中国科大蒙城流星雷达观测中间层-低热层大气风场和潮汐研究

中国科学技术大学蒙城流星雷达(33.4°N,116.5°E)自2014年4月运行以来,已经持续观测超过了8 a。本文报道了该流星雷达8 a的水平风场和大气潮汐波动观测结果。另外,给出了该流星雷达观测和Navy Global Environmental Model-High Altitude(NAVGEM-HA)模拟的对比结果。观测结果表明在北半球较低中纬度地区,流星雷达观测的流星数量存在明显的周日变化,流星数量在当地时间的上午增多,在午后和夜晚降低。同时流星数量也存在明显的周年变化,在9和10月份出现大值,在2月份出现低值。此外,北半球较低中纬度地区中间层-低热层大气水平风场存在明显的周年变化,在84 km以上,纬向水平风场在夏季表现为东向风场,冬季表现为西向风场;而在84 km以下,冬季为东向风场,春季为西向风场。经向风场则表现出冬季为北向风场,夏季为南向风场。此外,大气风场存在明显的太阳热力潮汐波动,主要表现为周日潮汐,半日潮汐次之。其中纬向和经向周日潮汐均在春季3月份出现了最大值,振幅分别可达到40和30 m/s,而在秋季9月份出现较大值,振幅分别可达到30和25 m/s。周日潮汐振幅基本表现为在春秋分日附近出现增强,在冬夏至日附近出现减弱的特征。半日潮汐主要在90 km高度以上出现明显增强,而在季节变化特征上,在春季(4月)和秋季(9月)出现明显的增强。

武汉上空中层和低热层大气潮汐的流星雷达观测

武汉流星雷达是2002年元月建成的我国第一部全天空流星雷达,本文对2002年2月19日到7月31日流星雷达观测的潮汐的讨论表明,武汉中层顶以周日潮汐为潮汐运动的主要分量,它的强度远大于半日潮汐,周日潮汐和半日潮汐的波源都在80km以下.周日潮汐分量在3、4月份最强,并且经向分量略强于纬向分量.两个分量的峰值在约95km处出现,分别达到44m/s和60m/s.半日潮的最大值24m/s出现在4月初约93km处.周日潮汐和半日潮汐的振幅和相位随时间呈现出拟周期变化的特征,这可能是潮汐与行星波非线形相互作用的结果.观测结果与GSWM模型的比较表明, GSWM模型在相位随高度变化趋势上与观测结果一致,但模型的周日潮相位比观测约超前1-2h,半日潮相位约滞后1-4h.在周日潮汐较强的月份,模型与观测有较大的差异,观测的幅度通常在95km附近有极大值,而模型并没有极大值. GSWM模型对半日潮的幅度的估计通常过小,观测的半日潮汐幅度有时甚至超过模型值的一倍以上.

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。

东经120°E中间层和低热层大气潮汐及其季节变化特征

利用为期一年的卫星遥感温度(SABER/TIMED)资料重建了120°E子午圈内中间层和低热层大气潮汐各主要频率分量(周日、半日和8小时潮汐).这些主要频率分量随高度振幅增大,在97km高度达到显著的振幅;其中迁移性周日潮汐在97km高度出现极大振幅,然后随高度衰减.本文从考察迁移性成分和非迁移性成分各自在总潮汐中贡献角度出发,着重讨论了那些对形成该子午圈中97km高度上整体潮汐扰动起控制作用的潮汐成分.结果显示,对周日和半日频率这两种潮汐而言,迁移性成分控制了它们的总体时空分布.在春分季节,迁移性周日潮的控制作用最显著,决定了赤道和两半球热带的活动中心;其中北半球副热带地区的季节变化形势与以往利用武汉(30°N,114°E)流星雷达风测量资料开展分析得到的结果是一致的;其他季节受非迁移性成分明显影响,例如,在本文关注的2005年中,夏至季节受(1,0)模、(1,-3)模和(1,-2)模的共同影响形成了从赤道向南延伸的活动中心,极值中心位于赤道附近,振幅达到了20K以上,是全年的最大值.受迁移性成分控制,半日潮活动主要出现在两半球热带地区,北半球活动中心位于秋分季节(振幅达到13K),南半球活动中心位于春分和夏至之间.其他季节受非迁移成分的影响,形成若干分布在两半球的活动中心.在本文关注的40°S^40°N范围内,与周日潮和半日潮相比,8小时潮汐具有显著较低的振幅;另外,虽然迁移性成分在一年中的大部分时间系统地分布在两半球热带地区,但是非迁移成分具有与迁移性成分相当或更大的振幅,在整体上控制了这种潮汐的时空分布.

低热层大气探测立方星翱翔一号轨道寿命分析

西北工业大学翱翔一号作为欧盟第七框架协议-QB50立方星网络大气探测项目中50颗立方星中的一员，将通过搭载多种大气传感器实现对于低热层大气中性粒子、带电离子、大气阻力参数等的全面探测。对翱翔一号在低热层飞行过程中影响其轨道寿命的主要因素进行分析，并针对不同的发射月份采取多种大气模型进行了分析与仿真，通过仿真可以看出同一个月内发射，当采用不同大气模型时轨道的寿命具有差异。采用同一大气模型，在不同的月份进行发射，立方星的在轨天数也不同，大约在90～120天之间。由于QB50项目中50颗立方星质量相近，轨道高度、轨道倾角相同，因此，文中的研究工作对整个卫星网络的在轨时间估计、任务规划、对各卫星再入返回时间估计分析有重要借鉴意义。

平流层、中间层、低热层大气加热过程特性研究

本文计算了平流层、中间层和低热层大气中各种光化过程的加热率与大气的冷却率，并且给出了20—140km的大气净加热率的昼夜变化特征．为大气潮汐波的研究提供了基础．

中纬度冬季低热层潮汐非线性相互作用的MF雷达观测

采用武汉(30°N,114°E)MF雷达在2001年冬季的风场观测数据研究中纬度低热层大气潮汐之间的二阶非线性相互作用.经向风场的Lomb-Scargle归一化振幅谱表明,周日、半日和8 h潮汐是中纬冬季中层顶区域占优势的大气扰动;此外6 h潮汐也清晰可见.双相干谱分析揭示大多数显著的双相干谱峰代表潮汐谐振分量之间的相位互相关或单个潮汐分量的自相关.对随时间变化的潮汐垂直波长的比较发现,实际观测的8h潮汐垂直波长与假定的由观测的24 h潮汐和12 h潮汐非线性相互作用产生的8 h潮汐的理论垂直波长具有明显的一致性.在94.0°98.0 km高度范围,周日、半日和8 h潮汐之间不仅存在明显的相位相关和垂直波数相关,且它们的振幅随时间变化也显示出振荡幅值相近、振荡相位同步或反相的相关性,表明它们之间已经发生了二阶非线性相互作用.但是在94.0 km以下,三个潮汐分量之间的各种相关性随高度的下降变得越来越弱,因此潮汐二阶相互作用更可能是一种局地和暂态的现象.

中纬度冬季低热层潮汐水平风分量相位关系的MF雷达观测

采用武汉(30°N,114°E)MF雷达在2001年冬季的风场观测数据研究中纬度低热层大气潮汐水平风分量之间的相位关系.统一用弧度定义的各潮汐经纬向分量的拟合初相位在三个连续的高度上分别显示出相同的时间变化倾向和相近的相位差,但是在绝大多数观测时间Δ((?)24)和Δ_((?)12)准正交,而Δ_((?)8)出乎意料地准同相.周日、半日和8h潮汐经纬向分量的二次相位耦合(QPC)方程被分别估计出来,利用它们相减还得到一个潮汐相位差相关方程.推测的8h潮汐相位和相位差与相应的观测值很好地符合.在第14个时间窗内,三个潮汐一般表现为椭圆偏振而不是圆偏振或线偏振,但是Δ_((?)24)和Δ((?)12)在三个连续的高度上准正交,而Δ_((?)8)在92.0和94.0km上准同相.因此估计的潮汐QPC方程、推导的潮汐相位差相关方程、观测的8h潮汐准同相相位差以及典型的潮汐偏振图都是观测的周日、半日和8h潮汐之间真实QPC的反映.

北京MST雷达探测中间层-低热层观测结果初步分析

北京MST雷达是子午工程建设的国内仅有的两部MST雷达之一,为研究其在中间层-低热层MLT区域的探测能力以及数据可靠性,本文应用北京MST雷达2012、2013两年高模式数据,从数据获取率、与廊坊流星雷达测风对比以及风场时空分布特征三个方面进行初步分析.结果是：（1）数据获取率日变化特征为：白天65-100km均可获取数据,数据获取率的高值区主要集中在70-80km,最大值可达80%;夜间主要集中在80-100km,数据获取率在30%及以下.表明该MST雷达白天可以探测到电离层D层和E层低层,夜间D层消失,只探测到E层低层.季节变化特征为：夏季白天可获取数据的时间和高度区间都比较大,春季次之,冬季最小.夏季白天以及日落后1h内可探测到120km.（2）对北京MST雷达与廊坊流星雷达2012年5月份、80-100km高度区间测量的水平风进行对比分析,二者测风结果在时空分布上有很好的一致性,表明MST雷达探测数据是可靠的.（3）2012年和2013年相应月份平均的纬向风、经向风时空分布特征有较高的一致性,并与HWM07模式结果也基本一致.上述初步分析结果表明,北京MST雷达对中间层-低热层60-120km高度区域已具备较强的探测能力,所得结果将可用于MLT过程揭示与驱动因子研究,并可与该高度上其他探测手段作综合研究.

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.

低热层臭氧含量振荡和温度起伏间的耦合关系

本文求出了声重波传播过程中,低热层臭氧含量振荡和温度场起伏间的耦合关系。首次揭示出其正负相关性的内在原因和判据——动力扰动尺度。在中小尺度声重波扰动范围内,臭氧含量振荡与温度场起伏是正相关的,且相关幅度可达或超过7;而在大尺度或行星尺度波范围内,则一般为负相关。此发现可解释低热层中臭氧含量快速变化及臭氧含量长时间纬圈平均值变化与温度场成负相关的观测事实。本文还在声重波尺度范围内比较了线性和非线性理论的结果,结果表明两者没有太大的差异。

中间层与低热层二氧化碳体积混合比的年际变化特征研究

利用17年的SABER(Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry)Level2C数据研究了中间层与低热层大气(MLT, Mesosphere and Lower Thermosphere) CO2 VMR(Volume Mixing Ratio)的年际变化特征.使用多元线性回归模型对双月平均时间序列拟合,定量地提取各变化特征.结果表明,SABER CO2 VMR长期趋势在中间层保持在5.5%/decade左右,在中间层顶和低热层降低至4.5%/decade左右;结果与模式预测在统计意义上相符.长期趋势没有显著的纬度差异,但在各纬度上都具有明显的季节依赖,MLT CO2 VMR长期趋势的季节性改变源自低层大气长期趋势季节性改变.SABER CO2 VMR对QBO (Quasi-Biannual Oscillation)和ENSO (El Nino-Southern Oscillation)在绝大多数区域没有统计显著的响应;对太阳活动11年循环以负响应为主,在部分区域出现的微弱正响应目前没有合适的物理机制解释.

黄河站低热层中性风对极光亚暴的响应

为了研究极光亚暴期间低热层中性风的行为,使用2017年1月25日—2017年1月27日UT北极黄河站(北纬78°55′、东经11°56′)的全天空法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Perot interferometer, FPI)OI 557 nm干涉环图像,反演出水平风场和垂直风场,结合地磁Kp、AE指数以及离子风速,研究了亚暴期间影响低热层风场的因素。结果表明:地磁活动与低热层中性风具有相关性。本次观测的事件中,地磁平静期水平风均值50m·s^(-1),垂直风均值3m·s^(-1),地磁活跃期水平风均值80m·s^(-1),离子拖拽和焦耳加热增强中性风的运动,强地磁活动会引发垂直风风切变现象,离子拖拽主导中性风的运动。

东经120°E中间层和低热层纬向风结构及变化特征

利用热层-电离层-中间层能量和动力学卫星(TIMED)上搭载的多普勒干涉仪(TIDI)获取的为期9年的纬向风数据,考察了东经120°E子午圈中间层和低热层(MLT)平均纬向风的典型结构和变化特征.结果表明,在热带外尤其是中高纬度地区,TIDI观测结果与当前通用的中层大气经验模式有较好的一致性.但是在热带地区,观测与模式显著不同.在TIDI测量覆盖的所有高度(80—105km)上,热带地区纬向风持续地表现为东风,形成一个以赤道为中心的东风带.为期9年的观测数据显示,该东风带的宽度平均为37.5,平均变化幅度约为14.

中国廊坊(39.4°N,116.7°E)中间层和低热层潮汐的季节变化

本文利用中国廊坊站(39.4°N,116.7°E)流星雷达在2012年4月1日至2013年3月31日期间的水平风场观测数据,分析了廊坊上空中间层和低热层(MLT,80~100 km)大气纬向风、经向风潮汐的季节变化特征.研究表明:廊坊MLT区域周日潮汐和半日潮汐波动比较显著,有明显的季节变化特征.周日潮汐振幅在88 km以下为半年变化,极大值位于2-3月和10月,极小值位于冬、夏季;在88 km以上为周年变化,振幅冬末春初最强,夏季最弱.周日潮汐相位在秋、冬季比春、夏季提前.半日潮汐主要呈现半年变化,在5月和9月最强,冬、夏季最弱.半日潮汐相位在春、夏季比秋、冬季提前.此外,廊坊风场潮汐的观测结果与WACCM4模式模拟结果进行比较,结果表明两者的主要特征相似,在细节上有显著区别.与40°N附近其他站点风场潮汐观测结果的比较结果表明中纬度MLT风场潮汐有显著的随经度变化特性.

北京上空热层钠层的激光雷达观测

热层金属层位于电离层E层和F层的过渡区域,为研究105~200 km之间的中性和电离成分的相互作用过程提供了独特的示踪剂.为更好地了解热层金属层的来源和形成机制,本文基于北京延庆台站(40.42°N, 116.02°E)的高精度钠荧光共振激光雷达的数据,根据观测到的热层钠原子层的形态特征和出现规律等以及参考先前的研究报道,将该台站上空的热层钠层主要归类为四种:低热层突发钠层、天亮前热层-电离层钠层、午夜热层-电离层钠层和中纬度热层-电离层钠层.我们对最后一种热层钠层进行了仔细研究,基于2018—2020年415个观测夜共约3914 h的数据,找到了17个该事件(出现率仅4.1%,且多发于冬季).在14个完整事件中,仅约35.7%(5/14)的事件出现时间与附近地基台站观测到的电离层突发E层相似,但均早于电离层突发E层;剩下的9次事件与最近的突发E层的时间相差范围为2.5~8.6 h.因此,我们认为中纬度热层-电离层钠层与电离层突发E层相关性较弱,它应该有着其他可能的形成机制.

基于中国中东部多站流星雷达的二维风场观测研究

全天空流星雷达广泛应用于中间层-低热层大气水平风场的观测,为研究该区域大气风场的变化特征提供了重要数据支持.目前流星雷达主要采用单站观测模式,没有水平分辨率,并且只能探测流星区域的大气平均水平风场.为了得到更加丰富且精准的中间层-低热层大气风场信息,本研究介绍了建设在中国安徽地区的多站流星雷达系统,该系统包括安装在蒙城(33.36°N,116.49°E)的一台单站流星雷达和长丰(31.98°N,117.22°E)的一台远程接收机,两地直线距离约为167 km.相比于单站流星雷达,多站流星雷达系统探测到的前向散射流星数目增加了约70%,并且一般可以提供400 km×400 km以上的水平观测区域.除此之外,多站流星雷达系统还可以提供更加丰富的流星观测角度.新多站系统可以实现中间层-低热层大气二维水平风场的观测,在获取平均水平风场以及风场水平梯度的同时,还可以估计水平风场的散度、相对涡度和拉伸、剪切形变信息.多站流星雷达能够提供更多的水平风场参数,对进一步研究中间层-低热层区域的大气动力学过程具有重要意义.不仅如此,未来即将建成的多站流星雷达观测网将会实现中国中东部地区上空的中间层-低热层大气高时空分辨率的三维风场观测,这将有利于促进我们对中间层-低热层区域内的各类波动过程的理解.

平流层爆发性增温事件中大气准16日行星波

2014年1月上中旬高纬平流层发生弱增温事件,增温幅度约25 K,纬向西风减弱并于2月初转向.行星波在平流层爆发性增温(SSW)事件产生中具有重要作用.利用北半球近东经120°链上中低纬5个流星雷达探测的风场数据,研究了此SSW事件发生前和发生期间中间层和低热层区(MLT)大气风场的行星波状况.结果显示,极区平流层增温前MLT区大气呈现出明显增强的准16日波动,增温达到最大时,16日波也最强,表明中低纬MLT区的行星波变化与SSW事件存在耦合关系.进一步利用欧洲中心平流层再分析资料数据,分析SSW期间北半球平流层的波动和零风线状况,发现平流层准16日波和零风线随时间由低纬向高纬移动,反映出16日波与SSW之间存在某种动力学联系.

临近空间大气环境研究现状

临近空间指高度位于(20～100)km之间的地球大气层.简要综述临近空间的已有了解和研究前沿,包括基本状态、主要过程与控制因子.介绍了基于已有探测资料的经验模式的建立和基于基本物理定量规律和数值模拟方法的中层大气环流和化学气候数值模拟.最后从临近空间大气环境保障应用角度提出研究的新建议.

TIMED卫星探测的全球大气温度分布及其与经验模式的比较

利用TIMED卫星遥感探测的全球温度分布与NRLMSISE-00大气经验模式进行了对比研究．研究表明,在中间层下部以下的高度范围内,经验模式与卫星探测的大气温度分布有很好的一致性．但是比较发现,在中层顶区域,经验模式的计算结果与实测结果有较大的差异．卫星探测表明,在春分季节的低纬地区中层顶区存在稳定的逆温层,但是经验模式不能给出低纬地区春分季节中间层逆温层的分布特征．卫星观测表明在全球范围内中层顶有两个非常不同的高度,一个处于100km附近,另一个处于85km附近,但是经验模式不能给出这一中层顶高度的分布特征．同时在低热层,经验模式计算的温度分布与卫星遥感的探测结果有很大的差异．