据与SABER/TIMED探测数据开展15～60km大气温度数据的比较分析研究,计算COSMIC与SABER/TIMED探测温度的绝对偏差(TSABER-TCOSMIC),并统计其平均温度偏差和标准偏差,分析温度偏差随高度、纬度和季节的分布特征,为COSMIC大气掩星与SABER/TIMED探测数据的应用提供更多的参考依据.结果表明:COSMIC与SABER/TIMED数据所反映的温度随高度的变化特征是一致的,数据的大体趋势吻合较好.全球范围的平均温度偏差在38km左右接近于0K,在38km以上,平均温度偏差表现为负的系统性偏差,且随着高度逐渐增大,在38km以下,平均温度偏差表现为正的系统性偏差,在23km左右存在极大值,约为2.7K.COSMIC与SABER/TIMED温度偏差的分布存在着随纬度和季节的变化特征,35km以下,平均温度偏差在高纬地区和冬季较小,低纬地区和夏季较大,35km以上,平均温度偏差在高纬地区和冬季较大,低纬地区和夏季较小.温度偏差的标准偏差在低纬地区和夏季较小,高纬地区和冬季较大.纬圈平均的温度偏差在南北半球的分布基本呈对称结构.

COSMIC大气掩星开环数据反演方法

COSMIC星座GPS无线电掩星探测利用GPS开环接收技术提高低层大气观测数据的质最和对上升掩星事件的跟踪能力.开环掩星观测数据受到GPS导航数据调制的影响,在其数据后处理中必须消除该影响以获得高质量的科学反演结果.利用GPS导航数据调制码数据和利用开环数据本身内在的关系等两种方法可以消除该影响.将上述方法应用于COSMIC的掩星事件个例反演,获得了修复的大气附加相位数据;并利用几何光学近似反演方法和全谱反演方法,获得了射线弯曲角.全谱反演方法获得的弯曲角及其温度反演结果与COSMIC数据中心的结果一致,说明我们的算法是有效的.

基于卫星数据和NRLMSISE-00模型的低轨道大气密度预报修正方法

NRLMSISE-00大气模型广泛应用于航天器定轨和预测等方面,但存在着较大的误差,尤其是在短期变化方面.为了提高低轨道大气密度短期预报的精度,我们提出了一种基于实测数据对NRLMSISE-00大气模型密度结果进行修正预报的方法:利用GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)和CHAMP(Challenging MiniSatellite Payload)卫星2002—2008年大气密度探测数据对NRLMSISE-00模型进行误差分析,获得模型的修正因子,再对模型的大气密度结果进行修正.采用该修正方法对GRACE-A和CHAMP卫星轨道上的大气密度进行3天短期预报试验验证,结果表明可显著提高大气密度的预报精度,在太阳活动低年,修正后的大气密度预报误差比NRLMSISE-00模型误差降低50%以上.

GPS测量误差对大气掩星反演精度影响分析

在无线电GPS大气掩星观测中,GPS和LEO卫星的位置误差、速度误差、卫星钟的漂移、载波相位观测误差等会给其反演的大气参量带来一定的误差.为定量分析上述GPS测量误差对大气掩星反演精度的影响,本文采用模拟分析的方法,利用CHAMP实测轨道数据和大气与电离层经验模式,采用三维射线追踪方法模拟得到大气附加相位观测数据;然后根据各种GPS测量误差的不同性质,在模拟掩星观测大气附加相位数据中加入GPS测量误差并进行反演,将其反演结果与未加入误差时的反演结果进行比较,分析各测量误差所带来的掩星反演误差的特点;利用一天的151个分布全球的掩星事件的误差结果进行统计分析.结果表明:(1)±10 m的GPS径向位置误差引起的温度反演误差的平均误差在30 km的高度为0.8K,标准偏差为0.05K;±0.4 m的LEO径向位置误差引起的温度反演误差的平均误差在30 km的高度为1.2K,标准偏差为0.07K.(2)仅考虑卫星速度误差对掩星几何关系的影响,则±30 m/s的GPS速度误差引起的温度反演误差的平均误差最大为±0.02K,标准偏差为0.3K;±10 m/s的LEO速度误差引起的温度反演误差的平均误差最大为±0.4K,标准偏差为0.06K.(3)当卫星钟漂为1×10-9时,反演温度误差的平均误差在30 km的高度为263K,标准偏差为16K,当卫星钟漂为1×10-14时,反演温度误差的平均误差在30km的高度为0.019K,标准偏差为0.004K.(4)当L1和L2载波相位观测误差分别为1 mm和2 mm时,引起的温度反演的平均误差在30 km的高度为0.01K,标准偏差为0.4K.(5)利用较接近真实观测的三维大气和电离层背景下的模拟附加相位数据,同时加入国际最新指标的各种GPS测量误差进行反演,误差分析结果为:在30 km以下,折射率和密度的相对误差小于0.3%(1σ),压强的相对误差小于0.5%(1σ),温度误差小于1K(1σ).

NRLMSISE-00大气模型与GRACE和CHAMP卫星大气密度数据的对比分析

利用GRACE(Gravity Recovery And Climate Experiment)和CHAMP(Challenging Mini-Satellite Payload)卫星2002--2008年的大气密度数据与NRLMSISE-00大气模型密度结果进行比较,分析了模型密度误差及其特点.结果显示,NRLMSISE-00大气模型计算的密度值普遍偏大,其相对误差随经纬度变化,在高纬度相对较小;相对误差随地方时变化,在02:00 LT和15:00 LT左右较大,10:00 LT和20:00 LT左右较小.通过模型密度相对误差与太阳F_(10.7)指数的对比分析发现,在太阳活动低年模型相对误差最大,而在太阳活动高年相对误差较小;将模型结果分别与GRACE A/B双星和CHAMP卫星的密度数据进行比较,发现对于轨道高度更高的GRACE卫星轨道,模型相对误差更大;在地磁平静期,相对误差与地磁ap指数(当前3 h)相关性不强,但是在大磁暴发生时,误差急剧增大.

2009年7月22日日全食电离层效应观测

首次利用廊坊中频雷达和武汉、嘉兴、廊坊等三站GPS对2009年7月22日日全食电离层效应进行了观测.日食期间,中频雷达D层78 km高度上电子密度减小了约67%,电子密度为200 cm^(-3)的高度上升了近10 km,GPS/TEC减小了1TECU左右,其变化的最大相位与日食最大相位几乎同步;日食后,观测到周期为2个多小时的电离层扰动现象.

中层顶准单色重力波特性的钠荧光多普勒激光雷达观测分析

利用2011~2013年期间60h的钠荧光多普勒激光雷达温度和风场数据,采用矢端曲线法提取廊坊上空85~95 km中层顶区域准单色惯性重力波的所有参量,并统计准单色大气重力波的活动特性。获得的85次准单色重力波事件中,上传(下传)重力波64次(21次),占总数的75.29%(24.71%)。垂直波长(水平波长)和观测周期平均值分别为6.6km(727.8km)和7.4h,分别集中在6~9km(200~800km)和2~7 h,固有周期平均值为7.76 h,主要集中在3~9 h,水平传播方向分布比较均匀,没有占主导的传播方向。对于上传重力波,水平背景风在大气重力波水平传播方向上的分量取正值和取负值的概率大致相等,但对于下传重力波,该风场分量取正值的概率大约是取负值的2倍,说明观测到的下传大气重力波在中层顶区域多为顺风传播。

廊坊中频雷达风场FCA算法的研究及应用

中频雷达是获得临近空间60～100 km范围内大气风场的重要探测设备之一.全相关分析方法是空分天线模式中频雷达的一种重要风场反演方法,通过介绍全相关分析方法算法的一般理论,根据廊坊中频雷达的天线配置,分别研究了利用三副天线数据与四副天线数据的风场反演算法FCA-3A和FCA-4A,讨论给出了全相关分析方法的剔除标准.用廊坊中频雷达实测的回波相位和振幅,得到由该算法反演的大气风场.为验证算法的可靠性,将其结果与ATRAD公司的反演结果进行比较.结果显示大气纬向风和经向风随时间和高度的变化特性基本一致.FCA-3A与FCA-4A的风场反演结果基本一致,FCA-4A略好于FCA-3A.

临近空间全球温度场三维变分同化

以TIMED\SABER红外温度探测数据为观测值,WACCM模式预报场为温度背景值,采用三维变分同化方法,获取了20~100 km临近空间范围的全球大气温度场,三维变分同化后,临近空间全球温度场的分布发生了明显的变化,经验证算法可行。利用统计学方法对同化结果进行评估,结果显示,三维变分同化后临近空间全球温度场误差整体减小,三维变分同化前的温度背景场误差最大可达17 K,三维变分同化后的温度分析场最大误差减小至7 K以内,同化效果明显。该算法可用于为临近空间大气环境预报模式提供更精确的初值场。

中国廊坊中间层和低热层大气平均风观测模拟

利用中国廊坊站(39.4°N,116.7°E)流星雷达在2012年4月1日至2013年3月31日的水平风场观测数据,分析廊坊上空80~100 km的中间层与低热层(Mesospherc and Lower Thermosphere,MLT)大气平均纬向风和经向风的季节变化特征.结果表明平均纬向风和经向风都表现出明显的季节变化特征.平均纬向风在冬季MLT盛行西风,极大值位于中间层顶,随高度增加西风减弱;在夏季中间层为东风,低热层为强西风,风向转换高度约为82 km.平均经向风在冬季以南风为主,在夏季盛行北风.纬向风和经向风在春秋两季主要表现为过渡阶段.流星雷达观测结果与WACCM4模式和HWM93模式模拟的气候变化特点基本一致,但WACCM4模式纬向风和经向风风速偏大,而HWM93模式纬向风和经向风风速偏小.

太阳活动突发过程对临近空间大气影响的模拟

空间天气对地球及近地空间具有重要影响,大的空间天气事件对中上层大气动力学和成分具有不同的影响。利用全大气耦合模式WACCM,针对太阳耀斑、太阳质子、地磁暴三类事件,以太阳活动平静期2015年5月10-14日的GEOS-5数据为模式背景场,通过F_(10.7)、离子产生率、Kp及Ap指数设置,分别模拟三类事件对临近空间大气温度、密度和臭氧的影响。结果表明耀斑事件在三类事件中对临近空间大气温度和密度的影响最为显著。平流层大气温度增加是由耀斑辐射增强引起平流层臭氧吸收紫外辐射发生的光化学反应所致,耀斑事件引起平流层和低热层温度增加约为2~3 K,低热层大气相对密度增加在6%以内;太阳质子事件及磁暴事件主要影响低热层,但太阳质子事件和磁暴事件对低热层温度扰动不大于1 K。

临近空间38°N大气密度特性及建模技术

针对临近空间大气环境复杂时空变化的定量表征和仿真建模,基于11年TIMED/SABER大气密度数据,采用网格划分和数学统计的方法,得到了38°N大气密度在20~100 km的气候平均值和标准差。定量结果用于表征和分析了静态缓变气候平均态以及动态瞬变大气扰动态的变化规律,结果表明,38°N大气平均密度随高度、季节、经度变化显著。在此基础上,提出了临近空间大气密度表征为气候平均量和大气扰动量之和的建模方法,并建立了大气随机扰动自回归模型,通过仿真试验及与激光雷达大气密度实测数据的比较,结果表明该建模方法可行。